李 斌，魏 鑫，張敬敏，吳 振，張 楠

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所物流中心，北京 100120；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所電物理中心，北京 110102）

0 引言

研究表明，在自動(dòng)分揀系統(tǒng)中，揀選者大約70%的時(shí)間用在了移動(dòng)上，實(shí)際上只有30%的時(shí)間在挑選產(chǎn)品。無(wú)論用什么技術(shù)和方式把貨物送到揀選者身邊，其主要目的是為了減少操作人員的移動(dòng)時(shí)間。采用“貨到人”技術(shù)則節(jié)省了移動(dòng)時(shí)間，從而大大提高了揀選者的工作效率。

在以小件貨物拆零揀選為主的作業(yè)環(huán)境中，揀選人員數(shù)量占全部作業(yè)人員總數(shù)的60%以上，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了收貨、運(yùn)輸、包裝和其他物流環(huán)節(jié)的用工數(shù)量?！柏浀饺恕?技術(shù)在快速訂單周期和多元化SKU的環(huán)境中越來(lái)越受歡迎。換言之，這不僅是降低勞動(dòng)力成本的問題，而是能及時(shí)、快速、準(zhǔn)確地處理訂單——這已經(jīng)成為配送的主要因素。

在存儲(chǔ)密度大的情況下（如現(xiàn)有倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施需要改造），實(shí)際上很多時(shí)候，節(jié)省空間成了另一個(gè)主要考慮因素。經(jīng)驗(yàn)表明，采用“貨到人” 技術(shù)，節(jié)省50%～60%的占用空間并不是什么不尋常的事情。其中最大的節(jié)約來(lái)自于更好地利用了現(xiàn)有建筑的立體空間，以及減少了通道空間。

國(guó)內(nèi)外許多專家在展望物流技術(shù)發(fā)展的前景時(shí)，比較一致的看法是“自動(dòng)化”、“智能化”和“標(biāo)準(zhǔn)化”是主要方向。“貨到人” 揀選很好地詮釋了這一發(fā)展趨勢(shì)。從“貨到人”獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)看，幾乎所有的行業(yè)都適宜采用“貨到人”技術(shù)，以提高效率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度。但在現(xiàn)階段，考慮到作業(yè)成本問題，并非所有系統(tǒng)都具備采用“貨到人”技術(shù)的條件。

大型電子商務(wù)配送中心是未來(lái)“貨到人”技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)槠洳鹆銙x將占揀選總量的95%以上，是最合適采用“貨到人”揀選技術(shù)的行業(yè)。醫(yī)藥物流，尤其是以拆零為主的配送中心，由于對(duì)物流效率和揀選準(zhǔn)確性的高要求，是未來(lái)“貨到人”揀選應(yīng)用的另一重要領(lǐng)域。此外，冷鏈物流由于作業(yè)環(huán)境惡劣，對(duì)于“貨到人”揀選有特別的需求，揀選區(qū)相對(duì)較高的溫度將使作業(yè)變得相對(duì)舒適。當(dāng)然，傳統(tǒng)行業(yè)還有很多具備采用“貨到人”揀選的場(chǎng)合，如服裝、食品化妝品以及貴重品揀選等，均有應(yīng)用“貨到人”揀選的需求。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為某重工企業(yè)生產(chǎn)車間，要實(shí)現(xiàn)集中存儲(chǔ)，快速輸送300箱/小時(shí)到人揀選，且準(zhǔn)確率達(dá)到99.9%揀選的要求，因此整體方案劃分為三個(gè)功能區(qū)域：存儲(chǔ)區(qū)域、輥筒輸送區(qū)域、揀選區(qū)域，并分別細(xì)化設(shè)計(jì)。

存儲(chǔ)區(qū)域貨架采用雙伸位貨格，以實(shí)現(xiàn)貨位空間的有效利用。為適用短距離輸送和多層貨架存取貨物，配備穿梭車和換層提升機(jī)。輥筒輸送區(qū)域?qū)崿F(xiàn)料箱從穿梭車到揀選站臺(tái)的輸送功能，同時(shí)為了保證輸送的流向一致，不同的料箱種類分兩層分別輸送。揀選區(qū)域主要供人揀選物料，需要實(shí)現(xiàn)2:6揀選、35kg承載以及300箱/小時(shí)的揀選任務(wù)。

