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近年來，隨著國家對智能制造的不斷推進以及勞動力成本的不斷提升，致使一些大中型企業(yè)逐步向著生產(chǎn)集約化轉(zhuǎn)型，優(yōu)化資源配置，進一步提升利潤空間[1]。物流被稱為企業(yè)的第三利潤源，在市場競爭日趨激烈的今天，提升物流效率，降低物流成本，逐漸成為企業(yè)轉(zhuǎn)型的重要手段。盡管如此，仍有一些企業(yè)的物流發(fā)展處于比較滯后的狀態(tài)[2]。

文中以主要生產(chǎn)袋裝物料的某企業(yè)倉庫為應用背景，探索研究一套適用于類似生產(chǎn)模式的物流系統(tǒng)，實現(xiàn)倉儲物流設(shè)備與包裝生產(chǎn)線對接，形成從包材供應、包裝、成品入庫、移庫、出庫及自動裝車的自動倉儲系統(tǒng)，以期實現(xiàn)提升倉庫儲能、節(jié)約物流成本的目標。

本課題研究對象為我國北方某大型煤化工企業(yè)生產(chǎn)包裝及倉儲車間，所生產(chǎn)物料為聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）顆粒，兩種物料產(chǎn)能相當，日產(chǎn)量約為2 000 t。庫區(qū)南北長390 m，東西寬112 m，總占地面積45 000m2。左側(cè)為聚丙烯包裝車間，右側(cè)為聚乙烯包裝車間，兩車間共有8條成品包裝線，單線包裝能力為30 t/h，占地面積6 705 m2。配電站設(shè)在庫房中部西側(cè)，占地面積204 m2。汽車裝車站臺長240 m，寬8 m；車站站臺長390 m，寬6.5 m，能同時滿足物料裝車和汽車裝車需求。在現(xiàn)有生產(chǎn)模式下倉庫儲能約為15 000 t。

由于該車間的物料生產(chǎn)及存儲布局基本上是左右對稱的，分析中均以右側(cè)PE生產(chǎn)存儲為例。如圖1所示，PE存儲區(qū)域劃分為11個部分（PE01～PE11），該車間所生產(chǎn)的合格物料主要通過火車運輸銷售，生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的過渡料、協(xié)議料及部分合格料通過卡車運輸銷售。

圖1 廠區(qū)布局   下載原圖

車間目前生產(chǎn)流程為人工用叉車將包材及托盤送至生產(chǎn)線，生產(chǎn)線實現(xiàn)自動包裝碼垛作業(yè)。貨物由包裝線碼好后，人工用叉車將貨物運送至庫房內(nèi)存儲區(qū)域。物料在倉庫內(nèi)靜置48 h后，根據(jù)質(zhì)檢結(jié)果和出貨需求，確定物料出庫時間。物料出庫時，由叉車將貨物搬運至運輸車輛裝車位，由人工完成貨物裝車作業(yè)。

現(xiàn)有的作業(yè)模式中諸多環(huán)節(jié)是通過密集勞動力實現(xiàn)的，如庫房內(nèi)所有包材、托盤及貨物運輸，靠人工用叉車搬運。叉車運輸速度較快，易造成貨物損壞，存在安全隱患；在貨物出庫裝車階段，完全是依靠勞動力搬運，勞動強度大，人員成本高。因此，該自動倉儲系統(tǒng)的設(shè)計目標之一是滿足作業(yè)需求的條件下最大程度減少叉車作業(yè)人員和裝卸作業(yè)人員，提升企業(yè)倉儲物流自動化水平。

在基本保持現(xiàn)有生產(chǎn)模式的前提下，對整個倉儲空間做出重新規(guī)劃，新規(guī)劃布局主要體現(xiàn)了3個亮點：(1)物料成品自動下線，通過輸送線運送至對應存儲區(qū)；(2)包材、托盤通過AGV（見圖2）實現(xiàn)上線，并通過輸送線分配至對應上線口，完成自動上線；(3)AGV通過調(diào)度系統(tǒng)控制，將貨物搬運至出庫線體，線體將貨物分配至相應裝車工位，自動裝車器械完成貨物的自動裝卸工作。

