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隨著工業(yè)4.0、中國(guó)制造2025的深入人心, 智能物流倉儲(chǔ)成為了智能工廠框架的核心環(huán)節(jié).智能物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)在勞動(dòng)力和土地成本節(jié)約、管理效率提升等方面優(yōu)勢(shì)明顯.過去3年, 自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)的增速已經(jīng)超過了工業(yè)自動(dòng)化.目前, 物流技術(shù)水平在制造業(yè)中的重要地位和作用越來越明顯, 已受到業(yè)界越來越多的重視.隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 制造業(yè)的物流技術(shù)也在不斷轉(zhuǎn)型升級(jí), 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇要求制造業(yè)物流技術(shù)和物流組織更精益、更高效, 且能夠快速響應(yīng)客戶需求、充分實(shí)現(xiàn)按需制造[1,2].

在倉儲(chǔ)物流行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中, 單個(gè)物流裝備的優(yōu)劣固然重要, 但盲目追求單機(jī)設(shè)備的高技術(shù)指標(biāo)必然要付出高能耗、高損耗、高故障率的代價(jià).隨著智能物流系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用, 傳統(tǒng)物流設(shè)備和物流系統(tǒng)解決方案在滿足客戶多樣化需求方面日益不足.推出新型物流設(shè)備和物流系統(tǒng)解決方案已成為物流制造商和系統(tǒng)集成商保持自身市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵.

某國(guó)際公司為滿足其車間自動(dòng)化生產(chǎn)物流需求, 需要在長(zhǎng)度約30m、寬度約8m、高度為8.5m的空間內(nèi)設(shè)置一套容量約4 000個(gè)貨位的智能倉儲(chǔ)系統(tǒng), 并以8h為一個(gè)工作周期, 平均每個(gè)周轉(zhuǎn)箱存放1~4種物料, 且要求單作業(yè)的出入庫效率為5 000周轉(zhuǎn)箱/d (8h) .筆者所在公司經(jīng)過廣泛調(diào)研和充分討論, 根據(jù)自身的行業(yè)經(jīng)驗(yàn), 利用公司的技術(shù)優(yōu)勢(shì), 提出建立以多層堆垛機(jī)為核心設(shè)備的智能倉儲(chǔ)物流系統(tǒng)的開發(fā)項(xiàng)目, 試圖滿足該國(guó)際公司生產(chǎn)車間對(duì)物料智能化管理、高效存儲(chǔ)周轉(zhuǎn)以及庫區(qū)空間最大化利用的要求.

多層堆垛機(jī)倉儲(chǔ)物流系統(tǒng)是一種新型的物流組織模式, 以料箱為存儲(chǔ)單元, 載荷一般在50kg以內(nèi).系統(tǒng)主要以輕型高速堆垛機(jī)、雙臂料箱提升機(jī)、庫前輸送系統(tǒng)以及承載式貨架系統(tǒng)為基本設(shè)備架構(gòu), 以自主開發(fā)的高效管理調(diào)度系統(tǒng)為軟件支撐.

在多層堆垛機(jī)開發(fā)中, 對(duì)傳統(tǒng)堆垛機(jī)與多層穿梭車技術(shù)進(jìn)行整合與優(yōu)化, 采用輕量化、簡(jiǎn)潔化的設(shè)計(jì)理念.其整機(jī)以鋁合金型材作為主體框架支撐, 采用四輪式承載結(jié)構(gòu)、雙側(cè)同步齒型帶提升方式和勾取式貨叉結(jié)構(gòu).它具有體積小、自重輕、結(jié)構(gòu)緊湊、技術(shù)參數(shù)可靠等特點(diǎn).堆垛機(jī)可直接利用貨架立柱作為軌道支撐, 在同一巷道的高度方向上進(jìn)行多層布置.每層設(shè)備設(shè)有單獨(dú)維修平臺(tái), 可在不影響其他設(shè)備的前提下進(jìn)行維修維護(hù).

料箱提升機(jī)采用單立柱雙臂設(shè)計(jì), 同步齒形帶提升, 整體結(jié)構(gòu)布局更簡(jiǎn)潔、緊湊、高效.料箱提升機(jī)的雙伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和條碼帶同步認(rèn)址, 使其具有極高的響應(yīng)特性和認(rèn)址精度.提升機(jī)支臂上安裝的滾筒輸送機(jī)負(fù)責(zé)庫前站臺(tái)與各層輸送機(jī)之間的接泊過渡.堆垛機(jī)與庫前輸送系統(tǒng)及雙工位料箱提升機(jī)配合使用, 系統(tǒng)通過雙臂提升機(jī)對(duì)庫前輸送系統(tǒng)與目標(biāo)層堆垛機(jī)進(jìn)行橋接, 實(shí)現(xiàn)物料的出入庫操作.

