智能密集物流系统的分析与研究*

柳浩芸

(上海韬谱物流设备有限公司，上海 201203)

1 引言

供应链中任何一个环节都将关系到企业的正常运行，其中仓储设备的更新换代和仓储管理是个非常重要的环节。作为现代仓储物流的重要组成部分，仓储设备先进性是仓储发展的基础。充分利用仓库和仓储设备，最大程度减少操作环节，完善信息管理系统以及保证良好的操作环境和安全等等。只有这样，才能很好地发挥仓储管理有供应链中的作用。

存储系统已不仅是简单的物品存放的地点，更重要的作用是提升企业的供应链管理能力和工厂自动化的整体运作速度。企业在对自动化货架最初具备的自动存取、节约占地面积、节约人力资源的基础上，提出了更高的要求。要求库房存取系统应具备操作快捷、运行安全、高效、进行信息的自动化采集、信息准确，又要充分利用原有库房空间等特点，还要具有与企业ERP连网，通讯的功能，更加智能化。

2 系统概述［1］

智能密集物流系统就像一个三维智能机器人。专门开发的具有WMS功能的WCS软件控制系统，根据客户要求，结合智能密集物流系统内各个硬件和软件的实时工况，控制每个托盘工作的状态和可能的最佳运动路径。WCS通过PLC来控制升降机、穿梭车、卫星车和输送链。复杂的物流功能全部由仓库控制软件WCS完成，且该仓库控制软件WCS可以根据客户的要求，进行重新配置和改变，控制货物单元在仓库中的储存、运动，完成进出、排序、拣选等功能根据系统指令，托盘在货架系统里或静止不动，或上下左右移动，以实现快速进货、快速出货、按指令转移、按指令排序、直接分拨、托盘时钟功能(控制急速冷冻时间)、不同温度区域分类、智能储存 、按指令缓存等功能。智能密集物流系统具有如下特征。

(1)最大密度的储存方式 智能化高密度的空间占有率高达95%，优于其他任何储存系统。对于相同的货物储存量，使用该系统可大大减少仓库占地面积，较常规AS/RS系统节约一半以上。

(2)最灵活的配置方式 智能密集物流系统硬件配置不受任何场地和建筑尺寸限制，不管是新建筑还是老建筑，不管尺寸和形状，都可以找到合适的智能化高密度解决方案。智能密集物流系统的软件可以非常容易地与外部ERP或者WMS系统整合。一个交互式的操作面板，允许操作者对智能密集物流系统进行实时追踪，可以对一些临时发生的问题或者未完成的工作作出快速反应。

智能密集物流系统的模块化设计和可扩展性，使用户可以根据业务发展情况随时改变物流参数，避免其他自动化库缺乏灵活性和可扩展性的弊病。

(3)最高效的工作方式 智能密集物流系统为全自动化智能物流(储存)系统。所有的穿梭车、垂直升降机和卫星车可在各个层面同时移动，多个储存单元也可同时运转，大大提高了货物周转的速度。快速的进货和出货运作，减少了叉车司机的等待时间，提高了叉车的周转率。该系统可以每天24 h，每周7天连续运转，最大限度地提高了货物运转率和工作效率。

3 智能密集物流系统的模块设计［2］

智能密集物流系统由硬件和软件两大部分组成。两部分均为模块化设计，由标准模块组成。

而硬件由五部分组成:货架、穿梭车、卫星车、输送链、垂直升降机，如图1所示。

图1 智能密集物流系统的硬件组成

货架设计为轨道密集式货架。轨道密集式货架由密集式货架和卫星车轨道组成。可根据仓库的情况设计成若干个货位深度和层数。

卫星车主要包括行走装置、顶升装置、蓄电池、控制系统等。卫星车控制系统采用SIEMENS PLC控制，与上位计算机系统通过无线通讯联系。分布在车体四周和顶面的探测器和传感器的自动信息采集装置及安全保护装置，可向车载控制系统提供卫星车运行的当前信息，对上位计算机发出的作业指令、自动信息采集和安全保护装置识别到的信息进行综合处理，使卫星车自动完成入库作业循环、出库作业循环。输送链在密集式货架里，主要用于快速进出货。垂直升降机在不同高度层运送托盘及卫星车。根据货物的进出货频率配置卫星车、输送链和垂直升降机数量。智能密集物流系统的软件由以下四个模块组成:

(1)智能订单管理模块 该模块控制所有正在处理的不同类型的订单，如图2所示。不同的订单类型可以为进货、出货、分拣、配置、拣选。订单的分配和处理根据客户确定的优先等级和最优化使用设备原则，主要目标是在实现系统要求的交货时间前提下，托盘移动最小化。

(2)智能位置管理模块 该模块处理所有不同的位置，如图3所示。可以是一个区域/隔层的一部分，通过对一系列动态特性的运算，确定储存托盘的最佳位置/区域。为了实现托盘移动最小化和周转最优化，ERP/WMS输出很多数据。

图2 智能密集物流系统订单管理模块

图3 智能密集物流系统位置管理模块

(3)智能路径管理模块 该模块使用无线传输管理多个穿梭车、输送链和垂直升降机的运行如图4所示，时刻向交通管理系统进行位置报告，采用Dijkstra算法以确保路径最优化，协调、调度多台设备。

