李 斌，魏 鑫，张敬敏，吴 振，张 楠

（1.北京机械工业自动化研究所物流中心，北京 100120；2.北京机械工业自动化研究所电物理中心，北京 110102）

0 引言

研究表明，在自动分拣系统中，拣选者大约70%的时间用在了移动上，实际上只有30%的时间在挑选产品。无论用什么技术和方式把货物送到拣选者身边，其主要目的是为了减少操作人员的移动时间。采用“货到人”技术则节省了移动时间，从而大大提高了拣选者的工作效率。

在以小件货物拆零拣选为主的作业环境中，拣选人员数量占全部作业人员总数的60%以上，这远远超过了收货、运输、包装和其他物流环节的用工数量。“货到人” 技术在快速订单周期和多元化SKU的环境中越来越受欢迎。换言之，这不仅是降低劳动力成本的问题，而是能及时、快速、准确地处理订单——这已经成为配送的主要因素。

在存储密度大的情况下（如现有仓储设施需要改造），实际上很多时候，节省空间成了另一个主要考虑因素。经验表明，采用“货到人” 技术，节省50%～60%的占用空间并不是什么不寻常的事情。其中最大的节约来自于更好地利用了现有建筑的立体空间，以及减少了通道空间。

国内外许多专家在展望物流技术发展的前景时，比较一致的看法是“自动化”、“智能化”和“标准化”是主要方向。“货到人” 拣选很好地诠释了这一发展趋势。从“货到人”独有的优势看，几乎所有的行业都适宜采用“货到人”技术，以提高效率和降低劳动强度。但在现阶段，考虑到作业成本问题，并非所有系统都具备采用“货到人”技术的条件。

大型电子商务配送中心是未来“货到人”技术的重要应用领域，因为其拆零拣选将占拣选总量的95%以上，是最合适采用“货到人”拣选技术的行业。医药物流，尤其是以拆零为主的配送中心，由于对物流效率和拣选准确性的高要求，是未来“货到人”拣选应用的另一重要领域。此外，冷链物流由于作业环境恶劣，对于“货到人”拣选有特别的需求，拣选区相对较高的温度将使作业变得相对舒适。当然，传统行业还有很多具备采用“货到人”拣选的场合，如服装、食品化妆品以及贵重品拣选等，均有应用“货到人”拣选的需求。

1 系统简介

本项目为某重工企业生产车间，要实现集中存储，快速输送300箱/小时到人拣选，且准确率达到99.9%拣选的要求，因此整体方案划分为三个功能区域：存储区域、辊筒输送区域、拣选区域，并分别细化设计。

存储区域货架采用双伸位货格，以实现货位空间的有效利用。为适用短距离输送和多层货架存取货物，配备穿梭车和换层提升机。辊筒输送区域实现料箱从穿梭车到拣选站台的输送功能，同时为了保证输送的流向一致，不同的料箱种类分两层分别输送。拣选区域主要供人拣选物料，需要实现2:6拣选、35kg承载以及300箱/小时的拣选任务。

如图1所示，生产车间分为存储区、输送和拣选区。料箱的运行方向为箭头所指方向。大体布局可以分为两层，一层流通的是订单箱，二层流通的为拣选箱。

图1 总体布局

2 软件流程设计

货到人管理软件系统可分为六个管理阶段，分别为：数据准备、任务准备、订单上线、人工拣选、拣选完成、订单完成，通过与ERP系统同步订单任务，对订单进行订单优化，通过多层穿梭车系统实现物流系统输送，并最后对订单复核打包进行管理，实现了对整体物料系统的信息跟踪。

1）数据准备

订单数据由ERP发起，ERP会预先将要出库的出库任务同步至WMS（通常预期为T+1），订单必须具有需求时间，WMS系统根据需求时间进行订单整合，形成订单出库任务。

图2 数据准备

2）任务准备

根据出库任务，进行任务路径的优化，系统将货架进行分类，将即将需要拣选的订单优化排序，优化完成后根据订单生成任务序列。

3）订单上线

图3 任务准备

人工开工时，通过看板系统登录至拣选工位，当人工上线时，同时根据订单序列，生成上线订单，将订单绑定至货到人下层的订单箱工位上，同时根据订单箱位置数量进行订单执行数量的控制，将已激活的订单任务，下发至WCS，通过设备输送至拣选工位。

图4 订单上线

4）人工拣选

物料箱到达拣选工位是，系统将自动驱动拣选信息看板显示拣选内容、驱动拣选位置LED灯带、驱动订单箱位置LED灯带并驱动点亮电子标签，人工根据灯带提示、电子标签提示进行目视化拣选，最后通过看板核对。

