智能物流系统中的托盘输送方案解析

随着现代物流行业的迅猛发展，自动化立体仓库依靠其在节约用地、减轻劳动强度、提高物流效率等方面的特殊优势，已在诸多行业得到广泛应用。

近些年，自动化立体仓库在石化行业，特别是聚烯烃仓储领域的应用越来越多。这些成品物料通常被包装并码垛成垛。依靠托盘输送系统将码垛后的成品堆垛从包装码垛线末端输送至自动化立体仓库储存。在出库端，托盘输送系统同样承担着将自动化立体仓库内的货物输送至相应装车站台的工作。

托盘输送系统是自动化立体仓库中必不可少的组成部分。传统的托盘输送系统主要由辊筒输送机、链条输送机、旋转台、顶升移栽机等设备组成，本文将由这些设备所组成的系统简称为“传统托盘输送系统”。

此外，目前广泛应用的托盘输送系统还包括自行小车悬挂输送系统（Electrified Monorail System）和自动导引车（Automated Guided Vehicle）系统等。

通常，在设计立体库时，以巷道堆垛机的存储能力作为立体库的关键技术指标，而对于出入库的重要环节——托盘输送系统，设计时也必须高度重视，因为在设计自动化仓储系统的时候，必须全面研究各个环节的运力及仓储能力，否则，将造成不均衡的物流瓶颈，影响系统的能力。

一、传统托盘输送系统的局限性

传统托盘输送系统通常用于货物的直线运输。如需改变货物运输方向，需要运用顶升移栽单元。顶升移栽单元在辊筒输送机和链条输送机及顶升机构的共同作用下，实现对货物进行纵横向往复输送和直角转运，转向后货物的运行发生纵横方式传输的改变。

由于顶升移栽单元工作时需要多个步骤以实现其功能，因此，顶升移栽单元的处理能力限制了整个传统托盘输送系统的处理能力。根据经验，一个顶升移栽单元的处理能力大约在180~200托盘/h。

对于出/入库能力要求大于200托盘/h的自动化立体仓库而言，选用传统托盘输送系统显然是个不小的挑战。

或许，我们可以将单个（入库/出库）输送系统拆分成多个独立的环形输送系统，而每个环形输送系统的处理能力都约为180~200托盘/h，如图1所示。按此设计，出/入库能力虽然大幅提高。

但是，每个环形输送系统却只对应着固定的几个巷道，给整个自动化立体仓库带来了诸多弊端。例如：各品种的成品货物入库时只能根据设定的路线储存于几个特定巷道的货架内，导致整个仓库储存效率和仓储设备利用率不平衡。

货物的出入库量是在工程设计初期预先设定的，而事实却是每个品种货物的产量（入库量）和出库量都是根据市场行情等不断变化的。

图1 多个独立环形输送系统

从设备冗余的角度考虑，自动化立体仓库设计的原则应是尽可能地将每种货物存放在每个巷道内。相反，如将某种货物存放在特定的巷道或区域内，若对应的堆垛机等仓储设备出现故障，此类货物的出入库处理能力都将受到更加恶劣的影响。

同理，若当某种货物出现出库或入库高峰时，由于无法充分利用所有的仓储设备来同时处理此类货物，处理能力同样受限。

旋转台作为另外一种形式的转运设备，和顶升移栽单元不同点在于旋转台通过回转机构将辊道输送机90°正反转运动，从而改变货物输送方向，但转向后货物的运行纵横方式传输并未改变。

然而，其处理能力与顶升移栽机构相似或更低。因此，旋转台的运用对整个传统托盘输送系统的局限性并未有任何改善。

二、自行小车悬挂输送系统的优势

自行小车悬挂输送系统（EMS）以电轨小车式悬挂输送系统为主要代表，典型产品有单轨悬挂输送系统、多轨重载悬挂输送系统等。本段内容主要以自动化立体仓库中常用的单轨悬挂输送系统作为比较对象。

单轨悬挂输送系统是一种适用于柔性自动化生产的智能输送设备系统，其特征在于从技术上、经济上最优地实现了物料的线性空中输送，由于所有部件如直轨、弯轨、道岔、转向盘、升降台等都能任意组合在一起，因此轨道走向能够根据建筑要求灵活布置，以满足生产加工中产品和工作岗位方面等的特殊要求。

