自动化立体仓库仓储管理系统的设计与实现

自动化立体仓库又称为高层货架仓库、自动存取系统 (Automated Storage and Retrieval System, AS/RS) , 是近年来国际上迅速发展起来的一种新型仓储设施, 它的特点在于以高层立体货架为主要标志, 以成套先进搬运设备为基础, 以先进计算机设备为主要手段, 高效率地利用空间、时间和人力进行仓库的操作管理。它是当代物流技术、仓储技术、自动化技术发展的优秀产物。

从某种意义上讲, 仓储管理在物流管理中占据着核心的地位[1]。随着全球化竞争的形成和我国对外开放步伐的加快, 物流仓储技术越来越引起人们的重视, 在物流系统中立体仓库则起着十分关键的作用[2]。重力式仓库由于使用方便, 可最大限度的利用仓库面积, 维护工作量小, 绝对满足先进先出等特点, 在存储、分拣、配送等物流领域得到了人们的青睐[3,4]。

自动化立体仓库主要由立体货架、物资自动存取设备、输送设备、分拣系统以及计算机管理与控制设备组成。和普通的自动化立体仓库一样, 重力式立体仓库同样也是机械和控制相结合的产品。其中系统硬件组成的机械部分包括:货架和托盘部分、输送部分和码垛部分。

(1) 货架和托盘

在自动化仓库中主要采用托盘货架, 托盘货架专门用于存放堆码在托盘上的货物, 在自动化立体仓库里有着举足轻重的地位。仓储管理系统实现对货物的管理最终是通过对托盘与货位的管理来实现的, 在现代自动化立体仓库里必须实现全托盘化作业。

(2) 输送机

立体仓库输送部分是货物入/出库的桥梁, 直接关系到仓库的性能。目前国内用得较多的是输送机, 其特点是在工作时连续不断地沿同一方向输送散料或者重量不大的单件物品, 装卸过程无需停车, 不需要人工干预, 因此生产效率很高, 它被广泛用于物料搬运领域。

(3) 巷道堆垛机

立体仓库码垛部分是指把货物放入货架或把货物从货架上取下的那一部分机械, 主要有巷道堆垛机、叉车、高位叉车等。其中巷道堆垛机是专门用来堆码或提升货物的机械, 是用于自动存取货物的主要设备。

国内的自动化立体仓库正处在起步的关键阶段, 对于它的认识, 特别是几个关键要素的认识是否正确, 是否到位, 都将直接关系到一个系统是否成功, 任何一个环节产生问题, 都会导致整个仓库运行瘫痪[5]。所以正确选用部件及采用合理的方案、技术参数至关重要:

(1) 重力式货架

重力式货架以托盘式货架作基础, 托盘存放在倾斜面的滚轮上, 当“第一个托盘”从取货区取出后, “第二个托盘”将自动滑至最前端。重力式货架除了支撑仓库货物及托盘的重量外, 还要支撑整个滚道及附属设施的重量, 所以其强度要比普通立体仓库高。

(2) 滚筒与阻尼滚筒

为控制托盘以稳定速度下滑, 避免撞击, 在滚筒线上每隔一定距离设置一套阻尼系统 (又称减速系统) , 托盘下滑速度越快, 阻尼系统产生的阻力越大。在重力式仓库中, 阻尼滚筒的作用至关重要。阻尼滚简的意义在于保证货物向下运行的速度在受控范围内。

(3) 托盘的硬度与滚筒的摩擦系数

托盘的硬度不仅与重力库的倾斜角度紧密相关, 还直接影响到与滚筒的摩擦系数。如果托盘硬度过高, 容易造成在下滑过程中托盘与滚筒相对滑动, 整个仓库巷道瘫痪。所以在重力式仓库中应尽量选用木质或塑料托盘以保证托盘与滚筒具备足够的摩擦力。

(4) 安全分离器

安全分离器对重力仓库也很重要, 如果没有安全分离器, 巷道中后入库的货物会对先入库的货物产生累计压力, 导致无法将货物取出。安全分离器的设置, 使第一个货物与紧挨的第二个货物之间分离一段距离, 有效避免了堆积压力的影响。

(5) 角度设置

在自动化仓库中, 角度的选用也是比较关键的一项, 角度过大或过小都将造成仓库不能正常运行。角度设置的过大, 会加大仓库的空间落差;角度设置的过小, 容易造成运行中货物中途停止。所以选用合适的角度至关重要, 通常情况下滚道角度应小于4°。

自动化立体仓库管理系统就是使用计算机实现对仓库的实时监视、设备控制与信息管理。它的任务与普通仓库的计算机管理系统相似, 要负责接受上级生产系统发布的生产任务, 完成入库、出库操作, 库存数据库管理与统计等常规工作。更重要的是, 自动化立体仓库计算机管理系统还要实现与监控计算机系统的通讯, 这是自动仓库管理系统实现货物准确存取的关键所在[6]。

