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尹军琪:穿梭车系统及其应用概述

作者:尹军琪 时间:2017/06/07 来源:

        编者按:《物流技术与应用》杂志2017年5月刊登穿梭车专题报道,北京伍强科技公司董事长尹军琪应邀撰写主题文章。本次转载有细微修改。

        一、穿梭车系统的定义、功能及发展


    (注:箱式输送型应用极少)

图1 穿梭车的基本分类

        穿梭车(SHUTTLE CAR),顾名思义,是物流系统中一种执行往复输送任务的小车,其基本功能是在物流系统中(平面内)通过轨道上的往复运动以完成货物单元(主要是托盘和箱子)的输送。

        穿梭车有别于提升机(垂直输送),AGV(自动导向,无轨道),以及堆垛机(AS/RS与MINILOAD,3维输送)。由于其灵活性,广泛应用于物流配送中心和生产物流系统。

        穿梭车按照输送货物单元类型可以分为托盘式穿梭车和箱式穿梭车,按照其作业场地不同,可分为输送型穿梭车和存取型穿梭车。

        穿梭车还有其它多种形式,只是因为应用较少,或种类太多,在这里没有一一列出。

        此外,从载荷及存储形式看,还有单工位单深度,单工位双深度,单工位多深度,双工位单深度,双工位双深度,双工位多深度,以及多工位的变化。但应用最多的还是单工位单深度和单工位双深度两种形式。

        本文讨论的范围仅局限于存取型穿梭车。

        相对于输送型穿梭车有超过50年的发展历史,存取型穿梭车的历史要短得多。最早的穿梭板和子母车应用到现在也不过20年历史,而4向车的应用则是最近10年以内的事情。究其原因,可能主要是电池技术和充电技术的限制所致,当然,网络技术和通讯技术的发展也是重要原因。

        随着电池、网络等关键问题的逐步解决,穿梭车技术被迅速应用于物流系统。在我国,最早的穿梭板应用可以追溯到2010年前,基本采用半自动方式,由叉车进行换巷道和换层作业。

        穿梭车的巨大作用是解决了两大问题:其一是密集存储问题,采用穿梭车系统,可以大幅度提升存储密度,这是以前很多技术--如双深度堆垛机--所无法比拟的;其二是快速存取问题,其实,目前火热的“货到人”拣选技术的兴起,其根本原因在于采用多层穿梭车等技术,彻底解决了快速存取问题。可以说,穿梭车技术的发展,为未来的物流技术发展奠定了基础和指明了方向,并且开辟了一片新天地。

        二、穿梭车系统的基本构成


图2:穿梭车系统构成

        穿梭车系统的基本构成多种多样,作为一个独特的物流系统,它与普通的物流自动化系统有许多相似之处,但也有很大不同。一般情况下其系统构成如上图所示:

        其中,调度系统是至关重要的子系统之一,有些功能是其他物流系统所没有的。

        托盘式穿梭车系统主要用于密集存储,其收货系统中主要包括输送机(包括提升机),储存系统则包括货架,穿梭车,提升机等,有些也采用堆垛机(AS/RS)完成穿梭车的换层,发货系统包括输送机及拣选系统等。有些系统比较简单,如穿梭板可以自行构成系统,有些系统则比较复杂,如采用机器人完成入库码垛和出库拆垛等。

        箱式穿梭车系统主要用于“货到人”拣选系统,其收货系统包括收货换箱工作站和收货输送系统;储存系统包括货架及轨道、穿梭车(包括多层穿梭车、子母车,4向穿梭车等)、提升机等;发货系统则包括拣选工作站、包装工作站和输送系统等,根据实际应用不同,有些系统会简单或复杂一些。

        穿梭车是系统的核心产品。其本身的构成包括车体和移载机构。多层穿梭车只能完成往复运动,有的可以依靠提升机完成换层,有的则不能换层;4向穿梭车可以完成平面内的x方向和y方向的运动,换层则通过提升机完成;还有一种子母车,母车完成巷道内x方向的运动,子车可以完成y方向的运动。移载机构有很多种形式,其中夹抱式货叉应用比较多。穿梭车采用电池供电,为满足作业需要,要求一次完全充电能够满足6个小时以上的正常作业,作业空闲时间,还要求能够快速充电。托盘式穿梭车有固定的充电站,箱式穿梭车则采用多种形式,如在提升机上充电就是一种快速充电的方式。

