Роботизация склада: какие технологии придут на замену ручному труду

Мы расскажем не только про приобретение самих роботов и лицензии на ПО, но и тонкости подбора оборудования для создания ИТ-инфраструктуры, способной поддерживать программные решения для управления специализированным оборудованием. Специалисты компаний, входящих в Экосистему AXELOT, на страницах журнала «Логистика 360» обсудят риски, связанные с запуском и эксплуатацией оборудования и программной части, преимущества комплексного подхода в режиме одного окна и потенциал будущей модернизации различных типов программно-аппаратных комплексов.

В условиях современной логистики склады сталкиваются с быстрыми изменениями и растущими требованиями рынка. Последние годы стали показательными с точки зрения интенсивности перемен: усложняются процессы, растет дефицит кадров, ожидания клиентов максимизируются, увеличивается количество участников цепи поставок, интеграция все глубже проникает в информационные системы. Естественным ответом отрасли стал переход к следующему уровню автоматизации (см. табл. 1).

Этот этап характеризуется обязательным присутствием в логистике предприятия роботизированных решений различного масштаба. Неотъемлемой частью ИТ-ландшафта продолжает быть современное программное обеспечение, часто представляющее собой комбинацию различных продуктов – WMS, WCS, RMS и пр.

Практический опыт показывает, что когда компания начинает проекты по переходу на следующий уровень автоматизации, рассматривая в том числе и роботизированные технологии, ей приходится решить целый ряд разноплановых задач: от сравнения множества предложений самого оборудования и просчета стоимости инфраструктуры до подбора программного обеспечения и партнера, который не только поможет запустить новую технологию, но и обеспечит комфортное владение ею. Несмотря на то что сбалансировать CAPEX и выгоду, которую компания получит от роботизации, становится все проще, существует целый ряд технологических и методологических неопределенностей. В первую очередь речь идет про информацию о передовых решениях, благополучно перешедших из теоретических и экспериментальных областей в реальные объекты на конкретных площадках, на действующие склады, применяющихся с высокой степенью интенсивности и п омогающих решать сложные (порой еще несколько десятков лет назад недоступные к решению) задачи.

Хранение коробок и ящиков

Ключевой причиной, по которой многие компании не спешат внедрять роботизированные технологии, являются опасения, связанные с изменением структуры заказа. Специалисты по товародвижению сомневаются в наличии эффективных способов работы с коробочным и штучным товаром. В рамках этой статьи мы рассмотрим несколько апробированных технологических решений, поддерживающих приемку продукции в одной форме, например на палетах, а ее отгрузку – в другой, когда для удобства последующего отбора товар хранится в той форме, в которой с наибольшей вероятностью будет производиться исполнение заказов.

Во многих отраслях, например у дистрибьюторов продовольственных товаров, принят отбор коробками. В крупном продовольственном распределительном центре товар принимается и хранится в виде монопалет до тех пор, пока не понадобится для исполнения заказов – на этом этапе он распалечивается и кладется на хранение также коробками. Для 3PL-провайдеров характерно предоставление сервиса фулфилмента, когда происходит многократное уменьшение кванта упаковки – от палеты к коробу, от короба к боксам и от боксов к штукам.

Системы, предназначенные для хранения ящиков и коробок, сложны и разнообразны. Одни из них рассчитаны исключительно на хранение типовых ящиков, другие, в частности шаттловые системы, позволяют эффективно хранить коробки и ящики разных размеров. В пересчете на единицу хранить товар коробками дороже, чем палетами, зато при этом время доступа к ним сокращается и ускоряется выполнение заказов. Поэтому автоматизированное хранение коробок и ящиков применяется, как правило, для непосредственного отбора, а не для долговременного хранения. Независимо от типа, автоматизированное хранение коробок повышает плотность хранения и пропускную способность склада (рис. 1). Если небольшие упаковки или штучные товары хранятся в ящиках, их необходимо сначала извлечь из транспортных коробок, в которых они были приняты на склад.

Карусельные стеллажи (vertical lift modules)

Вертикальные и горизонтальные карусельные стеллажи появились еще в 1950-х гг. Часто их применяют для хранения товаров, занимающих относительно мало места. Каждому сотруднику склада назначается обычно по два-три таких стеллажа. На основании команды управляющей системы к окну выдачи автоматически подается полка с товарами, необходимыми для отбора, а требуемый товар подсвечивается различными способами.

Вертикальные лифтовые стеллажи похожи на вертикальные карусельные стеллажи, но для перемещения полок в них используется подъемный механизм, а не замкнутая цепь. Вертикальные буферные стеллажи – это автономные системы хранения, по принципу работы аналогичные крановым системам, но более компактные.

При внедрении такой системы в складские операции значительно вырастает скорость комплектации, а количество ошибок снижается практически до нуля. Сотрудники склада больше не тратят время на ходьбу по складу, а значит, минимизируется влияние фактора человеческой усталости. Оборудование данного типа позволяет экономить площади и улучшить эргономику рабочего места.

