一、前言

随着物流产业的迅猛发展, 子母穿梭式仓储系统因其具有的高效密集智能存储、空间利用率高等功能优势和运作成本低与系统化管理等优势, 已发展成为冷链仓储物流的主流形式之一。

子母穿梭式冷链仓储系统, 即以多层子母穿梭式冷链用钢货架结构为主体构建冷链立体存储装置, 双向直线行驶的冷链用穿梭母车在主轨道上往复运行, 并自动识别作业巷道与作业流道, 释放或搬运双向直线行驶的冷链用穿梭子车以十字向运动为动体实现主次流道合理配置, 进行水平平层单元仓储物品的全范围覆盖的智能存储搬运及调配作业或换巷道作业;通过输送线或其他搬运设施与冷链用提升机实现穿梭子车或托盘单元货物换层作业或出入库作业, 共同构建智能化动态物流存储与管理运营系统;在冷链环境下可实现穿梭子车、穿梭母车或存储物品的垂直换平层作业及出入库流程化运作等, 可对指定货格中的存储单元进行智能化冷链存储调度, 或用托盘自动输送机系统进行货物单元的出入库的自动化作业, 以实现存储单元在整个冷链存储区域内的三维动态化全流程存储管理, 实现存储物品的高效自动化、高效密集化、智能化存储管理的目的, 达到缓冲、调节、集散和平衡的仓储管理作用。

子母穿梭式冷链仓储系统的构成, 主要包括多层钢货架结构、冷链用穿梭子母车、冷链用提升机、出入库托盘自动输送机系统、尺寸检测条码阅读系统、自动拣选与分拣系统或其他自动化控制系统、自动识别与通讯系统、计算机监控系统、计算机管理系统 (WMS) 以及其他如电线电缆桥架配电柜、调节平台或在线冲放电装置、钢结构维修或调拨平台、叉车等辅助设备组成的复杂系统。经过多年来的技术更新与实践, 穿梭子车在冷链环境下使用的速度、效率和可靠性方面都有了很大提升, 与穿梭母车或提升机等都具有良好的兼容匹配性, 确保了整体选配系统的可靠性、系统的运行效率和质量。选用或建造主体物流工艺的子母穿梭式冷链仓储系统, 需要根据客户的具体需求与流程工艺、区域与地理环境、操作运行内外环境、投资运营成本、运行效率、供应商的资质与实际完成案例的质量、选用系统的可靠度等因素而决定。

二、冷链仓储系统及子母穿梭式钢货架结构的设计与规划

冷链系统是指冷冻冷藏产品或易腐食品在生产、保存、运输配送、流通加工、销售直至消费终端的过程中, 始终保持恒温或低温环境, 防止物品品质变异的活动, 这一活动的每个环节有机结合起来就组成了一个无缝连接的供应链系统, 而子母穿梭式冷链仓储方案仅仅是其中比较有效解决环节之一。

在目前世仓公司已完成的的冷链仓储项目中, 仓储温度区间比较单一, 很少有冷库能够满足三个温区及三个温区以上的存储环境 (简单分为, 超低温区:-50℃以下, 低温冷藏区:-18℃左右, 高温冷藏区:0℃~8℃, 恒温区:14℃~18℃) ;恒温环境对于钢货架结构而言, 几乎不存在温度变化带来的温度应力变化造成结构内力波动影响, 而低温环境会对钢结构体系的部件结构和选材带来一系列的特殊要求, 在钢货架结构的设计选型中需要充分考虑《钢结构设计规范》 (GB50017-2017) 第4.3.3条“钢材质量等级的选用规定”, 并参考其它相关条款和相关规范标准中的要求, 并依据相应的钢货架设计规范和标准进行设计选型和校核评估, 在没有设计依据原理的前提下进行必要的试验验证和评估, 合理设计结构连接节点与构成要素。

子母穿梭式冷链仓储结构的规划设计, 优先会考虑相应仓储温度区内的选材、结构设计与规划, 并针对存储物品的品种类别和单元化尺寸系列、穿梭式子母车的规格尺寸、库区建筑楼层高度、建筑地面的承重与地面不均匀沉降要求、建设与运营成本、存储搬运设备运行效率及其可靠性配置等因素, 需综合考虑穿梭子车或母车在货架巷道中的动荷的影响及其运行效率, 有效评价整体系统的运营成本与投资性价比, 有效评价结构变形限值尤其是有侧移框架结构分析前提下对穿梭车运行效率、可靠度的影响;考虑穿梭子车与穿梭母车对接与精准定位, 穿梭子母车与其它配置设备或系统之间的对接精度与控制匹配、构件几何制造安装精度或初始缺陷等构造影响, 合理规划结构的构造形式与连接尺寸。

