除美国和日本外,德国、瑞士、意大利、英国、法国、瑞典、俄罗斯、波兰等国家在自动化仓库的研究和应用方面均有较大的发展。
20世纪70年代后,发达国家大力推广商品物流自动化、高速化、信息化,发展城市商品集中配送中心,建立大型自动化仓库。控制技术由最初的手动控制发展到自动控制和计算机控制。巷道堆垛作业双循环次数由最初的15~20次/小时,提高到50~70次/小时,仓库的利用率高达96%~98%。仓库的规模由最初的几百个、几千个货位发展到几万、十几万个货位。技术上采用条形码识别系统,巷道堆垛操作台上的显示屏取代了传统的提货单。移动式机械手或机器人自动拣货系统,可把订单所列的多种货物拣到大集装箱中。自动导引小车的使用,使得巷道堆垛机垂直和水平方向同时进行运动,让工作效率提高了20倍。大型自动化仓库立体仓库每小时可完成500~800次出入库作业。
我国在自动化仓库的研究和应用方面起步较早。1963年,北京起重运输机研究所设计了第一台1.25吨桥式堆垛机,并由大连起重机厂完成试制。1974年,郑州纺织机械厂建成了我国第一座立体仓库,这座仓库是利用原有锯齿形厂房改建而成的,用于存放模具。1977年,北京起重运输机研究所等单位研究制造出北京汽车制造厂自动化仓库,这座自动化仓库属于整体式结构,采用计算机进行控制和数据处理。从此以后,自动化仓库在我国得到迅速发展。
我国目前已建成数百座各种类型的自动仓库,多数是中小型自动仓库。大型自动仓库的技术性能与可靠性要求高,工艺性强,设计制造难度大,大多由国外进口。近几年来,随着我国机械制造技术研究和应用的迅速发展,大型自动化仓库也开始由国内设计和总承包。如中国国际航空公司货运部的自动化仓库、保定六·四厂自动化仓库和广州羊城药厂的自动化仓库(均是三级计算机集散控制,联网管理的大型自动化仓库),都是委托北京起重运输机械研究所设计承建的。特别是“九五”末期由该所承建的联想集团、青岛澳柯玛集团自动化仓库,其规模和技术已接近世界先进水平。
5.自动化仓库的发展趋势
进入21世纪以来,自动化仓库系统出现了一些新的发展趋势。
①大型自动化仓库系统已经不再是发展方向。美国Hallmark公司安装的多达120个巷道的系统已经达到了顶峰,甚至10~20个巷道的系统也经常不是首选。为了适应工业发展的新形势,出现了规模更小、反应速度更快、用途更广的自动化仓库系统。它结合先进的控制技术,应用到分段输送和按预定线路输送方面,保持了高度的柔性和高生产率,满足了工业库存搬运的需要。
随着科学技术的发展,世界主要工业国家都将着眼点放在开发性能可靠的新产品和采用高技术上,国内外在建设物流系统及自动化仓库方面也更加注重实用性和安全性。
②货架普遍采用装配式结构、高层化,有利于批量生产、降低生产成本、提高精度,便于现场安装和调试。
③在堆垛机方面,不断推出具有新的外形和更高性能的设备,进一步提高电子和控制技术的应用。在使堆垛机具有更高定位精度的同时,提高搜索能力和运行速度。
④产品生产专业化、规模化,有利于产品质量的提高和成本的降低。
⑤普遍采用扫描技术,提高信息的传输速度和准确性。采用射频数据通信技术,数据的采集、处理和交换能够在搬运工具和中央计算机之间快速进行,使物品的存取和发送信息做到快速、实时、可靠和准确。
⑥计算机管理网络化。除自动化仓库自身的账目和货位管理外,还注重与物流配送系统、柔性制造系统等综合集成,通过完善的网络系统实现信息的共享,以提高系统的运行效率。
⑦人工智能技术和多媒体技术的应用。随着计算机技术的不断发展,人工智能技术,特别是专家系统在工业中的应用日益增多。日本对一些搬运工具,如堆垛机等已经逐步采用智能系统。多媒体技术也在自动化仓库中得到广泛应用,普遍应用于人员培训、操作指南、远程现场监视、异地故障分析和诊断及防火防盗等方面。
5.1.2 自动化仓库系统的构成
自动化立体仓库系统一般由货物储存系统、货物存取系统、货物输送系统、控制和管理系统四个部分组成。