Вертикальные лифты оптимальны для хранения небольших партий товаров с высокой частотой отбора (рис. 2).

Mini-Load ASRS-системы

Краны для небольших грузов (Mini-Load) похожи на палетные краны и выгодно отличаются от карусельных стеллажей и вертикальных подъемных модулей тем, что используют всю высоту и площадь склада, а также позволяют хранить более широкий ассортимент товаров. Ключевой принцип работы – «товар к человеку», когда отобранная продукция транспортируется на рабочее место, сотрудник извлекает необходимое количество предметов, а затем система автоматически помещает грузовую платформу с оставшимися товарами обратно на хранение.

Подобная система имеет один или множество проходов с двусторонними многоуровневыми стеллажами. Краны установлены в каждом проходе, они быстро перемещаются на верхние уровни высотных складов и обеспечивают высокую пропускную способность. Кран оборудован кареткой с грузозахватным механизмом, которая перемещается по мачте вверх и вниз, пока не окажется напротив нужной ячейки. Грузозахватный механизм представляет собой телескопическую стрелу с возможностью захватывать груз различных размеров. Краны могут оснащаться одной или двумя мачтами, и большинство их допускает установку нескольких грузозахватных механизмов на одной мачте для повышения пропускной способности. На одномачтовых кранах можно смонтировать несколько грузозахватных механизмов друг над другом, а на двухмачтовых, рассчитанных на бо́льшую высоту подъема, они монтируются друг напротив друга. Грузоподъемность каждого грузозахватного механизма – около 250 кг. Исходя из их скорости и ускорения достижимая производительность крана составляет до 300 коробок или ящиков в час. Ширина прохода начинается приблизительно с 90 см. Стеллажи и полки для этой технологии должны изготавливаться с высокой точностью, чтобы обеспечивать работу крана в соответствии со строгими техническими требованиями.

Использование кранов позволяет обеспечить высокую пропускную способность и плотность хранения и использовать весь доступный для хранения объем склада. Данный программно-аппаратный комплекс, заменяя ручные процессы хранения и поиска на автоматизированные, поддержива ет машинные алгоритмы оптимизации и распределения нагрузки.

Mini-Load ASRS-системы наиболее уместны на тех складах, где хранится большое число товаров и важно обеспечить плотность хранения. Технология универсальна во всех отраслях, включая розничную торговлю / электронную коммерцию, продукты питания и напитки, фармацевтику, производство и автомобилестроение и т.д. Подходит как для стандартного, так и для холодного хранения.

Роботизированное кубическое хранение

В начале 2000-х гг. увидели свет роботизированные системы кубического хранения. Они характеризуются более высокой пропускной способностью, более гибкой конфигурацией, меньшим временем простоя и лучшим упорядочиванием. Такие системы часто применяются для автоматизации крупных распределительных центров с большим числом SKU и высокими скоростями отбора. Правильно спроектированные системы – с учетом скорости работы, плотности хранения и эффективности – обходятся дешевле прочих в пересчете на одну ячейку хранения или операцию отбора. Популярность обусловлена уникальными преимуществами: они позволяют хранить исключительно ящики, но обеспечивают рекордную плотность хранения, особенно в проектах по реконструкции, где высота потолков з ачастую ограничена. Внутри здания склада возводится решетчатый каркас, который повторяет его контуры и дает возможность рационально использовать пространства неправильной формы. Ящики в ячейках решетки ставятся непосредственно друг на друга на очень малом расстоянии от соседних. Верх решетки должен быть ровным и горизонтальным, так как по нему вдоль и поперек курсируют роботы, имеющие доступ ко всем ячейкам. В разных системах размер ящиков может различаться, но в пределах одной системы он должен быть одинаковым. Чем больше размер ящиков, тем меньше допустимое число ярусов в системе. По командам программного обеспечения радиоуправляемый робот извлекает ящики сверху и перемещает их к лифтам. Если нужный ящик находится под другими, робот достает его с помощью телескопического грузозахватного механизма, перекладывая расположенные выше ящики в соседние ячейки.

Раскладка товара получается самооптимизирующейся: высокооборачиваемый товар естественным образом поднимается на верхние ярусы, а низкооборачиваемый – опускается на нижние. Решение масштабируемо: если стоит задача повысить пропускную способность, можно легко добавить в систему новых роботов, а отказавшего робота можно просто изъять, и это не повлияет на бизнес-процессы в целом: производительность системы снизится не более чем пропорционально.

Роботизированные системы кубического хранения применяются во множестве отраслей, в том числе в продовольственной логистике, розничной торговле, 3PL-логистике и медицине.