重力式系统的结构在不同企业和行业具有不同的特点, 但从功能层次上看, 均可以将系统分为3个层次:管理层、监控层、执行层, 如图1所示。

考虑到重力式货架能最大限度地利用仓库空间、绝对满足“先进先出”原则、易于存放腐蚀物品及自身货物品种少、批量多的特点, 该仓库平面如图2所示。

整个系统包括高层货架、堆垛机、输送机、输送小车等外围设备、检测信息传输及自动控制、计算机控制和管理系统。从平面上看, 该仓库按照存储功能的不同分为A、B、C三个存储区域, 其中A、B区位于仓库部内, 均由重力式立体货架构成 (A区为先进先出式重力货架, B区为后推式重力货架) , C区位于仓库外部, 没有货架, 是一个虚拟的存储区域 (Virtual Warehouse) 。

该立体仓库系统与业主上级ERP系统 (Scala系统) 共同构成了企业物流系统的重要组成部分。整个网络包含两部分, 上半部分是internet互联网及公司内部以太局域网, 组成管理级网络 (第一层和第二层) , 下半部分是采用Profi BUS总线协议的工业控制网络 (第三层) , 监控机服务器通过Internet与业主上级ERP系统服务器链接, 经由网络交换器通过100Mb/s以太网与仓库下位各PLC、条码扫描仪、工作站、无线终端等连接起来组成一个完整的网络。从功能划分和数据流分配而言, 整个系统可分为三个层次, 其网络拓扑结构如图3所示。

在网络设计、布线和监控设备安装等方面必须严格满足防爆的特殊要求, 其网络综合布线示意图如图4所示。网络综合布线对工程的全过程起着决定性的作用, 布线质量的好坏直接关系到整个系统通信性能继而影响系统的工作质量。

现阶段, 早期一些己经建立的计算机管理的仓库管理系统, 随着商品流通的加剧, 也难以满足仓库管理实时性的要求。无线通讯网络的解决方案开始被越来越多的企业所关注, 无线通信技术在解决了仓库管理操作人员的流动性问题的同时, 实现了数据的实时传输。

按与有线局域网的关系, 可以把无线局域网分为独立式和非独立式两种。独立式无线局域网指整个网络都使用无线通信的无线局域网, 非独立式无线局域网指局域网中无线网络设备与有线网络设备相结合使用的局域网。

目前非独立式无线局域网居于无线局域网的主流, 在有线局域网的基础上通过无线访问节点、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现, 其本身还要依赖于有线局域网, 是有线局域网的扩展和补充, 而不是有线局域网的替代产品。非独立式无线局域网的拓扑图如图5所示。

针对该立体仓库货物入/出库数量较大的实际情况, 开发了一个条形码打印服务端程序, 专门提供货物条码和托盘条码打印。服务端程序可以安装在任何一台终端上作为服务端, 而其他计算机终端通过嵌入仓储管理系统 (WMS) 程序的WinSock技术与条码打印服务端取得联系, 服务端调用程序进行联机打印。

重力式自动化立体仓库仓储管理系统的核心是库存数据库, 各项功能的实现都是围绕库存数据库进行的。作为自动仓库管理系统的核心, 库存数据库必须反映管理系统的功能要求, 主要以货物为中心, 重点包括存储货物的种类、名称、数量以及存储货位地址等与生产供求密切相关的数据信息, 为库存控制提供数据。本系统在Microsoft SQL Server2000数据库环境下建立数据库和数据表。

系统管理模块的主要功能包括用户信息管理、产品满盘数量设置、更改用户等三部分。

货物入库管理模块包括组建托盘、入库作业生成、入库作业管理、入库作业查询、入库交易比对、C区入库、手动入库等几个部分。

出库管理模块包括签收单管理、发货单打印、出库交易查询、出库作业查询、出库作业比对、手动出库、改单等子模块。

自动化立体仓库管理层根据不同的作业类型生成相关的入/出库作业, 每个作业有一个任务号 (任务号在一定范围内具有惟一性) 。作业调度时先根据作业方式将作业增加到相关设备任务队列中。然后根据作业调度算法将作业解析为各设备的任务, 各设备间通过任务号进行任务的传递, 当同一任务号的各设备都完成任务时, 整条入/出库作业才算完成。

自动化立体仓库是当代物流技术、仓储技术、自动化技术发展的优秀产物。本文结合国内外自动化立体仓库研究现状, 对自动化立体仓库系统进行了深入的研究和分析, 提出了自动化立体仓库仓储管理系统的总体框架和详细设计解决方案。系统针对自动化立体仓库的特点, 应用已有的自动化立体仓库技术并结合数据库技术、网络技术、条型码技术、计算机控制等相关技术, 充分体现了现代物流传输、存储过程、仓储拣选技术相结合的优势。通过计算机完成统计、查询、分配货位、数据备份、交易比对等工作, 有效提高了仓库运行效率40%以上, 同时还缩短了企业供货时间, 降低了企业生产成本。