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摘要：本文以某冷链食品企业已投产运营的一套多层穿梭车物流仓储系统为例，介绍并分析了总体设计方案和创新技术。在项目设计和实施过程中，基于对客户的产品特点、工艺需求等方面的分析和研究，并结合多穿库的特点，从软件调度策略、电气控制算法等方面进行优化创新，从而大幅提高系统运行效率、减少系统故障率、降低人工成本。并且，解决了食品冷链从业人员工作环境不良、产品在物流仓储配送环节生产效率低和产品信息化管理难的问题，形成一套可在行业内复制推广的解决方案，进一步助力行业自动化水平的提升。
关键词：多穿系统、密集存储、 冷链物流、食品
作者：霍达 白山 韩钊 谢时军 刘森
北自所（北京）科技发展股份有限公司
一
引言
中国食品行业近年来发展迅猛，食品冷链物流迎来巨大发展空间，同时生鲜电商的快速发展，也带动了国内农产品、冷链食品的产地、加工地和消费市场的重塑。2023年上半年，我国冷链物流总额为3.1万亿元，同比增长3.7%；冷链物流市场规模为2688亿元，同比增长3.3%。我国冷链物流需求总量为2.1亿吨，同比增长5.2%，保持稳定增长。生鲜工厂生产过程中对冷链物流的自动化、智能化有着强烈的需求。人力密集、效率低下、能耗高、工作环境恶劣等等，成为生鲜冷链行业传统作业过程中制约行业转型升级和快速发展的瓶颈，研发适合生鲜工厂的冷链物流智能解决方案成为企业亟须解决的问题。
多层穿梭车仓储物流系统是由高层货架、轨道导引车辆、高速升降机、轨道及箱式输送线组成，通过紧密的货架和轨道布置实现货物的密集存储，通过高速箱式输送线实现货物的精准物流配送。随着食品冷链物流对于仓储配送的柔性化要求日渐提高，将多穿系统应用到食品冷链物流是一种新的尝试，其空间利用率高、运行效率高、自动化程度高等特点，恰好可有效解决食品冷链物流所面临的问题。[1] [2]
二
系统方案设计
本方案通过前期分析某大型猪肉食品企业生产需求，将冻品和鲜品进行区分。冻品采用传统的堆垛机立体冷库，而鲜品由于其包装的特殊性和配送的时效性，设计了多层穿梭车物流仓储系统的解决方案。针对客户对存储产品输送设备的高效、安全、稳定的需求，对系统自动化、信息化、智能化的期望，深入研究工艺流程，以形成一套适用于食品冷链的多穿系统解决方案。
1.硬件方案设计
该系统主要由多层穿梭车、货架系统、输送设备、提升机、WMS、WCS等组成，由提升机负责垂直方向物料搬运，多层穿梭车负责水平方向物料搬运工作；多层穿梭车是一种用于自动化物流系统中的智能型搬运设备，可以在同一个巷道不同层之间通过提升机辅助进行换层作业，占用空间小，布局紧密。多台小车协同作业可以大大提高物料的输送效率。多层穿梭车在自动状态下完全通过调度系统支配，无需人员操作。运行速度快，效率高，节省了人员操作的工作量。多层穿梭车结构设计非常紧凑，可比一般及传统的解决方案占地面积减少30%～50%，本案例采用的穿梭车货叉为双深位设计，存储货物更为密集。相同空间布局系统中，多层穿梭车智能存储系统出入库处理能力，可比传统仓储系统提升5～10倍，功能区域布局如图1所示。
图1 功能区域布局
2.软件方案设计
多穿系统的软件构成主要包括WMS、WCS、多穿设备执行控制器、手持PDA、人机交互界面。
WMS系统通过数据库管理整个系统的物料和订单信息。WCS系统负责调度小车、提升机、输送机等按优化路径执行每条订单任务。执行系统通过PLC程序控制驱动器，实现具体动作的实施。手持终端和人机交互界面实现系统与人员之间的信息传递，从而执行相关订单状态操作。
各系统之间由以太网或无线网络相连。SAP生产计划与WMS系统进行对接，实现与公司级的上位管理系统的信息对接。作为仓储的管理系统，WMS要通过任务下发给WCS，通过WCS的调度和协调，最终完成整个订单的任务，如图2所示。通过软件架构的搭建，实现了信息互通、设备监控、人机交互的功能。
图2 软件架构
3.业务流程
（1）入库流程
库区与生产厂房连接，产品放置于一层上线口进行单箱上线，通过箱式线输送，读码后由WCS系统分配入库地址，并经由高速移载机分流到指定巷道料箱提升机，由料箱提升机送至相应的层间站台，由换层提升机接驳多穿小车到库端站台取货，由多穿小车根据上位系统调度入库到该层指定货位存储。完成入库任务，如图3所示。
图3 入库流程
（2）出库流程
库区正前方为发货月台，月台停靠厢式冷藏货车。管理系统根据订单下达出库作业指令，多穿小车将指定料箱取出，放置于层间站台，经料箱提升机送至二层出库线，出库线合流后，经过读码交互由上位系统分配月台去向，通过高速分拣机精准分流到指定订单车辆停靠口，停靠位置伸缩皮带机直达车厢内部，人工在车厢内装车完成出库任务，如图4所示。
图4 出库流程
三
系统特点分析
1.多穿系统在冷链物流输送系统中优势显著
多层穿梭车系统完美契合于食品冷链行业，能够实现自动化、智能化管理，可以快速响应和应对各种需求，提高整体运营效率。
（1）高效性：多层穿梭车能够实现货物的多层穿梭，可以在不同的货架或区域之间快速移动，提高了物流运输的效率和准确性。
