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第十章 自动化立体仓库的规划与设计.ppt

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第十章 自动化立体仓库的规划与设计.ppt
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海尔自动化立体仓库的规划与设计,,案例: 海尔物流和立体库,海尔集团公司分析发现在整个生产过程中,最受制约的就是仓储,就是原材料和零部件的仓储和配送,所以海尔选择了这个突破口。 在青岛海尔信息园里面建了一座机械化的立体库,在黄岛开发区建了一座全自动的立体库。在国内人们因为人工成本便宜,地皮又大而质疑立体库的效果。 但海尔的事实是,黄岛立体库长120米、宽60米,仓储面积5 400m2,立体库有9 168个标准托盘位,托盘是1.2×1米的;立体库的建筑高度是16米,放货的高度可到12.8米,每天进出的托盘达到1 200个,实际能力是1 600个。,案例: 海尔物流和立体库,5 400 m2取代了原来65 000 m2的外租库,而且由于使用了计算机系统,管理人员从原来的300多人降为48人。通过减少外租库的租金,外租库到车间的来回费用,节省工人工资加起来一年是1 200万。 第二个作用是降低了物料的库存。因为海尔在计算机系统里都设定了,比如说只允许放7天的料,超过7天不让进,相对来说使整个库存量下降。库存量下降当时空调事业部就是一个典型的例子,大约3个月,从9月到12月降了1.4亿。 第三个作用是深化了企业物流系统的规划。因为立体库使用后是两翼推动,一是海尔要求所有的分供方按照照标准化的模式送货,所有的都是标准化的托盘,标准的周转箱。,案例: 海尔物流和立体库,以往都是纸箱,纸箱的坏处在于,产品的零部件容易压坏,上线的时候还要倒箱,多次倒箱增加了人工拣选,保证不了产品的质量。现在采用统一的产品包装,从分供方的厂里到海尔的生产线整个过程不用倒箱。 对车间也是一样,以往车间的效果也是脏、乱、差,使用标准箱之后,全部是叉车作业标准化。立体库对两方都产生了有利的作用,对分供方也好,对海尔内部的整个物流推进也是很重要的。 二是,立体库具有灵活性和扩展性,刚开始设计立体库想的只是放空调的东西,但是通过计算机系统管理以后,只占很少的库容,公司马上把冰箱、洗衣机、电脑全部放进去,一下减少了这些厂的外租库,整个效果非常明显。 立体库就有这么多好处。并不一定非要建立体库,在车间旁边也可以搭立体货架,这样就节约了车间里面宝贵的生产面积,每一寸土地都得到充分的利用。,,讨论1:什么是自动化立体仓库? 讨论2:自动化立体仓库有哪些部分构成?(视频) 讨论3:自动化立体仓库有哪些优点?,,自动化立体仓库,一般指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存货物,并且用专门的仓储作业设备进行货物出库或入库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间进行储存,故形象地称为立体仓库。,,自动化立体仓库是采用自动化存储系统(AS/RS,Automated Storage and Retrieval System),由高层货架(High Level Rock)、巷道堆垛起重机(Stacker Crane)、出入库输送机系统(Output/ Input Conveyor)、自动化控制系统(Automatic Control System)、计算机仓库管理系统(Warehouse Management System)及周边设备(Peripheral Equipment)组成,可实现对集装单元货物自动化保管和计算机管理的仓库。,一、仓库布置设计,1.空间利用 (1)蜂窝损失 分类堆码时计算面积要考虑蜂窝损失。