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隨著工業4.0、中國制造2025的深入人心, 智能物流倉儲成為了智能工廠框架的核心環節.智能物流倉儲系統在勞動力和土地成本節約、管理效率提升等方面優勢明顯.過去3年, 自動倉儲系統的增速已經超過了工業自動化.目前, 物流技術水平在制造業中的重要地位和作用越來越明顯, 已受到業界越來越多的重視.隨著我國經濟的發展, 制造業的物流技術也在不斷轉型升級, 市場競爭的加劇要求制造業物流技術和物流組織更精益、更高效, 且能夠快速響應客戶需求、充分實現按需制造[1,2].

在倉儲物流行業競爭中, 單個物流裝備的優劣固然重要, 但盲目追求單機設備的高技術指標必然要付出高能耗、高損耗、高故障率的代價.隨著智能物流系統的廣泛應用, 傳統物流設備和物流系統解決方案在滿足客戶多樣化需求方面日益不足.推出新型物流設備和物流系統解決方案已成為物流制造商和系統集成商保持自身市場競爭力的關鍵.

某國際公司為滿足其車間自動化生產物流需求, 需要在長度約30m、寬度約8m、高度為8.5m的空間內設置一套容量約4 000個貨位的智能倉儲系統, 并以8h為一個工作周期, 平均每個周轉箱存放1~4種物料, 且要求單作業的出入庫效率為5 000周轉箱/d (8h) .筆者所在公司經過廣泛調研和充分討論, 根據自身的行業經驗, 利用公司的技術優勢, 提出建立以多層堆垛機為核心設備的智能倉儲物流系統的開發項目, 試圖滿足該國際公司生產車間對物料智能化管理、高效存儲周轉以及庫區空間最大化利用的要求.

多層堆垛機倉儲物流系統是一種新型的物流組織模式, 以料箱為存儲單元, 載荷一般在50kg以內.系統主要以輕型高速堆垛機、雙臂料箱提升機、庫前輸送系統以及承載式貨架系統為基本設備架構, 以自主開發的高效管理調度系統為軟件支撐.

在多層堆垛機開發中, 對傳統堆垛機與多層穿梭車技術進行整合與優化, 采用輕量化、簡潔化的設計理念.其整機以鋁合金型材作為主體框架支撐, 采用四輪式承載結構、雙側同步齒型帶提升方式和勾取式貨叉結構.它具有體積小、自重輕、結構緊湊、技術參數可靠等特點.堆垛機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行多層布置.每層設備設有單獨維修平臺, 可在不影響其他設備的前提下進行維修維護.

料箱提升機采用單立柱雙臂設計, 同步齒形帶提升, 整體結構布局更簡潔、緊湊、高效.料箱提升機的雙伺服驅動系統和條碼帶同步認址, 使其具有極高的響應特性和認址精度.提升機支臂上安裝的滾筒輸送機負責庫前站臺與各層輸送機之間的接泊過渡.堆垛機與庫前輸送系統及雙工位料箱提升機配合使用, 系統通過雙臂提升機對庫前輸送系統與目標層堆垛機進行橋接, 實現物料的出入庫操作.

總體方案設計應該綜合考慮庫區空間、預期容量、出入庫效率及項目造價等因素.針對上文所述具體案例的項目要求, 可確定9跨 (每跨4列貨位) 、3巷道、2層堆垛機 (每層堆垛機負責9行貨位) 的庫區布置.它既可滿足客戶對庫容量及效率的需求, 又能夠實現項目投資的最小化.圖1所示為該總體設計方案的倉儲區立面圖.圖2所示為該總體設計方案的系統平面圖.

圖1 倉儲區立面圖   下載原圖

圖2 系統平面圖   下載原圖

項目的總體方案確定之后, 堆垛機的出入庫效率主要取決于設備的技術參數.單機設備技術參數需要優化選擇, 既要避免效率提升瓶頸, 又要避免效率溢出, 需要與系統整體效率相匹配.決定堆垛機出入庫效率的技術參數在X、Y、Z3個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, 貨叉通常為標準產品, 其速度和加速度由產品自身性能決定;其余參數一般根據歐洲機械搬運協會標準FEM9.851中自動倉庫巷道堆垛起重機作業循環效率計算方法確定 (圖3) .取兩點, 可計算平均作業循環時間.

基于ProfiNet架構構建電控網絡系統時, 其網絡設計獨立于計算機系統, 使電控系統有較強的擴展性和穩定性.通過ProfiNet網絡實現設備之間的數據交換, 可以保證數據傳輸的實時性和及時性.

圖3 自動倉庫巷道堆垛起重機作業循環效率計算圖   下載原圖

電控系統的功能主要有控制方式切換、信息查詢、停電保護等.通過按鈕可實現控制方式的切換.其主要控制方式有手動控制、在線控制、緊急停止和故障報警等.

