袋装材料自动化立体仓储系统的设计与实现.pdf

1032023 年第 19 期/EQUIPMENT TECHNOLOGY设备技术袋装材料自动化立体仓储系统的设计与实现高灼均广州起重机械有限公司 广州 510405摘 要：自动化立体仓储是一种采用高层立体货架存储货物，使用堆垛机、穿梭车、输送线等设备进行存取作业，并采用计算机对机械设备以及货品信息进行调度和管理的现代化智能仓储系统。文中通过某企业的自动化立体仓储项目举例分析，对袋装原材料的自动化立体仓储系统的设计与实现提出相应的解决方案，并针对性地提出设计要点，对自动化立体仓储系统的设计具有借鉴作用。关键词：货架系统；电气控制系统；仓库管理系统；设备调度系统中图分类号：TP273 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2023）19-0103-08Abstract:Automated storage and retrieval system(as/RS)is a kind of modern intelligent storage system,which uses high-level three-dimensional shelves to store goods and uses stackers,shuttles,conveyor lines and other equipment in access operations,and dispatches and manages mechanical equipment and goods information with the help of computers.In this paper,the automated three-dimensional storage project of an enterprise is analyzed as an example,and the corresponding solutions for the design and implementation of the automated three-dimensional storage system of bagged raw materials are put forward,and the design points are put forward,which can serve as a reference in the design of automated three-dimensional storage system.Keywords:rack system;electrical control system;warehouse management system;equipment scheduling system0 引言随着产能的不断提升，对于如何提高仓库的利用空间，减少货物在存储过程中可能会出现的信息差错，提高货物的转运效率等成为了企业迫切需要解决的问题。仓储的有效管理以及成本控制已经成为影响产品市场竞争力的关键因素。自动化立体仓储系统集成了计算机控制、网络信息、数据通信、物资信息自动识别等先进技术，可实现仓储收发作业机械化、管理数字化、存储单元立体化、信息传输网络化和安全监控可视化。本文以某化工企业自动化立体仓储项目为背景，探索研究自动化立体仓储的系统组成，实现了仓储管理的智能化。1 系统概况示例项目存储的物料为袋装原材料，储存所用容器为塑料托盘和木制托盘。货物单元每垛 40 包，每包 25 kg。立体仓库总高为 20.68 m，存储层数为 10 层，存储货位数 5 736 货位，同时出入库效率为 60 托/h，其中入库 40 托/h，出库 20 托/h。项目由货架系统、电气控制系统（以下简称 ECS）、仓库管理系统（以下简称WMS）、设备调度系统（以下简称 WCS）组成。设备类型包括堆垛机、穿梭车、输送机等。其中堆垛机数量3 台，穿梭车数量 2 台，输送机、拆/码盘机、移栽机等设备数量 65 台。按照区域划分为车间托盘货物输送区、立体仓储区、库前输送区和发货盘点区，总体布置如图 1 所示。2 系统工艺流程设计自动化立体仓储系统由计算机系统进行监视和控制，计算机监控中心室设置在中控室。在出入库输送系统中需要确认货物信息的设备上配备固定式条码扫描仪，发货及异常处理工位配置手持式条码扫描仪。通过高灼均.袋装材料自动化立体仓储系统的设计与实现 J.起重运输机械，2023（19）：103-110.引 用 格 式104/2023 年第 19 期1.发货盘点区 2.库前输送区 3.车间托盘货物输送区 4.立体仓库区图 1 总体布置图读取条码信息，自动完成产品信息的录入、入库指令生成等操作。