總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)該綜合考慮庫區(qū)空間、預(yù)期容量、出入庫效率及項(xiàng)目造價(jià)等因素.針對(duì)上文所述具體案例的項(xiàng)目要求, 可確定9跨 (每跨4列貨位) 、3巷道、2層堆垛機(jī) (每層堆垛機(jī)負(fù)責(zé)9行貨位) 的庫區(qū)布置.它既可滿足客戶對(duì)庫容量及效率的需求, 又能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目投資的最小化.圖1所示為該總體設(shè)計(jì)方案的倉儲(chǔ)區(qū)立面圖.圖2所示為該總體設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)平面圖.

圖1 倉儲(chǔ)區(qū)立面圖   下載原圖

圖2 系統(tǒng)平面圖   下載原圖

項(xiàng)目的總體方案確定之后, 堆垛機(jī)的出入庫效率主要取決于設(shè)備的技術(shù)參數(shù).單機(jī)設(shè)備技術(shù)參數(shù)需要優(yōu)化選擇, 既要避免效率提升瓶頸, 又要避免效率溢出, 需要與系統(tǒng)整體效率相匹配.決定堆垛機(jī)出入庫效率的技術(shù)參數(shù)在X、Y、Z3個(gè)方向上分別是行走速度和加速度、提升速度和加速度、貨叉速度和加速度.其中, 貨叉通常為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品, 其速度和加速度由產(chǎn)品自身性能決定;其余參數(shù)一般根據(jù)歐洲機(jī)械搬運(yùn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)FEM9.851中自動(dòng)倉庫巷道堆垛起重機(jī)作業(yè)循環(huán)效率計(jì)算方法確定 (圖3) .取兩點(diǎn), 可計(jì)算平均作業(yè)循環(huán)時(shí)間.

基于ProfiNet架構(gòu)構(gòu)建電控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí), 其網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)獨(dú)立于計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 使電控系統(tǒng)有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性.通過ProfiNet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換, 可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和及時(shí)性.

圖3 自動(dòng)倉庫巷道堆垛起重機(jī)作業(yè)循環(huán)效率計(jì)算圖   下載原圖

電控系統(tǒng)的功能主要有控制方式切換、信息查詢、停電保護(hù)等.通過按鈕可實(shí)現(xiàn)控制方式的切換.其主要控制方式有手動(dòng)控制、在線控制、緊急停止和故障報(bào)警等.

(1) 手動(dòng)控制方式:電氣控制系統(tǒng)在手動(dòng)操作方式下, 由人工對(duì)各電機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)啟動(dòng)/停止操作.

(2) 在線控制方式:通過接收上位計(jì)算機(jī)指令, 實(shí)現(xiàn)各輸送設(shè)備的自動(dòng)控制, 對(duì)物流和數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)傳輸, 滿足物流工藝流程的要求.

(3) 緊急停止及故障報(bào)警:電控柜和觸摸屏具有緊急停止操作功能, 當(dāng)按下急停按鈕時(shí), 該控制區(qū)域內(nèi)設(shè)備全部停止運(yùn)行;當(dāng)系統(tǒng)所控制的設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí), 系統(tǒng)能夠自動(dòng)診斷并產(chǎn)生相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào).

(4) 停電保護(hù)功能:當(dāng)遇故障突然停電時(shí), 控制程序可以保持當(dāng)前狀態(tài), 重新上電后根據(jù)需要繼續(xù)正常運(yùn)行.

系統(tǒng)電源采用三相五線制.系統(tǒng)配電主要分為動(dòng)力供電和控制供電.其中, 動(dòng)力供電主要為現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)等設(shè)備提供三相380 V AC電源;控制供電為PLC、電控柜、分布式I/O站、現(xiàn)場(chǎng)操作站等提供220V AC和24V DC電源.24V DC電源在控制柜內(nèi), 為分布式I/O站、計(jì)量和檢測(cè)器件等供電[3,4,5].

計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)包括倉儲(chǔ)信息管理系統(tǒng)和監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng), 是智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心和監(jiān)控調(diào)度核心, 運(yùn)行于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫環(huán)境下, 對(duì)自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行管理和調(diào)度, 實(shí)現(xiàn)物流設(shè)備和系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度以及庫存材料的統(tǒng)一管理和使用[6].

中央服務(wù)器通過以太網(wǎng)交換機(jī), 采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)其與客戶端以及上位系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)的通訊, 利用數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ).信息管理系統(tǒng)通過以太網(wǎng)將作業(yè)命令傳達(dá)給監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng).監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)將作業(yè)命令優(yōu)化后分解為設(shè)備可執(zhí)行命令, 通過ProfiNet工業(yè)以太網(wǎng)傳達(dá)給設(shè)備控制系統(tǒng), 以便控制設(shè)備各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的快速和有效運(yùn)行[7,8].計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示.