以图所示的分类堆码为例,图a为一个通道各有一排货物,每排货物有若干列,而每一列堆码四层。 如果在一列货堆上取走一层或几层,只要不被取尽,所产生的空缺不能被别的货物填补,留下的空位有如蜂窝,故名蜂窝形空缺,它影响了库容量的充分利用。单、双深堆码,,,蜂窝损失空缺系数的计算如下。 空缺系数H的期望值为 式中n— 一列货位堆码货物件数;i = 0, 1, 2, …。,,,,例 求图中的蜂窝损失空缺系数。,例 求图中的蜂窝损失空缺系数。 解:图中一列货物可能有四种状态:只堆1、2、3或4层,因此相应的空缺数分别为3/4、2/4、1/4和0。设4种状态的出现概率都是1/4,则空缺系数H的期望值同理对右图中可算出为0.4375。,,(2)通道损失,通道损失则是由于通道占据了有效的堆放面积,无论分类堆码,还是货架储存,都存在通道损失。若不考虑通道深度方向的情况,通道损失可用下式计算La=Wa / (Wa +2d ) 式中Wa—Width of asile通道宽度,d—depth货堆深度。,(2)通道损失,计算通道损失。,(2)通道损失,如下图a,托盘深度为1m,叉车作业通道宽度为3m,则通道损失为3/5,即60%。可见通道损失之多。 为降低此损失,可以增加货位深度,如图b堆两排,通道损失降到3/(4+3)=0.429,但此时增加了蜂窝损失。,对于常见的选择式货架来说,堆垛深度最多两排,即双深式货架,此时可配用带伸缩叉的叉车。但出入库和装卸搬运等操作不太方便,需要全面考虑,具体参见后面案例。 通过上述典型计算,在货物不同深度时的通道损失、蜂窝损失及总空间损失见下表7-1。 可见,货堆越深,通道的损失越小,虽然蜂窝形的空缺损失增大,但总的库容量损失有所减少。 平面损失率很大,要提高空间利用率,只有往高度发展和降低通道宽度,这也是高层自动化立体仓库发展的一个原因。,例,某种货物C为木箱包装形式,尺寸(长×宽×高)为1000×600×700mm,箱底部平行宽度方向有两根垫木,可用叉车搬运,在仓库中堆垛放置,最高可堆4层。C货物最大库存量为600件,请考虑通道损失(设叉车直角堆垛最小通道宽度为3.6m)和蜂窝损失确定其需要的存储面积。(一般叉车货叉长达900~1000mm ),,,,例,解:货物堆垛4层,实际占地面积为 1.0×0.6×600/4=90m2。 一般叉车货叉长达900~1000mm,因此堆码时一次可以叉两件C货物。则通道分类堆垛方式为每通道两边至少各有两排货物。 若按货堆深度两排计算,此时通道损失 La=3.6/(3.6+2×(0.6×2))=0.6,但取出货物时一般是一件一件取,则蜂窝损失为一列8件计,可算出蜂窝损失空缺系数E(H)=7/16=0.4375, 考虑通道损失后的蜂窝损失为0.4375×(1-0.6)=0.175,合计损失为 0.6+0.175=0.775。故需要的存储面积为90/(1-0.775)=400 m2。,例 若货堆深度更多,如4排,解:货物堆垛4层,实际占地面积为1.0×0.6×600/4=90m2。 若货堆深度更多,如4排,则La=3.6/(3.6+2×(0.6×4))=0.429, 蜂窝损失为一列16件计,蜂窝损失空缺系数 E(H)=15/32=0.46875, 合计损失为0.429+0.46875×(1-0.429)=0.697, 故需要的存储面积为90/(1-0.697)=297 m2。,2.库容量与仓库面积,(1)库容量 仓库规模主要取决于拟存货物的平均库存量。 货物平均库存量是一个动态指标,它随货物的收发经常发生变化。 作为流通领域的经营性仓库,其库存量难以计算,但可以确定一个最大吞吐量指标; 作为制造企业内仓库,可根据历史资料和生产的发展,大体估算出平均库存量,一般应考虑5~10年后预计达到的数量。库存量以实物形态的重量表示。