一、行业背景

“工业4.0”和“中国制造2025”概念的提出后,经过近几年的飞速发展,制造业对自动化、智能化生产模式的需求日益增长,未来的工业生产将走向高度自动化和智能化。FA (Factory Automation,工厂自动化)零部件作为自动化设备不可或缺的组成部分,具备广阔的发展空间。

通过实地调研了解到,目前该行业国内外各大厂商的仓储物流作业模式,大多为人工仓,规模较大的厂商具备少量的信息化管理,采用了平库+货位管理的存储方式,拣选方式一般是通过PDA指导作业人员到货架取货的、人到货拣选模式,在效率和准确性方面都难以满足该行业的快速发展需求。

当前FA零部件行业仓储物流的主要痛点为用人多、找货难、效率低,具体体现在:库位利用率不高;订单响应不及时;绩效管理难,主要通过人工计数来管理整体的绩效,管理精细度不足。

二、系统方案的规划设计

以下通过某FA零部件仓储物流配送中心实际案例的规划设计过程为例,从设计工具、调研和数据分析、方案设计、系统设计难点四个方面进行阐述。

↑某FA零部件仓储物流配送中心实际场景图  

表1 设计工具  

表2 存储容量分析

表3 容器分析结论  

1. 设计工具

系统方案涉及到的设计工具主要包括AutoCAD、Solidworks、EXCEL、Word、Visio、Flexsim、3Dmax等,具体情况见表1。

2. 调研和数据分析

通过现场实地调研,总结调研内容并形成调研报告。通过原始数据分析,提取对设计方案有利的分析结论。

(1)库存容量分析

存储容量分析,如表2。容器分析结论,如表3。

(2)订单结构分析

通过对某时间段的销售数据进行分析得出,订单结构具有如下特性:

●订单长度1～200行/单不等

●单行订单占47.8%

●10行及以下订单累积占比92.9%

●11～20行以上订单占比4.9%

●21行以上订单2.2%

某时间段的销售数据EIQ分析结论,如表4。

(3) SKU特性分析

●存储物料多为金属件,物料尺寸小,密度大

●单品规库存深度浅,绝大部分品规不足一箱

●SKU数量大

●ABC分类不明显,出库离散、随机性强

峰值日IK分析结论,如表5。

3. 方案设计

(1)库区系统规划

①货位设计

根据现场调研报告和数据分析结论可知,本案设计SKU数为40万个,货位数约21万个。即:货位数远小于SKU总数,且数据分析结论表明各SKU出库离散、随机性强,若货架采用多深位设计,会导致出库时设备频繁移库,从而造成能源浪费,因此货架采用了单深货位设计。

②存取方案设计

基于单深货位设计前提,在库区存取方案规划设计阶段,设计团队综合对比了多种解决方案,包括Miniload堆垛机、多层穿梭车、堆垛机+多层穿梭车、四向穿梭车等方案。在对系统效率、设备可靠性等关键指标进行加权评估后,最终采用了四向穿梭车的库区系统解决方案。

表4 某时间段的销售数据EIQ分析结论

③可靠性和扩展性验证

在21米可用净空且不可调整的仓库建筑条件下,四向车方案即能保证单深位设计前提下满足23万以上货位数,又能满足入出库效率需求,且具备一定的扩展性。对于四向穿梭车系统的可靠性方面,设计团队通过对设备厂商的调研、对现有的四向车项目进行实地调研考察、查看各个现有项目系统故障日志等方法,得出结论:当前四向穿梭车技术已经成熟,可靠性和可用性方面满足FEM9.221和JBT 7016-1993标准。库区系统平面布局图,如图1。

表5 峰值日IK分析结论

(2)拣选系统规划

拣选工作站集拣选、检验、包装、 播种功能为一体,结合图形指导系统和DPS系统,处理能力可达240订单行/小时。系统可以自动供给库存箱和播种箱,每个工作站配置2个拣选位置,保证拣选作业无需等待,充分发挥作业人员的工作效率。同时,拣选工作站充分了考虑人机工程学,在地面设置了抗疲劳垫,为操作人员提供较为舒适的工作环境。拣选工作站3D设计,如图2。

图1库区系统平面布局图   

图2拣选工作站3D设计 

图3信息系统设计架构图  

图4信息系统网络及硬件部署图  

(3)其他硬件系统规划

除库区系统和拣选系统以外,还规划设计了其他硬件系统,包含1套窄带高速分拣系统、1套DPS灯光集单系统、42套复核包装系统、1整套万向球自动分拣系统等。

(4)信息系统设计

系统总体设计架构分为三层进行管理即执行层、控制层、应用层(如图3)。为实现统一录入、统一存储、统一展现,本项目通过WMS物流综合管理系统对数据管理功能、设备控制管理功能进行统一集成。WMS物流综合管理系统通过接口与上位系统进行集成, 与上位系统(ERP)通过以太网进行连接,实现各系统无缝集成、实时互通、 资源共享。

信息系统网络及硬件部署架构分为信息管理层、调度监控层以及作业执行层。各系统分层实现不同功能,相应配备不同硬件设施,通过千兆以太网进行连接,实现各系统无缝集成、实时互通、快速响应。本项目应用服务器、数据库服务器部署在中心机房,应用服务器采用负载均衡方式部署,保证在一台服务器意外宕机或应用崩溃时,另一台服务器能继续提供服务,保障服务的高可用性。数据库采用分布式集群部署方式,实现数据的安全性和可靠性。信息管理层,WMS与上位系统之间通过因特网互联,实现无缝集成、接口兼容、资源共享。信息系统网络及硬件部署图,如图4。负载均衡部署图,如图5。

图5负载均衡部署图   

4. 系统设计难点

通过数据分析结论可以看出,本案具有订单长度差异大且出库离散的特点,相比电商行业订单长度差异小、A类明显的特点,订单结构更复杂,处理难度更大。

(1)短单处理的原则

对于1～5行的订单,按订单拣选可减少集单流程,从而减少集单设备和集单作业人员,降低投资成本。

(2)长单处理原则

对于大于5行的订单,按订单拣选会造成1个波次内同时出库的原箱数量过多,若原箱缓存线的缓存容量不足,会有堵线风险。因此对于长单,通过软件系统切分为1～5行的小拣货单,再对小拣货单进行集单。同时,判定长短单的条件阈值可在WMS软件系统中适时调整,硬件设备也可支持全部按行拣选或按单拣选,因此拣选方式可任意切换,方案的柔性和扩展性有保障。

通过软件系统优化短单和长单的处理原则,有效解决设备堵线风险,并降低了设备和作业人员的投资成本。

三、结论

作为国内FA零部件行业自动化配送中心的首个案例,本项目所采用的集成技术、设备和软件技术均具有较高的先进性和实用性。在满足客户业务需求的前提下,以充分发挥物流系统综合效率为目标,优选最适合该行业业务特征的解决方案。仓库容量密度达传统堆垛机仓库的2倍以上,采用行业首创的兼容按批次拣选和按订单拣选的货到人解决方案,降低了用工成本和劳动强度,同时保证了项目的柔性和扩展性。本项目的实施,对FA零部件行业配送中心的规划设计具有较高的参考价值。