穿梭車系統在聚烯烴成品自動化倉庫中的適用性和可行性

文/盧會超 李成友 孫明偉 儲汝濤 李 季

近年來，隨著物流行業的飛速發展，穿梭車系統在各領域自動化物流系統中應用日益廣泛，涉及煙草、輪胎、醫藥、化工、酒業、快消品、部隊、家電、電商等多種行業。穿梭車系統在總體規劃布局中，大大簡化了立體庫前端輸送工藝線路，使得布局更加緊湊、簡捷；加之其本身動態移載的特點，物料可以在不同工位之間傳送更加快速和準確，從而大大提高物料的運轉效率。

本文從穿梭車系統分類介紹入手，借助能力計算、仿真軟件CCLE2010和AutoMod，結合昆船公司部分項目實施案例，通過綜合分析，得出不同類型穿梭車系統在不同輸送需求場合的適應性。進一步對石化行業穿梭車系統的應用規劃案例進行歸納總結，從而驗證了穿梭車系統在聚烯烴成品立體倉庫自動化方案中的適應性和可行性。

圖1 昆船往復式穿梭車

穿梭車系統介紹

一般來說，從運行方式上，穿梭車可分為往復式穿梭車和環行穿梭車，根據昆船穿梭車產品系列，往復式穿梭車可細分為直軌、L型軌、U型軌等單軌/雙軌穿梭車；環行穿梭車又可細分為單/雙軌、無道岔、不可換軌型環穿系統和雙軌、帶道岔、可換軌型環穿系統。

1.往復式穿梭車系統

往復式穿梭車是一種智能型軌道搬運設備，如圖1。在電控系統控制下，通過條碼/激光認址，精確定位于各個輸入、輸出工位，接受物料后進行往復雙向運輸，可以實現不同方向上物料的輸送。

往復式穿梭車系統是自動化物流系統中重要的輸送設備，它外形美觀，結構簡潔，整個運行過程機動靈活，能在有效輸送路線上實現輸送目的地的任意變動。一套往復穿梭車系統往往可以代替大量的不同類型的輸送機和升降輸送機，不僅降低了自動化物流系統投入成本，而且減少了輸送設備的占用面積，可提高倉儲的空間利用率。但在進行自動化物流系統的總體方案規劃設計時，整個自動化物流系統輸送能力的瓶頸點往往也是穿梭車系統，因此往復式穿梭車系統的最大輸送能力決定了其在不同規劃方案中的適用性和可行性。

昆船某項目直軌穿梭車系統利用物流設備能力計算軟件CCLE2010（昆船公司利用從事物流設計10多年的豐富經驗，針對物流系統中常用的關鍵物流設備提供的單機快速能力計算軟件，是國內首家擁有自主知識產權，針對能力計算申請著作權登記的軟件）對其進行能力計算。具體能力計算輸入參數如圖2。

穿梭車系統具體仿真能力計算結果如圖3。從圖3我們可以看出，當穿梭車軌道長約40米，輸入參數為水平運行速度160m/min，加速度為0.5m/s2，輸送速度為12m/min時，能力計算出該穿梭車系統輸送能力為74.8托/時，根據昆船多年的工程實施經驗，該結果也比較符合實際。當往復式穿梭車系統運行軌道長度適中，接貨站臺布置簡單時，系統最大輸送能力不超過80～90托/時；當往復式穿梭車系統運行軌道長度增加，接貨站臺布置復雜、數量較多時，系統輸送能力將大大降低。

對于往復穿梭車系統一般采用單車配置，即便采用一軌雙車或者一軌多車系統，控制策略多采用分區作業形式，因為穿梭車系統往復運行的特性，若有兩臺或者多臺車子同一軌道上運行時，會產生交叉避讓現象，多車運行反而降低系統能力，故當輸送系統要求能力大于80～90托/時且系統不具備分區作業的情況下，往復式穿梭車系統適應性和可行性失效。