1.货物储存系统
货物储存系统是自动化立体仓库的基础,主要由立体货架的货格(托盘或者货箱)组成。立体货架机械结构可以分为分离式、整体式和柜式三种。按货架高度可以分为高层货架(15米以上)、中层货架(5~15米)和低层货架(5米以下),按照货架形式可以分为单元货架、重力货架、活动货架和拣选货架等。货架按照排、列、层组合构成立体仓库的储存系统。
国外自动化仓库利用自动识别技术推进货物存放的科学化和规范化已经日益普遍。
货架的货格分别贴有各种条形码标签,标有条形码的货物可以分别放在贴有条形码标签的货格中。通过扫描器的扫描,可以提高货物的存放速度和精度。因此,这些自动化仓库的组织管理水平也较高。
2.货物存取系统
自动化仓库内的货物如何存取,不仅关系到货物的周转效率,而且关系到自动化仓库的建筑结构的设计方案。存取装置要具有高空存储作业的性能,操作要安全、准确,既能自动化作业,又能实现遥控作业。货物存取装置主要有吊车、叉车和堆垛机等。其中堆垛机在现代自动化立体仓库中应用最为广泛。堆垛机在自动化仓库使用的初期以桥式堆垛机为主,这种堆垛机通过在大梁上悬挂一个门架,利用门架的上下和旋转运动来搬运货物。随着自动化仓库技术的发展,桥式堆垛机逐渐被巷道式堆垛机替代。由于应用领域的不断扩展,堆垛机的技术性能得到不断提高,结构也更趋先进。如国外自动化仓库中使用的三向伸展堆垛机,既能从地面提取货物,又能从货架上提出货物,还能在1~2米的巷道中运行,搬运不同形式的托盘和包装件。
近年来,国外的自动化仓库开始应用货物存取系统,这种存取系统是以单个的装卸机械为主,配以先进的识别装置和控制装置等,组成一个专用的货物存取单元。如专门存取微型货物的微型存取系统,专门存取小件货物的小型存取系统等。
3.货物输送系统
自动化仓库采用什么样的输送装置,需要根据货物的类型、装运条件和仓库的结构等因素来决定。自动化仓库中的货物输送装置主要有传送带、各种流动小车以及自动导引小车等,短距离的传送还可以采用机器人。
自动导引小车是自动化仓库中的一种比较先进的货物输送装置,是装有电磁或者光学导引装置的运输车辆,能够沿着规定的导引路线行驶,将货物送到规定的地方。20世纪60年代初,美国在自动化仓库中首先使用自动导引小车,经过多年的研究和推广应用,自动导引小车的结构、技术性能和应用水平均有了较大的提高。目前的自动导引小车不仅可以将货物自动传送到规定地点,而且能自动识别、自动寻找最佳路径,自动精确定位以及自动排除输送过程中的障碍。
机器人作为自动化仓库的输送工具已经比较普遍。国外自动化仓库中的机器人,其抓取质量大部分都在10~60千克,一般的提升速度都在0.6~1.5米/秒,水平移动速度则在0.6~2米/秒,回转速度多在0.3~0.5米/秒,定位精度则在0.6~3毫米,操作半径多在0.5~2米。这类机器人基本上是靠铁轨制导或者引线制导实现定向移动。它们的应用既减轻了手工搬运的劳动量,又提高了自动化仓库的输送效率。
随着自动化仓库技术的发展,输送装置不断向自动输送系统发展。这种自动输送系统是以各种搬运车辆或者机器人为主,配以统计计量装置和自动识别装置以及完善的控制系统组合而成。自动输送系统不仅能独立地完成各种输送任务,而且能够根据不同情况或者输入的信息对输送路径和速度作出最佳选择,并能对货物自动堆码和捆包。
4.控制和管理系统
根据自动化立体仓库的不同情况可采用不同的控制方式。有的仓库只采取对存取堆垛机、出入库输送机的单台PLC控制,机与机之间无联系;有的仓库只对各单台机械进行联网控制。更高级的自动化立体仓库的控制系统则采用分布式控制,即由管理计算机、中央控制计算机和直接控制堆垛机、出入库输送机等现场设备的可编程序控制器组成控制系统。
管理计算机是自动化立体仓库的管理中心,承担着出入库管理、盘库管理、查询、打印及显示、仓库经济技术指标计算分析等功能,包括在线管理和离线管理。