圖2 激光導航AGV   下載原圖

以火車的自動裝車為例，該倉庫內(nèi)的自動倉儲作業(yè)流程見圖3。

生產(chǎn)流程：PE/PP顆粒原料通過管道輸送至包裝車間的生產(chǎn)線下料口，操作員根據(jù)產(chǎn)品信息向系統(tǒng)輸入即將要進行包裝的物料的噴碼序列號，啟動包裝設(shè)備后，包裝生產(chǎn)線開始包裝碼垛作業(yè)，包裝流程如圖4左側(cè)方框內(nèi)所示。最終碼好垛的物料被運送到生產(chǎn)線末端，包裝生產(chǎn)作業(yè)結(jié)束。

包材/空托自動上線：包裝過程中需要包材和空托補給，系統(tǒng)通過AGV將包材和空托搬運至滾筒輸送線，再通過輸送線將包材與空托發(fā)送至生產(chǎn)線，完成包材和空托自動上線。

入庫作業(yè)：貨物入庫作業(yè)是通過輸送線運輸和AGV搬運配合完成的，入庫輸送線和包裝產(chǎn)線對接，貨物被直接輸送至相應的入庫工位，由AGV接駁搬運，將貨物運送至相應的存儲位，完成入庫作業(yè)。

移庫作業(yè)：根據(jù)第二天出庫訂單，將待出庫物料轉(zhuǎn)移至待裝區(qū)域，避免入庫作業(yè)和出庫作業(yè)形成沖突，同時也節(jié)省出庫作業(yè)時間。

出庫作業(yè)：接到出庫作業(yè)指令，AGV依次將待裝區(qū)物料搬運至出庫輸送線，再由出庫輸送線將物料輸送至相應工位，機器人拆解整托貨物，將物料搬運至自動裝車設(shè)備，完成出庫作業(yè)。

空托回流入庫：每托物料搬運結(jié)束后，所產(chǎn)生的空托盤由出庫輸送線運送至空托存儲區(qū)域，空托由AGV接收并碼放于存儲區(qū)內(nèi)，余料、空托回流入庫作業(yè)完成。

圖3 自動倉儲作業(yè)流程   下載原圖

如圖4所示，包裝產(chǎn)線所需的包材和托盤由2臺AGV自動搬運上線，包裝車間每條產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍為1200包/h(30托/h）。對于PE生產(chǎn)車間，所需包材分為兩種，且兩種包材在外形體積上無差別，每托包材裝有包裝袋7 200根。托盤只有一種，10個托盤為一個搬運單元。每托包材可供生產(chǎn)線連續(xù)使用6 h，每條生產(chǎn)線每天所需包材2～3托，為避免包材輸送與托盤發(fā)生沖突，該方案中規(guī)定每天生產(chǎn)開始前30 min由AGV負責包材的自動上線，將包材發(fā)送至線邊臨時存放。一個空托搬運單元為10個托盤，生產(chǎn)車間4條生產(chǎn)線每小時需托盤120個，即12個搬運單元，由此得出AGV的搬運節(jié)拍為5 min/次。

圖4 包材/空托上線流向圖   下載原圖

成品物料自動化存儲設(shè)計需要考慮：1）物料存儲區(qū)需滿足貨物的存儲需求，即倉庫升級后存儲量不能低于現(xiàn)有生產(chǎn)模式下的存儲量；2）貨物可根據(jù)出貨需求，提前完成移庫作業(yè)，以滿足就近出庫裝車的需求；3）該倉儲系統(tǒng)存在高峰作業(yè)時間段，即5 h內(nèi)完成1 518 t裝車量，且不影響物料入庫作業(yè)。

如圖5所示，包裝碼垛后的物料合流到同一輸送線，單線生產(chǎn)節(jié)拍為30托/h，合流后生產(chǎn)節(jié)拍為120托/h。經(jīng)過該輸送線，物料被輸送至存儲區(qū)對應的接駁位，由AGV將貨物搬運碼放至存儲區(qū)域內(nèi)。PE存儲區(qū)內(nèi)有5條通道，單條通道寬5 m，可供2臺AGV并行，每臺AGV搬運節(jié)拍約為5 min/托。