,(1)库容量,在库存量大体确定后,还要根据拟存货物的规格品种、体积、单位重量、形状和包装等确定每一个货物单元的尺寸和重量,以此作为仓库的存储单元(Stock Keeping Unit, SKU)。 仓库存储单元一般以托盘或货箱为载体,每个货物单元的重量多为200~500kg,单元尺寸最好采用标准托盘尺寸。对托盘货架仓库以托盘为单位的库存量就是库容量,它可用来确定库房面积。,(2)面积计算,库房面积包括有效面积和辅助面积, 有效面积指货架、料垛实际占用面积; 辅助面积指收发、分拣作业场地、通道、办公室和卫生间等需要的面积。面积计算方法一般有两种:直接计算法和荷重计算法。 直接计算法是直接计算出货架、堆垛所占的面积和辅助面积等,然后相加求出总面积。 荷重计算法是一种经验算法,它根据库存量、储备期和单位面积的荷重能力来确定仓库面积,在我国计划经济时代应用较多,但因为现在储备期时间大为缩短和采用货架、托盘后货物的单位面积荷重能力数据大为改变,应用较少。,(2)面积计算,面积较难计算时,还可以类比同类仓库面积,比较类推出所需面积。 直接计算法面积的计算与库内货物存储方式、存取策略、空间利用、装卸搬运机械的类型以及通道等有关,在设计时应根据实际情况具体计算。,例,某金属材料仓库库存量为500吨,全部采用行车搬运集中堆垛存储,垛长6m,垛宽2m,垛高1.5m,考虑蜂窝损失后,空间利用率为0.7,材料比重为7.8t/m3。求面积。 解:计算料垛所占用的总面积为:S=500/(1.5×0.7×7.8)=61m2 在同一库内的不同物料应分别计算,分类堆垛,求和后,再考虑通道损失,得最后面积。,案例,采用货架存储的直接计算以托盘为单位,要确定货架货格尺寸,货架排列和层数,再确定面积。某仓库拟存储A、B两类货物,包装尺寸(长×宽×高)分别为500×280×180mm和400×300×205mm,采用在1 200×1 000×150mm的标准托盘上堆垛,高度不超过900mm,两类货物最高库存量分别是19 200和7 500件,采用选取式重型货架堆垛,货架每一货格存放两个托盘货物。作业叉车为电动堆垛叉车,提升高度为3 524mm,直角堆垛最小通道宽度为2235mm。试确定货架长宽高、层数和排数(叉车、货架详细参数见图),并计算货架区面积。,,,主视图,解:1)计算A、B两类货物所需的托盘存储单元数。 对A类货物,1200×1000托盘每层可放8件(不超出托盘尺寸),可堆层数为(900-150)/180=4.17,取整即4层,故一托盘可堆垛32件。库存量折合SKU为 19200/32=600托盘。 同理对B类货物,每托盘可堆垛30件,共需250托盘。A、B共需850托盘。 2)确定货格尺寸(图)因每货格放2托盘,按托盘货架尺寸要求,确定货格尺寸为1200×2+50+3×100=2 750mm (含立柱宽度50)长,1 000mm深,1 100mm高(含横梁高度100)。3)确定货架层数 由叉车的提升高度3 524mm,确定货架层数为4层,含地上层。,4)确定叉车货架作业单元由于叉车两面作业,故可以确定叉车货架作业单元,见图。该单元共有16个托盘,长度为2.75m,深度为两排货架深度+背靠背间隙100mm+叉车直角堆垛最小通道宽度 即D=2×1m+0.1m+2.235m=4.335m取4.4m 面积S0=2.75×4.4=12.1m2。,,5)确定面积由总SKU数除以叉车货架作业单元得所需单元数,再乘单元面积即可得货架区面积(包括作业通道面积),即 单元数=850/16=53.125取不小于的整数得54个故 面积S=54×S0=54×12=648 m2。 6)确定货架排数货架总长和排数与具体的面积形状有关。对新建仓库则可以此作为确定仓库大体形状的基础。本例54个单元,按6×9得货架长9个单元,即长9×2.7=24.3m,共6个巷道,12排货架,深6×4.4=26.4m。深度比长度大,不符合货架沿长方向布置的原则。可考虑用4巷道,取4×14=56,此时长度为37.8m,深度为17.6m,如下图所示。