圖2 某往復式穿梭車系統能力計算輸入參數

圖3 某往復式穿梭車系統能力計算結果

圖4 老板電器項目1樓的環穿系統

圖5 某單軌、無道岔、不可換軌型 環穿系統仿真界面

2.環行穿梭車系統

環行穿梭車系統由往復式穿梭車系統發展而來，是在往復式穿梭車單條直行軌道基礎上，再增加相同的一條直行軌道和兩端彎道便形成了環行穿梭車系統的運行軌道，在該環行軌道上可以有多臺穿梭車同時沿順時針/逆時針單方向環形運行取代往復穿梭車系統的往復運行，從而彌補了往復式穿梭車輸送能力不足的缺點。

環行穿梭車系統是一種智能軌道導引型搬運設備，它是一種高速、高效的平面自動輸送設備，具有高度的自動化和靈活性，可以實現不同方向上物料的輸送。一個合理布局的環行穿梭車系統可以代替若干臺直線穿梭車及輸送機、甚至無人導引車的工作。

（1） 環行穿梭車系統（單/雙軌、無道岔、不可換軌型）

單/雙軌、無道岔、不可換軌型環行穿梭車系統是為適應現代化物流系統的快速發展而開發的智能型單/雙軌道導引搬運設備。在電控系統控制下，通過條碼認址精確定位于各個輸入、輸出工位，接受物料后進行環行單向運輸，可以實現不同方向上物料的輸送。老板電器項目1樓的環穿系統，如圖4。

①單/雙軌、無道岔、不可換軌型環行穿梭車系統的典型案例應用

a.茅山老板電器數字化智能制造基地是廚電行業第一個智能化工廠，入選了國家工信部智能制造試點示范項目。

b.杭州老板電器茅山智能制造基地智能物流倉儲中心，是目前國內家電行業存儲物料單元尺寸最大（托盤尺寸2100×2000×1650mm）、貨架堆垛機最高（高度31.55m）、巷道最長（長度151.8m）、存量最大（庫區占地面積21120平方米，存儲貨位數量32976托盤位）、自動化程度最高的自動化立體倉庫。

立體庫含3套環行穿梭車系統，可同時滿足各種成品配件出入庫，穿梭車臺數近40臺，滿足最大出入庫流量約650托/時需求。

②單/雙軌、無道岔、不可換軌型環行穿梭車系統輸送能力

圖5為昆船某實施項目單軌、無道岔、不可換軌型環穿系統利用目前國內物流界應用最早、最權威的仿真軟件AutoMod對環穿系統進行建模，系統連續運行10小時后（臺數分析范圍為1～20臺），輸出的Line Graph：

從圖6中我們可以看出，當環穿系統臺數增加到12臺時，系統能力達到240托/時，臺數為20臺時，系統能力為265托/時，在系統臺數由12臺增加到20臺過程中，系統共增加了8臺車，但系統能力只提升了25托/時，也就是說，當臺數達到某個值時，系統再增加穿梭車數量已經對系統能力無實際影響，或者說系統能力已經飽和。這是因為在站臺較多的情況下，穿梭車接送貨物需要排序。隨著穿梭車數量的增加，車輛的交通堵塞現象會非常嚴重，此時環穿調度系統變得尤為復雜，系統成本也隨之大幅增加，若系統能力要求再次增加/大幅增加，整個環穿系統運送能力變得愈發的低效，適用性、可行性以及性價比變差。此時，可換軌型環穿系統的出現很好的解決了該問題，在系統處理能力要求≧230～250托/時，表現出了較強的適用性。

（2）環行穿梭車系統 (雙軌、帶道岔、可換軌型)

環行穿梭車系統(雙軌、帶道岔、可換軌型)結合了常規懸掛軌道的優點和自身的優勢，路徑可根據企業實際需要或工藝流程來定制，故可以滿足路線靈活、大流量的需求，應用于復雜化可變順序流程，從而實現優化流程路線、提高效率。網易考拉項目 環穿系統（出廠前測試），如圖7。具體特點如下：

