【智能存储】自动化立体仓库中的自动化系统解析

2018 年 2 月 2 日 产业智能官 机器人工程师

自动化立体仓库机械设备一般包括高层货架、巷道堆垛机和出入库输送、搬运机械等。

一、高层货架

1、轻负载式高层货架

轻负载式货架高度5～10m，以塑料篮等容器为存取单位，存取重量在50～100 kg，一般以重量轻、小的货物为储存对象较适合，如电子零件、精密机器零件、汽车零件、药品及化妆品等。

2、单元负载式高层货架

单元负载式高层货架高度可达40m ，储位量可达10万余个托盘单元，适用大型的仓库，普遍的高度为6～15m，储位数在100～1000个托盘单元。随着仓储自动化技术的不断进步，存取时间愈来愈快，以100个托盘单元存取为例，平均存取时间为70s/托盘。

二、巷道堆垛机

巷道式堆垛机又叫巷道堆垛起重机，是自动化立体仓库中最重要的搬运设备，它是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，专用于高架仓库。

巷道式堆垛机一般由机架、运行机构、升降机构、司机室、货叉伸缩机构、电气控制设备等组成。

1、巷道式单立柱堆垛机

单立柱结构的堆垛机机架由一根立柱和下横梁组成。立柱多采用较大的H型钢焊接制作，立柱上附加导轨。整机重量较轻，消耗材料少，因此制造成本相对较低，但刚性稍差。该设备的参数如下所示。

主要性能：仓库高度6～24m,最大40m；

运行速度：标准型80m/min、高速型 200m/min；

起升高度：标准型Hmax = 20m/min、高速型Hmax=50m/min；

货叉伸缩速度：Vmax = 12m/min(标准性)、50m/min(高速型)。

2、双立柱巷道堆垛机

机机架由两根立柱和上横梁、下横梁组成一个长方形框架。立柱形式有方管和圆管，方管兼做起升导轨，圆管需附加起升导轨。

三、周边搬运系统、控制系统与装卸码垛机器人

巷道机只能在巷道内进行存取作业，货物出入库需通过周围的配套搬运机械设施。

周边搬运系统包括搬运输送设备、自动导向车、机器人、叉车、台车、托盘等。其作用是配合巷道式堆垛机完成货物运输、搬运、分拣等作业，还可以临时取代其他主要搬运系统，使自动存取系统维持工作，完成货物出入库作业。

自动化立体仓库的控制系统：自动化立体仓库的控制形式有手动控制、随机自动控制、远距离自动控制和计算机自动控制四种形式。

1、穿梭车(RGV Rail Guide Vehicle)

在自动化物流系统中，物料输送主要采用链式、辊道、带式输送机等通用设备，一般均固定在地面上。将上述设备装上行走轮，沿固定路径移动，就成为穿梭车。穿梭车具有动态移载的特点，能使物料在不同工位之间的传送及输送线布局更加紧凑、简捷，从而提高物料的输送效率。因此，穿梭车在自动化物流系统中应用较为普遍。

一般来说，沿固定轨道行走的输送设备称为穿梭车（RGV），无轨的称为自动导引车（AGV），在空中输送的称为悬挂小车（EMS）。从轨道形式上，穿梭车可分为往复式直行穿梭车和环行穿梭车，环行穿梭车能在同一轨道上运行多辆车体，可大大提高搬运能力，是穿梭车的发展趋势。目前，国内穿梭车的速度一般为120~200m/min，在国外机场行李分拣系统中，采用无接触能量传输技术的穿梭车最高走行速度可达600m/min。

穿梭车(RGV)是通过导轨或地链来约束和引导小车运行。它有两套传动机构：输送机构、运动机构。穿梭车(RGV)的约束导轨由双轨和单轨两种。

单轨往复穿梭车

双轨往复穿梭车

2、辊筒式输送机

辊筒式输送机分为动力式和无动力式；无动力式呈一定坡度，使货物靠自身重力从高端移动到低端；

动力式由一系列排列整齐的具有一定间隔的辊子组成；3-4个辊子同时支撑一件货物。

3、链式输送机

（1）装载式链条输送机

（2）平顶式板链输送机

（3）悬挂链输送机

（4）链式提升机

4、自动导引搬运车（AGV）

自动导引搬运车简称AGV(Automatic Guided Vehicle)是装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输小车，是自动化物流系统中的关键设备之一。

