综合实验室自动化仓库建模与仿真标准版.docx
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综合实验室自动化仓库建模与仿真标准版
综合实验室自动化立体仓库
出库建模与仿真
学院：
机电工程学院
专业：
年级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
侯开虎
日期：
201年至201年
摘要：
自动化立体仓库（AS/RS，AutomaticStorageandRetrievalSystem）通常包含自动化储存系统、自动引导车（AGV）系统、轨道车系统、自动输送系统、自动分拣系统、机器人系统等多个子系统，是一个离散的、随机的、动态的、多因素、多目标的复杂系统，其规划、设计、建设和运作管理是复杂的系统分析问题。
通过传统的解析方法求解，很难得到最优解，并且求解过程时间长、成本高。
由于当前我们的工业工程综合实验室自动化立体仓库及其子系统有待规划、设计和试运行，需要得出其正常运行的基本参数，为此本文将结合AutoCAD与EnterpriseDynamics（简称ED）对综合实验室的自动化立体仓库出库部分建模和仿真，将系统建模和仿真技术充分应用到自动化仓库的规划设计和运行分析中，通过建模和仿真分析来评价系统，提供系统可行性分析，为系统改进提供科学、合理的决策依据。
关键词：
自动化立体仓库；AutoCAD；EnterpriseDynamics
Abstract:
Automatedstereoscopicwarehouse（AS/RS,AutomaticStorageandRetrievalSystem）usuallycontainsautomatedStorageSystem,Automaticguidevehicle（AGV）System,railcarSystem,AutomaticconveyorSystem,AutomaticsortingSystem,robotsystems,suchASmultiplesubsystems,isadiscrete,stochastic,dynamic,multi-factor,multi-objectivecomplexsystems,theplanning,design,constructionandoperationmanagementisacomplexSystemanalysisproblems.Throughthetraditionalanalyticmethod,itisdifficulttogettheoptimalsolution,andthesolvingprocesslongtimeandhighcost.Duetoourcurrentcomprehensiveindustrialengineeringlaboratoryautomationstereoscopicwarehouseanditssubsystemtobeplanning,designandcommissioning,needtoobtainthebasicparametersofthenormaloperation,thispaperwillcombineAutoCADandEnterpriseDynamics（ED）warehouseautomationpartofcomprehensivelaboratorymodelingandsimulation,systemmodelingandsimulationtechnologyisappliedtotheautomatedwarehousefullytheplanningdesignandoperationanalysis,evaluationsystemthroughmodelingandsimulationanalysis,providethesystemfeasibilityanalysis,providescientificandreasonabledecisionbasisforsystemimprovement.
Keywords:
automatedmulti-layeredstorehouse;AutoCAD.EnterpriseDynamics
目录
1、课题背景及意义·································2
2、自动化立体仓库介绍····························3
2.1自动化立体仓库的组成··························3