图5 人工拣选

5）拣选完成

人工拣选完成后，按电子标签确认按钮，接收信息同时，根据电子标签数量进行物料箱至订单箱的数据更新，记账完成后，驱动输系统将订单物料箱回库，单条拣选任务结束。

图6 拣选完成

6）订单完成

当一个订单的全部物料拣选完成时，系统驱动打印机自动打印对应订单箱面单，人将面单投入订单箱中，确认订单箱完成，输送系统将订单箱驱动至相应的打包地点，打包人员根据订单箱面单信息复合、确认、打包。系统接收确认信息进行账务处理，同时将信息同步至ERP系统，实现账务实时统一，至此订单结束。

图7 订单完成

7）订单箱存储周转

货到人系统在SKU主数据中，需要维护物料体积（长宽高）或物料在周转箱内存储的最大存储数量，系统在人工拣选确认时，会根据SKU数据进行订单箱当前容积的判断，当订单箱将放满时，会自动根据订单箱进行订单拆单，驱动系统打印面单，同时补充新的订单箱，实现了一个订单对应多个订单箱存储的管理。

软件界面显示如图9所示，左侧文字显示基本信息，右侧可以添加物料照片，主体按照拣选设备布置位置，显示拣选箱物料位置、订单箱位置、以及拣选数量等提示信息。

通过计算机显示待拣选的物料信息、屏幕点亮物料所处货格的位置，同时显示拣选数量，以及屏幕点亮对应订单箱的位置。待拣选完成后，确认按钮按下，订单完成。

图8 订单箱周转

图9 拣选界面

3 控制系统设计

项目的电气控制系统由堆垛机控制系统和输送线控制系统组成，是该工程自动化物流系统的现场执行系统，是以技术协议中关于电控系统的技术要求进行设计的。本控制系统的总体设计思路为“集中管理、综合与分片监控相结合、分散控制、减少人工”。 底层设备控制系统可向上位管理调度系统上传现场生产设备状态、工艺数据和传递信息。上位管理调度系统可向下发布物流调度信息，可采集生产现场的各种数据。控制系统采用集中—分散型以太网控制方式，使用了方便灵活的硬件和软件模块组合设计，以适应系统中不同特点的工艺控制要求和管理要求，使之成为既满足工艺要求的精确控制又满足管理现代化的物流系统。

整个控制系统的PLC全部选用功能强大可靠的SIEMENS公司的工控产品。输送设备共4段，由一个PLC来控制，PLC选用了西门子的CPU-315 2PN/DP。现场采用以太网通讯，包含有线以太网和无线以太网两个部分，有线以太网主要用于连接输送机控制柜和上位计算机、无线基站，无线以太网主要用于建立地面输送系统和堆垛机之间的通讯以及供入库扫描手持终端使用。

所有控制系统采用集中与分散结合、自动与手动相结合的控制方式使系统具有灵活的操作性，设计过程既考虑了系统工艺要求，又确保操作控制方便自如。

堆垛机采用S7-314 PLC控制器进行控制，输送线控制柜内配置S7-315 PLC控制器，PLC通过以太网TCP/IP协议完成与上位计算机系统的通讯，通过协议规定的格式接收上位机下发的作业指令，将待拣选料箱和空料箱出库输送到拣选位置，同时回收拣选完成的料箱置立体库内入库存放，并上报存货地址到上位机。

控制系统的主要目标是根据上位机下发的订单实现输送料箱的高效、准确，同时保证跟踪的信息准确无误。为了提高系统的效率，一是要确保拣选料箱能顺畅快速到达拣选位置，出库与入库回流都不能出现拥堵的情况；二是要保证订单料箱（即空料箱）的及时供应，在本项目中由于采用了分层拣选的方式，订单料箱单独在二层流转，不会与拣选料箱发生冲突，能顺利地满足WMS下发的拣选任务需求。

4 硬件设计

1）货架

货架在现代物流活动中，起着相当重要的作用，仓库管理实现现代化，与货架的种类、功能有直接的关系。货架的作用及功能如下。货架是一种架式结构物，可充分利用仓库空间，提高库容利用率，扩大仓库储存能力。存入货架中的货物，互不挤压，物资损耗小，可完整保证物资本身的功能，减少货物的损失。货架中的货物，存取方便，便于清点及计量，可做到先进先出。保证存储货物的质量，可以采取防潮、防尘、防盗、防破坏等措施，以提高物资存储质量。隔板式货架主要包括立柱、隔板梁、穿梭车运行轨道。

项目采用的是双伸位的货架，轨道两层分别可以放置两列料箱。每层的布置为同一水平面保证料箱可以被水平推入或拉出。巷道内侧的货架立柱上每层都设置了穿梭车轨道，保证穿梭车在每一层可以正常运行，并取到所有位置的货物。

