自动化立体仓库设计与优化

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题目：关于对自动化立体仓库优化的研究

提交论文（报告）时间： 2014 年 12 月 31日

关于对自动化立体仓库优化的研究

信息管理和信息系统专业 学生 学号

一、 自动化立体仓库设计

自动化立体仓库作为现代物流行业的重中之重，发挥着十分重要的作用。实现这些功能的直接机构包括：

（1） 自动仓储设备（自动化立体仓库）（2） 其它货架（乎面托盘货架与流动货架等）（3） 各种输送机（辊道输送机、链条输送机、皮带输送机、升降移载机、提升机等）（4） 各种分拣设备（5） 无人台车（AGV、RGV、LGV）（6） 其它各种辅助设备

它的设计步骤，一般分为以下几步：

一、 收集、研究用户的原始资料，明确用户所要达到的目标，这些原始资料包括：1、明确自动化立体仓库与上游、下游衔接的工艺过程，2、物流要求：上游进入仓库的最大入库员、向下游转运的最大出库量以及所要求的库容量；3、物料的规格参数：物料的品种数、物料包装形式、外包装尺寸、重量、保存方式及其它物料的其它特性；4、立体仓库的现场条件及环境要求；5、用户对仓库管理系统的功能要求。

二、确定自动化立体仓库的主要形式及相关参数：所有原始资料收集完毕后，可根据这些第一手资料计算出设计时所需的相关参数，包括：①对整个库区的出入库总量要求，亦即仓库的流量要求：②货物单元的外形尺寸及其重量；⑤仓库储存区（货架区）的仓位数量：④结合上述三点确定储存区（货架厂）货架的排数、列数及巷道数目其它相关技术参数。

三、合理布置自动化立休仓库的总体布局及物流图：一般来说，自动化立体仓库包括：入库暂存区、检验区、码垛区、储存区、出库暂存区、托盘暂存区、不合

格品暂存区及杂物区等。规划时，立体仓库内不一定要把上述的每一个区都规划进去，可根据用户的工艺特点及要求来合理划分各区域和增减区域。同时，还要合理考虑物料的流程，使物料的流动畅通无阻，这将直接影响到自动化立体仓库的能力和效率。

四、选择机械设备类型及相关参数

1、货架：货架的设计是立体仓库设计的一项重要内容，它直接影响到立体仓库面积和空间的利用率。

①货架形式：货架的形式有很多，而用在自动化立体仓库的货架一般有：横梁式货架、牛腿式货架、流动式货架等。设计时，可根据货物单元的外形尺寸、重量及其它相关因素来合理选取。

②货格的尺寸：货格的尺寸取决于货物单元与货架立柱、横梁（牛腿）之间的间隙大小，同对，在一定程度上也受到货架结构型式及其它因素的影响。

2、堆垛机：堆垛机是整个自动化立体仓库的核心设备，通过手动操作、半自动操作或全自动操作实现把货物从一处搬运到另一处。它由机架（上横梁、下横梁、立柱）、水平行走机构、提升机构、载货台、货叉及电气控制系统构成。

①堆垛机形式的确定：堆垛机形式多种多样，包括单轨巷道式堆垛机、双轨巷道式堆垛机、转巷道式堆株机、单立柱型堆垛机、双立柱型堆垛机等等。

②堆垛机速度的确定：根据仓库的流量要求，计算出堆垛机的水平速度、提升速度及货叉速度。

③其它参数及配置：据仓库现场情况及用户的要求选定堆垛机的定位方式、通讯方式等。堆垛机的配置可高可低，视具体情况而定。

3、输送系统：根据物流图，合理选择输送机的类型，包括：辊道输送机、链条输送机、皮带输送机、升降移载机、提升机等。同时，还要根据仓库的瞬时流量合理确定输送系统的速度。

4、其它辅助设备：根据仓库的工艺流程及用户的一些特殊要求，可适当增加一些辅助设备，包括：手持终端、叉车、平衡吊等。

五、初步设计控制系统及仓库管理系统（WMS）的各功能模块：根据仓库的工艺流程及用户的要求，合理设计控制系统及仓库管理系统（WMS）。控制系统及仓库管理系统一般采用模块化设计，便于升级和维护。

六、仿真模拟整套系统：在有条件的情况下，对整套系统进行仿真模拟，可以对立体仓库的贮运工作进行较为直观的描述，发现其中的一些问题和不足，并作出相应的更正，以优化整个AS/RS系统。

