近年来，随着中国电商行业不断迅速的发展，不仅产生了海量的电商卖家，改变了人们的购物方式，而且大大地促进了仓储物流行业的发展与变革[1]。人们对订单时效性的要求越来越高，从下单到收货的时间被不断压缩，这就要求从仓储发货到物流配送要摆脱传统作业模式，逐步完成从人工操作到智能化、集成化、信息化的转变[2-3]。尤其是在电商平台的仓库，不仅要面对数量庞大的未知用户，而且日均订单量没有确定规律，订单结构复杂，对电商仓库的订单拣货、复核、包裹数据采集的效率和准确率提出了更高的要求[4]。本文主要探讨了秒仓信息科技有限公司设计的集存储、搬运、拣选于一体的智能仓储拣选系统，用于存储及拣选各类电商客户产品，包括食品、服装、化妆品、母婴用品和医疗保健等产品，智能化仓储系统的应用大幅提升了仓库的作业效率，降低了运营成本。

仓储系统分为立体库存储系统、提升机系统和输送拣选系统三个部分，整套系统布局如图1所示。系统工作流程为WMS将任务下发至WCS，WCS调度穿梭车到指定库位取出任务料箱，将料箱送至立体库层间线并呼叫提升机，提升机将料箱从高层移至输送线，之后滚筒输送线会把料箱运送至相应拣货台，人工完成拣货后，料箱自动返回立库，完成该次任务，系统结构如图2所示。

1.立体货架

立体仓库货架采用多层设计，含有3个巷道，共17层，超过8000个货位，仓库存储空间得到了有效利用。巷道两侧均为货位，巷道供穿梭车运行，每个巷道配有一入一出两台提升机，以保证存储料箱出入库不相干扰，提升效率。在货架尾部含有一台换层提升机，以便穿梭车在不同层间进行换层。

图1 系统布局图

图2 系统结构图

2.穿梭车

为了完成立体库货位中存储料箱的存取和运输，采用了穿梭车进行搬运，目前常用的有往复式穿梭车和四向穿梭车[5]。四向穿梭车相比于往复式穿梭车更加灵活，通过在换向区进行转向，可以满足在同层货架的不同巷道中运行，摆脱了空间上的限制[6]。穿梭车通过车载的无线路由与WCS控制系统进行信息交互，可实现在立体库巷道内的自由穿梭，到达每一个货位，完成货位上料箱的搬运工作。

穿梭车硬件系统结构如图3所示，控制器采用西门子1512SP系列PLC，可以直接扩展IO模块、模拟量模块及高速计数模块。穿梭车中包括直行驱动电机、横行驱动电机、顶升电机、伸缩叉电机和4个拨杆电机，均采用无刷直流电机，由相应驱动器进行驱动。穿梭车采用西门子SCALANCE 700系列无线路由与上位机进行无线通讯。穿梭车采用编码器反馈和货位定位槽相结合的方式进行定位，保证穿梭车准确到达指定库位。通过PLC的Web功能可远程登录并访问PLC，以便对穿梭车进行手自动控制、参数修改、状态监控和故障处理。穿梭车的速度可达4m/s，大幅提高了料箱的出入库效率，而且模块化的设计保证了穿梭车的稳定性和可维护性，降低了系统维护成本。

图3 穿梭车硬件系统结构图

提升机的功能是负责垂直方向的料箱运输工作，配合穿梭车的水平运动，将料箱从不同层的层间线接出再运送到输送线的线体高度，或者从输送线接入料箱送入指定层位，完成料箱的出入库任务。

表1 提升机与WCS通讯接口

提升机系统包含6台料箱提升机和1台穿梭车换层提升机，电机功率分别为11KW和15KW，电机、减速机和变频器均采用德国伦茨品牌。控制器选用西门子1512SP系列PLC，触摸屏为西门子KTP900系列。PLC与变频器、触摸屏、扫码器均采用PROFINET协议进行通讯，以满足提升机高速运行下实时通讯的要求。提升机通过条码扫描器扫描轨道内侧条码带进行定位，采用了西克CLV62x系列扫码器，条码信息经过内置解码器后转换得出提升机的实际位置信息，该方式可以在提升机速度达到3m/s的情况下达到精确定位的目的。

表2 提升机与输送线通讯接口

由于提升机在垂直方向进行高速运动，因此需要严格限制提升机的运动条件，只有在同时满足使能、限位、系统正常的情况下才能允许提升机动作。在程序设计时提升机要同时与WCS和输送线系统进行通讯，确保接收到任务且满足运动的条件下进行升降运动。提升机与WCS、提升机与输送线的通讯接口分别如表1和表2所示。程序设计时将通讯接口数据自定义为接收Data_Rx和发送Data_Tx数据类型，统一放到DB数据块中，方便管理与程序调用，DB块变量如图4所示。

图4 数据块变量

1.硬件组态

输送拣选系统集料箱输送与商品拣选功能于一体，硬件系统主要包括滚筒输送机、皮带输送机、弯道输送机及顶升移栽机等机构。料箱经过提升机垂直运送至输送线的支线部分，通过顶升移栽机实现料箱的90度转向汇入输送线主线，再经过每个拣货台前的扫码器判断是否进入该拣货台，从而将料箱送至对应任务拣货台供拣货人员拣货。

