貨到人自動揀選系統(tǒng)研發(fā)及其工程應用

李 斌，魏 鑫，張敬敏，吳 振，張 楠

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

0 引言

研究表明，在自動分揀系統(tǒng)中，揀選者大約70%的時間用在了移動上，實際上只有30%的時間在挑選產(chǎn)品。無論用什么技術(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時間。采用“貨到人”技術(shù)則節(jié)省了移動時間，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，這遠遠超過了收貨、運輸、包裝和其他物流環(huán)節(jié)的用工數(shù)量。“貨到人” 技術(shù)在快速訂單周期和多元化SKU的環(huán)境中越來越受歡迎。換言之，這不僅是降低勞動力成本的問題，而是能及時、快速、準確地處理訂單——這已經(jīng)成為配送的主要因素。

在存儲密度大的情況下（如現(xiàn)有倉儲設(shè)施需要改造），實際上很多時候，節(jié)省空間成了另一個主要考慮因素。經(jīng)驗表明，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。

國內(nèi)外許多專家在展望物流技術(shù)發(fā)展的前景時，比較一致的看法是“自動化”、“智能化”和“標準化”是主要方向?！柏浀饺恕?揀選很好地詮釋了這一發(fā)展趨勢。從“貨到人”獨有的優(yōu)勢看，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強度。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。

大型電子商務配送中心是未來“貨到人”技術(shù)的重要應用領(lǐng)域，因為其拆零揀選將占揀選總量的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，由于對物流效率和揀選準確性的高要求，是未來“貨到人”揀選應用的另一重要領(lǐng)域。此外，冷鏈物流由于作業(yè)環(huán)境惡劣，對于“貨到人”揀選有特別的需求，揀選區(qū)相對較高的溫度將使作業(yè)變得相對舒適。當然，傳統(tǒng)行業(yè)還有很多具備采用“貨到人”揀選的場合，如服裝、食品化妝品以及貴重品揀選等，均有應用“貨到人”揀選的需求。

1 系統(tǒng)簡介

本項目為某重工企業(yè)生產(chǎn)車間，要實現(xiàn)集中存儲，快速輸送300箱/小時到人揀選，且準確率達到99.9%揀選的要求，因此整體方案劃分為三個功能區(qū)域：存儲區(qū)域、輥筒輸送區(qū)域、揀選區(qū)域，并分別細化設(shè)計。

存儲區(qū)域貨架采用雙伸位貨格，以實現(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。輥筒輸送區(qū)域?qū)崿F(xiàn)料箱從穿梭車到揀選站臺的輸送功能，同時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，需要實現(xiàn)2:6揀選、35kg承載以及300箱/小時的揀選任務。

如圖1所示，生產(chǎn)車間分為存儲區(qū)、輸送和揀選區(qū)。料箱的運行方向為箭頭所指方向。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

貨到人管理軟件系統(tǒng)可分為六個管理階段，分別為：數(shù)據(jù)準備、任務準備、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，對訂單進行訂單優(yōu)化，通過多層穿梭車系統(tǒng)實現(xiàn)物流系統(tǒng)輸送，并最后對訂單復核打包進行管理，實現(xiàn)了對整體物料系統(tǒng)的信息跟蹤。

1）數(shù)據(jù)準備

訂單數(shù)據(jù)由ERP發(fā)起，ERP會預先將要出庫的出庫任務同步至WMS（通常預期為T+1），訂單必須具有需求時間，WMS系統(tǒng)根據(jù)需求時間進行訂單整合，形成訂單出庫任務。

圖2 數(shù)據(jù)準備

2）任務準備

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

3）訂單上線

圖3 任務準備

人工開工時，通過看板系統(tǒng)登錄至揀選工位，當人工上線時，同時根據(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，同時根據(jù)訂單箱位置數(shù)量進行訂單執(zhí)行數(shù)量的控制，將已激活的訂單任務，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

物料箱到達揀選工位是，系統(tǒng)將自動驅(qū)動揀選信息看板顯示揀選內(nèi)容、驅(qū)動揀選位置LED燈帶、驅(qū)動訂單箱位置LED燈帶并驅(qū)動點亮電子標簽，人工根據(jù)燈帶提示、電子標簽提示進行目視化揀選，最后通過看板核對。

圖5 人工揀選

5）揀選完成

人工揀選完成后，按電子標簽確認按鈕，接收信息同時，根據(jù)電子標簽數(shù)量進行物料箱至訂單箱的數(shù)據(jù)更新，記賬完成后，驅(qū)動輸系統(tǒng)將訂單物料箱回庫，單條揀選任務結(jié)束。

圖6 揀選完成

6）訂單完成

當一個訂單的全部物料揀選完成時，系統(tǒng)驅(qū)動打印機自動打印對應訂單箱面單，人將面單投入訂單箱中，確認訂單箱完成，輸送系統(tǒng)將訂單箱驅(qū)動至相應的打包地點，打包人員根據(jù)訂單箱面單信息復合、確認、打包。系統(tǒng)接收確認信息進行賬務處理，同時將信息同步至ERP系統(tǒng)，實現(xiàn)賬務實時統(tǒng)一，至此訂單結(jié)束。

圖7 訂單完成

7）訂單箱存儲周轉(zhuǎn)

貨到人系統(tǒng)在SKU主數(shù)據(jù)中，需要維護物料體積（長寬高）或物料在周轉(zhuǎn)箱內(nèi)存儲的最大存儲數(shù)量，系統(tǒng)在人工揀選確認時，會根據(jù)SKU數(shù)據(jù)進行訂單箱當前容積的判斷，當訂單箱將放滿時，會自動根據(jù)訂單箱進行訂單拆單，驅(qū)動系統(tǒng)打印面單，同時補充新的訂單箱，實現(xiàn)了一個訂單對應多個訂單箱存儲的管理。

