超重型自动化立体库研究与设计

国网宁夏电力有限公司银川供电公司 康晓雪 顾 亮

在步入工业4.0时代以后，传统中人工化、半自动化的设备应用与管理模式已无法满足生产活动中的实际需求，使得自动化技术、智能化技术与生产系统的融合越发势在必行。在此背景下，自动化立体库作为新一代的物流仓储系统应运而生，为企业仓储工作效率、生产管理质量以及综合技术实力的提升提供了有力助推。

1 超重型自动化立体库的应用优势

超重型自动化立体库是现代物流仓储领域下的新生产概念、新技术系统，综合运用了自动控制技术、智能监控技术、自动识别技术、信息管理技术、数据库技术等多种现代科技，表现出了高水平的应用价值。与传统时期的普通仓库相比主要表现如下应用优势：

实现了仓储空间的充分利用。在传统生产活动中仓库的货物存储方式大多是单层、平面的，此时期即便有人已想到要提高仓储空间的实际利用率，但往往也会因装载、搬运等方面的技术条件限制而很难付诸实践。相比之下，超重型自动化立体库使用了纵向延伸的立体式存储形式，其货架通常在12米至20米之间，大大提高了仓库单位面积的货物容纳能力。

实现了工作效率的大幅提升。在过去很长一段时间里，企业货物都是靠纯人力或人机结合的方式进行装卸搬运的，这不仅会消耗大量的人力成本，也会使货物重量与搬运速度形成反比关系，不利于工作效率的高水准、稳定化保持。此外受客观因素限制，搬运人员存在睡眠、休息等需求，且难免出现疲劳、疏忽等问题，这也会在很大程度上影响仓储工作的效率与质量。相比之下，超重型自动化立体库完全采取自动化、智能化的机械搬运方式，并不会在一线生产方面涉及到人力需求。这样既有助于将仓储工作保持在稳定、高效的状态当中，同时也能实现全天候的运作、监控与管理，从而促进企业生产效率、生产效益的提升[1]。

实现了人员安全的有效保障。基于超重型自动化立体库的“去人工化”运行特点，传统中货物装卸、搬运以及现场管理中可能存在的安全隐患都能得到基本控制，从而大幅降低对人员生命健康的威胁性；实现了货物安全的有效保障。超重型自动化立体库主要通过托盘、货箱、传统带等机械化输送系统进行货物的装卸与搬运，这在很大程度上弱化了人因风险对货物安全的影响，因此能达到降低货损率的理想效果。

2 超重型自动化立体库的设计需求

2.1 常规管理的设计需求

应具备基本信息的管理功能，具体信息内容包括用户信息、客户信息、订单信息、条码信息、物料信息、仓位信息等。在此基础上应为不同用户提供出差异性的信息管理权限，如信息查询的权限、信息增删的权限、信息修改的权限等；应满足内部信息的打印、备份、传输、可视化显示等功能需求，以确保为相关人员的生产活动提供便利；应同时具备良好的兼容性与拓展性。一方面自动化立体库系统应支持市面上常见的各类计算机操作系统、手持扫码设备以及数据库，并能随技术发展而更新升级。这样才能保证自动化立体库的高效、顺畅运用，防止系统冲突、设备失能等负面情况发生。另一方面自动化立体系统应预留出适当的软硬件接口与系统空间，以应对仓库扩容、货架结构调整、新系统接入等后续应用要求；在设计中无论是系统的核心服务器端还是手持设备终端都应保证易用性，即界面清晰简洁、设备操作简单，以降低相关人员读取信息、操控系统的难度。

2.2 出入库管理的设计需求及总体设计

超重型自动化立体库的入库管理主要是针对仓储货物而言的。在自动化立体库系统的实践应用中，其需要按照库管人员已核对无误的入库单据信息进行相关货物扫码指令的反馈响应，并驱动托盘输送机、箱式输送机、皮带输送机等开展作业，执行相应货物的入库任务。在入库完成后系统还应对各项入库信息进行记录存档，并为库管、客户等人员提供二维码、条形码、任务单等的呈现与打印服务。在前期的系统设计中，相关人员必须要对上述流程的功能需求提起重视。与入库管理同理，在超重型自动化立体库的出库管理设计中，相关人员也应满足生成出库单据、发送出库指令、驱动输送设备、记录出库信息、提供打印服务等功能需求。

2.3 库存管理的设计需求

库存管理功能方面的设计需求以信息查询为主，需要查询的内容包括货物库存状态、货物箱码、货物仓位、托盘编码、出库任务细节、入库任务细节、盘点任务细节、调配单据等信息。做好该项设计可为仓库管理人员、出入库人员应用超重型自动化立体库系统提供极大便利。

2.4 智能分析的设计需求

虽然超重型自动化立体库具备相对完善的机械化运作机制与生产能力，但仍存在一定的故障风险，如货物脱离传送带、货物掉出托盘、货物包装破损、程序流转混乱等。当发生此类情况时，为将故障影响降低在最低水平，实现超重型自动化立体库系统运行状态的快速恢复，需技术、管理等人员介入对系统实施及时性、针对性的监管与维修。基于此，相关人员在前期的设计实践中还应意识到系统自检、自查、制动等需求的满足必要性，进而设计出智能分析功能，依靠多种数据实现系统状态的真实评估与动态告警。此外，结合行业经验来看，超重型自动化立体库在投用运行的过程中还面临多种硬件上的故障隐患，如线路老化破损、设备机构局部过热、周围环境潮湿锈蚀等。所以相关人员还应依托传感器技术提高智能分析功能的数据覆盖范畴，以进一步提高超重自动化立体库系统及现场人员的风险感知水平。