根据《钢货架结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》等相关规范和标准, 货架设计时可仅考虑水平地震作用的影响, 不计竖向地震作用, 作用于货架结构的地震作用宜采用振型分解反应谱计算, 以便考虑结构的扭转耦联效应, 结合单元荷载的作用效应, 构建子母穿梭式钢货架结构的结构模型和力系分析因子, 涉及到子母穿梭式冷链仓储结构的材料选型、荷载分析及其荷载组合作用、钢货架结构设计与部件装配、系统配置结构的设计配套等方面;子母穿梭式钢货架结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法, 用分项系数设计表达式进行设计与计算, 其中承重构件按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别设计;根据结构的重要性、荷载特性、结构形式、应力状态、连接方法、钢材材性与厚度、工作环境等因素综合考虑, 非承重构件主要按钢货架结构构造要求设置;考虑货架在各种荷载组合下的最不利效应进行结构验算或部件校核;并通过详细分析客户物流工艺要求、仓库建筑结构及其形式、基础承载能力等基础资料, 研究客户的物流运作模式和基本成本构成、物流单元化标准制定和验证、物流效率分析与比较、消防、照明等附属设施的配置、人员构成等, 确定基本合理的平面布局规划或空间模拟。

根据具体项目规划信息, 确定结构特征单元与结构模型, 手工计算获取子母穿梭式钢货架结构的基本结构选材、节点设计与优化、构件内力及变形控制限值等设计计算信息, 再通过有限元建模及其分析, 进一步分析特定构件的受力与变形, 获取整体结构模型的模态分析结果, 查询各工况下构件的应力、变形等分析结果, 针对模型中各构件长度及长细比进行设计校核, 获得有效压弯应力比、剪切应力比等构件信息, 对比基本构件的内力与变形模拟计算, 再与手工计算条件进行对比、优化、校核或试验验证, 在确保各构件满足要求的前提下, 再综合分析与评价子母穿梭式立体库的整体稳定性与承载能效比, 确保子母穿梭式冷链仓储用钢货架结构满足强度、刚度及稳定性等设计要求, 并评估相应设备的系统控制要求和结构设计优化与调整。

子母穿梭式冷链仓储的难点之一, 是跨仓储温度区域的自动化调库作业。既要保证温度区域内的温湿度是相对稳定的, 又要尽量避免机电设备的跨温度区作业的连续性与物流流程平衡性;子母穿梭式钢货架结构本身在不同仓储温度区域内是相互独立设计与校核的, 可利用跨仓储温度区域输送设备以及快速提升门形成温度区域隔离和物流动线的贯通, 并避免跨温度作业对于机电设备中控制电路和电气设备的凝露影响, 尽量避免机电设备的跨温度区域作业, 否则需要针对不同温度区域机电设备的工作性能及其运行环境进行有效评估和试验验证, 确保机电设备的运行可靠度, 形成合理的物流解决方案。

三、子母穿梭式冷链仓储系统的软硬件配置

子母穿梭式冷链仓储的管理及控制系统大致可以分为两大类:三级管理控制结构和二级控制管理结构。

三级管理控制结构是指由管理层、监控层和执行层组成的三级控制系统;二级控制管理结构将监控层与执行层功能融合在一起, 简化了计算机系统结构, 但是加重PLC执行层的负担, 选择什么样的管理及控制系统是需要结合具体案例进行分析决策的。子母穿梭式冷链仓储物流管控系统一般由多层子母穿梭式钢货架的储位布局、存储单元物流动线、物流搬运设备的调度算法 (含穿梭子车、穿梭母车或托盘提升机出入库输送系统等) 、通讯系统、WCS控制系统、计算机监控系统、WMS计算机管理信息系统以及其他辅助设备组成。子母穿梭式立体库软控系统的模块化设计和可扩展性, 使用户可以根据业务发展情况随时改变物流参数, 对调度监控层WCS进行再配置和适应性调整, 接收并分解物流管理层的任务, 通过设备子系统接口协议下达至具体的设备执行层, 对物流过程进行统一的调度, 并对各个物流环节、现场设备、流程参数及工艺点进行监视和控制。

1. 信息管理层WMS

WMS是管理、调度的信息中枢, 主要通过仓库管理模块实现物流信息管理层的功能, 对采集的信息进行归类、整理和综合分析, 以实现仓库的管理。提供冷链仓储区域内的货位管理、出入库管理、产品基础信息管理、收发货管理、库存管理、抽检管理、盘点管理、质量管理、综合报表等业务处理。仓库管理模块对存储单元进行全面的信息化管理, 及时准确地反映存储单元的收发情况、库存状态、储备状况, 为企业生产及销售提供智能辅助决策分析。