AGV是在计算机和无线局域网络的控制下，经磁、激光等导向装置引导并沿程序设定路径运行完成作业的无人驾驶自动小车。AGV具有安全保护以及各种移载功能，采用电池驱动（交、直流），是自动化物流系统中的关键设备之一，为现代制造业物流和自动化立体仓库提供了一种高度柔性化和自动化的运输方式。

具有导向行驶、认址和移交载荷的基本功能。

5、码垛机与码垛机器人

自动化立体仓库系统中大量使用码垛机或机器人完成码垛、拆垛的工作。

1．机器人自动装箱、码垛工作站

是一种集成化的系统，它包括工业机器人、控制器、编程器、机器人手爪、自动拆/叠盘机、托盘输送及定位设备和码垛模式软件。它还配置自动称重、贴标签和检测及通讯系统，并与生产控制系统相连接，以形成一个完整的集成化包装生产线。机器人自动装箱、码垛工作站可应用于建材、家电、电子、化纤、汽车、食品等行业。

机器人自动装箱、码垛工作站的具体应用有下面几种：

（1）生产线末端码垛的简单工作站：这种柔性码垛系统从输送线上下料并将工件码垛、加层垫等，紧跟着有一输送线将码好的托盘送走。

（2）码垛/拆垛工作站：这种柔性码垛系统可将三垛不同货物码成一垛，机器人还可抓取托盘和层垫，一垛码满后由输送线自动输出。

（3）生产线中码垛：工件在输送线定位点被抓取并放到两个不同托盘上，层垫也被机器人抓取。托盘和满垛通过线体自动输出或输入。

（4）生产线末端码垛的复杂工作站：工件来自三条不同线体上，它们被抓取并放到三个不同托盘上，层垫也被机器人抓取。托盘和满垛由线体上自动输出或输入。

机器人码垛

码垛机码垛

6、自动分拣机设备

分拣是指将物品按品种、出入库先后顺序进行分门别类堆放的作业。这项工作可以通过人工的方式进行，也可以用自动化设备进行处理。能连续、大批量地分拣货物,分拣误差率极低、分拣作业基本实现无人化。

1．自动分拣系统的适用条件

（1）一次性投资巨大（本身需要建设短则40-50，长则150-200米的机械传输线，还要有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统）。

（2）对商品外包装要求高( 只适于分拣底部平坦且具有刚性的包装规则的商品）。

为了使大部分商品都能用机械进行自动分拣，可以采取的措施：（a）推行标准化包装，使大部分商品的包装符合国家标准；（b）根据所分拣的大部分商品的统一的包装特性，定制特定的分拣机。

2．自动分拣系统的组成

自动分拣系统种类繁多，一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。以上四部分装置通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的自动分拣系统。

（1）控制装置的作用是识别、接受和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置，按商品品种、商品送达地点或者货主的类别对商品进行自动分拣。

（2）分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示，当具有相同分拣信号的商品经过该装置时，该装置工作，改变商品在输送装置上的运行方向，使其进入其他输送机或分拣道口。

（3）输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品鱼贯通过控制装置、分类装置。

（4）分拣道口是已分拣商品脱离主输送机进入集货区域的通道，一般有钢带、皮带、辊筒等组成滑道，使商品从主输送装置滑向集货站台，在那里由工作人员将该道口的所有商品集中后或是入库储存，或是组配装车并进行配送作业。

3.自动分拣系统的种类

自动分拣系统有超过10种不同型式，基本分为直线型分拣系统和环型分拣系统两种类型。直线型分拣系统主要包括滑块式分拣机、滚轮分拣机、滚筒分拣机等；环型分拣系统主要包括翻盘式分拣机和交叉带式分拣机；其他还有推杆式分拣机和垂直分拣机。

