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尹军琪|托盘四向穿梭车系统的建设要点
2023/12/8 @dian@ClassName
摘要:

托盘四向穿梭车具有许多优点,如特别适合于老旧仓库的改造,无论仓库高低如何,还是形状多么怪异(平面形状曲折多样、空间高度变化等),四向穿梭车都能适应,又如,四向穿梭车具有很好的柔性,既可以适应出入库频率很高的场合,也适合于出入库频率很低的场合,可以说这一项技术是对AS/RS系统的最佳补充。此外,四向穿梭车系统具有很好的密集存储能力,比传统的AS/RS要好很多,又加之其特别适用于库房空间较低的场景(一般小于15米,AS/RS并不合适).

托盘四向穿梭车系统具有诸多突出优点,是对AS/RS系统的最佳补充。本文首先介绍了托盘四向穿梭车系统的组成设备及其核心技术,并围绕系统设计、系统评价指标、影响系统运行效果的因素等重点内容进行了分析,可供业内人士学习参考。

概述

托盘四向穿梭车(4-ways shuttle of pallet)是近10年发展起来的物流新技术,其创意来源于穿梭板(shuttle board)和子母车(satellite car),现在已经成为一项被广为接受的物流技术。

托盘四向穿梭车具有许多优点,如特别适合于老旧仓库的改造,无论仓库高低如何,还是形状多么怪异(平面形状曲折多样、空间高度变化等),四向穿梭车都能适应,因此广受欢迎。又如,四向穿梭车具有很好的柔性,既可以适应出入库频率很高的场合,也适合于出入库频率很低的场合,可以说这一项技术是对AS/RS系统的最佳补充。此外,四向穿梭车系统具有很好的密集存储能力,比传统的AS/RS要好很多,又加之其特别适用于库房空间较低的场景(一般小于15米,AS/RS并不合适),因此在冷链系统中颇受欢迎。

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托盘四向穿梭车库案例

当然,四向穿梭车也并非完美无缺。由于要增加轨道的缘故,所以系统成本相对来说要高一些,这是其柔性和适应性无法弥补的,规模越大的仓库越是如此。此外,大型的四向穿梭车库,其调度是比较困难的,这给很多企业提高了技术门槛,并进一步增加了系统的成本。

四向穿梭车技术为物流仓储系统的设计提供了一种新选择,并且在特定情况下成为首选,这是其意义所在。本文将初步探讨四向穿梭车系统建设的要点,以及在设计中要注意的事项。

系统组成与核心技术

一个典型的四向穿梭车系统,主要包括货架、穿梭车、提升机、输送机以及软件系统等,当然还包括一些辅助设施,如维修平台和设备等。

1.货架

货架是托盘四向车系统的关键设备之一。一方面,与传统横梁式货架不同,四向车系统的货架在结构上增加了供穿梭车行走的轨道,这是一个根本性变化。另一方面,其对货架刚度和精度的要求大幅度提升。因此,货架的加工难度和安装难度大大提升。这种精度的提升,对货架生产制造也提出更高要求,传统的轧机已经难以满足要求,全自动冲孔和轧制技术已成为必要条件,目前一条进口的全自动轧机线动辄超过1000万元,是许多货架企业难以承受的。此外,由于喷涂工艺的误差较大,货架采用镀锌板材料成为趋势。目前,国内只有为数不多的几家企业具备生产能力。

2.托盘四向穿梭车

托盘四向穿梭车一般采用两套轮系:其中一套负责X方向的运行,另一套负责Y方向的运行。在转向环节,通过交换轮系(高差)完成转向,托盘本身并不转向(目前也有单位在开发可转向的穿梭车,但还没有应用案例,而且前景并不看好)。穿梭车取放货均采用顶升机构完成。在取货时,穿梭车进入托盘底下,对准后起升机构升起,将托盘顶起,底部离开货架L型梁或输送机链条表面,这时穿梭车和托盘就可以脱离货架运行;在放货环节,穿梭车将托盘搬运到指定货位后,对准后起升机构下降,托盘就会被放置在L型梁或输送机上,这样穿梭车就完成了一次放货作业。这是四向穿梭车的基本原理。

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托盘向穿梭车

对托盘四向穿梭车来说,定位技术和无线通讯技术的可靠性是其关键技术;电池的选择和充电管理也很重要,电池技术甚至是影响四向穿梭车发展的主要因素;此外,在一个区域同时运行多辆穿梭车时,车的避让技术是影响系统效率的关键因素。这些都是选择穿梭车的重要参考指标。