2.2自动化立体仓库的工作流程······················4
3、建模与仿真·····································5
3.1仓库部分·······································5
3.2传送带部分····································12
3.3工作台部分····································18
4、总结···········································24
5、个人体会·······································24
6、致谢··········································25
7、参考文献·······································25
引言
近年来，随着市场竞争的不断加剧，以降低企业成本和提高客户服务水平为目标的现代物流，日益受到企业界的重视。
自动化立体仓库是一种用高层立体货架储存货物，用电子计算机控制管理和用自动控制堆垛机进行存取作业的仓库，是重要的物流节点，是现代物流系统的核心之一。
近年来在世界范围内得到快速的发展，已广泛应用于大型生产性企业的采购件、成品件仓库、柔性自动化生产系统，流通领域的大型流通中心、配送中心等场合。
一个大型自动化立体仓库通常包含多种物流子系统，如自动化储存系统、自动引导车（AGV）系统、轨道车系统、自动输送系统、自动分拣系统、机器人系统等，同时包含多项作业，如堆垛机作业、自动引导车的路径选择和作业调度、轨道车的作业调度、输送系统的控制、分拣系统作业、以及物流信总与控制中心及数据库的交换等。
因此，一个大型自动化立体仓库通常是一个离散的、随机的、动态的、多因素、多目标的复杂系统，其规划、设计、建设和管理则是复杂的系统分析问题。
通过传统的解析方法及经验，很难求得最优解，而且求解过程时间较长、成本较高。
因此随着现代自动化立体仓库系统的日益复杂，以及对效率和柔性要求的不断提高，决策者将面临更严峻的挑战。
本文提出的自动化立体仓库建模和仿真研究，将系统建模和仿真技术充分应用到自动化仓库的规划和运作分析中，通过建模和仿真分析来评价系统，提供系统可行性分析，为系统改进提供科学、合理的决策依据。
是进行自动化立体仓库设计、管理和控制的有效方法，比传统的解析方法有多方面优势。
一．课题背景及意义
立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。
50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。
此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。
60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。
我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所），1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械部起重所负责），该库1980年投入运行。
到2003年为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。
立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。
随着科学技术、信息技术、自动化生产技术及商品化经济的迅速发展, 生产中所需原材料、半成品、成品及流通环节中的各种物料的搬运、储存、配送及相应的信息已经不是一个孤立的事物。
事实上, 从制造资源计划（MRPⅡ）到企业资源计划（ERP）的发展过程中, 物流的各个环节已完成其集成化过程。
自动化仓储、物流及信息流已成为组织生产、连接生产、销售、管理各网络中的关键节点, 并且作为降低物流费用的重要手段在国民经济中起着越来越重要的作用。
本课题所要讨论的自动化立体仓库建模和仿真，以综合实验室建立的自动化立体仓库为研究对象，运用系统建模和仿真技术对仓库系统的规划设计和运作进行分析，研究的主要目的和意义在于：
（1）自动化立体仓库的系统分析
在了解了自动化立体仓库系统的组成后，分析其各个子系统具体情况，为自动化立体仓库系统的建模和仿真打下基础。
（2）基于ED的自动化立体仓库系统建模
根据自动化物流系统工作环节多，作业复杂的特点，结合现有条件，采用ED对自动化立体仓库系统及其子系统进行建模。