以大众电器的仓库设计为例，大众电器的仓库仍然是老式的仓库管理。采用货物分开码放，全部放在库房，没有什么系统的分类摆放方式，是一种老式的，

以经验为主要手段的仓储管理模式。缺乏自动化的立体仓库的管理模式。其发货的模式也是当有订单时，从仓库里找到产品然后再搬到车里的货物发放形式。针对现行仓库效率不高，人力管理成本较高，出货量低以及因此造成的出货量少。现在，给北京大中的仓库设计立体自动化仓库。因为大中电器主要是电子类产品。不能受潮，所以仓库本身要求通风好，干燥。各种电子产品的大小相差很大，所以各个货架的规格要尽量大些。又因为大中是送货上门的。必须把去同一个方向的货物放在同一个货车送出。大中的规模本身就是很大，仓库本身要设计的稍大些。针对一个稍大型的仓库，尺寸大小为50m*30m*10m.鉴于每天的货物流量有大约500到600件，仓库的流量就定位550.仓库设各种不同区域。入库暂存区、检验区、码垛区、储存区、出库暂存区、托盘暂存区、不合格品暂存区及杂物区。

内部的货架采用横梁式货架比较合适。堆垛机用双轨道运行方式。选择输送机的类型。包括：辊道输送机、链条输送机、皮带输送机、升降移载机、提升机等。。内部需要与之相匹配的电子与电子设备。用于检测各种作业设备的物理参数和相应的化学参数的检测设备，用于检测各种作业设备的物理参数和相应的化学参数信息识别设备，实现自动化运转的控制设备，主要负责协调系统中各部分的运行的监控及调节设备，主要负责协调系统中各部分的运行的计算机设备，还必须具有信息传输的信息传输设备。

立体仓库的关键在于堆垛机能否有效的，快速的搬入搬出货物，实现效率的提高与成本的大幅降低。如何提高堆垛机的效率呢？原来设计堆垛机的载货台提升控制是由提升电机直接驱动，由于是直接驱动，载货台与成品在堆垛机运行起步时有一个速度突变，即从0m/min到最高速的60m/min。根据物体运动的规律，相邻的两个物体在速度突变时，会产生相对位移，在此主要是成品与成品之间会产生滑动，造成倒塌。二是在减速阶段，在即将到达预存取货位时，堆垛机的速度又从60m/min到0m/min，由于又是突变，产品与托盘之间又会产生相对滑动。同时，堆垛机在水平和垂直方向上也造成定位误差。堆垛机的伸叉伸出时会顶在货架上，也造成倒塌。在实际使用中，尽管发生这种现象的频率不太高，但每次倒塌却造成很大的损失，一方面损坏了产品，另一方面给库区设备及工作人员的人身安全带来极大威胁。堆垛机提升系统控制的主要问题是没有速度过度。为了解决这个问题，经过方案论证和查阅相关资料，决定选定罗克韦尔(rockwell)公司的1336FORCE为备选变频器。

变频器的工作原理：1336FORCE变频器由主电路和控制电路构成，主电路包括整流电路和逆变电路，主电路把工频电流（50HZ或60HZ）变换成工作所需频率的交流电流，以实现电机的变速运行。变频器输入输出波形是由其工作原

理决定的，变频器的工作原理与电机的选择、周围设备的配置及其电流、电压的测量等有紧密的关系。 经过改造后，堆垛机的提升速度控制过程从原来的一个变成三个，即低频启动阶段、正常提升阶段、低频停止阶段。从而避免了速度突变，保障了设备和成品的安全。加装变频器改造后堆垛机具有以下优点:避免了电压和频率的突变，减少了工频电压对电机的冲击；提高了堆垛机提升时的平稳性；增加了系统的安全性。如此，就能有效的解决货物倾倒和堆垛机效率的问题。