中央控制计算机是自动化立体仓库的控制中心。它沟通并协调管理计算机、堆垛机、出入库输送机等设备之间的联系,控制和监视整个自动化立体仓库的运行,并根据管理计算机或者自动键盘的命令组织流程,以及监视现场设备运行情况和现场设备状态、监视货物流向和收发货显示,与管理计算机、堆垛机和现场设备通信联系。还具有对设备进行故障检测及查询显示等功能。
直接控制是PLC操作的单机自动控制器,它直接应用于堆垛机和出入库输送的控制系统,实现堆垛机入库取货并送到指定的货位,或者完成从指定的货位取出货物放置到出库货台的功能。
典型的自动存取操作过程是:巷道堆垛机在系统前拣取一件货物,把它运送到一个空的储位,将货物存放在该储位,然后空车返回到输入/输出点。这种操作称为单指令作业。单指令作业连续两次访问输入/输出点时完成一次货物的存放或提取操作。更高效的作业是复指令作业。复指令作业的过程是:巷道堆垛机在输入/输出点拣取货物,将货物运送到一个空储位(常为最靠近输入/输出点的空位),将货物存放在该储位,然后空车移动到需要取货的位置,取出货物并将它运送到输入/输出点存放。值得一提的是,复指令作业是在对输入/输出点的两次连续访问的过程中完成一存一取的两项操作的。
巷道堆垛机的特点是能在水平方向和垂直方向上同时移动,因此,移动到货架上任何地方的时间是从开始点到该处的水平移动时间和垂直移动时间中的最大值。巷道堆垛机的水平移动速率能达到200米/分钟,而垂直移动速率能达到50米/分钟。
典型的集装单元自动仓库配置是:集装单元以单深存储,每个窄长通道(即巷道,1~2米宽)配有一台巷道堆垛机。输入/输出点可位于系统末端货架的最低处。
定义AS/RS的参数常常是非典型的。储藏深度、分配给一个通道的巷道堆垛机数量和输入/输出点数量都可能发生变化。下面将更详细地讲述这些变化。
当系统储存货物种类相对较少、吞吐量需求为中高水平、存储在货架上的货物数量较多时,采用多进深存储货架更好。
根据不同的要求和操作条件,对集装单元有不同的设计和结构。
①通道宽一个单元的双深储存方式。在这种系统里,同一最小存货单位的货物一般存储在同一位置,一种改进型的巷道堆垛机能在货架上存取两个集装单元的深度。
②通道宽两个单元的双深储存方式。在这种系统里,巷道堆垛机一次能运载两个单元的货物,并同时存放在双深的货格里。
③通道宽一个单元的深巷存储方式。在这种系统里,专用巷道堆垛机会在通道的任一边的深巷里储存货物。每个巷道能存放10个单元的货物。在出货边,专用取货机将货物从货架中取出。这里的货架可能是重力流动式或动力驱动的。
④货架移进模块系统。在这种系统里,货架移进模块通过货架内的特殊轨道进入货架系统,模块内放置货物。
⑤双梭系统。在这种系统里,巷道堆垛机装有两个梭台,一趟能够搬运两个集装单元。
⑥同一通道使用多台巷道堆垛机。虽然很罕见,但这种系统的吞吐量和存储密度都很高。
另一种典型的配置变化是在不同的巷道之间采用输送车来转运巷道堆垛机。当存储需求与吞吐量需求高度相关的时候就要采用输送车。这时,吞吐量不够,不值得为每条巷道配备一台巷道堆垛机,然而存储巷道的数量必须足够,以满足存储需求。
还有一种情况是输入/输出点的数量和位置的变化。吞吐量和设施设计方面的需要可能在除货架左下角之外再设置多个输入/输出点。采用多输入/输出点后,进、出库货物可分开作业,并提供额外的吞吐能力。这些输入/输出点的位置除了货架末端外,也可以设在货架中间。
5.1.3 自动化仓库系统的关键技术
自动化仓库的关键技术主要包括信息检测与识别、堆垛机自动控制、监控调度和计算机管理等技术。
1.自动化仓库的自动寻址
立体仓库的自动寻址就是自动寻找存放或者提取货物的位置。计算机控制的自动化仓库均具有自动寻址的功能。
在立体仓库中同一巷道内的货位由三个参数组成:第几列货架,第几层货格,左侧或者右侧。当自动化仓库接收到上级管理机的存取指令和存取地址后,即向指定货位的方向运行。运行中,安装在堆垛机上的传感器不断检测位置信息,计算判断是否到位。