Роботы ACR (Autonomous Case-handling mobile Robot)

Автоматизированные системы мобильных роботов для обработки ящиков (ACR) — это высокоэффективные решения, работающие по принципу «товар к человеку», предназначенные для транспортировки контейнеров и коробок и обеспечивающие высокий уровень оптимизации процессов. В основе технологии – робот комплектовщик, состоящий из мобильной тележки, телескопической мачты и захвата. Автоматические пополнение и отбор коробов со склада осуществляются путем самостоятельного перемещения вдоль стеллажных рядов и доставкой на специализированное рабочее место. Роботы ACR имеют более 30 моделей под различные конфигурации и варианты хранения, высоты. У робота с составными частями есть более 25 скоростных и временных параметров, одна машина одновременно может подать на комплектацию до 10 лотков. Несколькими роботами руководит специализированное ПО для управления флотилией. Роботы AC оборудованы автономной системой питания, способной функционировать до 8 ч без подзарядки; управление циклами подзарядки автоматизировано. Роботы оснащаются системой безопасности, основанной на сканерах и лидарах, а также аварийными кнопками.

Такая технология подходит для складов с большим ассортиментом и переменной нагрузкой, в том числе для площадок, реализующих режим кросс-дока и фулфилмента. Целесообразно применение в складских комплексах с ярко выраженными сезонными пиками, так как технология поддерживает высокий уровень масштабируемости.

Автоматические шаттловые системы (Tote-handling Shuttle Robot Automated Storage & Retrieval System)

Система автоматизированного хранения и извлечения лотков с товарами реализована за счет перемещений роботов-шаттлов между стеллажами по специально организованным рельсовым дорожкам. Роботы извлекают и доставляют лотки к станциям комплектации, а после возвращают их обратно в зону хранения. В составе системы имеется один или несколько лифтов, перемещающих грузы на разные ярусы стеллажей. Вдоль проходов курсируют высокоскоростные шаттлы, питающиеся от шинопроводов или аккумуляторов, которые кладут на хранение и извлекают товар из ячеек в каждом проходе. Они также оснащены телескопическими экстракторами для доступа к ячейкам хранения, расположенным на несколько уровней в глубину. Сигналы передачи данных и управления передаются на каждый шаттл по беспроводному каналу связи или через шинопровод. В большинстве случаев на каждом уровне каждого прохода курсирует отдельный шаттл, но некоторые производители предлагают специализированные 2D-шаттлы, способные обслуживать несколько проходов. Есть варианты с несколькими шаттлами на один проход. Также возможно применение межпроходной передачи, в которой движение каждого шаттла ограничено одним проходом, но товар может передаваться между шаттлами, находящимися в разных проходах. У отдельных поставщиков доступны 3D шаттлы, способные перемещаться по горизонтали и вертикали, благодаря чему сокращается или вовсе исчезает потребность в лифтах.

Грузоподъемность шаттлов составляет обычно около 50 кг, что существенно меньше, чем у Mini-Load ASRS систем. Их горизонтальная скорость варьируется от 4 до 5 м/с, а ускорение доходит до 2 м/с2. Теоретических ограничений на высоту шаттловой системы нет, но на практике число ярусов редко превышает 40.
Проходы могут быть различной ширины, что позволяет вписать систему в контуры имеющегося здания.

Главное преимущество шаттловой системы – это работа в параллельном режиме, то есть возможность одновременно транспортировать грузы на нескольких ярусах в одном и том же проходе. Система масштабируется изменением как количества шаттлов, так и количества лифтов на проход, реализуя, например, drive-through конфигурацию. Большинство шаттловых решений позволяет класть на хранение и извлекать грузы различных размеров, что повышает плотность хранения. Технология помогает организовать максимально точное управления очередностью, упорядочивая коробки и ящики при следовании на посты отбора. По скорости пополнения и отбора шаттловые системы превосходят кубические.

Tote-handling Shuttle Robot System лучше всего подходит для складов с высоким грузооборотом и необходимостью высокой скорости комплектации. Достижимый уровень производительности – до 600 ящиков или коробок в час, благодаря чему шаттловая технология хорошо подходит для применения на складах с большим товарооборотом и высокой плотностью хранения, в том числе на площадках с экстремальными температурными условиями.

Разновидность ACR-технологии для хранения боксов стопками

Современная технология движения товара к человеку. В отличие от классической автоматизированной системы мобильных роботов для обработки боксов (ACR), здесь боксы хранятся не на стеллажах, а в стопках.

Такой подход обеспечивает высокую плотность хранения при уменьшенных требованиях к высоте помещения. Высота хранения может достигать 10 ящиков, что аналогично 2,5 уровням стеллажей при классическом хранении на мезонинах. Вес товара в каждом боксе до 50 кг. Робот по заданию от WMS перемещается по рядам и выбирает нужный бокс путем подъема стопки вышестоящих ящиков. Аналогично кубической системе хранения раскладка товара оптимизируется самостоятельно, и через определенное число циклов высокооборачиваемый товар оказывается на верхних ярусах хранения.

Склад обладает модульной конструкцией. Легко масштабируется. Отсутствие высотных стеллажных конструкций сокращает и облегчает ввод в эксплуатацию, а также позволяет достаточно просто в случае необходимости, например переезда, перемещать оборудование с одного места расположения в другое. Технология подходит для складов мелкоштучных изделий. Целесообразно применение в случаях, когда требуется высокая плотность хранения при невысокой или средней производительности.