操作人员也可通过手持条码扫描仪完成对货物信息的识别及相关信息录入等操作。2.1 托盘货物入库流程如图 2 所示，操作人员将码垛完毕的托盘输送至入库输送机上，输送机运行带动托盘前进，安装在入货口的外形检测装置自动对输送机上的托盘货物进行检测。若外形检测不合格，系统发出报警提示信息，提示操作人员重新对托盘进行整理后再入库。外形检测合格的托盘，由系统分配存储库位并调配堆垛机将托盘存放到相应的存储位，完成入库操作。图 2 入库流程图2.2 托盘货物出库流程如图 3 所示，WMS 接受出库订单，在系统中生成出库指令，系统自动调度堆垛机将货物取出后放到出库输送机上，最终将货物输送至出库口，LED 显示屏上显示托盘的相关信息，操作人员通过叉车将实托盘装车。图 3 出库流程图2.3 空托盘回库流程如图 4 所示，实托盘经过托盘转换器，货物与塑料托盘进行分离并转换为使用木托盘进行承托，塑料托盘输送到码盘机进行码盘，码盘至 9 层后通过穿梭车摆渡到对应巷道进行入库。EQUIPMENT TECHNOLOGY设备技术1052023 年第 19 期/EQUIPMENT TECHNOLOGY设备技术图 4 空托盘回库流程图2.4 空托盘出库流程如图 5 所示，WMS 接收生产线的需求信息，系统生成出库指令并调度堆垛机将货物取出后放到出库输送机上，通过输送线和穿梭车，将空托盘输送至生产线。图 5 空托盘出库流程图2.5 盘点流程如图 6 所示，操作人员根据盘点需求，在 WMS 中生成盘点指令，系统生成盘点指令并调度堆垛机将货物取出后放到交接口输送机上，货物最终被输送至盘点位置。图 6 盘点流程图3 货架系统设计3.1 货架参数简介货架系统是自动化立体仓储的重要组成部分之一。自动化立体仓库货架主要有焊接式货架和组合式货架 2种基本形式。本项目采用横梁式双货位组合货架，货架主要由货架片、横梁、上/下轨道、水平拉杆、垂直拉杆、吊梁、端部网架等构件组成。货架各构件在工厂制造，在现场组装并用螺栓联结紧固。货架外形尺寸为 71.45 m19.1 m20.685 m（长 宽 高）；货位数为 12排 23.5 列 2 货位 10 层+96=5 736 货位；单元载重（含托盘）1 050 kg；抗震烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.10 g。3.2 主要构建1）柱片 横梁式货架的柱片由立柱、横撑、斜撑用螺栓及防松螺母联结而成。立柱孔距为 75 mm，横梁可以在货架全高范围内做间隔为75 mm的调整（见图7）。2）横梁 采用双 C 形梁嵌合而成，横梁采用挂件与立柱连接，并插入保险销来保证货架的安全性，具有优良的连接精度。3）上/下轨道 上/下轨道是保证堆垛机运行平稳及可靠的重要保障，其型号主要根据堆垛机的自重、载重、运行速度等参数选定。本项目上轨道采用 100 106/2023 年第 19 期mm100 mm5 mm 的方轨，上轨道安装在货架吊梁上，采用螺栓连接。下轨道采用 30 kg/m 的轻轨，安装在化学螺栓固定的轨道垫板上，为减少堆垛机运行的振动和噪音，下轨道和垫板之间垫有高强度橡胶。图 7 柱片示意图3.3 安装精度要求货架安装精度要求立柱直线度 L/1 000，且 5 mm；立柱垂直度 15 mm；同层货位高低差度误差 3 mm；上轨道直线度轴距内 1.5 mm，全长 3 mm，轨道接头处两侧各 0.1m 范围内高差 0.5 m；下轨道直线度轴距内 1.5 mm，全长 3 mm；不平度轴距内 1.5 mm，全长 3 mm；轨道接头处两侧各 0.1 m 范围内高差 0.5 mm。4 电气控制系统设计4.1 总体设计方案ECS 由逻辑控制器、检测元件和执行元件等组成。ECS 采用分布式控制方式，接收 WCS 的调度指令，实现对托盘输送系统、堆垛机、穿梭车等控制；同时 ECS将获取到的货物及设备信息上报给 WCS，使 WCS 实时掌控设备的运行状态及指令的执行状态，以便及时调整调度及控制策略，实现智能化调度及控制。ECS 软件和硬件均采用模块化设计，具有成熟度高，复用性强等特点。ECS 由若干 PLC 分区组成，WCS 通过信息系统软件（以下简称 OPC）与各个 PLC 进行通信，PLC 之间通过以太网总线进行通信。PLC 控制分区内部通过现场总线构建分布式控制系统。控制系统架构如图 8 所示。图 8 控制系统架构图4.2 系统网络项目系统采用以太网组建管理与调度系统网络，实现 WMS/WCS 内部及 ECS 与 WCS 之间通信，网络介质采用光纤（通讯距离大于 100 m）或超 6 类屏蔽双绞线（通讯距离小于 100 m）通信，通过网络交换机，完成 WCS 系统与 ECS 系统中各个 PLC 主站间高速、可靠和方便的信息交互和调度控制。