穿梭车的控制可以采用PLC或集成电路板,集成电路板具有价格优势,因此被越来越多的企业所采用。

3.提升机

提升机位于立体库的两端,其作用有两个:一是将托盘从入库层送到目的地层,二是完成穿梭车换层。很多情况下,穿梭车需要换层。

提升机之所以重要,是因为它是影响系统效率的瓶颈之一。在一个相对较大的系统中,提升机、穿梭车的数量匹配是一个颇有难度的问题。这一问题除与其自身参数(如加速度、速度、移载时间等)有关,还与系统的流程设计和策略有关。如,如果每次作业都是穿梭车带托盘完成升降作业(每次穿梭车都带货换层),其与穿梭车不换层作业则有很大差异。这些都不能通过简单计算就可以得到准确答案,通常还需要进行计算机仿真才行。

4.输送机

输送机在穿梭车系统中也扮演着非常重要的角色,主要用于入出库端托盘的输送。它与流程设计密切相关,影响着系统整体效率,甚至对系统的成本有较大影响。

在布局方面,输送机的设计变幻莫测,需要根据流量要求认真考虑,很多初学者对此一筹莫展。

5.软件系统

托盘四向穿梭车系统中的软件主要是WMS和WCS,这些软件其实与传统的AS/RS没有显著差异,所不同的是关于穿梭车的调度系统,这是AS/RS所没有的。

四向穿梭车系统的一大问题是任务分布不均衡,从而导致实际的效率与理论相去甚远,这是很容易想到的事情。要解决这一问题,需要从多方面入手。如设置库存ABC分布策略,预先调整库存结构,主动控制回库托盘的地址分配等。特别重要的一点是,每个项目要根据具体情况选择相应策略,避免张冠李戴,才能取得较好效果。

6.辅助设备

除以上外,四向穿梭车系统的维修平台和维修设备同样必不可少,而充电装置的位置及数量也常常困扰着设计人员。在大型四向车系统中,由于大量的穿梭车相向运动,其对货架产生的共振也是一个大问题,需要采取有效手段预防。

如何做好系统规划设计

要做好一个托盘四向穿梭车系统的规划设计,与其他立体库系统有很多类似之处,如做好数据分析,需求分析,确定总体方案,做好流程分析,选择合适的设备参数等。但也有一些特殊之处:四向穿梭车应用于老旧仓库时,如何做到入出库作业流程畅通就显得非常重要。此外,由于穿梭车本身的一些特点,如在库前输送和货到人拣选区域,完全可以采用穿梭车完成库前输送作业,使得整个物流系统设计变得更加紧凑和一体化。

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一体化的入出库系统

四向穿梭车库的设计,要特别注意托盘、货架和层高的设计。一般来说,在穿梭车库中,托盘的方向是与AS/RS不同的,很多初学者很容易发生错误。对货架来说,因为穿梭车的原因,需要增加轨道和充电装置等内容,其设计比AS/RS的横梁式货架要复杂很多,因此,如何设计穿梭车轨道和货架,成为四向穿梭车立体库设计的关键内容之一。一项不合理的设计,不仅会导致货架无法满足使用要求(包括强度、刚度、稳定性、噪音、共振等方面),也会大大增加成本(一般情况下,四向穿梭车货架的成本是AS/RS横梁式货架的2倍甚至更多)。穿梭车库的层高要比传统的横梁式货架高(具体数据与穿梭车的结构和载荷有关,也与不同品牌的产品有关)。这就使得在有些场合下,由于空间高度的限制,采用四向穿梭车方案时,会比AS/RS货架少一层,从而影响最终的系统性价比。

做好提升机的设计,是穿梭车系统设计另一个关键。在穿梭车库设计中,如果一层的托盘不经过提升机进入货位储存,而是直接采用穿梭车完成入库和出库作业,会大大减少提升机的作业量,从而减少提升机的数量,这是穿梭车库设计的一个小窍门。比如,对一个只有2层的穿梭车库来说,这样做的效果是提升机工作量会减少50%以上(考虑到库存ABC的分布问题,可能会大于50%);对3层系统,会减少33%以上;即使对一个10层的穿梭车库来说,也会减少10%以上的作业量。因此,提升机的设计往往会变得复杂一些。这是四向穿梭车系统设计要特别注意的。

还有一个容易被忽视的问题是维修问题,这是大多数设计工程师最容易犯的错误,而用户也往往不会关心。但对于一个自动化系统而言,维修问题却是一个大问题。维修设备包括维修楼梯、平台以及辅助工具,如轻便型起重机等。对穿梭车立体库而言,这是不可或缺的。有时,维修平台会影响系统总体设计,当然也会增加费用,但这些都是不可避免的。

最后要引起重视的是,虽然四向穿梭车系统可以建得很高,但消防问题是其另一个难点。这也就是目前在用的四向穿梭车库规模普遍不大、高度也不高的一个重要原因。要解决这个问题,需要设计人员付出更多的智慧和时间,还要制定相应标准。