设计时还要进一步放为整数,如39m×18m。,,货架布置不能仅考虑存储和节省面积,还要考虑出货速度。从货架中间设置一个贯穿各排货架的竖向交叉通道,还能增加货架的稳定性。,,3.库房布置设计,(1)库房设计由上述直接计算法得出存储的有效面积后,加上必要的辅助面积,就可得仓库总面积,以此可作库房设计。库房的长度与宽度(跨度)与库房面积有关,在确定的面积下,长宽可以有无数种组合,但设计要按优先比例选取,一般如下表所示。,(1)库房设计,确定了宽长比后,选定宽度,再定长度。如库房需要面积800m2,取宽长比1:4,则算出宽度取14m,长56m。长宽尺寸还要符合建筑标准GBJ-2-86《建筑模数协调统一标准》,该标准规定了基本模数M0 =100mm,倍模、分模优选M0 /10, M0 /5, M0 /2,1 M0 ,3 M0 ,6 M0 ,15 M0 ,30 M0 ,60 M0 。如库房柱距应采用6m,当库房跨度≤18m时,跨度应为3 m的倍数,当库房跨度18 m时,跨度应为6m的倍数。故常用库房跨度6m, 9m, 12m, 15m, 18m, 24m, 30m。如上例面积648 m2 ,按建筑模数修正为15m×54m或15m×60m ,总面积超出一点是可以的,因为还有许多其他因素没有考虑,应留有余地。,(2)收发站台设计,收发站台(dock)主要用于货物的装卸暂放。而且因为仓库是一个动态系统,进出频繁,需要专门考虑系统进出两端,也即收发站台的设计现代仓库和物流中心进出货频繁,收发货作业离不开门,库门也是站台设计布置时必须考虑的问题。为满足收发作业要求,我们还要考虑门的数量,请见下例。,例,某仓库每年处理货物6百万箱,其中70%的进货是由卡车运输的,而90%的出货是由卡车运输的。 仓库每周工作5天,每天2班。对于进货卡车,卸货速度是每工人小时200箱,而出货上货的速度是175箱/人时。进出货卡车满载都是500箱。 考虑进出货并不均匀,设计加上25%的安全系数。试确定仓库收发货门数。,解:1)确定进货需求a. 年卡车进货量为卡车进货百分比乘总进货量,即70%×6 000 000=4 200 000箱b. 则 年进货卡车次数(假定满载)为4 200 000/500=8 400次c. 每一卡车货卸货作业时间为500/200=2.5小时d. 则年总进货卡车次数所需作业时间8400×2.5=21 000小时,解:2)确定出货需求a. 年卡车出货量为卡车出货百分比乘总出货量,即90%×6000000=5 400000箱b. 则年出货卡车次数(假定满载)为5400000/500=10800次c. 每一卡车货上货作业时间为500/175=2.85小时d. 则年总进货卡车次数所需作业时间为10800×2.85=30780小时,3)计算总共作业时间进、出货合计作业时间为21 000+30 780=51 780小时,加上25%安全系数,51 780×(1+25%)=64 725小时4)每年工作时数52周乘每周工作天数乘每天工作时数,即52×5×8×2=4 160小时5)需要门数=总作业时间 除 年工作时数,即64 725/4 160=15.5≈16 故仓库需要16个收发货门。,(3)通道设计,通道设计也是仓库规划的重要内容。通道布置的合理与否,将影响仓库作业和物流合理化,以及生产率的提高。通道设计不合理,会造成作业场地的拥挤、阻塞、生产不安全、甚至影响机械作业率。出入库通道连接仓库收发站台和外部道路,是仓库的出入口。根据运输方式不同,对有铁路专用线的入库区,铁路专线的长度应根据出入库物料的数量和频度来确定,线路的宽度及两边的留量应根据铁路有关规定执行。对一般的汽车通道,应根据运输量、日出入库的车辆数量、机动车辆的载重量、型号等来设计道路的宽度、地面承载能力等。库区的出入口,即站台,应按作业流程设计,做到物流合理化。,(3)通道设计,库房通道。一般库房通道应设有纵向或横向的进出库通道,大型库房还应同时设纵向和横向进出库通道。