（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（Automated Storage/Retrieval System）。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(rail guide vehicle)，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。
4.1.2 PPS及外部接口
PPS是path planning system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。
4.1.6 BMS
BMS是battery manage system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。
论文作者:张长青,吕志强,黄葆文,董智颖,姚民
论文发表刊物:《电力设备》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/25
标签：货架论文; 仓库论文; 系统论文; 货物论文; 电源论文; 车体论文; 速度论文; 《电力设备》2017年第12期论文;