货物传送装置：钢带输送机、胶带输送机、托盘输送机、辊柱输送机等。

常见的自动分拣机构有推出式、浮出式导轮转向盘、倾盘机构等。

气缸侧推式辊柱分拣机

链条带动式辊柱分拣机

落入式分拣机

滑块式辊柱分拣机

大托盘高速分拣机

4．自动分拣机的主要技术参数

（1）主机器分拣效率：件/小时；

（2）运行速度：米/秒；

（3）分拣物品尺寸及重量范围；

（4）分拣格口数量、及格口的容量；

（5）供件席位数量；

（6）分拣差错率；

（7）分拣机功率及驱动方式。

四、自动化立体仓库信息管理系统

自动化立体仓库的信息管理系统主要包括计算机监控系统、数据库系统、网络系统。

计算机监控系统涉及管理计算机、监控计算机、控制具体设备执行的PLC控制器等。数据库系统完成底层数据的存储，网络系统则完成复杂信息的传送和交换。

1、信息管理系统功能设计

自动化立体仓库信息管理系统应具有以下功能：

1．需求管理系统：根据生产计划、销售状况、库存情况、货物清单、日期等信息确定物料需求数量和时间。

2．订货管理子系统：订单制作及处理。

3．存储管理系统功能：入库管理、货位管理、出库管理等。

4．不合格品管理系统：验收管理、生产返品管理、市场返品管理等。

5．库存管理系统：库存状况分析、ABC分类管理、拉动式库存管理、呆滞品管理等。

6．系统维护：系统初始化、设施各种编码和处理方式（如拼盘方式、出入库方式、批量方式、日期、数据库、货位编码的初始化状态）等。

2、自动化立体仓库的计算机控制系统功能要求

自动化立体仓库的作业流程一般是入库、库内搬运、货物存放、取货、货物出库.整个工作在计算机系统的控制下进行。计算机系统一般为三级管理控制系统，上位机与局域网相连，下位机与控制器PLC相连，通过无线和有线方式传递数据。

计算机控制系统功能要求：计算机控制系统主要控制分拣机的运行速度，控制分拣导入机械的启动及运行的时间，控制AGV、穿梭车、输送机的运送速度、完成拼盘并箱作业的码垛机或码垛机器人的速度及作业量。

3、几种典型的自动化仓库控制系统结构

1．集中控制系统

主计算机通过在系统结构中心控制室的监控CRT系统，执行仓库管理事务，如发出存货控制、货物入库及载运指令，同时执行仓库设备和储存货物的管理。

2．分布式系统控制结构

主计算机通过控制器分别控制着输送机控制器、堆垛机控制器、AGV控制器、VGA控制器、VGB控制器；各控制器分别管理着设备（输送机、堆垛机、AGV等）。

从人工到智能，仓储的前世今生

大白的自动化星球

自动化技术渗透在各个领域，而作为工业4.0三大核心之一的智慧物流，无疑需要自动化技术的助力加持。

仓储领域由人工搬运到如今无人仓的不断研发探索，走过漫漫长路，下面就跟随小编来回顾一下：仓储百年进化史。

仓储领域的发展可分为五个阶段：人工仓储阶段、机械化仓储阶段、自动化仓储阶段、集成化仓储阶段和智能自动化仓储阶段。

第一阶段：人工仓储阶段

物资的输送、存储、管理和控制主要靠人工实现。其实时性和直观性是明显的优点。

人工仓储技术在初期设备投资的经济指标具有优越性。

第二阶段：机械化仓储阶段

物料可以通过各种各样的传带，工业输送车、机械手、吊车、堆垛机和升降机来移动和搬运，用货架托盘和可移动货架存储物料，通过人工操作机械存取设备，用限位开关，螺旋机械制动和机械监视器等控制设备的运行。

机械化满足了人们速度、精度、高度、重量、重复存取和搬运等要求。

第三阶段：自动化仓储阶段

50年代末和60年代，相继研制和采用了自动导引小车（AVG）、自动货架、自动存取机器人、自动识别和自动分拣等系统。

70年代和80年代，旋转体式货架、移动式货架、巷道式堆垛机和其他搬运设备都加入了自动控制的行列。

随着计算机技术的发展，工作重点转向物资的控制和管理，要求实时，协调和一体化，计算机之间、数据采集点之间、机械设备的控制器之间以及它们与主计算机之间的通信可以及时地汇总信息。

第四阶段：集成化仓储阶段

70年代末和80年代，自动化技术被越来越多地用到生产和分配领域。在集成化系统中，整个系统的有机协作，使总体效益和生产的应变能力大大超过各部分独立效益的总和。

集成化仓库技术作为计算机集成制造系统（CIMS）中物资存储的中心受到人们的重视。

第五阶段：智能自动化仓储阶段

在90年代后期及 21世纪的若干年内，智能自动化仓储将是自动化技术的主要发展方向。

人工智能赛博物理操作系统

AI-CPS OS

“人工智能赛博物理操作系统”（新一代技术+商业操作系统“AI-CPS OS”：云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能）分支用来的今天，企业领导者必须了解如何将“技术”全面渗入整个公司、产品等“商业”场景中，利用AI-CPS OS形成数字化+智能化力量，实现行业的重新布局、企业的重新构建和自我的焕然新生。