库房内各作业区之间还应留有作业通道,通道的宽窄应根据装卸搬运机械的类型确定。,例,玛丽玫瑰化妆品公司的成品仓库采用的是6米高的托盘货架,由平衡重式叉车来存取货,货架通道宽度是3.6米。 请问在不扩建仓库的情况下,可采用什么方法来增加库容量,以满足公司产品增加的要求?,解,换用通道要求更窄的叉车,如窄通道叉车, 可同时相应提高货架堆垛层数和高度,(4)物流动线,仓库布置要考虑物流模式,我们在前面所介绍的直线型、L型、U型和S型还适用。为更好地表示仓库作业时物料、设备和人员移动的方式,我们用动线表示商品、设备(包括货品箱、托盘、料箱等)、废弃物和人员的移动路线。布置要求全部动线完整、合理,物料、设备和人员等不能发生阻断、迂回、绕远和相互干扰等现象。 根据这一要求,可以在仓库或物流中心平面布置图上布置动线,就成为下图所示的动线图。,U形仓库布置及动线图,,,一、仓库布置设计,1.空间利用 (1)蜂窝损失 (2)通道损失 确定其需要的存储面积。 2.库容量与仓库面积 (1)库容量 (2)面积计算 货架长宽高、层数和排数 3.库房布置设计 (1)库房设计 (2)收发站台设计 确定仓库收发货门数 (3)通道设计 (4)物流动线,作业题3,某库房实际需要库容量为5 000个货位,为为减少通道占用面积,采用一个通道两侧各有两排货物的布置形式,即双深式,蜂窝空缺和通道所造成的库容量损失为0.569,试问该库房设计的库容量为多少货位?,设计库容量5000/(1-0.569)=11601,二、自动化立体仓库的分拣作业设计,讨论1:拣货方式主要有哪几种?,拣货方式有4 种,即: ♦ 摘果式(Discreet picking)。一次将一个订单的所有货物从头到尾拣取。 优点: 一次完成,不必再分选、合并,作业方法简单; 弹性大,调整容易 适合客户少,大量订单处理,订单数量变化频繁,有季节性趋势。 缺点: 品种多时,拣选路径加长,拣选效率降低; 多个工人拣选不同的大数量订单时,会通道拥挤; 拣选区域大时,搬运系统设计困难。,播种式(Batch picking)。先将所有订单所要的同一种货物拣出,在暂存区再按各用户的需求二次分配。 优点: 缩短拣选距离; 适合订单数量庞大的系统,订单大小变化小,订单数量稳定。 缺点: 订单响应慢; 拣取后还要分拣,如数量多,则费时。,♦分区式(Zone picking)。每个拣货员负责一片存储区内货物的拣货,在一个拣货通道内,先将订单上所要货物中该通道内有的全部拣出,汇集一起后再分配。这是一种分区播种式,但要多个拣货员才能完成拣货任务。 优点: 每区可采用不同的技术和设备。 缺点: 难平衡各区工人的工作量和速度。,♦波浪式(Wave picking)。按照某种特征将要发货的订单分组,如同一承运商的所有订单为一组,一次完成这一组订单,下一波再拣选另一组的。例如UPS 自动仓库分拣系统就是采用这种方式。只适合自动拣选机械的拣选。,讨论2:自动化立体仓库按货物存取方式可分为哪两种类型?自动库按货物存取形式可以分为单元货架式拣选货架式。,分拣系统流程图,,,,,自学内容,ABC分类法,ABC分析法又称帕雷托(Pareto)分析法 等。它是根据事物有关方面的特征,进行分类、排队,重点和一般,以有区别地实施管理的一种分析方法 ,为了能更好的结合实际,专家提出以下的公式 ,p——总的权重,pi——各属性值,k——各属性系数 。,,,节约算法优化分拣路径,在分拣的过程中,分拣路径是很重要的因素,特别是在人工拣选的时候,在很大程度上影响着拣选的时间和效率。节约算法可以缩短拣选的路径,很合理的安排出拣选的先后顺序。,节约算法,节约量公式 节约算法又称C-W 算法。它的基本思想是首先把各点单独与源点0(车场)相连,构成1条仅含一个点的线路。总费用为两倍的从原点到各点的距离的费用 。然后计算将点i和j连接在一条线路上费用的“节约值” S(i,j) 越大,说明把i和i连接在一起时总路程减少越多。