系统关键评价指标

要评价一个四向穿梭车系统,其实有很多指标,比较关键的包括以下几个:

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与地面无缝连接的穿梭车库

1.作业的流畅性

主要包括:车辆路线规划,月台规划,托盘规划,收货作业区规划,拣选作业区规划,立体库规划(布局、路线、提升机布局、入出口布局、拣选作业区规划等),发货作业区规划等。一个优秀的系统,其作业路线是流畅的,其布局是合理的,其总体指标是协调的。

2.设备数量与参数的合理性

主要是指提升机和穿梭车的数量和参数是否合理、相互匹配。

关于提升机的数量,要仔细核算作业流量与系统要求的符合性,过多与过少都是不好的设计;此外,提升机的位置与布局是设计的重点,一个好的设计应合理安排提升机位置。穿梭车数量一般要比计算值多一些,即有一定冗余。

3.性价比

人们常常忽略性价比的问题,其实这是评判系统设计合理性的最重要参数之一。一般来说,性价比要在同样的口径进行比较,如储存能力、入出库能力一致等,否则就失去意义。当然,我们也常常会遇到一些要求特别的项目,只有四向穿梭车才能解决,这时的比较意义不大,但还是有进行比较的必要。

4.系统的稳定性

稳定性作为系统的重要评价指标,也是设备和系统选型的一个基本要求。从系统设计角度看,可以通过一些冗余设计,提升系统应对故障的能力。在这方面,除硬件设备外,系统流程设计、系统软件也扮演着非常重要的角色。

5.系统的柔性

对四向穿梭车系统来说,柔性通常表现在系统应对高峰作业时的能力,包括:增加硬件设备以提高系统的处理能力,以及采用更多设备时系统效率如何有效提升等。有时为满足柔性化的需求,可以提前布置一些设备,如提升机等,有时则要求对未来增加设备应留有余地。

影响系统运行效果的因素

影响四向穿梭车系统运行效果的因素很多,主要分为以下几个部分:

1.设计的合理性

一个物流中心的运行效果,系统设计是最基础的因素。设计过程又分为很多部分,其中预测的准确性、设计指标的合理性、总体方案的合理性、流程设计的合理性、设备选型的合理性,以及软件选型的合理性等,是比较重要的方面。很多企业因为对物流的本质不甚了解,往往容易忽视设计的重要性。殊不知,如果设计方案出现重大问题,再好的设备和软件也无法发挥作用。如果要给设计的重要性做一个评估,可以毫不夸张地说,设计对系统运行的效果起到基础性和决定性作用,比设备和软件都重要得多。

在实际项目中,由于看问题的角度不同,用户往往重视硬件投资,轻视软件投资。有的用户宁愿多花几千万元的土建和设备投资,也不肯在软件和设计上花适当的钱。这也是导致很多系统设计不合理甚至失败的根本原因。

2.系统的可靠性

系统的可靠性是影响系统运行效率的关键指标之一。如果一个系统中的设备和软件不可靠,轻则影响总体作业效率,重则导致整个系统无法正常运行。

一个四向穿梭车系统的硬件,无论是货架、穿梭车,还是提升机、输送机,都要求能达到满足设计要求的可靠性。系统的可靠性可以用系统的可用度来表述[1],对于一般场合而言,物流系统的可用度要达到97%以上;对于特殊的场合,可用度要达到99%以上。

提高系统可靠性的方法有很多,主要体现在单机设备和软件方面。采用更高质量和可靠性的设备,系统的可靠性必然会提升,但带来的代价是采购成本也会上升。如何在可靠性与成本之间寻求平衡,既是对设计的要求,也是对用户的挑战。在实际应用中,需要避免过度依赖设备可靠性和忽视系统可靠性的倾向。系统的可靠性,不仅仅取决于设备的可靠性,还取决于很多其它因素,如冗余设计、备品备件等。

3.维护的及时性

任何复杂的自动化系统,在长期使用过程中,都不可避免会出现故障和问题,这就要求系统要长期得到及时合理的维护。一方面是日常的维护维修工作,尤其是故障监测工作要完善到位;另一方面,系统一旦出现故障,要保障能够快速修复。此时,专业的团队和充足的备品备件都是不可或缺的。

在设计中,一方面对关键设备要进行冗余设计,使其在发生故障时可以切换到新的作业模式,如提升机,可以采用多台提升机互为备份,并有一定能力冗余,使得任何一台提升机出现故障,系统还能继续工作,只是效率有所影响。穿梭车也是如此。对于穿梭车这样的移动设备,一旦出现故障,要有能够快速替换的设备,才不至于耽误整个系统的正常作业,在设计中,保持一定的冗余量就显得尤其必要。当然,对于规模很小的系统,硬件的备份显得没有必要或很难实现,这时寻求更高质量的设备和系统就显得非常必要。


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