输送拣选系统共有8个拣货台，输送线体使用了大量的电动滚筒和传感器进行驱动和检测，整体超过900个IO点，因此采用西门子1512SP系列PLC+ET200SP系列分布式IO的控制模式，通过通讯方式进行硬件组态，降低了硬件成本，系统还包括一台KTP700触摸屏用于现场操作与监控，系统硬件组态如图5所示。

图5 输送拣选系统硬件组态

2.程序与界面设计

系统程序包括两个部分，一部分为PLC对滚筒、气缸、移栽机等硬件设备的逻辑控制，包括系统手动或自动模式下启动、停止、复位、故障报警等控制功能。另一部分为PLC与WCS和提升机的通讯程序，主要用于接收和发送需要交换的数据或系统状态，从而控制相应的硬件机构进行动作，实现硬件系统的控制目的。

拣选部分程序的流程为：（1）扫码器扫描料箱上的条码，扫描结果发送给WCS；（2）WCS判断该料箱是否有当前拣货台任务，否的话直接流走，是的话弹入拣货台；（3）进入拣货台后会在工位显示器上显示拣货数量，由拣货人员完成拣货；（4）拣货完成后拍下完成按钮，料箱自动流出，完成拣货任务。PLC部分程序如图6所示，编程软件为博图V15.1版本，采用SCL语言进行编程。

图6 PLC部分程序图

系统触摸屏主界面如图7所示，界面包括系统状态、模式选择、授权登录、界面选择和报警信息几个区域。其中界面选择和报警信息内的按键都含有二级菜单，点击后会进入相应操作界面用于控制或监测具体控制点。

图7 输送拣选系统触摸屏界面

由于整体系统包括上述的3个子系统，而且含有较多的软硬件通讯过程，为了保证整体系统高效稳定的运行，运行效率的最大化，分别对3个子系统进行功能测试及优化，主要工作如下：

针对立体库仓储系统，主要测试WCS对穿梭车的调度系统及穿梭车自身硬件系统的参数和稳定性。内容包括：（1）自动模式下使用WCS给穿梭车下发取放货任务，让穿梭车到指定库位抓取或放置料箱；（2）给穿梭车下发换层指令，使穿梭车通过提升机在不同层间进行换层；（3）手动模式下操作穿梭车完成相应动作。通过不断调整WCS调度算法，优化了穿梭车的取货流程，实现了穿梭车的调度工作，将穿梭车单次调度时间由原来的2s提升到了1s以内，实现了取货效率的提升。

提升机要在垂直方向上进行高速升降运动，在运动过程中涉及电机的多段速切换控制，所以提升机的测试主要包括：（1）高速状态下加减速切换距离和时间的控制；（2）提升机与WCS和输送线系统的通讯程序，保证在满足条件下运行。在实际运行过程中，不断对提升机的运行逻辑进行优化，例如优先完成当前层的运输任务，同一时间有多个任务请求时，按照就近、先高层后低层的升降原则，将运输效率提升了30%。

输送拣选系统涉及的滚筒、皮带、气缸、传感器等硬件设备较多，应用中要保证各个机构间的协同稳定运行，内容包括：（1）手动模式下测试各IO点是否正常，点位是否与程序一致；（2）自动模式下系统是否满足控制目的，各机构运动时间等参数是否需要调整。因此，为了信号监控和操作机构动作，将这些功能都做到了触摸屏上，如图8所示。

最后，开展系统联合调试。各系统都调整到自动运行模式，从WMS开始下发任务，料箱经过各子系统到达指定拣货台，拣货完成后自动回库，至此整体系统调试运行成功，达到了设计目的，满足了用户的需求。

图8 信号监控画面

该套智能仓储系统已经应用于秒仓信息科技有限公司上海仓，仓库面积约12500m²，仓库高度为12m，立体仓库的使用替代了原来移动式存储货架，提升了仓库的空间利用率，将SKU存储能力由原来的10万个，提高到了20万个，存货能力达到数千万件，降低了仓库存储成本。

传统人工拣货效率低，拣货错误率高，已经无法满足电商平台高时效性的要求。本套智能仓储系统的使用，将商品拣货数量提升到了15000件/h，相较于传统人工拣选效率提升了数十倍，大大缩短了拣货所需时间，提高了订单出库效率。系统满载条件下每小时可以处理1500个订单，与此同时，自动化设备的应用减少了80%的拣货人员，拣货错误率由原来的万分之五降低到了万分之一，提高了拣货准确率。运营效率的提升不仅使每日出库商品可达数十万件，还降低了仓库整体的运营成本，仓库完全可以保质保量的从容应对波峰时间大量订单快速处理的需求。

在电商平台不断发展的过程中，商品的拣选与配送时效越来越短，因此自动化、智能化的电商仓储系统变的越来越重要，电商仓储系统的使用不仅减少了仓库作业人员，降低了人工和企业管理成本，而且大幅缩减了拣货、搬运时间，使订单发货效率和准确率得到了很大提升。在电商不断快速发展的背景下，以及随着物联网、云计算、无人设备等技术的不断成熟完善，仓储和物流行业终将摆脱传统作业模式，不断向无人化、智能化、信息化发展，智能仓储将成为未来几年的发展趋势。