,,,图中的路线是普通的情况下,工作人员接到订单的时候要沿着货架顺序拣选一遍,这样拣选很浪费时间。一共2500厘米,历时2分钟,这是每种货物间的距离,根据节约算法的公式,将下列数据带入,可以得出节约的路程。,根据公式得到以下的数据,按照节约算法的思想,将节约最多的两个地点一定要联合一起拣选。,可以得出如下的路径,,,,图中的拣选的路径中共经历了1800厘米,节省距离700厘米,节省时间0.25秒,上图是分拣区的货架的一个缩影,如果运用在实际当中,节省的拣选路径和时间都要相对的增多,对分拣过程也会有很大的影响。 这个例子里的货物较多,当货物的种类很少的时候缩短的时间会更加的明显。,Em-plant的介绍,他是面向对象的仿真软件;建模和仿真的图形化和集成的用户环境;层次结构化;继承性;对象概念;程序驱动的建模;模型的可变性和可维护性;接口与集成。他可以动态的仿真出流程的运作过程,并且可以通过仿真过后的数据来找出瓶颈问题,并且加以优化。,本案例中所选用的主要设备,巷道堆垛机 高层货架 射频设备 自动分拣设备 AGV 输送设备,仿真中运用到的模块,store ,仿真货架,可以通过改变xy轴的值来确定货架的排数和列数 line ,仿真输送设备,可以设定长度和输送的速度。 track ,仿真轨道,可以设定长度和输送的速度,他主要是用来 输送堆垛机 Proc,仿真操作台,前面的是单独的操作台,后面的是多个操作台和合并 transport ,仿真堆垛机,AGV等输送设备。,仿真模型中的控制部分,这是仿真中的比较重要的部分,他主要是写一些控制语句,用来控制系统中的物件的移动等方面。,仿真的订单,,堆垛机分拣仿真模块,,整箱货物运载到AGV上的控制语句,将装载货物的AGV运送到下个环节,is doif not @.empty then zhengxiangskid:=@; zhengxiangskid.cont.move(A1);zhengxiangskid.move(pnftrack); else @.move(pnftrack); end; end;,仿真的结果,仿真的结果,为了让仿真结果更加的真实,覆盖的范围更加的广泛,又增加了两组数据,,%,,,,结果分析,以上的三组数据是从分拣的货物数量很少到较多的过渡。从以上的三组数据对应的表格和图中可以很清楚的看出来jiancha1和 jiancha2处出现堵塞的状况,而且他们的工作率都不是很高,等待率相对较高,这就说明他们的工作的时间分布不稳定,而且在运行的过程中会出现了很多的等待的状况,主要的解决途径,首先是整箱的暂存区有堵塞的现象,这个现象主要是因为AGV小车过少,来不及来运输暂存区的货物,所以为了缓解这一情况,加一台AGV小车,这样在货物很少的时候可以用三台来运作,当货物数量增多的时候,仿真证明,超过100件的时候就可以用四台,这样增加了系统的柔性,也解决了拥堵的现象。 再者,是jiancha1和jiacha2处出现堵塞的现象,我们用节约算法来缩短散货区的分拣时间,这样来减少jiancha1和jiancha2处的等待时间。再将以上的三组数据带入仿真的模型中进行仿真。,优化前后的结果相对比,总结,1.在大量的国内外立体化仓库和立体化仓库分拣系统现状的调研的基础上,建立了一个具有与实际相近的立体化仓库的模型。 2.利用ABC算法将仓库中是产品进行分类储存,方便拣选,缩短拣选所用的时间,提高拣 选的效率。 3.利用节约算法来优化拣选的路径,缩短拣选路线,提高效率。 4.根据设立的仓库所储存的商品的特点及各种设备的特点和适合的场合,选择了适合的设备并设定了基本的参数。利用em-plant的资源特性,建立了该仓库的分拣系统仿真。将系统的仿真结果进行分析,并且找出仿真结果中的瓶颈处,进行优化。,
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