2.5 超重型自动化立体库的总体设计

设计超重型自动化立体库系统的总体架构时可划分出展示层、应用层、控制层以及数据层四个层次。展示层即系统的最前端，主要包括自动化立体库系统界面与手持终端设备界面两个部分，均应具备优质的可视化特性；应用层则为仓库管理、出入库等人员的操作应用层次，具体应包括基本信息管理、更新升级管理、入库管理、出库管理、库存管理、故障管理以及日志记录等；控制层主要负责系统任务的实际执行控制，应包括堆垛机控制、运输机控制（如托盘输送设备、箱式输送设备、皮带输送设备等）、工业机器人控制、穿梭车控制、传感器控制等；数据层可将SQL Server 数据库为基础，进行用户信息、客户信息、货物信息、仓位信息、票单信息、任务信息等的存储与查询。同时还可通过Web Service、非对称密钥等技术，为超重型自动化立体库的系统信息交互提供稳定支持与安全保障。

3 超重型自动化立体库的细化设计

3.1 软件设计

在常规管理的模块设计体系中，用户、客户、货物等的基本信息管理为重中之重。在设计用户管理模块时应保证用户账号各自独立、互不重复，支持单个账号与多种权限的绑定对接，并体现用户的姓名、岗位、职称、联系电话等信息；在设计客户管理模块时应赋予客户相对应的订单发起权限，并体现客户的系统账号、真实姓名、联系电话、电子邮箱、订单项目、合同编号等信息。在此基础上，若企业与客户之间的合作关系已终止，应及时删除系统内的客户信息；在设计货物管理模块时应注重体现货物的具体名称、主键ID、仓位、箱码、托盘标签、包装数量、计量单位、空间体积、类型描述等。若客户已提交了相关订单申请则应将货物信息与客户信息相绑定。若用户已发出出入库指令，则应将货物信息与用户信息相绑定。此外还需将超重型自动化立体库系统与已部署的服务器、传感器、显示器、交换机、打印机等设备系统建立连接，以满足仓储信息的采集、呈现、传送、输出等常规管理需求。

在设计入库管理模块时，相关人员主要应关注入库需求单、入库调配单、入库操作等方面。在入库需求单方面，应明确体现需求单的创建时间、申请人员、申请人联系方式、审核用户ID 等。在入库调配单方面应明确体现货物入库量的核实数量，并实现相关数据的系统读取与票单转化。在入库操作方面，系统应将已转化生成调配单传输至PDA、平板电脑等手持终端设备处，辅助入库人员完成对货物实际数量、规格型号、性能状态的核对检查。检查完成后即可基于特定程序代码驱动输送、码垛等机械设备执行入库任务；在设计出库管理模块时相关人员主要应关注出库需求单与出库操作两个方面，与入库需求单、入库操作的设计思路基本相同[2]。

库存管理的模块设计。库存管理模块主要用于货物当前库存状态的查询与盘点，具体功能包含库存查询、箱码查询、托盘查询、调配单查询等部分。在设计中，各项查询信息均以Excel 表格的形式输出与保存，同时应满足特定时间段的查询需求。例如，若相关人员想要查询2018年4月到2019年5月的所有调配单，即可将起止日期输入或键入到库存管理模块的界面当中，并单击查询键进行票单信息的检索与提取。

在设计超重型自动化立体库的智能分析模块时，相关人员可进行PLC 控制技术与多种传感技术的综合运用。首先以标准的自动化立体库运行状态作为基础进行系统健康工况参数的预设；其后依托影像、温度、电压等传感器对自动化立体库的实际运行情况进行动态感知，并将相关信息传回至PLC 控制器处；最后，若实际工况参数与预设工况参数存在过大偏离，则说明自动化立体库系统已存在异常问题，如设备失能、货物脱离等。此时PLC 控制器便可根据程序代码控制触发告警、制动等动作，从而在弱化故障影响的同时提醒相关人员及时进入现场进行故障排查与检修处理。

3.2 硬件设计

在设计超重型自动化立体库的货架时，必须要凸显出自动化立体库纵向延伸的空间利用特点，在厂房条件允许的情况下可适当将仓库货位的层数、排数提至较高水平。为提高仓储生产活动的便利性，防止人员、设备等的工作动线、运作空间发生冲突，相关人员还应做好巷道的规划工作。基于超重型自动化立体库的特殊性，还需对货架的承载力提起重视，尽量选择防锈性能好、结构强度高的钢结构框架、货架片以及连接件。

在机械方面，超重型自动化立体库常用的设备有托盘输送设备、箱式输送设备、皮带输送设备、尺寸检测设备、码垛机器人、巷道码垛机等。在设计实践中应根据仓储生产活动的订单量、库存量、出入库频率等具体需求，对各类机械设备进行针对性的选择。例如，某自动化立体库用托盘输送设备的设计信息如下：托盘尺寸1300mm×1300mm×1690mm；输送重量800kg；输送速度16m/min；控制机制为PLC控制+总线控制；主要电器元件品牌为施耐德、西门子；接线端子品牌为魏德米勒；机柜品牌为施耐德。

总之，将超重型自动化立体库应用到企业的生产实践中，与传统普通仓库相比能显著提高仓储空间利用率与仓储工作效率，并为人员、货物提供出高等级的安全保障。在实践中相关人员应致力于实现出库、入库、库存、故障等多方面功能需求的充分满足，并据此进行总体架构搭建与模块细节设计，以确保超重型自动化立体库应用价值的充分发挥，为企业生产效益、生产效率、技术实力的综合提升夯实动能基础。