（3）自动化立体仓库系统仿真
根据其出入库和输送带运输的特点，进行合理简化和抽象，建立了该仓库系统的仿真模型，得到了仓库系统的三维运行效果演示，通过运行仿真模型，对仿真模型参数进行多次设定比较，进一步得出系统的仿真报告。
（4）模型运行结果的数据分析
根据实测数据，在多次仿真的基础上，分析数据，得出自动化立体仓库系统运作中运行不畅、货物拥堵的环节，为系统改进提供数值依据。
（5）为目标实体的建设提供参考依据
根据自动化仓库系统的建模与仿真所得出来的分析数据以及结论为自动化立体仓库的规划、设计、建设和运作提供了良好的参考数据
二．自动化立体仓库介绍
2．1自动化立体仓库的组成
2．1．1自动化立体仓库的组成系统
自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。
它主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统组成，还有与之配套的供电系统、空调系统、消防报警系统、称重计量系统、信息通信系统等。
（1）货物储存系统
本系统由立体货架的货位（托盘或货箱）组成。
立体货架是用于存储货物的钢结构，货架按照排、列、层组合而成为立体仓库储存系统。
（2）货物存取和传送系统
本系统承担货物存取、出入仓库的功能，它由有轨和无轨堆垛机、出入库输送机、装卸机械等组成。
装卸机械承担货物出入库装车或卸车的工作，一般由行车、起重机、叉车等装卸机械组成。
（3）控制和管理系统
本系统一般采用计算机控制和管理，视自动化立体仓库的不同情况，采取不同的控制方式。
中央控制计算机是自动化立体仓库的控制中心，它沟通并协调管理计算机、堆垛机、出入库输送机等的联系；控制和监视整个自动化立体仓库的运行，并根据管理计算机或自动键盘的命令组织流程，以及监视现场设备运行情况和现场设备状态、监视货物流向及收发货显示，与管理计算机、堆垛机和现场设备通信联系，还具有对设备进行故障检测及查询显示等动能。
2．1．2自动化立体仓库的物流设施组成
自动化立体仓库的物流设施主要由以下几部分组成：
（1）高层货架
高层货架是自动化立体仓库的主要构筑物，不同的货物存放在标准的托盘里，然后将其存放到立体的货架上，可以有效的解决平库中货物存取的“先入先出”问题，货架的形式主要有：
悬臂货架、流动货架、货位式货架和旋转式货架等，货架的高度是关系到AS／RS全局性的参数。
（2）堆垛机
堆垛机是自动化立体仓库的心脏部分，自动化立体仓库的优越性必须通过堆垛机才能充分体现出来，按运转方式，堆垛机可分为自动操作和手动操作两种，货物出入库可以是自动或半自动的。
（3）搬运设备
搬运作业是自动化立体仓库的主要作业之一，常用的搬运设备以搬运车辆为主，可以分为两大系列，一种是重载较长距离搬运的叉车系列，另一种是轻载短距离搬运的手推车系列。
（4）分拣设备
分拣作业的目的是正确而迅速的把用户所需商品集中起来。
在自动化立体仓库所涵盖的作业中，分拣作业是其中极为重要的一部分，常用的分类机构有：
推挡式分拣机构、导向式分拣机构、滑块式分拣机构、斜带式分拣机构、倾斜式分拣机构、移载小车等。
（5）输送设备
输送机是自动化仓库必不可少的重要搬运设备，有水平和垂直搬运之分，也有整箱和托盘搬运之别。
在自动化立体仓库中使用最普遍的输送设备是单元负载式输送机和立体输送机，单元负载式输送机包括滚筒式、带式和链条式三种类型，这些输送机主要用于固定路径的输送，输送机的单元负载有托盘、纸箱或固定尺寸的物品等。
立体输送机用于在多层建筑仓库中，各楼层之间高效自动地输送物品，包括有：
空中移载车、螺旋滑槽式垂直输送机、垂直升降输送机等。
（6）托盘
托盘是仓库作业中必不可少的装载工具，最常用的托盘形式是平托盘，平托盘没有上层结构，用途较广，品种较多。
另外，托盘必须是标准化的，托盘材料有木材、金属和塑料三大类，其中塑料托盘应用较广。
2．2自动化立体仓库的工作流程
三．建模与仿真
3.1仓库部分
3.1.1自动化立体仓库的简介
自动化立体仓库，也叫自动化立体仓储，物流仓储中出现的新概念，利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化：
自动化立体仓库，是当前技术水平较高的形式。
自动化立体仓库的主体由货架，巷道式堆垛起重机、入（出）库工作台和自动运进（出）及操作控制系统组成。
货架是钢结构或钢筋混凝土结构的建筑物或结构体，货架内是标准尺寸的货位空间，巷道堆垛起重机穿行于货架之间的巷道中，完成存、取货的工作。
管理上采用计算机及条形码技术。