圖4 計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)架構(gòu)   下載原圖

倉儲(chǔ)物流系統(tǒng)出入庫作業(yè)采用分時(shí)段的工作模式.在工作時(shí)間段, 可進(jìn)行揀選出庫、齊套 (周轉(zhuǎn)箱所需的物料全部揀選完畢) 入庫、齊套出庫;在非工作時(shí)間段, 可進(jìn)行空箱出庫、物料入庫、盤點(diǎn)、庫位調(diào)整.工作時(shí)間內(nèi)揀選站臺(tái)既為入庫站臺(tái)也為出庫站臺(tái).但在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí), 為提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率, 定義每個(gè)揀選站臺(tái)為單一運(yùn)行模式, 即下列3種模式當(dāng)中的一種:“揀選出庫模式”、“齊套入庫模式”、“齊套出庫模式”.當(dāng)某個(gè)巷道揀選站臺(tái)的運(yùn)行模式切換時(shí), 需完成該巷道正在執(zhí)行的任務(wù)才能生效, 并可操作.非工作時(shí)間內(nèi), 物料入庫為獨(dú)立的入庫站臺(tái), 揀選站臺(tái)可作為盤點(diǎn)站臺(tái)、庫位調(diào)整站臺(tái)、空箱出庫站臺(tái).立體倉庫定義為單一運(yùn)行模式, 即下列4種模式當(dāng)中的一種:“物料入庫模式”、“盤點(diǎn)模式”、“庫位調(diào)整模式”和“空箱出庫模式”.當(dāng)運(yùn)行模式切換時(shí), 需將正在執(zhí)行的任務(wù)完成時(shí)才能生效, 然后操作[9,10].

多層堆垛機(jī)倉儲(chǔ)物流系統(tǒng)可促進(jìn)大宗商品的揀選、訂單組合和排序, 顯著提高速度、準(zhǔn)確性與生產(chǎn)量.它采用尖端的控制系統(tǒng)和性能增強(qiáng)軟件, 可與眾多存儲(chǔ)媒介及搬運(yùn)容器配合, 輕松地適應(yīng)任何形狀和規(guī)模的建筑.它采用擴(kuò)展的自動(dòng)化存儲(chǔ)系統(tǒng), 可進(jìn)行全新系列自動(dòng)化解決方案的開發(fā).

多層堆垛機(jī)倉儲(chǔ)物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的高效布置, 有效地解決了傳統(tǒng)單層堆垛機(jī)倉儲(chǔ)物流系統(tǒng)的效率瓶頸問題, 使系統(tǒng)效率比傳統(tǒng)單層堆垛機(jī)成倍提高, 且更節(jié)能, 將單一設(shè)備以高能耗為代價(jià)提高技術(shù)參數(shù)指標(biāo)分解為更輕量化的多機(jī)作業(yè)模式.該系統(tǒng)可根據(jù)客戶對(duì)存取效率的不同要求, 相應(yīng)地?cái)U(kuò)展或縮減高度空間上的堆垛機(jī)層數(shù).由于該系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行分散化, 單臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障或維修停機(jī)后, 其他設(shè)備仍可正常工作, 大大降低了由設(shè)備停機(jī)導(dǎo)致全套設(shè)備癱瘓的風(fēng)險(xiǎn).

多層堆垛機(jī)倉儲(chǔ)物流系統(tǒng)以任務(wù)執(zhí)行分散化、系統(tǒng)管理?xiàng)l理化為基本設(shè)計(jì)理念, 目前已成功應(yīng)用于實(shí)際案例.該系統(tǒng)具有訂單合理排序和自我修復(fù)功能, 作業(yè)效率比傳統(tǒng)堆垛機(jī)提高了1倍, 大大提高了車間運(yùn)轉(zhuǎn)效率, 降低了人工揀選成本與出錯(cuò)率.其良好的工作環(huán)境和簡(jiǎn)潔友好的操作界面為客戶提供了優(yōu)于傳統(tǒng)立庫的工作體驗(yàn).

作為國(guó)內(nèi)首個(gè)多層堆垛機(jī)倉儲(chǔ)物流系統(tǒng), 為國(guó)內(nèi)倉儲(chǔ)物流行業(yè)展示了一種新的車間物流存儲(chǔ)解決方案, 是倉儲(chǔ)物流行業(yè)倉儲(chǔ)系統(tǒng)解決方案的有效補(bǔ)充, 是高效率、高密度倉儲(chǔ)系統(tǒng)的典型應(yīng)用案例.必將在倉儲(chǔ)物流行業(yè)起到示范效應(yīng).