2. 调度监控层WCS

W C S通过网络通讯、P L C来操控和管理穿梭子母车、其它物流搬运设备、托盘提升机和输送链;穿梭子车、穿梭母车一般由PLC、变频驱动器及变频电机、光电开关、编码器、通讯模块及机架模块等组成, 采用光电开关加编码器的双重认址方式, 通过计算目标的相对位置方式来实现方向控制和位置控制, 实现所有的穿梭子母车、存储物品沿穿梭式立体库内钢货架结构中配置的运行轨道在各个层面合理移动与调度, 大大提高了货物周转存储的速度、效率和质量。

子母穿梭式冷链仓储中心是一个相对复杂的自动化控制系统, 各系统、各设备之间存在大量的信息交换与通讯, 针对不同存储区域存在温湿度差异, 影响系统配置设备的可靠性选用, 也存在无线网络的屏蔽和覆盖范围影响, 每个网络节点的无缝对接也是系统配置的关键之一。

数据接口/WEB服务层API:负责从ERP、MES、商业配送系统等获取存储单元基础信息、出入库计划、销售发货单等信息, 并为企业信息管理系统实时反馈库存、出入库单据信息等, 实现承上启下的业务管理功能, 实现全冷链各个信息系统之间系统集成、接口兼容、互联互通和资源共享。

应用服务层ServiceApp:在物流项目中, 存储单元通常使用条形码或电子标签以唯一标志及识读, 掌上电脑P D A因可以扫描一维码、二维码及读写RFID芯片而备受欢迎。ServiceApp应用服务具有跨平台的通用性特征, 通过提供相应的WebForm界面, 并发布至应用服务器的IIS, P D A、计算机、平板电脑及手机均可通过IE浏览器访问相应页面, 以完成组盘入库、出库分拣等人机交互业务, 也可遥控和指挥穿梭子母车完成货物移载、设备启停等动作。

子母穿梭式冷链仓储设备的配置, 需要根据仓库的不同温度区域设置进行设备的合理选型与配置, 如穿梭子母车必须选用相应使用环境下的特殊设计产品, 如冷库型穿梭子母车中各选用的电气设备的IP等级配置或采用二次特殊防护措施来处理, 如保温、密封、除湿等手段合理提高机电设备或控制电柜的防护等级;其次再考虑冷链仓储体系的整体布局、功能配置以及存储单元或货物的类型、出入库系统的输送速度以及分岔、合流点的数量等因素, 力求满足仓库的出入库效率、运行可靠度等配置要求。

四、子母穿梭式冷链仓储系统的安装调试与评估

子母穿梭式冷链仓储系统是一个多设备多任务流的智能动态管理系统, 各组成元素之间是相互联系相互影响的。

1. 多层子母穿梭式钢货架结构在

保证整体结构的强度、刚度和稳定性的前提下, 在安装前需要评估地面基础的承载满足性。即, 依据客户冷链仓储模型计算钢货架结构的柱脚压力及其钢货架区域内的承载平均静荷载等, 结合库内运行设备的动静态荷载作用, 有效校核基础承载满足性。

2. 钢货架结构的制造与安装精度

和性能评估, 直接影响系统配置设备的使用性能与工作可靠度, 也是子母穿梭式冷链仓储系统设计的有效实施与保证手段之一。如, 穿梭子车、穿梭母车运行导轨梁在多荷载状态下的挠度变形的安装适应性调整、对接缝隙修正与平整度调整等直接影响到穿梭子车、母车的行走与定位精度、运行平稳性和使用寿命等;多层子母穿梭式钢货架结构的安装验收中必须有效检查无载和有载状态下钢货架的静态结构参数及其变化范围、安装精度符合项等;由于客户地面基础水平的不均匀差异与未来沉降、货架立柱的制造误差与安装误差、同层装配部件的制造安装精度影响等都可能造成同层高度水平误差或偏差, 子母穿梭式冷链仓储结构选用可调立柱地脚结构是一种比较经济可行的解决方案, 既可以确保一次性调平, 也可以根据项目实际运营后存在的基础不均匀沉降等影响, 方便实现二次调平作业。

3. 有效评估穿梭子母车、提升

机、输送机等单机设备运行可靠度及其功能满足性, 并通过多设备联合调试来有效评价与此关联的设备配置精度的合理性和性能影响度。如, 托盘提升机进出口端与相配置的立柱或导轨端部在无载、满载状态下的绝对位移偏差值、公差、安装误差等决定了配置过桥的结构设计与制造精度、设备运行控制的模式或者穿梭车配置多个行驶轮的方式等;设备专用的导向轨、钢货架结构中配置的定位件、保护件等的制造安装精度将直接影响到设备的运行定位精度和导向运行性能, 也会影响到设备的运行速度和定位效率。