如圖1所示，生產(chǎn)車間分為存儲(chǔ)區(qū)、輸送和揀選區(qū)。料箱的運(yùn)行方向?yàn)榧^所指方向。大體布局可以分為兩層，一層流通的是訂單箱，二層流通的為揀選箱。

圖1 總體布局

2 軟件流程設(shè)計(jì)

貨到人管理軟件系統(tǒng)可分為六個(gè)管理階段，分別為：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、任務(wù)準(zhǔn)備、訂單上線、人工揀選、揀選完成、訂單完成，通過與ERP系統(tǒng)同步訂單任務(wù)，對(duì)訂單進(jìn)行訂單優(yōu)化，通過多層穿梭車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)輸送，并最后對(duì)訂單復(fù)核打包進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整體物料系統(tǒng)的信息跟蹤。

1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

訂單數(shù)據(jù)由ERP發(fā)起，ERP會(huì)預(yù)先將要出庫(kù)的出庫(kù)任務(wù)同步至WMS（通常預(yù)期為T+1），訂單必須具有需求時(shí)間，WMS系統(tǒng)根據(jù)需求時(shí)間進(jìn)行訂單整合，形成訂單出庫(kù)任務(wù)。

圖2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2）任務(wù)準(zhǔn)備

根據(jù)出庫(kù)任務(wù)，進(jìn)行任務(wù)路徑的優(yōu)化，系統(tǒng)將貨架進(jìn)行分類，將即將需要揀選的訂單優(yōu)化排序，優(yōu)化完成后根據(jù)訂單生成任務(wù)序列。

3）訂單上線

圖3 任務(wù)準(zhǔn)備

人工開工時(shí)，通過看板系統(tǒng)登錄至揀選工位，當(dāng)人工上線時(shí)，同時(shí)根據(jù)訂單序列，生成上線訂單，將訂單綁定至貨到人下層的訂單箱工位上，同時(shí)根據(jù)訂單箱位置數(shù)量進(jìn)行訂單執(zhí)行數(shù)量的控制，將已激活的訂單任務(wù)，下發(fā)至WCS，通過設(shè)備輸送至揀選工位。

圖4 訂單上線

4）人工揀選

物料箱到達(dá)揀選工位是，系統(tǒng)將自動(dòng)驅(qū)動(dòng)揀選信息看板顯示揀選內(nèi)容、驅(qū)動(dòng)揀選位置LED燈帶、驅(qū)動(dòng)訂單箱位置LED燈帶并驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮電子標(biāo)簽，人工根據(jù)燈帶提示、電子標(biāo)簽提示進(jìn)行目視化揀選，最后通過看板核對(duì)。

圖5 人工揀選

5）揀選完成

人工揀選完成后，按電子標(biāo)簽確認(rèn)按鈕，接收信息同時(shí)，根據(jù)電子標(biāo)簽數(shù)量進(jìn)行物料箱至訂單箱的數(shù)據(jù)更新，記賬完成后，驅(qū)動(dòng)輸系統(tǒng)將訂單物料箱回庫(kù)，單條揀選任務(wù)結(jié)束。

圖6 揀選完成

6）訂單完成

當(dāng)一個(gè)訂單的全部物料揀選完成時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)打印機(jī)自動(dòng)打印對(duì)應(yīng)訂單箱面單，人將面單投入訂單箱中，確認(rèn)訂單箱完成，輸送系統(tǒng)將訂單箱驅(qū)動(dòng)至相應(yīng)的打包地點(diǎn)，打包人員根據(jù)訂單箱面單信息復(fù)合、確認(rèn)、打包。系統(tǒng)接收確認(rèn)信息進(jìn)行賬務(wù)處理，同時(shí)將信息同步至ERP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)賬務(wù)實(shí)時(shí)統(tǒng)一，至此訂單結(jié)束。

圖7 訂單完成

7）訂單箱存儲(chǔ)周轉(zhuǎn)