（2）自动化：多层穿梭车可以自动完成货物的搬运和存储任务，降低人力成本，提高生产效率。
（3）灵活性：多层穿梭车的灵活性强，可以根据不同的需求进行定制和扩展，适应不同的环境和场景。
（4）可靠性：多层穿梭车具有较高的可靠性，采用先进的传感器和控制系统，能够实现精确控制和操作，降低故障率。
（5）节约空间：多层穿梭车可以在一个有限的空间内实现货物的多层存储和运输，节约空间资源，提高空间利用率。
2.基于收发货周期多穿库货位存储的优化算法
由于低温食品类行业注重食品的鲜度，多数物料不能在库房中存储较长时间。这就要求低温库在高流水场景下快速运行。采用传统静态规则制定物料货位，往往会造成穿梭车取货慢，生成过多搬库作业的情况，导致低温库的效率下降。系统顺应低温库的这种高流水特性，利用一段时间内系统的收发货记录作为统计数据，获取物料的收/发货周期，建立统计学模型以及收发货周期评价函数，形成算法的闭环反馈。动态评价物料的优先权重以及预测未来物料的发货时间点，从而在入库阶段或者穿梭车空闲时段优化货物的货位。最终达到出入库效率的最大化，提升低温库最大流水量。
图5 “使用热度”图
如图5所示，货物进出多穿库均在同一侧。经过前期测试，获得多穿库各货位存取使用时间。按分钟计算，分配货位“使用热度”权重。接下来，在一周的时间段内，统计各种物料收发货周期，并使用泊松分布，建立物料预发货时间模型。
其中，P(X=k)为货物在第k个时间周期内出库的概率。λ为货物出库周期的均值，即平均库存周期时间。
分配货位时，在白天出入库流水较高的时段。首先将收发周期短的货物使用热度较高的货位，保证货物的快速流转。而在晚上，流水较低的时段，多穿库开始将较大概率即将放货的货物向热度高的货位转移，为第二天出库做准备，如图6所示。
图6 模型流程图
3.基于西门子SCL语言的脉冲分流控制系统
多穿系统的高效运行，必须有外围足够高效的输送系统配套支撑，因此在出库高速分拣箱式线的PLC逻辑控制算法中引入脉冲分流系统，实现物料的精准配送及信息的准确传递。脉冲式分拣模式原理如下：
第一步：将控制系统置于示教模式，在高速旋转的箱式输送主线上放置一物料，使其由“data in 传感器”经过，此时脉冲计数更新为0。在各分流通道口的前端均安装有一个校验传感器，物料经由各个校验传感器时，系统依次记录下来到达脉冲，最后物料到达剔除口，记录到达剔除口时的脉冲值，示教模式结束。
第二步：物料在分流主线体上输送到达“data in 传感器”的瞬间触发，控制系统对数据表进行扫描，查询到队列中标识位为0的空闲元素，将物料信息写入该元素中，并把标识位置为1，如图7所示。
图7 传感器位置示意图
第三步：系统设定了一个脉冲区间范围，在大于分流口到达脉冲和小于分流后到达脉冲加脉冲区间的脉冲计数均认为是当前分流口的有效脉冲。所有有效数据中的脉冲变量“PLS”都随着主线的运行和全局脉冲进行累加。直到PLS进入对应去向的分流口脉冲区间，如图8所示，并发起分拣请求，完成格口传感器的校验后，高速分拣摆轮进行分拣动作，将该料箱的信息传递给分流口对应设备，并对当前信息队列里的元素信息进行清空。对未成功分拣的纸箱，PLS会一直累加直到达到剔除脉冲，清空元素信息，如图9所示。
图8 分流口脉冲区间宽度
图9 物料信息数据元素
基于SCL语言的脉冲分流系统的优势：
（1）对传感器的布置位置没有严格的要求，可通过示教模式自学习记录下每个分流区域的脉冲区间值；
（2）编程基于C语言框架下的SIEMENS-PORTAL平台里的SCL语言，程序量小，可大大节省PLC的系统循环扫描周期，从而确保分流系统的稳定性与准确性；
（3）产品串道后可通过历史条码信息进行追溯；
（4）主线正常工作过程中无间断运行，具有很高的生产效率；
（5）可拓展性强，可支持任意多个分流道的使用需求。
四
总结
多层穿梭车物流仓储系统在食品冷链车间的创新应用，针对多穿库鲜品入出库高流水高效率的需求，研发了基于收发货周期多穿库货位存储的优化算法，系统智能化调度大大提高存储效率。为提高装车订单的分拣效率和准确性，开发了基于SCL语言的脉冲分流系统，该系统通过简化传感器布置，基于脉冲计数校验来实现准确分流，同时SCL语言在控制系统中的应用大大降低了系统扫描周期，具备高效分拣效率的同时也有良好的可拓展性。系统投用后，可以满足25920个料箱存储，效率可达每小时入出库1440箱。如未来有订单业务拓展增加，可通过增加多穿巷道进行拓展。
《“十四五”冷链物流发展规划》中指出，科技创新和数字转型激发冷链物流发展新动力。在面对这样的机遇和挑战的时期，提高系统的智能化水平和创新技术，改善现有行业遗留问题，显得至关重要。通过对典型案例的分析和研究，为后续行业的相关技术发展提供借鉴。
参考文献:
[1]王旭斌.多穿系统在医药物流中心的应用创新[J].物流技术与应用,2020,25(S1):30-32.
[2]吴迪,徐健,曹路园,徐莹,刘源.自动化立体仓库技术在冷链仓储物流行业的应用[J].制造业自动化,2018,40(05):38-40.
———— 物流技术与应用 ————
编辑、排版：罗丹
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