        三、穿梭车系统的关键技术及技术难点


        最早的穿梭板小车,采用的是半自动控制方式,结构和系统简单,电池技术是影响其应用的关键技术之一。每次完全充电能满足的工作时间,成为穿梭板的一个瓶颈。而高性能的电池价格昂贵,使得穿梭板小车的应用非常有限。随着电池性能的不断提高,量产以后价格下降,穿梭板小车才得以广泛应用。

        在早期,有一个很大的困难是小车的电量监测,设想一下小车突然没有电时怎么办?而这种情况确实每天都发生。如果不能有效的监测到小车的电量,问题就无法解决。这一问题会造成全自动的系统和大型系统无法应用,也是穿梭车系统迟迟不能推广应用的关键原因之一。

        此外,通讯和定位也是关键技术。早期的穿梭板由于通讯问题导致的定位不准确,进而出现大量空位情况,而设备通讯故障频繁导致维护也很困难,也在很大程度上影响其使用。

        托盘式4向车的诞生改变了人们的思维方式。托盘式4向车为立体储存提供了新的解决方案,是对立体库存储技术的重大突破,传统以AS/RS为主的立体存储设计思想受到了很大冲击。然而,4向车系统的路线设计是非常困难的。对于越大的系统,调度系统难度越大。此外,由于增加了横向和纵向的轨道,系统交通管制也是一个非常大的问题,这些问题不解决好,也将无法大规模使用。

        对于箱式穿梭车来说,最早的多层穿梭车应用研究有超过10年的历史,它的发明解决了“货到人”拣选系统中长期困扰人们的存取速度问题。在此前,尽管Miniload的速度已经提高到惊人的350m/min,但存取效率还是局限在100多次/台,多层穿梭车轻松的突破了这一极限。多层穿梭车的关键技术首先是充电问题,现在的快速充电装置可以在数秒之内快速充电,满足小车几分钟的作业要求,这样,小车完全可以实现24小时不间断工作,这是一个重大突破。此外,多层穿梭车的货叉设计也是重点。随着市场分工越来越细,现在已经有成熟的货叉可以选用。货叉的成本约占小车的40%,从这一点也可以看出其重要性。

伍强科技在2016  CeMAT ASIA 上展示的多层穿梭车解决方案

        对于4向箱式小车来说,其难度主要在于控制和调度系统,订单管理,路线优化算法非常复杂,控制更加困难。设想一个具有500辆小车的系统,如何调度才能有效是一个非常大的问题。很多系统的能力受到限制主要是由于车的不合理调度造成的,不同系统的差异非常大。

        此外,穿梭车的轨道要求很严,一般的货架生产工艺不能满足要求。国内能够提供4向车轨道的厂家少之又少,这也为应用设置了障碍。

        现在的情况是:电池技术有了质的飞跃,货叉也有成熟的产品,但控制系统和调度系统却没有现成的可以采购,使得大型物流中全面应用穿梭车还有很大难度。

        四、市场需求及未来变化

        穿梭车的诞生,为密集存储和快速拆零拣选提供了十分有效的解决方案,所以一经推出,便广受用户欢迎。

        对托盘式穿梭车来说,与传统的AS/RS系统相比,根据方案不同,其存储密度会提高30%-50%不等,而且最大的优势是:4向穿梭车不受空间形状的限制,几乎可以在任意的空间中布置,这是AS/RS所无法比拟的优势。虽然AS/RS系统也有双深度存储技术以增加存储密度,但无论存储密度还是对空间的要求,都与穿梭车相去甚远。

        密集存储的应用场合非常多,如烟草原料和成品、食品饮料、工业制造等。尤其在冷链有很大的用武之地。传统的冷库不仅空间利用率底,而且作业环境非常恶劣,托盘式穿梭车的发明,大幅度提升了密集存储的密度,也改善了作业环境,可谓一举多得,市场前景非常广阔。目前存在的问题是,由于穿梭车系统的货架要求比较高,增加了系统的成本,为需要快速入出作业的系统带来了成本压力。

        箱式穿梭车在拆零拣选方面的应用则更为广阔。箱式穿梭车系统可以适应于多种现场情况,这是与Miniload不同的地方,此外,Miniload的存取能力受到限制,无法满足“货到人”拣选的需求。与传统的阁楼式货架比较,穿梭车系统存储效率更高,拣选更为准确,对人的需求也大幅度降低,这是其具有巨大优势的几个方面。当然,成本是其劣势之一。但随着人工成本的不断增加,这一点很快会达到平衡,并显示出优势。