圖5 物料流向圖   下載原圖

通過對現(xiàn)有存儲區(qū)域?qū)嵉販y量得出單位面積上堆放貨物1.5 t，因此,表1中系數(shù)k（單位面積存放量）取值為1.5。表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)為新布局中各存儲區(qū)域占地面積，以此計算得出倉庫儲能較原有布局提高約10%。

表1 倉庫儲能核算     下載原表

由于火車運輸對物料裝車時間限制為5 h，且出庫作業(yè)與入庫作業(yè)不能有沖突，因此，需要AGV在夜間不生產(chǎn)的時間段內(nèi)進行移庫作業(yè)，將待出庫貨物搬運至靠近出庫工位的待裝區(qū)域。PE存儲區(qū)和PP存儲區(qū)內(nèi)有11條通道，可運行22臺AGV，移庫作業(yè)時間為6 h，每臺AGV的移庫作業(yè)節(jié)拍為5 min/托。出庫作業(yè)時，有22臺AGV參與作業(yè)，待裝區(qū)內(nèi)存放的貨物距離裝車工位較近，裝車作業(yè)時間為4 h，每臺AGV搬運出庫節(jié)拍為3.5 min/托，滿足裝火車的時間需求。

控制系統(tǒng)是自動化倉庫管理和控制的核心，既要完成倉儲中各種信息的管理和控制，又要實現(xiàn)各種自動化倉儲設(shè)備的調(diào)度和控制。其主要任務：根據(jù)倉庫中出入庫的實際情況對在庫物品進行管理，根據(jù)倉庫中設(shè)備的具體情況及當前狀態(tài)，對各出入庫任務進行調(diào)度，對系統(tǒng)中的各自動化設(shè)備或裝置進行實時監(jiān)控，與企業(yè)管理系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)系統(tǒng)故障的自動檢測和診斷等[3,4]。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為三層：WCS（倉庫控制系統(tǒng)）層、WMS(倉儲管理系統(tǒng))層和執(zhí)行機構(gòu)層。倉庫管理系統(tǒng)（WMS）軟件是系統(tǒng)的核心，負責整個倉庫的賬目管理和作業(yè)管理，并擔負與上級系統(tǒng)的通信和企業(yè)信息系統(tǒng)的部分任務[5]。倉庫管理系統(tǒng)需具備入庫管理、庫存管理、出庫管理、審計事務日志、管理/追蹤等功能。倉庫控制系統(tǒng)(WCS)是自動化倉庫的信息樞紐，它根據(jù)倉庫管理系統(tǒng)的作業(yè)命令，按運行時間最短、作業(yè)間的配合合理等原則對作業(yè)的先后順序進行優(yōu)化組合排隊，并將優(yōu)化后的作業(yè)命令發(fā)送給各控制系統(tǒng)，對作業(yè)進程、作業(yè)信息及運行設(shè)備進行實時監(jiān)控，同時將指令執(zhí)行結(jié)果反饋給WMS。電氣控制系統(tǒng)在得到指令后，將其翻譯成機器可以識別的指令，通過外部傳感器，最終通過控制設(shè)備完成指令。對于本系統(tǒng)，AGV通過無線AP接收WCS指令，將指定物料搬運至指定工位；PLC驅(qū)動輸送線滾筒電機，將物料、空托、包材等輸送至指定工位；掃碼設(shè)備通過讀取托盤信息，與系統(tǒng)內(nèi)調(diào)取出的物料信息進行綁定，將對物料的追蹤轉(zhuǎn)化為對托盤的追蹤，直至物料出庫裝車，托盤與物料信息解除綁定；碼垛機器人負責拆解物料，將物料搬運至自動裝車設(shè)備，并反饋給WCS相應的搬運信息；自動裝車設(shè)備接收WCS發(fā)出的調(diào)度指令，執(zhí)行相應程序，完成具體的裝車作業(yè)，并將作業(yè)數(shù)據(jù)反饋給WCS。

本文通過對某企業(yè)物流現(xiàn)狀進行分析，針對生產(chǎn)流程中存在的叉車安全隱患、作業(yè)人員勞動強度大等問題，探索性地提出了一種新的物流模式，并分析了這種模式的可行性及優(yōu)勢。隨著勞動力成本不斷增加，行業(yè)標準化程度逐步提高，這種物流模式在大型倉儲企業(yè)將會得到推廣應用。