采用开放式的高速以太网，组建分布式控制系统网络，实现控制系统中各PLC 之间及与现场各个分布式从站之间的通讯。控制系统网络中，主控柜（以下简称 MCP）与远程控制柜（以下简称 CPL）之间采用工业以太网 Profinet 连接，使用超六类屏蔽双绞线完成现场通信线缆的敷设。堆垛机、穿梭车与地面 MCP 采用红外光通信。控制系统网络设计的节点数按标准进行预留，以满足系统扩展要求，并使 ECS 系统运行得更稳定、可靠、高效。系统网络示意如图 9 所示。图 9 系统网络示意图EQUIPMENT TECHNOLOGY设备技术1072023 年第 19 期/EQUIPMENT TECHNOLOGY设备技术4.3 系统控制模式系统整体控制包含联机在线全自动、单机自动、手动和维修 4 种控制模式。1）维修模式 在维修模式下，设备可通过触摸屏或手动按钮点动操作运行，人工对各电动机进行正、反转启动停止操作。维修模式下，变频驱动的设备均按低速运行，电动机均为点动运行，以免出现故障。维修模式除急停或基本的安全保护回路外，逻辑检测回路均被屏蔽。维修模式用于程序投产前的调试和元器件故障时的检修。2）手动模式 在手动方式下，设备可通过触摸屏或手动按钮操作设备，人工对各电动机进行正、反转启动停止操作，并执行完一个完整的运动流程。手动模式下，变频驱动的设备均按正常速度运行，电动机可根据逻辑设定执行运动。手动模式可用于系统动作逻辑和传感器元件的调试、一般的设备故障处理和设备的手动输送操作。3）单机自动模式 控制系统在单机自动方式下与上位计算机离线，通过人工输入的指令实现对各输送设备的自动控制，实现物流上点对点的操作作业等。单机自动模式下，系统可按单个命令的作业方式，根据系统传感器检测，自动对各输送设备的自动控制、运动的启停和运动中数据的跟踪，实现货物的物流作业。单机自动模式用于在上位计算机离线时的系统调试和货物存取。4）在线全自动模式 控制系统通过在线全自动控制方式由计算机下达命令，控制系统接收后实现对各设备的自动控制，实现对物流和数据流的自动传输，并在上位计算机系统上实时显示并作日志记录。系统可根据设备的运行状态和指令的优先顺利，实时调整物流线路的规划和货物的运动流程，柔性地实现物流和信息流的高度统一。4.4 堆垛机有轨堆垛机是自动化仓储物流系统中的核心设备，用于存储单元出入货架的搬运作业，具有速度快、效率高、安全可靠等优点。堆垛机通过仓库电气控制系统与上位监控管理系统联机组态后，与地面输送系统、高层货架和托盘等一并组成了完整的自动化仓储物流系统，从而实现货物存取、传输和分拣等。堆垛机主要由龙门架、底梁（含行走机构）、载货台、货叉、提升机构、上/下轨道、安全机构、检测机构、控制系统、供电滑触线等组成。本项目堆垛机采用双立柱直行双深位单工位堆垛机，堆垛机额定载荷 1 050 kg，载货单元尺寸为1 300 mm1 100 mm1 350 mm。堆垛机运动控制系统要同时满足快速、平稳和准确 3 个方面的要求，故速度的控制至关重要。本项目堆垛机的水平行走、垂直提升和左右方向的取送货动作均采用变频无级调速。堆垛机设计的水平行走速度为 0 120 m/min，水平行走加速度为 0.35 m/s2；垂直升降速度为 0 40 m/min，垂直升降加速度为 1 m/s2；货叉伸缩速度为 30/60 m/min，货叉伸缩加速度为 0.5 m/s2。垂直升降和水平行走采用激光定位，货叉运行采用编码器和接近开关方式进行定位。水平方向定位精度为 5 mm，垂直方向和货叉定位精度 为 3 mm；堆垛机与地面控制系统采用大带宽红外光进行通信。堆垛机如图 10 所示。图 10 堆垛机示意图108/2023 年第 19 期4.5 往复式穿梭车往复式穿梭车是一种在直线轨道上运行，用于货物水平搬运的设备，具有简单可靠、调度灵活等优点。往复式穿梭车主要由行走机构、输送设备、导轨、检测装置、控制系统等组成。穿梭车在接收到作业指令后，通过精确认址方式定位于指定输入工位，接收物料后进行往复穿梭运行，将货物输送到指定输出工位。本项目穿梭车额定载荷 1 050 kg，载货单元尺寸为 1 300 mm1 100 mm1 350 mm。往复式穿梭车的水平行走、垂直提升和左右方向的输送动作均采用变频无级调速。水平行走采用激光定位，升降和输送采用光电开关方式进行定位。水平运行速度为 0 120 m/min，加速度为 0.6 m/s2，定位精度 3 mm；输送机输送速度 018 m/min，定位精度 5 mm；升降速度 0 25 m/min，定位精度 5mm；轨道采用 30 kg/m 轻轨；穿梭车与地面控制系统采用大带宽红外光通信方式。穿梭车如图 11 所示。