4. 评价控制系统的稳定可靠、动作快速响应、信息传输准确无误。

本系统中各单机以可编程控制器PLC为控制核心, 以编码器、激光测距等检测元件实现认址定位, 以红外、载波通信、无线通信等方式实现与上位机的数据传输和交换, 配备有检测开关、磁开关或超声波、激光区域雷达等传感器以实现安全防护, 精确定位于各个输入、输出工位, 准确地完成托盘单元货物的调配或移载, 并准确反馈库存位置调配、出入库信息等。

5. 整线系统运营效率和运营质量评估。

多因素分析、多设备联调、结构优化、软硬件配套及子母穿梭式立体库的安装调试是确保系统成功运行的关键要素。

6. 综合考虑系统运营的人员配置

与操作培训、售后服务、系统优化与提升等服务, 确保子母穿梭式冷链仓储系统的可靠、高效、经济运行。

五、子母穿梭式冷链仓储系统的案例分析

本项目为子母穿梭式冷链仓储工程, 货物规格为1200W×1000D×1350H (mm) , 其中包含托盘高度, 在整线系统配置中设置货型检测入口, 含托盘前后光电检测及其荷载检测, 多位置光电检测等, 可对入库实托盘或空托盘垛进行长、宽、高三个方向的外形检测, 以避免不良货形进入仓储中心, 而造成意外事故的发生。

货物最大单重:750kg/托;总储位数:5006托, 主要采用川字底四面可叉取塑料托盘, 且确保满载情况下托盘底部最大变形量不超过10mm, 在托盘固定位置黏贴托盘条码, 且确保条码黏贴时的偏差角度不大于5°, 配套相应的固定条码读取器, 以获取有效的出入库信息, 实现储位有效管控。使用环境:-18℃~25℃ (生产车间为26℃~28℃, 高温冷藏库区为2℃~6℃, 低温冷藏库区为-18℃~-23℃, 发货月台8℃~10℃) ;日工作时间;入库20小时/天, 出库10小时/天, 子母穿梭式货架巷道板深主要以7板、8板深为主;钢货架整体水平度采用可调货架立柱柱脚螺栓调整;库区内存在一定的建筑干涉柱结构, 会损失部分有效存储储位, 不有利于钢货架结构的有效空间布局, 可局部利用为有效穿梭子车充电位, 针对低温冷藏库区的作业子车采用超级电容模式替代锂锰电池, 能有效解决超低温环境下锂锰电池难充电或充电效率不高的问题。

本项目选择钢货架结构主材为:Q 2 3 5 B、Q 2 3 5 D并分区域处理, 立柱截面规格:100W×60H×2.0t×8650L (W:截面宽;H:截面高;t:截面厚度;L:型材长度;D:深度;量纲为mm) ;载重轨道支撑梁及顶横梁采用40H×40W×1.5t×1350L方管制作, 选用特制穿梭子车导轨和母车导轨, 确保轨道连接接缝不大于3mm, 让穿梭子车运行和单元货物存储等功能集于一体, 极大地提高了穿梭式钢货架结构的整体稳定性;经有限元结构模型分析与校核, 本案满足结构设计要求。

在本项目中, 穿梭子车多台, 外形尺寸:1086W×1000D×179H (m m) , 抬升高度:1 8 0 m m, 额定荷载1 2 0 0 k g, 空载运行速度0.8~1.1 m/s, 满载运行速度0.7~1.0 m/s, 满载提升时间周期10s, 单机具备维修/手动/单机/在线自动/联机自动控制等操控模式, 采用60Ah免维护锂锰电池 (或超级电容) 确保≥1500次冲放电次数, 使用寿命大于5年, 穿梭子车的主要功能是将托盘单元货物按照客户工艺流程和巷道板深的需要完成货物的单巷道动态移载或货物调配任务。

穿梭母车多台, 外形尺寸:2500W×1500D×1000 H (mm) , 额定荷载1000kg, 满载运行速度可达到2.0m/s, 空载运行速度可达到2.2m/s, 移栽速度可达到12.0m/min;运行定位精度达到±3mm, 激光定位寻址, 采用双电刷带弹簧压紧机构的集电器供电:AC 380V 3相4线, 3KV/A;提供维修/手动/单机/联机/在线自动等多种操作模式, 设置有母车缓冲模块、断电保护模块及其防掉落平台等, 完成穿梭子车换巷道、换层作业或托盘单元货物的在主通道某巷道口到提升机的动态移载或货物调配任务。