其次为了提高仓储货物入出库的流量问题，必须提高入出库的效率问题。自动化仓库的作业管理，是负责合理安排出/入作业，完成立体仓库在生产线与平面仓库之间运送物料的任务。其具体作业是：毛坯出库、成品加库、毛坯入库、成品出库。毛坯出库任务——为了满足生产线加工的实时需要，将所需的毛坯送至指定的缓冲站。其出库申请来自缓冲站。出库申请提出对物料品种、型号、数量、以及供料时限的要求。接到申请后，立体仓库结合当前库存情况查询到所需物料的货位，根据货位管理原则确定出库的货位号，并立即形成毛坯出库任务。下面分述各自的功能。 成品回库任务——通过条码扫描得到的。当加工好的成品回到立体库的入库台前时，条形码阅读器将成品的信息读入，并提出入库申请。立体仓库结合当前货位情况，根据货位管理原则为该成品寻找一合适的空货位，同时形成成品回库任务单。 毛坯入库任务—通过入库条形码阅读器得到的。其入库任务形成过程与成品回库相同。 成品出库—MRP-II制订提货计划并通知立体仓库后，根据厂外提货计划确定成品出库的时间、数量、种类等，立体仓库按照计划要求，确定每一个待出库成品的货位号，并形成出库任务单。①出库任务优先执行一优先执行出库任务。在同时存在数条出库任务时，最紧急者先执行。 ②当入库任务的执行不影响任何出库任务的按时完成时方执行入库任务。出库优先于入库并非因为入库不重要。而是由于一般企业生产，可以把入库安排在班后进行。而在生产班次上入库只插空进行。 ③若某一出库任务的终点工位缓冲站所在小车环线有故障时，暂不执行该出库任务，或将该出库任务的终点改至出库台。调度原则确定后，通过一定的算法，可计算出各任务的执行时刻。 首先将任务排队。对每台堆垛机设入库任务队列。入库任务按申请时刻排队．，每次下发队头任务，出库任务按以下公式算出的最迟执行时刻排序： 最迟执行时刻＝最迟送达缓冲站时刻一(出库任务所需执行时间×估算出库任务预计完成时刻的安全系数) 然后再通过如下方法加以调整。若相邻两个出库任务的最迟执行时刻之差小于堆垛机平均作业时间，则提前前一任务的最迟执行时刻，使其差距为堆垛机平均作业时间。循环操作直至所有任务的最迟执行时刻的差距不小于堆垛机平均时间。在有多项出库和入库申请时，适当把出库任务与入库任务进行优化组合。使满足条件的出库任务和入库任务组合成出／入库联合作业任务，可缩短存

取周期，提高存取效率。 在出库台和入库台设在仓库的同一端时，最简便的作法是使入库申请与出库申请分别排序。将第一个出库作业与第一个入库作业组合为一个联合作业任务。这种组合一般情况下在效率上都不会有损失。 当立体仓库的出库台与入库台分设在仓库两端，则需考虑入库货位的位置与出库货位的位置。原则上是选取入／出库同时作业时，堆垛机在巷道中运行路径不重复或重复路线最短。

在自动化立体仓库中，实行了高效的自动化管理，产品的入出只需在人为的监控下就可自动完成。

参考文献：

（第一篇）:

自动化立体仓库主要由三大类设施组成：

(一)土建及公用工程设施

1．库房。库存容量和货架规格是库房设计的主要依据。

2．消防系统。对于自动化立体仓库而言，由于库房规模大，存储的货物和设备较多且密度大，而仓库的管理和操作人员较少，所以仓库内一般都采用自动消防系统。

3．照明系统。

4．动力系统。

5．通风及采暖系统。

6．其他设施。如排水设施、避雷接地设施和环境保护设施等。

(二)机械设备

1．货架。构铸货架的材料一般选用钢材或钢筋混凝土，钢货架的优点是构件尺寸小，制作方便，安装建设周期短，而且可以提高仓库的库容利用率。钢筋混凝土货架的优点在于其防火性能较好，抗腐蚀能力较强，维护保养也相对简单。自动化立体仓库的货架一般都分隔成一个个的单元格，单元格是用于存放托盘或直接存放货物的。

2．货箱与托盘。货箱和托盘的基本功能是装小件的货物，以便于叉车和堆垛机的叉取和存放。采用货箱和托盘存放货物可以提高货物装卸和存取的效率。

3．巷道机。巷道机是自动化立体仓库中最重要的设备，它是随自动化立体仓库的出现而发展起来的专用起重机。巷道机可在高层货架间的巷道内来回运动，其升降平台可作上下运动，升降平台上的货物存取装置可将货物存入货格或从货格中取出。

4．周边搬运设备。搬运设备一般是由电力来驱动，由自动或手动控制，把货物从一处移到另一处。这类设备包括输送机、自动导向车等，设备形式可以是单机、双轨、地面的、空中的、一维运行(即沿水平直线或垂直直线运行)、二维运行、三维运行等。其作用是配合巷道机完成货物的输送、转移、分拣等作业。在仓库内的主要搬运系统因故停止工作时，周边设备还可以发挥其作用，使作业继续进行。