圖6 某單軌、無道岔、不可換軌型 環穿系統仿真結果

圖7 網易考拉項目 環穿系統（出廠前測試）

軌道線路控制靈活，可柔性的適應應工藝調整，降低流程的時間和成本；

對單機故障有較強冗余能力；

可按需求組合不同功能的載貨裝置，運行安靜；

模塊化結構適應生產布局的變化，可靈活滿足將來延伸和擴展需要。

①環行穿梭車系統 (雙軌、帶道岔、可換軌型)典型案例應用

網易考拉海購寧波1號保稅倉自動化立體倉庫系統項目。

該項目是網易考拉在國內投入最多、規模最大、自動化水平最高的跨境智慧保稅倉戰略項目。

面積達34萬平方米，可滿足超過6000萬件商品的存儲要求，跨境訂單處理能力可達每日30萬件，一年可處理超過1億件跨境訂單。

立體庫含2套環行穿梭車系統，需滿足總出入庫量約900托/時；兩套系統含約15個道岔，軌道總長約1.6km軌道，穿梭車總臺數約80臺。

②環行穿梭車系統 (雙軌、帶道岔、可換軌型)輸送能力

在系統功能上，環行穿梭車系統(雙軌、帶道岔、可換軌型)實現了往復式穿梭車和環行穿梭車搬運系統的全部功能，包括直行、轉彎、分岔行走和搬運。在道岔處需要改變行走方向時由穿梭車自己根據轉向要求通過轉向機構實現行走方向的改變, 從而實現設備自主換軌轉向，并采取單車獨立控制，自主選擇路線執行上位系統下發的任務，具有較高的效率。

由應用案例介紹可以知道，相較于傳統形式的環行穿梭車系統（單/雙軌、無道岔、不可換軌型），環行穿梭車系統（雙軌、帶道岔、可換軌型）單套系統最大輸送能力可達近500托/時，更加適用于流量大、距離長、工藝布局復雜狀態下的物料輸送，具有較高的輸送靈活性、響應時效性和供料連續性。

圖8 規劃方案（三維立面圖）

圖9 規劃方案（二維平面圖）

二、石化行業聚烯烴成品立體倉庫自動化系統規劃特點

1.石化行業產品工藝流程

（1）成品托盤入庫和空托盤組出庫的流程

聚烯烴顆粒（25kg包裝袋）由生產線經包裝線碼垛機、纏膜機完成碼垛（在包裝碼垛機組進行包裝時，已經在控制系統中通過托盤數字條碼/RFID電子標簽標記上物料的種類、批號、生產日期等特征信息）、纏膜以后，送至入庫站臺，進行外檢、條碼讀取，合格后，由入庫輸送系統送至堆垛機入庫輸送機上，再由堆垛機將成品托盤送入立體庫指定貨位上，系統自動更新數據庫，入庫完成。

若外檢不合格或條碼讀取失敗，則由輸送系統送至剔除站，通知人工通過無線手持處理。

當空托盤組需出庫時，上位系統向計算機系統下達物料出庫指令，計算機系統自動生成出庫任務，調度堆垛機從立體庫中取出相應空托盤組，并搬運至出庫輸送機上，出庫空托盤組由輸送系統輸送至空托盤組供給線，經托盤拆分機拆分為單個空托盤輸送給包裝線碼垛機使用。

（2）成品整托盤出庫（平板車/集裝箱/火車發貨）和空托盤組返庫的流程

當聚烯烴成品托盤需整盤出庫時，上位系統向計算機系統下達物料出庫指令，計算機系統自動生成出庫任務，調度堆垛機從立體庫中取出相應托盤，并搬運至出庫輸送機上，出庫托盤由自動輸送系統輸送至平板車/集裝箱發貨站臺，叉車工裝車根據LED屏上顯示信息將貨物搬運相應車位。若托盤與物料需分離，可采用自動翻轉機構將兩者分離后，被叉車搬運至發貨車輛上，單個空托盤自動輸送至托盤碼分機將單個空托盤碼成垛后，再由自動輸送系統送至空托盤組入庫站臺進行入庫。