(1) 手動控制方式:電氣控制系統在手動操作方式下, 由人工對各電機進行正、反轉啟動/停止操作.

(2) 在線控制方式:通過接收上位計算機指令, 實現各輸送設備的自動控制, 對物流和數據進行自動傳輸, 滿足物流工藝流程的要求.

(3) 緊急停止及故障報警:電控柜和觸摸屏具有緊急停止操作功能, 當按下急停按鈕時, 該控制區域內設備全部停止運行;當系統所控制的設備出現故障時, 系統能夠自動診斷并產生相應的聲光報警信號.

(4) 停電保護功能:當遇故障突然停電時, 控制程序可以保持當前狀態, 重新上電后根據需要繼續正常運行.

系統電源采用三相五線制.系統配電主要分為動力供電和控制供電.其中, 動力供電主要為現場電機等設備提供三相380 V AC電源;控制供電為PLC、電控柜、分布式I/O站、現場操作站等提供220V AC和24V DC電源.24V DC電源在控制柜內, 為分布式I/O站、計量和檢測器件等供電[3,4,5].

計算機信息系統包括倉儲信息管理系統和監控調度系統, 是智能倉儲系統的數據處理中心和監控調度核心, 運行于計算機網絡系統與數據庫環境下, 對自動化立體倉儲系統進行管理和調度, 實現物流設備和系統的統一調度以及庫存材料的統一管理和使用[6].

中央服務器通過以太網交換機, 采用TCP/IP網絡協議實現其與客戶端以及上位系統生產調度平臺的通訊, 利用數據庫實現信息的存儲.信息管理系統通過以太網將作業命令傳達給監控調度系統.監控調度系統將作業命令優化后分解為設備可執行命令, 通過ProfiNet工業以太網傳達給設備控制系統, 以便控制設備各執行機構的快速和有效運行[7,8].計算機信息系統架構如圖4所示.

圖4 計算機信息系統架構   下載原圖

倉儲物流系統出入庫作業采用分時段的工作模式.在工作時間段, 可進行揀選出庫、齊套 (周轉箱所需的物料全部揀選完畢) 入庫、齊套出庫;在非工作時間段, 可進行空箱出庫、物料入庫、盤點、庫位調整.工作時間內揀選站臺既為入庫站臺也為出庫站臺.但在系統運行時, 為提高系統整體運行效率, 定義每個揀選站臺為單一運行模式, 即下列3種模式當中的一種:“揀選出庫模式”、“齊套入庫模式”、“齊套出庫模式”.當某個巷道揀選站臺的運行模式切換時, 需完成該巷道正在執行的任務才能生效, 并可操作.非工作時間內, 物料入庫為獨立的入庫站臺, 揀選站臺可作為盤點站臺、庫位調整站臺、空箱出庫站臺.立體倉庫定義為單一運行模式, 即下列4種模式當中的一種:“物料入庫模式”、“盤點模式”、“庫位調整模式”和“空箱出庫模式”.當運行模式切換時, 需將正在執行的任務完成時才能生效, 然后操作[9,10].

多層堆垛機倉儲物流系統可促進大宗商品的揀選、訂單組合和排序, 顯著提高速度、準確性與生產量.它采用尖端的控制系統和性能增強軟件, 可與眾多存儲媒介及搬運容器配合, 輕松地適應任何形狀和規模的建筑.它采用擴展的自動化存儲系統, 可進行全新系列自動化解決方案的開發.

多層堆垛機倉儲物流系統設計方案的高效布置, 有效地解決了傳統單層堆垛機倉儲物流系統的效率瓶頸問題, 使系統效率比傳統單層堆垛機成倍提高, 且更節能, 將單一設備以高能耗為代價提高技術參數指標分解為更輕量化的多機作業模式.該系統可根據客戶對存取效率的不同要求, 相應地擴展或縮減高度空間上的堆垛機層數.由于該系統任務執行分散化, 單臺設備出現故障或維修停機后, 其他設備仍可正常工作, 大大降低了由設備停機導致全套設備癱瘓的風險.

多層堆垛機倉儲物流系統以任務執行分散化、系統管理條理化為基本設計理念, 目前已成功應用于實際案例.該系統具有訂單合理排序和自我修復功能, 作業效率比傳統堆垛機提高了1倍, 大大提高了車間運轉效率, 降低了人工揀選成本與出錯率.其良好的工作環境和簡潔友好的操作界面為客戶提供了優于傳統立庫的工作體驗.

作為國內首個多層堆垛機倉儲物流系統, 為國內倉儲物流行業展示了一種新的車間物流存儲解決方案, 是倉儲物流行業倉儲系統解決方案的有效補充, 是高效率、高密度倉儲系統的典型應用案例.必將在倉儲物流行業起到示范效應.