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。

通過計算機顯示待揀選的物料信息、屏幕點亮物料所處貨格的位置，同時顯示揀選數(shù)量，以及屏幕點亮對應訂單箱的位置。待揀選完成后，確認按鈕按下，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

項目的電氣控制系統(tǒng)由堆垛機控制系統(tǒng)和輸送線控制系統(tǒng)組成，是該工程自動化物流系統(tǒng)的現(xiàn)場執(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)要求進行設(shè)計的。本控制系統(tǒng)的總體設(shè)計思路為“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)場的各種數(shù)據(jù)。控制系統(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，以適應系統(tǒng)中不同特點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)。

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

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

堆垛機采用S7-314 PLC控制器進行控制，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)議完成與上位計算機系統(tǒng)的通訊，通過協(xié)議規(guī)定的格式接收上位機下發(fā)的作業(yè)指令，將待揀選料箱和空料箱出庫輸送到揀選位置，同時回收揀選完成的料箱置立體庫內(nèi)入庫存放，并上報存貨地址到上位機。

控制系統(tǒng)的主要目標是根據(jù)上位機下發(fā)的訂單實現(xiàn)輸送料箱的高效、準確，同時保證跟蹤的信息準確無誤。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揀選位置，出庫與入庫回流都不能出現(xiàn)擁堵的情況；二是要保證訂單料箱（即空料箱）的及時供應，在本項目中由于采用了分層揀選的方式，訂單料箱單獨在二層流轉(zhuǎn)，不會與揀選料箱發(fā)生沖突，能順利地滿足WMS下發(fā)的揀選任務需求。

4 硬件設(shè)計

1）貨架

貨架在現(xiàn)代物流活動中，起著相當重要的作用，倉庫管理實現(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，可充分利用倉庫空間，提高庫容利用率，擴大倉庫儲存能力。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，便于清點及計量，可做到先進先出。保證存儲貨物的質(zhì)量，可以采取防潮、防塵、防盜、防破壞等措施，以提高物資存儲質(zhì)量。隔板式貨架主要包括立柱、隔板梁、穿梭車運行軌道。

項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，同時處理兩個料箱的需求。

3）提升機

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

提升機主要由機體、升降貨臺、軌道、安全防護裝置、外購件等部件構(gòu)成。

機體：升降機為四立柱框架，頂部橫梁連接，驅(qū)動裝置于升降機頂部，外圍用有機玻璃板防護。

升降貨臺：升降貨貨臺靠提升鏈條與主機架連接，并導向滾輪和導軌導向，提升鏈條的另一端與平衡配重塊連接。

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

安全防護裝置：貨物進出異常檢測，電機過載檢測，斷鏈檢測，跌落制動等。

外構(gòu)件配置：帶制減速電機SEW，3相380V。

表面涂裝：機體、導向件、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

通過拼接聯(lián)通輥道輸送機，完成料箱由出庫站臺到揀選工作站的任務。電動滾筒運行平穩(wěn)、速度快，完成指定料箱的運送工作同時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)計合理，料箱輸送系統(tǒng)主要由輕型輥式輸送機、輕型移載機、尺寸檢測裝置、超重檢測裝置組成。性能可靠、美觀大方、并且便于安裝和使用期間的維護保養(yǎng)，電氣元件質(zhì)量優(yōu)良、運行噪音滿足環(huán)境要求。尺寸檢測裝置能夠切實檢測到異常情況，并有效報警。尺寸檢測允許一定范圍內(nèi)的誤差。出入庫輸送系統(tǒng)可滿載啟動，設(shè)備運行平穩(wěn)可靠、無異響、無脈沖式跳動。整機啟、停平穩(wěn)，無打滑、撞擊現(xiàn)象。輸送線每一段每一驅(qū)動單元均采用變頻調(diào)速控制。輸送機控制方式具備自動、手動和聯(lián)機自動方式。便于操作人員操作。兩側(cè)具有保護導向裝置，完善的連鎖保護裝。

5）揀選站臺

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行，保證運送的高效和揀選的準確性。為滿足項目需求2:6揀選，在二層設(shè)置兩個揀選箱位置，一層設(shè)置6個訂單箱位置，同時滿足在線進行6個訂單的揀選任務。

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

系統(tǒng)收到確認指令后，將一層揀選完成的訂單箱，輸送到制定位置，同時將揀選完成的揀選箱，輸送會立體庫內(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?？紤]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，二層揀選臺未傾斜時高度為

【】【】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，同時在揀選的時候更加方便順手，揀選臺傾斜后高度為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，手臂位置與箱口高度差在150mm左右，

上層揀選站臺采用進口氣缸升降，此種方式保證揀選臺升降迅速且平穩(wěn)。

5 結(jié)束語

經(jīng)過在實際項目中的應用測試，按上述流程設(shè)計的貨到人揀選系統(tǒng)，能滿足廠方大批量、多品種的復雜揀選任務，峰值效率達到了預期的訂單揀選300箱/min，訂單揀選準確率超過了99.5%，達到了快速、準確、及時的工程預期效果。綜上所述，該貨到人自動揀選系統(tǒng)是現(xiàn)代智能物流倉儲技術(shù)中一項值得推廣的技術(shù)，能為廠方，尤其是有大量揀選需求的生產(chǎn)型工廠，帶來更多的便利和更大的經(jīng)濟效益。

[1]丁立言,張鐸.倉儲自動化[M].清華大學出版社,2002.

[2]德國西門子公司,S7-300系統(tǒng)手冊[K],2016.

[3]魏鵬.自動化立體倉庫控制系統(tǒng)[J].科技信息(學術(shù)研究),2008(11).