随着工业4.0、中国制造2025的深入人心, 智能物流仓储成为了智能工厂框架的核心环节.智能物流仓储系统在劳动力和土地成本节约、管理效率提升等方面优势明显.过去3年, 自动仓储系统的增速已经超过了工业自动化.目前, 物流技术水平在制造业中的重要地位和作用越来越明显, 已受到业界越来越多的重视.随着我国经济的发展, 制造业的物流技术也在不断转型升级, 市场竞争的加剧要求制造业物流技术和物流组织更精益、更高效, 且能够快速响应客户需求、充分实现按需制造[1,2].

在仓储物流行业竞争中, 单个物流装备的优劣固然重要, 但盲目追求单机设备的高技术指标必然要付出高能耗、高损耗、高故障率的代价.随着智能物流系统的广泛应用, 传统物流设备和物流系统解决方案在满足客户多样化需求方面日益不足.推出新型物流设备和物流系统解决方案已成为物流制造商和系统集成商保持自身市场竞争力的关键.

1 项目提出

某国际公司为满足其车间自动化生产物流需求, 需要在长度约30m、宽度约8m、高度为8.5m的空间内设置一套容量约4 000个货位的智能仓储系统, 并以8h为一个工作周期, 平均每个周转箱存放1~4种物料, 且要求单作业的出入库效率为5 000周转箱/d (8h) .笔者所在公司经过广泛调研和充分讨论, 根据自身的行业经验, 利用公司的技术优势, 提出建立以多层堆垛机为核心设备的智能仓储物流系统的开发项目, 试图满足该国际公司生产车间对物料智能化管理、高效存储周转以及库区空间最大化利用的要求.

2 多层堆垛机仓储物流系统的开发

2.1 设备构成

多层堆垛机仓储物流系统是一种新型的物流组织模式, 以料箱为存储单元, 载荷一般在50kg以内.系统主要以轻型高速堆垛机、双臂料箱提升机、库前输送系统以及承载式货架系统为基本设备架构, 以自主开发的高效管理调度系统为软件支撑.

在多层堆垛机开发中, 对传统堆垛机与多层穿梭车技术进行整合与优化, 采用轻量化、简洁化的设计理念.其整机以铝合金型材作为主体框架支撑, 采用四轮式承载结构、双侧同步齿型带提升方式和勾取式货叉结构.它具有体积小、自重轻、结构紧凑、技术参数可靠等特点.堆垛机可直接利用货架立柱作为轨道支撑, 在同一巷道的高度方向上进行多层布置.每层设备设有单独维修平台, 可在不影响其他设备的前提下进行维修维护.

料箱提升机采用单立柱双臂设计, 同步齿形带提升, 整体结构布局更简洁、紧凑、高效.料箱提升机的双伺服驱动系统和条码带同步认址, 使其具有极高的响应特性和认址精度.提升机支臂上安装的滚筒输送机负责库前站台与各层输送机之间的接泊过渡.堆垛机与库前输送系统及双工位料箱提升机配合使用, 系统通过双臂提升机对库前输送系统与目标层堆垛机进行桥接, 实现物料的出入库操作.

2.2 总体设计方案

总体方案设计应该综合考虑库区空间、预期容量、出入库效率及项目造价等因素.针对上文所述具体案例的项目要求, 可确定9跨 (每跨4列货位) 、3巷道、2层堆垛机 (每层堆垛机负责9行货位) 的库区布置.它既可满足客户对库容量及效率的需求, 又能够实现项目投资的最小化.图1所示为该总体设计方案的仓储区立面图.图2所示为该总体设计方案的系统平面图.

图1 仓储区立面图   

图2 系统平面图   

2.3 设备技术参数

项目的总体方案确定之后, 堆垛机的出入库效率主要取决于设备的技术参数.单机设备技术参数需要优化选择, 既要避免效率提升瓶颈, 又要避免效率溢出, 需要与系统整体效率相匹配.决定堆垛机出入库效率的技术参数在X、Y、Z3个方向上分别是行走速度和加速度、提升速度和加速度、货叉速度和加速度.其中, 货叉通常为标准产品, 其速度和加速度由产品自身性能决定;其余参数一般根据欧洲机械搬运协会标准FEM9.851中自动仓库巷道堆垛起重机作业循环效率计算方法确定 (图3) .取两点, 可计算平均作业循环时间.

2.4 电控系统方案

基于ProfiNet架构构建电控网络系统时, 其网络设计独立于计算机系统, 使电控系统有较强的扩展性和稳定性.通过ProfiNet网络实现设备之间的数据交换, 可以保证数据传输的实时性和及时性.

图3 自动仓库巷道堆垛起重机作业循环效率计算图 

2.4.1 电控系统功能设定

电控系统的功能主要有控制方式切换、信息查询、停电保护等.通过按钮可实现控制方式的切换.其主要控制方式有手动控制、在线控制、紧急停止和故障报警等.