单轨悬挂输送系统主要由悬挂的运行轨道、供电系统、载物小车、道岔及电气控制系统组成。

系统采用模块化设计，每辆小车具备独立驱动及数据通讯功能，便于柔性拓展。由于运行轨道采用悬挂形式，减少了设备对地面空间的需求，地面清洁也变得非常方便。这使其在食品、医药等行业有着巨大的优势。

单轨悬挂输送系统中，载物小车可以根据需要，设计成每次运送一托盘或两托盘的货物。

结合具体的运行轨道长度和小车运行速度等因素，一个单轨悬挂输送系统输送环路的处理能力可以达到400~800托盘/h。

载物小车的运行速度通常可以达到1.5~2.0m/s，相较于0.2~0.35m/s的辊筒（链条）输送设备，输送速度有很大的提高。因此，单轨悬挂输送系统通常被应用于需要长距离输送，或者高出、入库能力要求的系统中，如图2所示。

图2 单轨悬挂输送系统的运用

图2所示的单个环形单轨悬挂输送系统能够将生产线末端的成品货物输送至立体仓库的每一个巷道。

因此，不同品种的成品货物都可以被平均地分配在整个立体仓库中，有效地提高了仓储货位和仓储设备利用率。

同理，对于出库端，在市场需要的情况下，所有堆垛机能够实现同时处理同一种货物，使得系统在处理不同品种的货物或进行派遣计划时的柔性大幅增强。

当个别仓储设备出现故障时，对于整个仓储系统的影响将是最小的。此外，单轨悬挂输送系统的优势还表现在，可以适当地增加系统中载物小车的数量来提高整个系统的处理能力。这点也是传统托盘输送系统所不具备的。

值得注意的是，单轨悬挂输送系统的性能受许多因素的影响，例如载物小车的数量、运行速度、加速度、道岔的数量、输入/输出点的数量以及控制策略等。

在有众多输入/输出点的区域，特别容易导致载物小车的拥堵现象。而由拥堵产生的系统性能瓶颈问题，是无法简单地通过增加载物小车的数量来提高的。

因此，在单轨悬挂输送系统设计时，特别在环路中有众多载物小车和输入/输出点的情况下，对整个系统建立模型进行动态仿真，并不断研究和优化设计是非常必要的。相对而言，传统的托盘输送系统在处理能力计算方面是比较成熟和容易的。

此外，由于托盘进入载物小车后，托盘和载物小车的相对位置是静止的。相较于传统托盘输送设备，单轨悬挂输送系统在降低托盘损耗方面也有着较大的优势。

与单轨悬挂输送系统类似，环形穿梭车系统除不具备节省地面空间方面的显著优势外，整个系统在柔性、可扩展性、和冗余度等性能方面与单轨悬挂输送系统相似。

而环形穿梭车的运行速度可以达到3.0m/s，通常被运用在短距离输送的托盘输送系统内。

三、自动导引车系统

自动导引车（AGV）配备有电磁或光学等自动导引装置，工作时AGV小车沿着规定的导引路线行驶，无需驾驶人员。AGV小车以可充电蓄电池作为动力来源，通常由电脑控制其行进路线和操作。

在高出入库性能要求的自动化立体仓库内，AGV小车的功能和自行小车悬挂输送系统类似，每台AGV小车可视作一台EMS中的载物小车。其不同点在于AGV小车无需悬挂的运行轨道，且依靠其自动引导装置和防撞装置，不需要相应的维护结构来确保运行区域的人员安全，减少了设备占地面积。

而在运行速度方面，AGV小车一般介于传统托盘输送设备和悬挂式自行小车之间，约1~1.5m/s。

尽管在工程投资方面，AGV小车略显劣势，但其在系统柔性和可扩展性等方面的巨大优势，使得AGV小车依然有着广泛的应用。

四、总结

通常，自动化立体仓库采用哪种输送装置要根据货物的类型、装运条件和仓库的结构等情况决定。而对于有着高出入库性能要求的自动化立体仓库而言，在选择输送系统的类型时，出入库能力是一个非常重要的设计考虑因素。

虽然传统的托盘输送系统的能力可以通过优化布置和定量计算得以确认。但是，我们还应该通过系统的柔性、可扩展性、和冗余度等方面来定性地分析整个系统的设计是否合理。

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