(三)电气与电子设备

1．检测装置。检测装置是用于检测各种作业设备的物理参数和相应的化学参数，通过对检测数据的判断和处理可为系统决策提供最佳依据，以保证系统安全可靠地运行。

2．信息识别设备。在自动化立体仓库中，这种设备必不可少，它是用于采集货物的品名、类别、货号、数量、等级、目的地、生产厂、货物地址等物流信息。这类设备通常采用条形码、磁条、光学字符和射频等识别技术。

3．控制装置。自动化立体仓库内所配备的各种存取设备和输送设备必须具有控制装置，以实现自动化运转。这类控制装置包括普通开关、继电器、微处理器、单片机和可编程序控制器等等。

4．监控及调度设备。监控及调度设备主要负责协调系统中各部分的运行，它是自动化立体仓库的信息枢纽，在整个系统中举足轻重。

5．计算机管理系统。计算机管理系统用于进行仓库的账目管理和作业管理，并可与企业的管理系统交换信息。

6．数据通信设备。自动化立体仓库是一个构造复杂的自动化系统，它由众多的子系统组成。各系统、各设备之间需要进行大量的信息交换以完成规定的任务，因此需要大量的数据通信设备作为信息传递的媒介，这类设备包括电缆、远红外光、光纤和电磁波等。

7．大屏幕显示器。这是为了仓库内的工作人员操作方便，便于观察设备情况而设置的。 （第二篇）

巷道堆垛机的运行周期堆垛机的运行周期是自动化立体仓库总体规划的一个重要参数，它决定了系统是否能满足出、入库能力的需要和堆垛机性能参数的选择。堆垛机的出、入库搬运可分为单一作业循环和复合作业循环两种。我们可以对堆垛机在单一作业循环和复合作业循环两种情况下的运行周期进行计算：①单一作业循环周期计算单一作业循环周期的计算式：TimeS＝ ②复合作业循环周期计算复合作业循环周期的计算式：TimeD＝

式中：TimeS─堆垛机单一作业循环周期；TimeD─堆垛机复合作业循环周期；H─立体仓库货架区总高；L─立体仓库货架区总长；Vx堆垛机水平运行速度；Vy─堆垛机垂直运行速度；ax─堆垛机水平运行加速度；ay─堆垛机垂直运行加速度；Tf─堆垛机货叉伸叉时间；

3立体仓库规划设计方法自动化立体仓库的规划设计就是根据用户的需求对货架进行总体工艺设计，使其既能满足货位数的要求又能满足立库出、入库能力的要求，同时降低整个立库的造价。这里所研究的设计方法就是在有空间限制和无空间限制两种条件下，根据堆垛机的能力和存储量的需求来进行布局规划。我们将堆垛机的使用效率作为目标，对货架的长度和高度进行估算，以达到一个最合理的结果。另外，货架的高度是一个非常重要的参数。它

对加工手段、安装条件、运输成本等都有很大的影响，从而高度也直接关系到整个系统的成本。

3。有空间限制的设计方法由于在设计时空间尺寸已经被限制了，实际上货架的行数和层数都已经基本确定了。因此根据出、入库的能力来确定巷道数，采用下面的公式可以计算出满足出、入库能力下的堆垛机最小台数，即巷道数。n＝

n是单伸货架的行数，4n是双伸货架的行数。

3。无空间限制的设计方法无空间限制就是在没有提出空间限制的情况下，根据出、入库流量来计算，然后通过验证、比较得到最终的设计方案。下面是该设计方法的计算步骤：①推荐立体仓库的经济使用高度。②确定堆垛机期望使用效率。③计算堆垛机的运行周期。④堆垛机使用效率的计算表达式：＝⑤估算货架的长度。将公式（）和（）带入公式对（5）式进行整理，就得到了货架长当堆垛机的台数n确定了以后，中得到堆垛机期望使用效率的表达式如下：＝

度的估算公式：L＝a－、b、c、d、e均为中间变量，其中：a＝b＝c＝d＝e＝在以上的各式中：p──每天托盘出入库总量Prop──堆垛机运行中单循环所占比例Prop──堆垛机运行中双循环所占比例堆垛机期望使用效率n──堆垛机的台数⑥在得到了货架长度的估算公式以后，我们就可以将n＝、、3、4、5带入到公式（6）中来得到n组关于堆垛机台数、使用效率、货架长度的解。其中有最接近期望值的一组，作为总体参数。⑦将上面得到的一组值再次带入公式（3）中进行反算就可以计算出需要的工艺布局参数了。以上所研究的两种方法解决了目前立体仓库设计中的总体规划问题，已经在实际工作中得到了检验。