托盘提升机多台, 采用激光精准定位, 升降速度可达到:40m/min, 移载速度12m/min, 额定承载900kg, 最低取货高度500mm, 满足穿梭子车的运行效率、穿梭母车的运行效率及其托盘提升机运输能力的匹配, 实现托盘单元货物的换层作业或进出库作业。

母车换层提升机多台, 升降速度24m/min, 额定承载500kg, 提供维修/手动/单机/联机/在线自动等多种操作模式, 实现穿梭母车的换层及运输能力的调配、维修保养等功能。

链式输送机, 输送速度12m/min, 额定承载750kg, 采用变频调速操作模式, 实现不同温度区域内仓储托盘单元货物的输送调配工艺流程的连续, 并与快速提升门配置形成温度有效隔离。

拆/码盘机若干, 综合平衡整体方案的运作效率, 确保整个项目满足:入库30~100托/小时, 出库满足70~180托/小时。

本项目中, 整座冷库系统按其功能共划分为:进货作业区、高温冷藏库区 (2℃~6℃) 、低温冷藏库区 (-18℃~-23℃) 、出货作业区、穿梭车特定在线充电区、立体仓库监控区等;设置有多台套快速提升门, 开启速度:1.5m/s, 关闭速度0.8m/s, 使用寿命大于100万次, 门板厚度100mm, 以有效隔离入库端、缓冲间、高温冷藏库区、低温冷藏库区, 并通过特定设计的输送设备与各不同温度作业区域进行物流贯通和流程作业的连续性。其中, 子母穿梭式钢货架结构体包含:四至五层穿梭式货架、穿梭子车、穿梭母车及其轨道结构、维修平台、电气系统等, 以及托盘提升机系统、输送线及外形检测设备、LED显示屏幕、仓库管理系统 (WMS) 、电气控制系统、监控管理系统以及操作终端设备等, 信息管理系统具有系统维护、物料管理、数据维护、数据查询、设备运行状态显示、设备远程控制、自动事务处理以及与其它信息管理系统的接口等功能。

本项目能满足客户的基本物流工艺性要求, 整座冷库系统采用标准的三级控制系统:

图1:基本方案局部区域规划示意图   

1. 单机手动、自动。

多台穿梭子车、多台穿梭母车、托盘提升机等为独立可运行控制单机, 每台单机上配有PLC控制器1套, 可由上位控制机通过无线局域网下发指令或接收特定信息, 或利用机上按钮或遥控器输入手动操作指令, 完成特定的存货取货作业、设备检修或调整等, 形成独立的单机实时在线运行模式、离线运行模式或手动模式等。

2. 监控机—单机自动。

由工控机担任监控机, 控制仓库中穿梭子车、穿梭母车、托盘提升机和出入库系统等单机设备的作业状况, 单机设备根据接收到的指令, 完成各自的控制任务, 整个冷库系统由监控机统一调配或控制。

3. 管理机—监控机—单机自动。

由管理计算机向工控机发出操作指令, 再由工控机将管理计算机的指令, 分别发送至仓库中各独立的单机, 单机设备根据接收到指令, 完成各自的控制任务, 形成“全自动”的实时控制。管理计算机同时具有自动分配地址、控制优先级、自动解封锁单步或多步路径或巷道、自动更改库存、报表生成等功能, 让作业精准自动化。

基本方案局部区域规划示意图, 如图1。

六、结语

子母穿梭式立体库的系统规划和设计是比较复杂的过程, 涵盖子母穿梭式立体库系统规划、流程设计、设备选型、土建配合、项目管理、系统接口、系统测试、系统上线运行等诸多方面, 是一门涉及多学科、多领域的复杂系统工程;既要考虑钢货架结构的稳定性和结构的承载性, 又要考虑穿梭子车在货架钢结构体系中的运行配套性和操作智能化、高效化, 也要考虑穿梭子车搬运托盘过程的动态平稳性和钢货架结构体的动态承载稳定性, 也要考虑叉车、穿梭母车等搬运设备对于穿梭子车的操作效率与配套性, 也要考虑其它周边设备的匹配, 这些都对子母穿梭式立体库的应用提出了更高的开发应用前景。

通过子母穿梭式立体库中钢货架结构系统的设计、有限元建模与校核、案例中穿梭子母车等物流搬运设备的配置方案以及案例说明等的探讨, 以期阐述子母穿梭式立体库的内部结构与设备配置中的内在关系, 确保子母穿梭式立库项目运作的可靠性、安全性和经济性, 也希望以此与同行交流学习。