貨到人系統(tǒng)在SKU主數(shù)據(jù)中，需要維護(hù)物料體積（長(zhǎng)寬高）或物料在周轉(zhuǎn)箱內(nèi)存儲(chǔ)的最大存儲(chǔ)數(shù)量，系統(tǒng)在人工揀選確認(rèn)時(shí)，會(huì)根據(jù)SKU數(shù)據(jù)進(jìn)行訂單箱當(dāng)前容積的判斷，當(dāng)訂單箱將放滿時(shí)，會(huì)自動(dòng)根據(jù)訂單箱進(jìn)行訂單拆單，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)打印面單，同時(shí)補(bǔ)充新的訂單箱，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)訂單對(duì)應(yīng)多個(gè)訂單箱存儲(chǔ)的管理。

軟件界面顯示如圖9所示，左側(cè)文字顯示基本信息，右側(cè)可以添加物料照片，主體按照揀選設(shè)備布置位置，顯示揀選箱物料位置、訂單箱位置、以及揀選數(shù)量等提示信息。

通過計(jì)算機(jī)顯示待揀選的物料信息、屏幕點(diǎn)亮物料所處貨格的位置，同時(shí)顯示揀選數(shù)量，以及屏幕點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)訂單箱的位置。待揀選完成后，確認(rèn)按鈕按下，訂單完成。

圖8 訂單箱周轉(zhuǎn)

圖9 揀選界面

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目的電氣控制系統(tǒng)由堆垛機(jī)控制系統(tǒng)和輸送線控制系統(tǒng)組成，是該工程自動(dòng)化物流系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行系統(tǒng)，是以技術(shù)協(xié)議中關(guān)于電控系統(tǒng)的技術(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。本控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路為“集中管理、綜合與分片監(jiān)控相結(jié)合、分散控制、減少人工”。 底層設(shè)備控制系統(tǒng)可向上位管理調(diào)度系統(tǒng)上傳現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)、工藝數(shù)據(jù)和傳遞信息。上位管理調(diào)度系統(tǒng)可向下發(fā)布物流調(diào)度信息，可采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)采用集中—分散型以太網(wǎng)控制方式，使用了方便靈活的硬件和軟件模塊組合設(shè)計(jì)，以適應(yīng)系統(tǒng)中不同特點(diǎn)的工藝控制要求和管理要求，使之成為既滿足工藝要求的精確控制又滿足管理現(xiàn)代化的物流系統(tǒng)。

整個(gè)控制系統(tǒng)的PLC全部選用功能強(qiáng)大可靠的SIEMENS公司的工控產(chǎn)品。輸送設(shè)備共4段，由一個(gè)PLC來(lái)控制，PLC選用了西門子的CPU-315 2PN/DP。現(xiàn)場(chǎng)采用以太網(wǎng)通訊，包含有線以太網(wǎng)和無(wú)線以太網(wǎng)兩個(gè)部分，有線以太網(wǎng)主要用于連接輸送機(jī)控制柜和上位計(jì)算機(jī)、無(wú)線基站，無(wú)線以太網(wǎng)主要用于建立地面輸送系統(tǒng)和堆垛機(jī)之間的通訊以及供入庫(kù)掃描手持終端使用。

所有控制系統(tǒng)采用集中與分散結(jié)合、自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合的控制方式使系統(tǒng)具有靈活的操作性，設(shè)計(jì)過程既考慮了系統(tǒng)工藝要求，又確保操作控制方便自如。

堆垛機(jī)采用S7-314 PLC控制器進(jìn)行控制，輸送線控制柜內(nèi)配置S7-315 PLC控制器，PLC通過以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議完成與上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通訊，通過協(xié)議規(guī)定的格式接收上位機(jī)下發(fā)的作業(yè)指令，將待揀選料箱和空料箱出庫(kù)輸送到揀選位置，同時(shí)回收揀選完成的料箱置立體庫(kù)內(nèi)入庫(kù)存放，并上報(bào)存貨地址到上位機(jī)。

控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的訂單實(shí)現(xiàn)輸送料箱的高效、準(zhǔn)確，同時(shí)保證跟蹤的信息準(zhǔn)確無(wú)誤。為了提高系統(tǒng)的效率，一是要確保揀選料箱能順暢快速到達(dá)揀選位置，出庫(kù)與入庫(kù)回流都不能出現(xiàn)擁堵的情況；二是要保證訂單料箱（即空料箱）的及時(shí)供應(yīng)，在本項(xiàng)目中由于采用了分層揀選的方式，訂單料箱單獨(dú)在二層流轉(zhuǎn)，不會(huì)與揀選料箱發(fā)生沖突，能順利地滿足WMS下發(fā)的揀選任務(wù)需求。