4结论采用本文所述方法得到的设计结果与AUOTOMOD仿真软件进行了对照，最大计算误差为3。4。另外，我们还对多个立体仓库的平面设计进行了验证计算，误差均在5以内。说明该设计方法达到了较高的精度要求。

（第三篇）

任务预计完成时刻的安全系数) 然后再通过如下方法加以调整。若相邻两个出库任务的最迟执行时刻之差小于堆垛机平均作业时间，则提前前一任务的最迟执行时刻，使其差距为堆垛机平均作业时间。循环操作直至所有任务的最迟执行时刻的差距不小于堆垛机平均时间。图

6．9为出库任务排队算法的一个例子。图中任务下标为最迟执行时刻。这里假设堆垛机平均作业时间为00：04。 (3)物流系统各项作业的实时性要求是不同的，因此对物流作业管理应考虑设置优先级。毛坯出库直接影响生产线加工，因此实时性要求高。成品回库影响装夹工作站的工作，实时性要求也较高。毛坯入库和成品出库实时性要求较低。由于作业的产生互不关联，因此同时产生多种请求的可能性很大。在自动仓库的作业中有一个排序的问题。排序原则应该是在保证实时性高的作业优先被执行的前提下，合理安排其它作业。也就是采用基于优先级的作业管理原则。 基于优先级的作业管理原则包含两个内容： ①作业调度时，按优先级顺序服务，以保证总是首先响应当前优先级最高的作业任务， 亦即实时性要求最高的作业任务。例如，在所有的作业任务中，首先响应缓冲站提出的出库申请。 ②考虑到有的作业执行时间较长或很多情况下为提高效率采取联合作业，这样仍会有优先级最高的任务受到延误的可能。所以在作业执行时，还采取可中断抢先的原则。即在作业执行时，将作业任务分为若干执行单元。如堆垛机的一次出入库任务，从入库台取货 存 入指定货位一另一空位取货一放到出库台。可以分成为取一存和取一存两个执行单元。每一作业执行单元完成后，都再次进行作业调度。从而保证优先级较高的作业任务可以抢先中断尚未完成的、级别较低的作业任务而被执行。待抢先的任务完成后，再继续执行被中断的、尚未完成的作业任务。当然，这个级别高的任务也可能被级别更高的作业任务所抢先中断。 为了提高存取效率，一般避免单项出库。而多采用出／入库联合作业。 (4)在有多项出库和入库申请时，适当把出库任务与入库任务进行优化组合。使满足条件的出库任务和入库任务组合成出／入库联合作业任务，可缩短存取周期，提高存取效率。 在出库台和入库台设在仓库的同一端时，最简便的作法是使入库申请与出库申请分别排序。将第一个出库作业与第一个入库作业组合为一个联合作业任务。这种组合一般情况下在效率上都不会有损失。 当立体仓库的出库台与入库台分设在仓库两端，则需考虑入库货位的位置与出库货位的位置。原则上是选取入／出库同时作业时，堆垛机在巷道中运行路径不重复或重复路线最短。 2．货位管理 对自动化立体仓库的货位进行管理，是要合理地分配和使用货位。即考虑如何提高货位的利用率，又要保证出库效率。 货位分配包含有两层意义，一是为出／入库的物料分配最佳货位(因为可能同时存在多个空闲的货位)即入库货位分配；二是要选择待出库物料的货位(因为同种物料可能同时存放在多个货位里)。 货位分配考虑的原则是很多的。专门用于仓储的立体仓库，其货位分配原则是： ①货架受力情况良好 上轻下重一重的物品存在下面的货位，较轻的物品存放在高处的货位。使货架受力稳定。 分散存放，物料分散存放在仓库的不同位置。避免因集中存放造成货格受力不均匀。 ②加快周转，先入先出一同种物料出库时，先入库者，先提取出库。以加快物料周转。避免因物料长期积压产生锈蚀、变形、变质及其他损坏造成的损失。 ③提高可靠性，分巷道存放一仓库有多个巷道时，同种物品分散在不同的巷道进行存放。以防止因某巷道堵塞影响某种物料的出库，造成生产中断。 ④提高效率，就近入／出库。在线自动仓库，为保证快速响应出库请求，一般将物料就近放

置在出库台附近。