(国网甘肃省电力公司电力科学研究院甘肃兰州730000)
摘要:随着科学技术的发展,自动化技术越来越多地使用到各种实际生产领域,在集成化、智能化的生产系统理念中,自动化立体仓库的货物存储全面使用自动化装备,使运行和处理速度加快,提高了效率,降低了劳动强度,实现了企业的物料仓储信息化,并直接纳入企化的自动化生产系统,从而全面提升企业的综合竞争能力,使之在经济全球化的条件下,提高了企业总体效益。同时,还为企业的长远战略发展奠定了信息化基础。
关键词:高速智能;自动化技术;穿梭车式
一、项目实施的背景和意义
随着科学技术和工业生产的飞速发展,现代物流技术领域出现了一种新式仓储方式——自动化立体仓库系统,又称自动存储/检索系统,即AS/RS(AutomatedStorage/RetrievalSystem)。自动化立体仓库系统是指在不直接走行人工处理的情况下,自动地完成物料仓储和取出的系统。自动化立体仓库使用高层货架存储货物,存储区域大幅度的向高空发展,充分利用仓库地面和空间,因此节省了库存占地面积,提高了空间使用率。一般来说,使用最广、适应性较强的是单元货格式立体仓库。其特点最货架被竖立成若干排,每两排货架为一组,其间留有一条巷道供巷道堆垛机或其他存取货装备作业。每排货架又被分成若干列、若干层,组成大量货格,用以储存货物。在控制上由计算机系统集中控制,具有方便存储。可以任意取货的优点。但是,在这种货格式的立体仓库中,巷道占去了三分之一左右的面积。从充分利用存储空间的观念上,为了提高仓库自积的利用率,达到能够存储更多货物的目的,人们总在探索使用高密度自动化仓储系统的新型理念。高密度自动化仓储系统就是以自动化物流技术的理论为切入点,就是充分利用每一寸土地资源、每一仓储空间,实现单位空间、单位成本仓储物料的最大化。近几年,已发展成熟的高密度自动化仓储系统有:重力或货架仓库系统和穿梭车式的货架仓库系统。
在重力式货架仓库中,货架接通过排列,每个通道都是存货通道,并已带有一定的坡度,入库装备自动从入库口端装入的货物单元能够在自重的作用下,自动地向出库端移动,直到通道出库端或者碰到已存储的货物单元停住为止,位干通道出库端有止动装置。当出库端的第一个货物单元被取走后,其后面的各个货物单元在重力的作用下依次向出库端补位。从结构上讲,为了保证这种仓库系统的灵活性,要求每个存货通道设置减少摩擦的装置。如在货架上加滚子,或者储存托盘带滚轮。
穿梭车式的货架仓库,货架也接通道排列,每个通道也都是存货通道,但没有设置坡度,每个通道都设有供穿梭车运行的轨道,由穿梭车在巷道里往复运行,自动存储和搬取货物,提升了物流效率,而且,穿梭车可以和堆垛机、自动叉车或者AGV配合,自动地进行不同列、不同层及不同通道之间的交换,调度更加灵活,自动化程度更高。
穿梭车式货架仓库系统的核心是穿梭车。穿梭车又称为轨道式自动导引车(railguidevehicle),具有速度快、可靠性高、成本低等特点,它既可作为立体仓库的周边设备,也可作为独立系统。穿梭车可以十分方便地与其他物流系统实现自动连接,如出入库站台、各种缓冲站、输送机、升降机和机器人等,按照计划进行物料的输送。穿梭车的行驶速度一定程度上决定了整个货架仓库的物流效率;穿梭车的供电方式、持续行进能力决定了货架仓库安装施工的难度;穿梭车的智能程度决定了货架仓库的智能化程度以及设计难度,因此,对于穿梭车式货架仓库系统来讲,穿梭车本身十分值得进行研究和改进。
二、技术发展趋势及国内外发展现状