图 11 穿梭车示意图4.6 托盘转换器托盘转换器是一种实现将负载从原有托盘分离转移到另外一种托盘上的设备，由底座、旋转体、旋转机构、上夹臂、下夹臂、侧臂、辊道、电气控制箱及液压站组成；上下夹臂上带有辊道，与外部（输送单元）连接实现自动传输功能。本项目托盘转换器的主要功能为将负载从塑料托盘转移到木制托盘，以实现塑料托盘的回库。项目采用的托盘转换器总体尺寸为 2 5601 900 mm3 100 mm；旋转机构、夹臂机构、侧臂机构均采用液压驱动；旋转幅度为 180；旋转速度为 2.5 r/min；输送速度为 18 m/min；全流程动作时间控制在 24 s 内。托盘转换器如图 12 所示。图 12 托盘转换器示意图4.7 拆/码盘机托盘拆/码盘机是托盘出入库系统的专用设备，托盘拆盘机可同时用于拆/码托盘。拆盘机用于将已经码好的空托盘垛逐一发放到输送系统中，用于码货。码盘机用于将空托盘逐一进行叠放，用于空托盘的叠放入库。本项目拆/码盘机输送速度 18 m/min；效率 3 p/min；叠放层数为 9 层，叠盘定位精度 10 mm。拆/码盘机如图 13 所示。图 13 拆/码盘机示意图5 仓库管理与调度系统的设计自动化立体仓储自动调度及监控和管理系统负责对EQUIPMENT TECHNOLOGY设备技术1092023 年第 19 期/EQUIPMENT TECHNOLOGY设备技术立体库的所有工艺设备进行逻辑的控制、监控和管理，使立体库的所有工艺设备按照工艺和作业流程协调运行，实现自动化立体库工艺设备的联机在线全自动控制，实时监控，并对库存货物进行相应管理。5.1 仓库管理系统5.1.1 仓库管理系统结构WMS是对物料进行管理的软件，集成出入库业务、盘点业务、调拨业务、LED信息显示、作业状态仿真监视、报警显示等相关功能。仓库管理系统分为系统设备硬件及仓库管理软件 2 部分。系统硬件按工业标准配置，其主要设备包括：数据库服务器、工作站、手持终端、磁盘阵列等。仓库管理系统全部采用图形用户界面，有相应的操作提示和操作指导功能，任务之间切换便捷。数据录入可接受手工键盘输入、条码识别系统输入或其他快速输入方法。软件设计采用模块化和层次化，系统软件层次结构如图 14 所示。图 14 系统软件层次结构图5.1.2 软件功能架构设计根据项目的需求，本项目系统 WMS 功能划分为仓库业务管理、基础数据管理、系统管理、查询统计、设备运行监控、库存预警、报表分析、系统数据备份和信息系统接口等功能模块。5.2 仓库控制系统5.2.1 仓库控制系统结构WCS 位于 WMS 和物流设备之间的中间层，实时与 WMS 进行信息交互，接受 WMS 的任务，并将指令分解下达到底层 PLC，从而驱动输送机、堆垛机等自动化设备动作。同时 WCS 对物流运行的路径进行规划，传递底层物流设备的工作状态给 WMS 管理软件，达到监控物流设备状态的目的。仓库控制系统软件结构如图15 所示。图 15 系统软件层次结构图5.2.2 软件功能架构设计根据项目的需求，本系统 WCS 功能划分为：指令管理、数据采集、设备管理、设备监控、作业管理、异常处理、故障报警、报文管理、OPC 状态监控、系统日志等功能模块。5.3 系统配置仓库管理与调度系统主要配置为 DELL R730 服务 器 3 台；Windows server 2012 操 作 系 统 3 套；SQL Server2014 数据库 1 套；DELL MD3 磁盘阵列 1 台；ROSEHA 双机热备 1 套；DELL 工作站 2 台；CiperLab 9700 手持终端 5 台。6 结语自动化立体仓储的设计须充分进行系统调研和需求分析，对基础数据进行充分的掌握，才能对仓库的整体规划、作业方式、出、入库搬运周期及出、入库能力验算、系统功能等相关业务进行针对性有效性地开展工作。本项目通过压力测试以及交付后的长时间运行使用，自动化立体仓储系统运行正常，出入库效率也基本符合当初的规划预期，实现了仓储管理的智能化。110/2023 年第 19 期智慧港口车联网监控系统设计与应用钟晓晖1 唐道贵2,3 虞富刚1 陆 玮1 张夕寅11 宁波北仑第三集装箱码头有限公司 浙江 315813 2 宁波舟山港集团有限公司 浙江 3158133 武汉理工大学交通与物流工程学院 湖北 430063摘 要：大型港口集装箱码头流动机械设备数量和批次繁多、调度频繁，给流动机械的统一管理和监控带来了挑战。为完善港口流动机械的管理策略和监控方案，避免车辆数据出现孤岛现象，利用北斗导航定位和车载通信技术，结合高精度定位算法、网络通信技术、地理信息系统技术实现一种车联网监控平台。通过云原生架构搭建的开放式车联网监控系统可以对流动机械实时位置、状态等信息进行实时采集和处理，并可进行大数据分析和建模，从而实现车辆定位、故障报警、数据采集等功能。