AI-CPS OS的真正价值并不来自构成技术或功能，而是要以一种传递独特竞争优势的方式将自动化+信息化、智造+产品+服务和数据+分析一体化，这种整合方式能够释放新的业务和运营模式。如果不能实现跨功能的更大规模融合，没有颠覆现状的意愿，这些将不可能实现。

领导者无法依靠某种单一战略方法来应对多维度的数字化变革。面对新一代技术+商业操作系统AI-CPS OS颠覆性的数字化+智能化力量，领导者必须在行业、企业与个人这三个层面都保持领先地位：

重新行业布局：你的世界观要怎样改变才算足够？你必须对行业典范进行怎样的反思？
重新构建企业：你的企业需要做出什么样的变化？你准备如何重新定义你的公司？
重新打造自己：你需要成为怎样的人？要重塑自己并在数字化+智能化时代保有领先地位，你必须如何去做？

AI-CPS OS是数字化智能化创新平台，设计思路是将大数据、物联网、区块链和人工智能等无缝整合在云端，可以帮助企业将创新成果融入自身业务体系，实现各个前沿技术在云端的优势协同。AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量与行业、企业及个人三个层面的交叉，形成了领导力模式，使数字化融入到领导者所在企业与领导方式的核心位置：

精细：这种力量能够使人在更加真实、细致的层面观察与感知现实世界和数字化世界正在发生的一切，进而理解和更加精细地进行产品个性化控制、微观业务场景事件和结果控制。
智能：模型随着时间（数据）的变化而变化，整个系统就具备了智能（自学习）的能力。
高效：企业需要建立实时或者准实时的数据采集传输、模型预测和响应决策能力，这样智能就从批量性、阶段性的行为变成一个可以实时触达的行为。
不确定性：数字化变更颠覆和改变了领导者曾经仰仗的思维方式、结构和实践经验，其结果就是形成了复合不确定性这种颠覆性力量。主要的不确定性蕴含于三个领域：技术、文化、制度。
边界模糊：数字世界与现实世界的不断融合成CPS不仅让人们所知行业的核心产品、经济学定理和可能性都产生了变化，还模糊了不同行业间的界限。这种效应正在向生态系统、企业、客户、产品快速蔓延。

AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量通过三个方式激发经济增长：

创造虚拟劳动力，承担需要适应性和敏捷性的复杂任务，即“智能自动化”，以区别于传统的自动化解决方案；
对现有劳动力和实物资产进行有利的补充和提升，提高资本效率；
人工智能的普及，将推动多行业的相关创新，开辟崭新的经济增长空间。

给决策制定者和商业领袖的建议：

超越自动化，开启新创新模式：利用具有自主学习和自我控制能力的动态机器智能，为企业创造新商机；
迎接新一代信息技术，迎接人工智能：无缝整合人类智慧与机器智能，重新
评估未来的知识和技能类型；
制定道德规范：切实为人工智能生态系统制定道德准则，并在智能机器的开
发过程中确定更加明晰的标准和最佳实践；
重视再分配效应：对人工智能可能带来的冲击做好准备，制定战略帮助面临
较高失业风险的人群；
开发数字化+智能化企业所需新能力：员工团队需要积极掌握判断、沟通及想象力和创造力等人类所特有的重要能力。对于中国企业来说，创造兼具包容性和多样性的文化也非常重要。

子曰：“君子和而不同，小人同而不和。” 《论语·子路》云计算、大数据、物联网、区块链和人工智能，像君子一般融合，一起体现科技就是生产力。

如果说上一次哥伦布地理大发现，拓展的是人类的物理空间。那么这一次地理大发现，拓展的就是人们的数字空间。在数学空间，建立新的商业文明，从而发现新的创富模式，为人类社会带来新的财富空间。云计算，大数据、物联网和区块链，是进入这个数字空间的船，而人工智能就是那船上的帆，哥伦布之帆！

新一代技术+商业的人工智能赛博物理操作系统AI-CPS OS作为新一轮产业变革的核心驱动力，将进一步释放历次科技革命和产业变革积蓄的巨大能量，并创造新的强大引擎。重构生产、分配、交换、消费等经济活动各环节，形成从宏观到微观各领域的智能化新需求，催生新技术、新产品、新产业、新业态、新模式。引发经济结构重大变革，深刻改变人类生产生活方式和思维模式，实现社会生产力的整体跃升。