图4 智能密集物流系统路径管理模块

(4)主控模块 该模块将系统运行的数据都存储在progree的数据库里，用于生成各类报告，维护和统计，如图5所示。所有的警告和报警都可以自动发送给操作员，帮助他们尽快解决问题。同时这些数据可转移到动态报告模块(DRM)，以做出各种具体报告。

4 智能密集物流系统的技术参数［3-4］

在对比各种方案的投资预算后，如果实现同样的运行目标，智能密集物流系统的综合投资是所有解决方案中最小的。

图5 智能密集物流系统主控模块

紧凑的硬件设计使公司的储存能力大大提高，几乎翻倍。全自动化的操作系统，不但减少了超过一半的人工，而且避免了手工操作的错误，公司发货的差错率在使用智能密集物流系统后一直为零。投资回收期仅为一年不到。

仓库面积910 m2，储存有2 640个托盘位，空间占有率为96%。系统运营时间是24 h/天，7天/周。设计能力是每小时进出托盘数是240(进)/120(出)个，每月处理托盘数为80 000个。年周转量超过100万个托盘。

通过自动输送链从与之相连的旁边的工厂自动进货或者通过叉车从仓库外面进货，系统处理的新鲜货物超过160种。排序、储存、直接转拨、根据订单自动出货等自动实现。同时系统也处理冷冻货物。冷冻货物在系统暂时储存后(不超过30 min)，通过输送链送至冷冻保存单元。

5 智能密集物流系统实现

采用西门子S7-300 PLC，结合PROFIBUS现场总线。采用PROFIBUS并非仅仅因为PROFIBUS诞生于德国，更因为西门子有面向PROFIBUS的众多控制产品，以及PROFIBUS作为德国国家标准有着其可靠的特性，强大的功能，有扎实的应用基础。可实时显示每个设备的运行状态。

每个设备由西门子PLCS7-300、艾默生变频器、倍加福编码定位系统等组成。西门子PLC作为整个控制的核心，通过编码器作为其触觉感官，用PROFIBUS通信作为各部件联系的中枢神经，驱动艾默生变频器和控制电气元件控制各部分进行工作。

PLC部分选用 CPU317-2DP、信号处理模块CP343-1和一些输入输出的数字量、模拟量模块;驱动选用艾默生变频器;定位系统使用P+F编码器编码器;PLC通过无线网络和触摸屏通信，通过PROFISBUS-DP连接变频器、编码器。由于部分元件距离原因，中间使用中继器来延长通信距离。Internet网络选用一个8口的 HUB，可以连接 PC和PLC。整个网络组成如图6所示。

图6 智能密集储存系统网络组成图

设置一个控制柜，用于实现整个系统的自动运行。主机都选用了S7-300 PLC。每台S7-300除自带I/O点之外，还通过IM 360接有若干个扩展机架。同时，CP 342为S7-300 PLC提供了PROFIBUS的接口。在系统的上位机同主机一起安装于控制台中。上位机采用的是西门子PC 32-M型工控机。该机结构紧凑，适合安装于空间狭小的场合。CP342连接PROFIBUS。通过与上位机构成的PROFIBUS系统，操作人员可以直接从上位机对系统进行监视和控制。智能密集物流系统控制系统WLAN图如图7所示。

图7 智能密集储存系统WLAN

无线以太网的无线基础设备主要包括:无线接入点(AP)、网桥和终端(EC)。根据现场应用需求，确定整体网络结构采用无线通讯方式。

货架两端分别布置(SCALANCE W-788)WLAN接入点，相邻接入点采用不同的通讯通道。避免通讯信号的干扰。控制系统通过以太网接入无线网络。控制系统及数据采集处理系统均通过以太网接入无线网络。

在穿梭车、卫星车、输送链和垂直升降机上，将控制系统通过以太网方式接入 WLAN终端设备(SCALANCE W)。由于货架的影响，当货物堆放较多时会对无线信号有遮挡和减弱。因此采用“Z”形分布，避免无线信号之间的干扰。卫星车的行走驱动装置中走行轮采用高科技聚氨酯材料，既提高轮子耐磨性，又大大减少了轮子与走行轮间的摩擦力，这样可延长轮子的使用寿命。

卫星车认址装置方式采用采用光电开关加编码器的双重认址方式，通过计算目标的相对位置方式来实现方向控制和位置控制。

电气装置由PLC、变频驱动器、光电开关、编码器、条码识别器等组成。不同的走行速度配置不同的电控模式，目前较为通用的行走速度为60 m/min。其电控模式采用的是速度及位移双闭环控制。供电模式主要有电池、无接触供电两种模式。定位精度:±3 mm;最大载重量:1 500 kg。

6 总结

智能密集物流系统是目前最经济和最绿色的冷库运行模式。其高密度的储存方式，减少了占地面积，不但帮助企业节约成本，而且减少对环境的负面影响，符合可持续发展的要求。智能化的控制系统，使系统永远按照最优化的方式运行，降低了能源消耗。全自动化运行，降低了劳动力成本。高效快速的周转，提高了效率，降低了运营成本。最终支持公司可持续经营的目标。

［1］ 徐晶晶，刘晓娟.穿梭车货架系统及其应用［J］.物流技术与应用，2012(2):139-140.

［2］ 周 蕾.物流技术与物流设备［M］.北京:中国财富出版社，2009.

［3］ 刘昌祺，王倪明，张俊霖，等.物流配送中心设计及其应用［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［4］ 程国全，王 转，张庆华，等.物流技术与装备［M］.北京:高等教育出版社，2008.