(1) 手动控制方式:电气控制系统在手动操作方式下, 由人工对各电机进行正、反转启动/停止操作.

(2) 在线控制方式:通过接收上位计算机指令, 实现各输送设备的自动控制, 对物流和数据进行自动传输, 满足物流工艺流程的要求.

(3) 紧急停止及故障报警:电控柜和触摸屏具有紧急停止操作功能, 当按下急停按钮时, 该控制区域内设备全部停止运行;当系统所控制的设备出现故障时, 系统能够自动诊断并产生相应的声光报警信号.

(4) 停电保护功能:当遇故障突然停电时, 控制程序可以保持当前状态, 重新上电后根据需要继续正常运行.

2.4.2 电源和配电设计

系统电源采用三相五线制.系统配电主要分为动力供电和控制供电.其中, 动力供电主要为现场电机等设备提供三相380 V AC电源;控制供电为PLC、电控柜、分布式I/O站、现场操作站等提供220V AC和24V DC电源.24V DC电源在控制柜内, 为分布式I/O站、计量和检测器件等供电[3,4,5].

2.5 计算机信息系统

计算机信息系统包括仓储信息管理系统和监控调度系统, 是智能仓储系统的数据处理中心和监控调度核心, 运行于计算机网络系统与数据库环境下, 对自动化立体仓储系统进行管理和调度, 实现物流设备和系统的统一调度以及库存材料的统一管理和使用[6].

中央服务器通过以太网交换机, 采用TCP/IP网络协议实现其与客户端以及上位系统生产调度平台的通讯, 利用数据库实现信息的存储.信息管理系统通过以太网将作业命令传达给监控调度系统.监控调度系统将作业命令优化后分解为设备可执行命令, 通过ProfiNet工业以太网传达给设备控制系统, 以便控制设备各执行机构的快速和有效运行[7,8].计算机信息系统架构如图4所示.

图4 计算机信息系统架构   

2.6 管理模式

仓储物流系统出入库作业采用分时段的工作模式.在工作时间段, 可进行拣选出库、齐套 (周转箱所需的物料全部拣选完毕) 入库、齐套出库;在非工作时间段, 可进行空箱出库、物料入库、盘点、库位调整.工作时间内拣选站台既为入库站台也为出库站台.但在系统运行时, 为提高系统整体运行效率, 定义每个拣选站台为单一运行模式, 即下列3种模式当中的一种:“拣选出库模式”、“齐套入库模式”、“齐套出库模式”.当某个巷道拣选站台的运行模式切换时, 需完成该巷道正在执行的任务才能生效, 并可操作.非工作时间内, 物料入库为独立的入库站台, 拣选站台可作为盘点站台、库位调整站台、空箱出库站台.立体仓库定义为单一运行模式, 即下列4种模式当中的一种:“物料入库模式”、“盘点模式”、“库位调整模式”和“空箱出库模式”.当运行模式切换时, 需将正在执行的任务完成时才能生效, 然后操作[9,10].

3 多层堆垛机仓储物流系统的优势

多层堆垛机仓储物流系统可促进大宗商品的拣选、订单组合和排序, 显著提高速度、准确性与生产量.它采用尖端的控制系统和性能增强软件, 可与众多存储媒介及搬运容器配合, 轻松地适应任何形状和规模的建筑.它采用扩展的自动化存储系统, 可进行全新系列自动化解决方案的开发.

多层堆垛机仓储物流系统设计方案的高效布置, 有效地解决了传统单层堆垛机仓储物流系统的效率瓶颈问题, 使系统效率比传统单层堆垛机成倍提高, 且更节能, 将单一设备以高能耗为代价提高技术参数指标分解为更轻量化的多机作业模式.该系统可根据客户对存取效率的不同要求, 相应地扩展或缩减高度空间上的堆垛机层数.由于该系统任务执行分散化, 单台设备出现故障或维修停机后, 其他设备仍可正常工作, 大大降低了由设备停机导致全套设备瘫痪的风险.

4 结束语

多层堆垛机仓储物流系统以任务执行分散化、系统管理条理化为基本设计理念, 目前已成功应用于实际案例.该系统具有订单合理排序和自我修复功能, 作业效率比传统堆垛机提高了1倍, 大大提高了车间运转效率, 降低了人工拣选成本与出错率.其良好的工作环境和简洁友好的操作界面为客户提供了优于传统立库的工作体验.

作为国内首个多层堆垛机仓储物流系统, 为国内仓储物流行业展示了一种新的车间物流存储解决方案, 是仓储物流行业仓储系统解决方案的有效补充, 是高效率、高密度仓储系统的典型应用案例.必将在仓储物流行业起到示范效应.