2）穿梭车

穿梭车是存取货物的关键设备，在货到人系统中存取货物的设备可以是多种的，如mini-load、agv等等。本项目采用的穿梭车配备夹抱式双工位货叉，这种结构可以满足，同时处理两个料箱的需求。

3）提升机

在采用穿梭车的“货到人”系统中需要配备提升机。提升机的作用也是多种的，包括实现穿梭车换层功能的换层提升机。

提升机主要由机体、升降货台、轨道、安全防护装置、外购件等部件构成。

机体：升降机为四立柱框架，顶部横梁连接，驱动装置于升降机顶部，外围用有机玻璃板防护。

升降货台：升降货货台靠提升链条与主机架连接，并导向滚轮和导轨导向，提升链条的另一端与平衡配重块连接。

换层提升机具有穿梭车轨道，采用与货架一致的矩形方管。载货提升机则配有电滚筒输送机。

安全防护装置：货物进出异常检测，电机过载检测，断链检测，跌落制动等。

外构件配置：带制减速电机SEW，3相380V。

表面涂装：机体、导向件、附件等零部件经钢丝刷、砂纸等除锈，并经酸洗去油脂，经磷化后表面静电喷涂环氧树脂粉末并烘烤。裸露的机械加工零件经镀铬或发黑处理。紧固件皆经镀铬处理。

4）辊道输送机

通过拼接联通辊道输送机，完成料箱由出库站台到拣选工作站的任务。电动滚筒运行平稳、速度快，完成指定料箱的运送工作同时起到了积放暂存的作用，能够满足高峰期较大的吞吐量。

结构轻便，设计合理，料箱输送系统主要由轻型辊式输送机、轻型移载机、尺寸检测装置、超重检测装置组成。性能可靠、美观大方、并且便于安装和使用期间的维护保养，电气元件质量优良、运行噪音满足环境要求。尺寸检测装置能够切实检测到异常情况，并有效报警。尺寸检测允许一定范围内的误差。出入库输送系统可满载启动，设备运行平稳可靠、无异响、无脉冲式跳动。整机启、停平稳，无打滑、撞击现象。输送线每一段每一驱动单元均采用变频调速控制。输送机控制方式具备自动、手动和联机自动方式。便于操作人员操作。两侧具有保护导向装置，完善的连锁保护装。

5）拣选站台

整体结构思路采用垂直拣选模式，从上向下拣。因此，拣选站有两层组成，上层是拣选箱，下层流通订单箱。两种料箱各自在不同层运行，保证运送的高效和拣选的准确性。为满足项目需求2:6拣选，在二层设置两个拣选箱位置，一层设置6个订单箱位置，同时满足在线进行6个订单的拣选任务。

系统收到订单下发的指令，调配相应数量的空料箱出库，到一层指定订单箱拣选位置。同时，系统根据订单需求，调配相应物料箱出库，到二层指定拣选箱位置。拣选者根据系统提示，进行订单拣选，完成后确认。

系统收到确认指令后，将一层拣选完成的订单箱，输送到制定位置，同时将拣选完成的拣选箱，输送会立体库内存放。

拣选站是直接与拣选者交互的设备，为了更好的用户体验。考虑到二层的料箱高度和距离，拣选者寻找物料和拿取物料不方便，二层拣选台未倾斜时高度为

【】【】1389mm，且箱口竖直向上，人竖直站立自然伸手高度比二层拣选口抵310mm左右。人的视线基本观察不到箱子底部。为此将二层设置为可以向拣选者倾斜的方式，既方便了查看箱底的物料，同时在拣选的时候更加方便顺手，拣选台倾斜后高度为1233mm，下降了150mm左右，且箱口的朝向也发生了变化，与竖直方向形成70°夹角。此时，手臂位置与箱口高度差在150mm左右，

上层拣选站台采用进口气缸升降，此种方式保证拣选台升降迅速且平稳。

5 结束语

经过在实际项目中的应用测试，按上述流程设计的货到人拣选系统，能满足厂方大批量、多品种的复杂拣选任务，峰值效率达到了预期的订单拣选300箱/min，订单拣选准确率超过了99.5%，达到了快速、准确、及时的工程预期效果。综上所述，该货到人自动拣选系统是现代智能物流仓储技术中一项值得推广的技术，能为厂方，尤其是有大量拣选需求的生产型工厂，带来更多的便利和更大的经济效益。

[1]丁立言,张铎.仓储自动化[M].清华大学出版社,2002.

[2]德国西门子公司,S7-300系统手册[K],2016.

[3]魏鹏.自动化立体仓库控制系统[J].科技信息(学术研究),2008(11).