应用表明，该平台满足了港口流动机械车载实时定位和状态实时监控的需求，提高了设备的维护管理水平，降低了操作人员的劳动强度，减少了事故发生率。关键词：车联网；监控系统；流动机械；智慧港口；大数据分析中图分类号：TP391.44 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2023）19-0110-07Abstract:There are a large number and batches of mobile machinery and equipment in large port container terminals,and the scheduling of equipment is frequent,which have brought many challenges to the unified management and monitoring of mobile machinery.In order to improve the management strategy and monitoring scheme of port mobile machinery and avoid islanding phenomenon in vehicle data,an Internet of vehicles monitoring platform is developed by using Beidou navigation positioning and vehicle communication technology,combined with high-precision positioning algorithm,network communication technology and geographic information system technology.The open Internet of vehicles monitoring system built through the cloud native architecture can collect and process the real-time location,status and other information of mobile machinery in real time,and can carry out Big Data Analysis and modeling,so as to achieve vehicle positioning,fault alarm,data acquisition and other functions.The application results show that the platform can meet the needs of real-time positioning and real-time monitoring of mobile machinery in ports,improve the maintenance and management level of equipment,reduce the labor intensity and the accident rate.Keywords:Internet of vehicles;monitoring system;mobile machinery;smart port;Big Data Analysis0 引言集装箱港口码头基础建设完善，道路规范，适合推动车联网技术发展，随着通信技术的高速发展，使港口流动机械在传感器融合、远程控制等多方面的数据信息钟晓晖，唐道贵，虞富刚，等.智慧港口车联网监控系统设计与应用J.起重运输机械，2023（19）：110-116.引 用 格 式INFORMATION TECHNOLOGY信息技术参考文献1 傅德源主编.实用起重机电气技术手册 M.北京：机械 工业出版社，2011.2 段翠芳，张春梅，刘丽鸽.邮包自动化立体仓库堆垛机控 制系统的设计 J.起重运输机械，2010(6):41-43.3 汪国春.自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计 J.起 重运输机械，2008(10)：89-91.4 郎新星，康永新.自动化立体仓库 WCS 的设计与实现 J.物流技术，2021(9)：94-97，104.5 高云霞，连一凡，李贵武.自动化立体仓库管理信息系统 的设计与实现 J.电机技术，2021(2)：36-38.作 者：高灼均电子邮箱：收稿日期：2023-6-19