由于立体仓库现在越来越向高动态应用的方向发展:对仓库存储量的要求越来越高,拣选、输送的频率要求越来越高,穿梭车式货架仓库系统在此应用方向上体现出了巨大优势,因此货架穿梭车时近年来国内外研究的热点。
在国外,货架穿梭车的研究起步较早,在2005年左右,YLOG、DEMATIC、TGW等物流巨头就推出了自己的货架穿梭车,并在这几年的时间进行持续优化,目前已相继诞生第2个版本的货架穿梭车,在运行速度、灵活性、智能程度上都有显著提升。
而在国内,货架穿梭车的研究尚在起步阶段,目前国内尚无穿梭车式货架仓库系统的先例,货架穿梭车的性能相对国外巨头来说也有较大差距,与国外最新版本的穿梭车比较更显车体笨重、移动缓慢且智能程度较低。
国外的穿梭车目前普遍指标在4m/s以上的运行速度且一般具备路径规划系统,可进行复杂路径的规划,而国内的穿梭车普遍运行速度在2m/s以下,智能程度较低,大多的路径规划要靠立库系统软件辅助完成。
综上所述,目前国内的穿梭车技术比较落后,这势必影响今后穿梭车式货架仓库系统在中国的发展。
三、主要研究内容
基于目前国内穿梭车的发展现状,通过市场调研,研究高速智能的货架穿梭车,弥补国内空白,并力争追赶世界先进水平,促进国内智能仓储产业的发展,在经过市场调查和技术探讨后,主要对货架穿梭车以下指标进行研究:
3.1更快的速度
穿梭车更快的速度意味着单位时间内更多次数的取、放货物,因此穿梭车的速度直接关系到整个仓储系统的物流效率,目前大部分的货架穿梭车平均速度约在2m/s,通过市场调研和技术评估,我们预计将穿梭车的速度提升到4m/s。
更快的速度意味着更大的电机功率和能耗,而功率越大的电机重量越重,因此,整个车体的重量就越重,而更重的车体则需要更大的驱动功率,导致恶性循环,因此,速度的提升对穿梭车来说是个重大挑战。
3.2更便利的供电方式
目前,大部分穿梭车使用的是滑触线供电的方式,利用在货架巷道中布置滑触线满足穿梭车运行的供电需要,但滑触线的方式为立库施工带来困难,通常需要更多的人力投入和更长的工期,因此,我们准备使用更便利的供电方式。
便利的供电方式意味着减少电力线布置,需要穿梭车脱离供电线运行,这意味着需要利用便携式的储能设备为穿梭车供电,但是穿梭车运行时的能量消耗是很惊人的,大功率的储能设备必然有更大的体积和重量,从而影响穿梭车其他方面的性能,因此,利用便携式储能设备为穿梭车长时间供电并不现实,那就只能使用充电速度很高的储能设备来给穿梭车供电,利用间隙快速充电来满足穿梭车的长时间使用,概括来讲,便携式储能需要有一定的功率,同时能够快速充电,同时又不能过重或过大。这样的储能设备设计也是一个重大挑战。
四、技术方案
4.1设计方案
目前穿梭车拟采用的设计方案如图所示:
图1穿梭车技术方案
4.1.1控制机构
控制机构用于控制整个穿梭车的运动、停止以及存取货等各种动作,控制机构控制伺服电机、货叉,并接收路径规划系统的指令,完成指定路径的运动和执行动作。由运动控制器和伺服控制器2部分组成。
4.1.1.1运动控制器
运动控制器是整个穿梭车的控制核心,通过接收主站发出的控制指令,控制穿梭车的启动、运行和停止以及存取货等各种动作。
4.1.2PPS及外部接口
PPS是pathplanningsystem的缩写,意指路径规划系统,穿梭车可根据WMS(仓储管理系统)发来的位置信息,依据路径规划算法,自行规划最优路径,并向控制机构发出运动指令,使控制机构沿规划路径运行至指定位置并存/取货物,这样,WMS只需告知穿梭车存/取货的目标位置,其他控制均由穿梭车自行完成,提高了通信效率的同时,也减少了WMS的开发难度。