4 硬件設(shè)計(jì)

1）貨架

貨架在現(xiàn)代物流活動(dòng)中，起著相當(dāng)重要的作用，倉(cāng)庫(kù)管理實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，與貨架的種類、功能有直接的關(guān)系。貨架的作用及功能如下。貨架是一種架式結(jié)構(gòu)物，可充分利用倉(cāng)庫(kù)空間，提高庫(kù)容利用率，擴(kuò)大倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存能力。存入貨架中的貨物，互不擠壓，物資損耗小，可完整保證物資本身的功能，減少貨物的損失。貨架中的貨物，存取方便，便于清點(diǎn)及計(jì)量，可做到先進(jìn)先出。保證存儲(chǔ)貨物的質(zhì)量，可以采取防潮、防塵、防盜、防破壞等措施，以提高物資存儲(chǔ)質(zhì)量。隔板式貨架主要包括立柱、隔板梁、穿梭車運(yùn)行軌道。

項(xiàng)目采用的是雙伸位的貨架，軌道兩層分別可以放置兩列料箱。每層的布置為同一水平面保證料箱可以被水平推入或拉出。巷道內(nèi)側(cè)的貨架立柱上每層都設(shè)置了穿梭車軌道，保證穿梭車在每一層可以正常運(yùn)行，并取到所有位置的貨物。

2）穿梭車

穿梭車是存取貨物的關(guān)鍵設(shè)備，在貨到人系統(tǒng)中存取貨物的設(shè)備可以是多種的，如mini-load、agv等等。本項(xiàng)目采用的穿梭車配備夾抱式雙工位貨叉，這種結(jié)構(gòu)可以滿足，同時(shí)處理兩個(gè)料箱的需求。

3）提升機(jī)

在采用穿梭車的“貨到人”系統(tǒng)中需要配備提升機(jī)。提升機(jī)的作用也是多種的，包括實(shí)現(xiàn)穿梭車換層功能的換層提升機(jī)。

提升機(jī)主要由機(jī)體、升降貨臺(tái)、軌道、安全防護(hù)裝置、外購(gòu)件等部件構(gòu)成。

機(jī)體：升降機(jī)為四立柱框架，頂部橫梁連接，驅(qū)動(dòng)裝置于升降機(jī)頂部，外圍用有機(jī)玻璃板防護(hù)。

升降貨臺(tái)：升降貨貨臺(tái)靠提升鏈條與主機(jī)架連接，并導(dǎo)向滾輪和導(dǎo)軌導(dǎo)向，提升鏈條的另一端與平衡配重塊連接。

換層提升機(jī)具有穿梭車軌道，采用與貨架一致的矩形方管。載貨提升機(jī)則配有電滾筒輸送機(jī)。

安全防護(hù)裝置：貨物進(jìn)出異常檢測(cè)，電機(jī)過載檢測(cè)，斷鏈檢測(cè)，跌落制動(dòng)等。

外構(gòu)件配置：帶制減速電機(jī)SEW，3相380V。

表面涂裝：機(jī)體、導(dǎo)向件、附件等零部件經(jīng)鋼絲刷、砂紙等除銹，并經(jīng)酸洗去油脂，經(jīng)磷化后表面靜電噴涂環(huán)氧樹脂粉末并烘烤。裸露的機(jī)械加工零件經(jīng)鍍鉻或發(fā)黑處理。緊固件皆經(jīng)鍍鉻處理。

4）輥道輸送機(jī)

通過拼接聯(lián)通輥道輸送機(jī)，完成料箱由出庫(kù)站臺(tái)到揀選工作站的任務(wù)。電動(dòng)滾筒運(yùn)行平穩(wěn)、速度快，完成指定料箱的運(yùn)送工作同時(shí)起到了積放暫存的作用，能夠滿足高峰期較大的吞吐量。