2.規劃案例及布局

（1）規劃案例一

①存儲物料

a.儲存物料名稱：高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）產品和乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）。

b.產品特性：顆粒狀，流動性好、無毒、無腐蝕性、可燃。

c.火災危險性類別：丙類。

②設計依據

a.倉庫工作時間與出入庫流量：

入庫二班制，出庫一班制，每班8小時；

b.出入庫流量：

北側成品入庫量:220垛/小時；

南側成品出庫量275垛/小時，EVA入庫量為40垛/時。

c.出庫方式：

平板貨車，裝車位按需配置；

集裝箱貨車，裝車位按需配置。

③規劃布局

a.北側：O型單軌、無道岔、不可換軌型環行穿梭車系統；

b.南側：L型雙軌、帶道岔、可換軌型環行穿梭車系統。

④本案例規劃方案圖，如圖8

（2）規劃案例二

①存儲物料

a.儲存物料名稱：聚丙烯（PP）產品。

b.產品特性：顆粒狀，流動性好、無毒、無腐蝕性、可燃。

c.火災危險性類別：丙類。

②設計依據

a.出入庫流量:

成品入庫量：160托/小時；

成品出庫量：250托/小時。

b.出庫方式:

平板貨車，裝車位按需配置；

集裝箱貨車，裝車位按需配置。

③規劃布局

a.入庫端：L型單/雙軌、無道岔、不可換軌型環行穿梭車系統；

b.出庫端：L型單/雙軌、無道岔、不可換軌型環行穿梭車系統

④ 本案例規劃方案圖，如圖9。

（3）規劃案例三

①存儲物料

a.儲存物料名稱：聚丙烯（PP）產品。

b.產品特性：顆粒狀，流動性好、無毒、無腐蝕性、可燃。

c.火災危險性類別：丙類。

②設計依據

a.倉庫工作時間與出入庫流量:

入庫：12小時；出庫：8小時；

平均實托盤入庫量：360盤/小時；

平均出庫量：540盤/小時。

b.出庫方式:

平板貨車，裝車位按需設計；

集裝箱貨車，裝車位按需設計；

火車發貨，裝車位按需設計。

③規劃布局

a.入庫端：T型雙軌、帶道岔、可換軌型環行穿梭車系統；

b.出庫端：T型雙軌、帶道岔、可換軌型環行穿梭車系統。

④本案例規劃方案圖，如圖10。

（4）規劃案例四

①存儲物料

a.儲存物料名稱：高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）產品和乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）。

b.產品特性：顆粒狀，流動性好、無毒、無腐蝕性、可燃。

c.火災危險性類別：丙類。

②設計依據

a.倉庫工作時間與出入庫流量:

入庫：24小時；出庫：11小時；

b.平均實托盤入庫量：200盤/小時；

c.平均出庫量：270盤/小時。

③規劃布局

a.入庫端：O型單/雙軌、無道岔、不可換軌型環行穿梭車系統；

b.出庫端：L型雙軌、帶道岔、可換軌型環行穿梭車系統。

④本案例規劃方案圖，如圖11。

圖10 規劃方案（二維平面圖）

圖11 規劃方案（二維平面圖）

三、總結

近年來，隨著經濟的快速發展，中國石化工業發展加速，聚烯烴裝置開工率高達90%以上，新增產能迅速增長，單就聚乙烯產品來說，中國已經成為僅次于美國的世界第二大生產國。加之受行業下游需求旺盛的影響，未來聚烯烴行業格局良好。但與之相反的情況是，目前石化行業落后的儲存和搬運方式已嚴重制約行業的發展?，F行較為常規的做法為叉車倉庫，聚烯烴成品垛盤或噸袋由叉車搬運至平庫，并堆成2～3 層的料堆，完成儲存作業。

隨著石化行業第一個聚烯烴成品立體倉庫—中石化鎮海煉化立體庫的投入運行，自動化立體倉庫以其土地利用率高、自動化水平高、物流管理先進、人力成本節省等優點，已逐步成為石化企業倉庫建設的首選。本文通過理論計算結合實際案例，確定了往復式穿梭車系統，單/雙軌、無道岔、不可換軌型的環穿系統，雙軌、帶道岔、可換軌型的環穿系統等的最大輸送能力，明確了三種類型穿梭車系統適用性，結合昆船在石化行業聚烯烴成品立體倉庫4個規劃案例中所用的穿梭車系統，驗證了具備更快、更智能、更高效的性能特點的穿梭車系統在其中的合理性、適用性和可行性，與此同時，穿梭車系統應用也滿足了當前石化行業立體倉庫物料輸送的實際需求。