PPS需要一系列外部接口协议的支撑,包含和WMS的协议约定以及穿梭车提升机之间的协议约定,因此,该模块还包含和WMS的外部接口以及和提升机的外部接口。
4.1.3伺服电机
伺服电机的功率、转速和扭矩需根据车体重量、地面摩擦系数、车体行驶速度、减速机选型、车轮直径等信息进行确定(详细计算不做赘述)。
由于伺服电机位于车体上,因此伺服电机本身的重量也是重要的考量因素。
直流伺服电机的碳刷寿命有限,需定期进行维护和保养,而穿梭车一直工作在货架上,维护保养多有不便,因此,我们放弃了直流伺服电机,而选用交流伺服电机。
4.1.4主电源
从设计理念上来讲,我们要求主电源便携、无线,但穿梭车额定功率在千瓦级,又需要长时间的持续工作(一般立库每天的运行时间在8小时以上),很难找到能维持穿梭车长时间工作的便携式电源,换个角度思考,假如电源应可维持穿梭车短时间的运行(运行时间应大于穿梭车的一个存/取货周期),然后在等待时间内快速充满,同样可以满足系统需要,因此,我们选用了超级电容作为穿梭车主电源。
超级电容的充电速度非常快,最快可达到10秒,这样,在穿梭车换层及等待的时间内即可充满电量。同时,它的功率密度很高,一般可达到数千瓦/千克,是一般电池的5~10倍,这样可保证其重量足够轻。另外,它的使用寿命很长,深度充放电次数在百万次以上,在穿梭车的工作条件下,可保证2~3年的使用寿命。
4.1.5备用电源
备用电源通常情况下不会用到,只有在系统出现异常的情况下,穿梭车未到达指定充电地点就耗尽电量,此时,使用备用电源维持穿梭车行进到指定充电地点后再切换回主电源。
备用电源在使用后由电池管理系统制定充电计划,在立库未工作的时间充满电量。
4.1.6BMS
BMS是batterymanagesystem的缩写,意指电池管理系统,电池管理系统用于管理穿梭车主电源和备用电源,实时监控其电量,在电量即将耗尽时发出警报,同时BMS系统而后控制机构连接,在电量即将耗尽时尽快对穿梭车进行充电,另外,BMS根据备用电源容量进行备用电源充电计划的制定。
4.1.7逆变器
由于主电源为直流,而伺服电机为交流,因此需要提供逆变器将直流转化为交流为伺服电机供电,逆变电源除了需要较高的转化效率外,还需要尽量的轻便以及小巧。
4.1.8运动机构
运动机构包括减速机和车轮,减速机用于匹配车轮的转速和伺服电机的转速,在减少转速的同时,提高了扭矩,减少了负载惯量。
车轮直径根据车体速度和车轮转速确定,计算过程不再赘述。
五、技术研究成果
5.1交付物
本项目的预期成果是高速智能货架穿梭车样机一台。
5.2技术指标
高速智能货架穿梭车拟达到的技术指标如下:
进入匀速行驶阶段的额定速度为4m/s;
加速度>2m/s2;
额定载重为50KG;
整车(含货叉、车身、供电系统、控制系统、电机等整个车体)重量不大于100KG;
额定功率1500W;
车体定位精度应≤1mm;
5.3技术特点
5.3.1穿梭车动作稳定性测试
货叉取放货无故障测试验证测试20万次无故障;
行走定位无故障测试验证10万公里无故障;
5.3.2与国外产品技术比较
5.4社会效益
提升仓库物流效率。通过高速智能货架穿梭车的运作,使立体仓库的物流效率相比传统仓库提升10倍以上。
增加立体仓库货物存储量。高速智能货架穿梭车支持货物的多深位存储和处理,不同大小的货物经过紧致包装可存放在非固定货位,提升机能连接上下工位确保最大化存储密度和空间利用率,预计可增加1/3以上的货物存储量。
更高的扩展性,通过增加穿梭车数量,可继续提升立库物流效率,减少改造成本。