結(jié)構(gòu)輕便，設(shè)計(jì)合理，料箱輸送系統(tǒng)主要由輕型輥式輸送機(jī)、輕型移載機(jī)、尺寸檢測(cè)裝置、超重檢測(cè)裝置組成。性能可靠、美觀大方、并且便于安裝和使用期間的維護(hù)保養(yǎng)，電氣元件質(zhì)量?jī)?yōu)良、運(yùn)行噪音滿足環(huán)境要求。尺寸檢測(cè)裝置能夠切實(shí)檢測(cè)到異常情況，并有效報(bào)警。尺寸檢測(cè)允許一定范圍內(nèi)的誤差。出入庫(kù)輸送系統(tǒng)可滿載啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠、無(wú)異響、無(wú)脈沖式跳動(dòng)。整機(jī)啟、停平穩(wěn)，無(wú)打滑、撞擊現(xiàn)象。輸送線每一段每一驅(qū)動(dòng)單元均采用變頻調(diào)速控制。輸送機(jī)控制方式具備自動(dòng)、手動(dòng)和聯(lián)機(jī)自動(dòng)方式。便于操作人員操作。兩側(cè)具有保護(hù)導(dǎo)向裝置，完善的連鎖保護(hù)裝。

5）揀選站臺(tái)

整體結(jié)構(gòu)思路采用垂直揀選模式，從上向下揀。因此，揀選站有兩層組成，上層是揀選箱，下層流通訂單箱。兩種料箱各自在不同層運(yùn)行，保證運(yùn)送的高效和揀選的準(zhǔn)確性。為滿足項(xiàng)目需求2:6揀選，在二層設(shè)置兩個(gè)揀選箱位置，一層設(shè)置6個(gè)訂單箱位置，同時(shí)滿足在線進(jìn)行6個(gè)訂單的揀選任務(wù)。

系統(tǒng)收到訂單下發(fā)的指令，調(diào)配相應(yīng)數(shù)量的空料箱出庫(kù)，到一層指定訂單箱揀選位置。同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)訂單需求，調(diào)配相應(yīng)物料箱出庫(kù)，到二層指定揀選箱位置。揀選者根據(jù)系統(tǒng)提示，進(jìn)行訂單揀選，完成后確認(rèn)。

系統(tǒng)收到確認(rèn)指令后，將一層揀選完成的訂單箱，輸送到制定位置，同時(shí)將揀選完成的揀選箱，輸送會(huì)立體庫(kù)內(nèi)存放。

揀選站是直接與揀選者交互的設(shè)備，為了更好的用戶體驗(yàn)。考慮到二層的料箱高度和距離，揀選者尋找物料和拿取物料不方便，二層揀選臺(tái)未傾斜時(shí)高度為

【】【】1389mm，且箱口豎直向上，人豎直站立自然伸手高度比二層揀選口抵310mm左右。人的視線基本觀察不到箱子底部。為此將二層設(shè)置為可以向揀選者傾斜的方式，既方便了查看箱底的物料，同時(shí)在揀選的時(shí)候更加方便順手，揀選臺(tái)傾斜后高度為1233mm，下降了150mm左右，且箱口的朝向也發(fā)生了變化，與豎直方向形成70°夾角。此時(shí)，手臂位置與箱口高度差在150mm左右，

上層揀選站臺(tái)采用進(jìn)口氣缸升降，此種方式保證揀選臺(tái)升降迅速且平穩(wěn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用測(cè)試，按上述流程設(shè)計(jì)的貨到人揀選系統(tǒng)，能滿足廠方大批量、多品種的復(fù)雜揀選任務(wù)，峰值效率達(dá)到了預(yù)期的訂單揀選300箱/min，訂單揀選準(zhǔn)確率超過了99.5%，達(dá)到了快速、準(zhǔn)確、及時(shí)的工程預(yù)期效果。綜上所述，該貨到人自動(dòng)揀選系統(tǒng)是現(xiàn)代智能物流倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)中一項(xiàng)值得推廣的技術(shù)，能為廠方，尤其是有大量揀選需求的生產(chǎn)型工廠，帶來(lái)更多的便利和更大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]丁立言,張鐸.倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化[M].清華大學(xué)出版社,2002.

[2]德國(guó)西門子公司,S7-300系統(tǒng)手冊(cè)[K],2016.

[3]魏鵬.自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)[J].科技信息(學(xué)術(shù)研究),2008(11).