        就“货到人”拣选技术而言,目前也有多种形式,如典型的KIVA系统就是应用最广泛的技术之一。KIVA系统十分灵活,设计简单,容易搬迁和增减设备,这是其得以推广的主要原因。然而,KIVA系统存储效率低,拣选难度相对较大和效率相对较低的缺点,也注定其应用将受到限制。

        对设计和使用者来说,在实际设计中,如何选择和评价穿梭车系统非常关键。主要应该注意的是以下几个方面:

        出入库作业能力:出入库作业能力是衡量穿梭车系统的重要指标。包括输送系统,提升机,穿梭车,堆垛机等所有关联系统或设备的作业能力的匹配,以及拣选工作站的能力等。在实际设计中,要求一个拆零拣选工作站达到600行以上的拣选能力是非常普遍的情况,这对工作站、输送系统的设计也提出了很大挑战。

        存储能力:储存能力基本是一个静态指标。不同的设备和技术所能够达到的储存能力是不一样的。一般情况下,储存能力越高越好。密集库系统对储存指标要求比较高,但拆零拣选系统却并不特别追求这一点。要注意储存能力和存取能力的一致性,有时过分追求单一指标是没有意义的。

        软件系统:对于箱式穿梭车系统来说,其难点在于软件系统,如何快速高效地响应订单的拣选要求,是考验一个穿梭车系统的关键内容。而对于托盘式穿梭车来说,4向车的控制系统是难点,密集库的管理与作业流程设计与普通仓库也大不一样。

        可靠性指标:没有什么比可靠性指标更重要的了。什么是可靠性指标,很多人不是很明白。在FEM标准中,有一个可用度指标,可以用来描述系统的可靠性。其计算公式是:

        系统的可用度=(系统的可用时间/系统运行的总时间)*100%

        具体应用到穿梭车系统,可以将系统分为若干部分,对于串行系统,每部分的权重为1,对于并行系统,每个并行支线的权重为1/n(n为并行子系统的数量)。系统的可用时间是指系统总时间扣除故障恢复时间所剩余的时间。FEM规定,系统的可用度大于97%才能正式上线运行。

        此外,还有一个指标叫做平均无故障时间MTBF(Mean time between failure),其单位为小时。MTBF越大,系统越可靠。这一指标对于单一设备的评价非常适用,但用于对物流系统的可靠性评价却并不适用。其理由是物流系统非常复杂,存在很多“部分可用”的情况,无法用这一指标来评估。

        五、穿梭车系统的发展趋势

        穿梭车的诞生是物流装备技术的一次重大创新,它甚至改变了长期以来AS/RS系统长期独占市场的格局。对于未来的发展趋势,行业内多数专家都表现出极大的乐观。

        托盘式穿梭车的应用,彻底改变了密集存储系统的概念,甚至可以说是一种颠覆。从简单的穿梭板应用,到子母车,再到4向车系统,其发展轨迹一致围绕着密集存储进行。密集存储在制造业物流中有广泛的应用空间,尤其在烟草、食品、酒水、家电等大宗商品生产领域,而冷链物流的市场需求将超出人们的期望,托盘式穿梭车可以说是应运而生。

        如果说托盘式穿梭车是为密集存储而生,箱式穿梭车则完全是为拆零拣选而生,一个巷道达到1000余次的作业量,这在以前是无法想象的。而箱式穿梭车的诞生轻易的将人类这一梦想变成了现实。其意义是巨大的,影响也是深远的。

        过去几年来,智能物流(SMART LOGISTICS)成为行业最亮眼明星。人们畅想的智能物流到底是什么?有的人不是很清楚,有的人给出了蓝图。其中最关键的一点共识是,智能物流是实现大规模定制化生产的基础。什么是大规模定制化生产?简单来说就是要将以前的“千人一面”市场需求转变为“千人千面”的个性化需求。从这个意义上讲,生产物料需要拆零,配送也需要拆零,拆零拣选将是未来的主要拣选形态。由此可见箱式穿梭车的价值所在。

        许多年前,人们在预测物流未来的时候,往往乐观的认为未来物流中心规模将越来越小,理想甚至是库存等于0。但是事与愿违,现在的物流中心,规模变得越来越庞大,品规数变得越来越多,订单越来越细,这正是一个大规模定制化模型的真实写照,电子商务很好的诠释了这一模型,并在很短的时间内使之成为现实。可以预见的是,穿梭车的应用将越来越广泛,规模也将越来越大,前景不可限量。

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