3.1.2立体仓库的特点
1）立体仓库一般都较高。
其高度一般在5米以上，最高达到50米，常见的立体仓库在7～25米之间。
2）立体仓库必然是机械化仓库。
由于货架在5米以上，人工已难以对货架进行进出货操作，因而必须依靠机械进行作业。
而立体仓库中的自动化立体仓库，则是当前技术水平较高的形式。
3）立体仓库中配置有多层货架。
由于货架较高，所以又称为高层货架仓库。
3.1.3自动化仓库的分类
1）固定式仓储设备
①普通货架
a.轻量型、中量型货架
轻型货架是相对“托盘货架”而言，一般采用人力（不用叉车等）直接将货物（不采用托盘单元）存取于货架内，因此货物的高度、深度较小，货架每层的载重量较轻。
一般，该货架的立柱采用薄钢板（δ=1—2.5mm）冷弯冲孔而成，其截面呈三角形，故又称“带孔角钢货架”。
为提高载重量，也有截面呈开口方形。
货架构件间的连接有螺栓连接和插接两种。
其特点是结构简洁、自重轻、装配方便，广泛应用于工厂企业、商店、办公室、厨房等。
b.次重量型货架
次重量型货架高强度钢板轧制采用自锁系统结构，装拆容易，无需焊接与螺钉，每层高度可任意调节。
c.重型货架
重量型货架采用冷轧异形钢制作，充分利用空间面积，提高仓储能力，安全系数高，可按客户要求设计定制。
②专用货架
轨道式（滑动式）存储架、展示式存储架、流利式货架、杆件存贮架、悬臂式货架
③阁楼式储存货架
底层货架不但是保管物料的场所，而且是上层建筑承重梁的支撑（柱），承重梁的跨距大大减小，建筑费用也大大降低。
也适用于现有旧仓库的技术改造，提高仓库的空间利用率。
也可以多层结构。
④贯通式储存货架
可供叉车（或带货叉的无人搬运车）驶入、存取单元托盘货物的货架。
因为叉车作业通道与货物保管场所合一，仓库面积利用率大大提高。
但同一通道内的货物品种必须相同或同一通道内的货物必须一次完成出入库作业。
⑤高架立体仓库
a.高层货架
高层货架是自动化仓库（AS/RS）和高层货架仓库的主要组成部分，是保管物料的场所。
随着单元货物重量和仓库高度的提高，要求货架立柱、横梁的刚度和强度提高，随着仓库自动化程度的提高，要求货架制造和安装精度也相应提高，高层货架的高精度是自动化仓库的主要保证之一。
根据制造和安装的方法的不同，可以分为：
焊接式和装配式。
根据横梁的形式的不同，可以分为：
连续梁式和悬臂梁式。
b.高架叉车仓库
由高架叉车和高层货架为主组成的仓库。
因为高架叉车向运行方向二侧进行堆垛作业时，车体无须直角转向，而使前部的门架或货叉作直角转向及侧移，这样作业通道大大减少；此外，高架叉车的起升高度比普通叉车要高，从而大大提高了仓库面积和空间利用率。
高架叉车又称无轨堆垛机，与有轨堆垛机相比，可多巷道共用一台，适用于巷道高度较短，入出库作业频率较低的仓库。
在多巷道、多台高架叉车的仓库，有时还配套使用条形码识别，无线传输，自动识别等装置。
c.托盘单元式自动仓库
采用托盘集装单元方式来保管物料的自动仓库，是自动仓库最广泛的使用形式，通常称其为“自动仓库”。
一般由巷道堆垛起重机，高层货架，入出库输送机系统，自动控制系统，周边设备和计算机仓库管理系统等组成。
d.箱盒式自动仓库
采用箱盒单元方式来保管物料的自动仓库。
箱盒单元货物要比托盘单元货物外形尺寸小、重量轻，适用于存放小型物料，以及一次入出库量较少的自动仓库，如家电、医药、标准件等行业
e.拣选式高层货架仓库
由拣选式巷道堆垛起重机和高层货架为主组成的仓库。
拣选式巷道堆垛起重机没有货叉伸缩机构，而有带司机升降、拣选的司机室和作业平台。
适用于多品种小件物品的零星入出库作业，如维修配套件仓库、标准件库、劳保库。
⑥重力流动仓库
在货架每层的通道上，都安装有一定坡度的、带有轨道的导轨，入库的单元货物在重力的作用下，由入库端流向出库端。
这样的仓库，在排与排之间没有作业通道，大大提高了仓库面积利用率。
但使用时，最好同一排、同一层上的货物，应为相同的货物或一次同时入库和出库的货物。
滚道分为三种：
机械式重力滑道、气囊式重力滑道、气垫式重力滑道。
2）移动式仓储设备
（1）水平回转仓库
采用水平回转运动模式。
用户可以直接输入物料代码或输入物料所在的料斗列号。
按照用户指令，用户需要的料斗转至存取口停下。
这种产品特别适合安装在矮小但狭长的空间内。
（2）垂直回转仓库
垂直回转式仓库采用垂直回转运动模式。
用户可以直接输入物料代码或输入物料所在的料斗层号。
按照用户指令，用户需要的料斗转至存取口停下。
适用于小型物料的存放。
（3）垂直升降式仓库
垂直升降式仓库纵向分为三部分，前后两部分为物料区，中间为提取器，提取器可在中间巷道内做垂直升降运动，用户可直接输入物料代码或输入物料所在的托盘号，按照用户的指令，提取器将所需托盘放在存取口或由存取口送回柜内。
适用于各种物料的存放。
（4）密集型仓库
密集型货架是在货架的底部安装有运行车轮，可在地面上运行的货架。
适用于库存品种多，出入库频率较低的仓库。
因为只需要一个作业通道，可大大提高仓库面积的利用率（节省空间60％以上）。
广泛适用于图书馆、档案馆、资料室各图书、文件档案资料、物品的存放。
产品根据库房特征进行合理布局，充分利用空间，采用多节多列安放在因定的轨道上形成整体，使用的驱动方法有手推式、手摇式或电动等方式。
闭合后可以锁闭，具有防尘、防光、防火、防鼠、防盗等功能。
3.1.4自动化仓库的优点和功能
1）优点：
①高层货架存储，节省库存占地面积，提高空间利用率。
目前世界上最高的立体仓库高度已达50m，单位面积的存储量可达7.5t/m²，是普通仓库的5-6倍
②自动存取，运行和处理速度快，同时，能方便地纳入企业的物料系统
③计算机控制，便于清点和盘库，合理减少库存
2）功能：
①收货仓库从供应商或生产车间接受各种材料、半成品或成品，供生产或加工装配之用
②存货将写下的货物存放到自动化系统规定的位置
③取货根据需求情况从库房取得客户所需的货物，通常采取先入先出（FIFO）方式
④发货将取出的货物按严格要求发往客户
⑤信息查询能随时查询仓库的有关信息，包括库存信息、作业信息及其他信息
3.1.5自动化立体仓库的数据测量与仿真
仓库前排7列6行，后排仓库9列6行，仓库最底层一行较大，上面5行次之，均为一样大小
1）仓库的各种数据（单位：
cm）
总高：
280
上5行货架单元格长：
55宽：
56高：
40
最底层货架单元格长：
55宽：
56高：
54
地面与最底层货架垂直距离：
15
2）ED仿真效果图及参数设置
6行7列仓库效果图6行9列的仓库效果图
图3.1.1图3.1.2
仓库的参数设置
6行7列仓库见图3.3，图3.5，图3.7
6行7列仓库见图3.4，图3.6，图3.8，图3.9
任何通道都可以进入：
Anyinputchannel
先进先出：
Fifo（FirstInFirstOut）
图3.1.3图3.1.4
仓库高：
Zsize[m]
仓库总行数：
Numberofrows
仓库总行数：
Numberofcolumns
图3.1.5图3.1.6
仓库颜色设置
图3.1.7图3.1.8
图3.1.9
３．２传送带和叉车运输系统仿真
３．２．１传送带仿真和叉车概述:
在系统仿真中，传送带在物流系统中是重要的组成部分。
传送带起着承上启下的作用，保证物流系统的正常运转和良好的工作效率。
叉车补充了传送带的不足，能够在传动带不能很好的运输的情况下减轻人力运输的压力，在系统仿真模拟过程中，传送带的高，宽等参数决定着传送带的基本外观和规模大小，当然传送带的型号选择还要考虑整体物流系统的设计，合理的布置叉车的工作通道和路线，才能达到整体最优状态。
在此次物流运输系统的仿真过程中，传送带的重要作用一一体现出来。
通过建立一个传送带和叉车运输系统，学习EnterpriseDynamics提供的运动系统的定义；学习EnterpriseDynamics提供的conveyor系统建模；进一步学习模型调整与系统优化。
３．２．２仿真内容和步骤：
在如下所示的一个运输中，沿传送带传送的货物，根据各自的品种被分别送至不同的操作台进行处理。
然后在运往其他的地方。
传送带和叉车在系统仿真过程中的布局如下图3.2.1所示：
图3.2.1
传送带和叉车在系统仿真过程中的立体如下图3.2.2所示：
图3.2.2
仿真步骤和参数设计：
从左向右传送带蓝、黑、绿颜色的标号分别为1.2.3传送带。
它们设计参数分别如下图：
图3.2.3
传送带1：
图3.2.4图3.2.5
根据实验室测量的数据，参数如下：
传送带1的传输能力为10000，传输速度为1m/s；
传送带1的整体框架参数：
长2.5m，宽为1m，传输高度为0.5m，传输带海拔高度0.74m。
颜色设定：
图3.2.6
为了使容易分辨，可进一步改变传送带的颜色。
点击［色/形］属性，点击颜色部分（初始值是金黄色）。
【颜色】对话框会表示出来，选择好任意一种颜色（例为红色），点击［OK］按钮。
传送带2:
图3.2.7图3.2.8
根据实验室测量的数据，参数如下：
传送带2的传输能力为10000，传输速度为1m/s；
传送带2的整体框架参数：
长5m，宽为1m，传输高度为0.5m，传输带海拔高度为0.77m。
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