超大超長物料整廠自動化物流系統規劃要點

2022-10-11 09:34:38馬笑

物流技術與應用 2022年9期

文 / 馬笑

山西迎才物流設備科技有限公司

隨著中國制造業加快轉型升級，國內有色金屬行業近年來開始采用長大物料自動化立體庫。本文以山西迎才為某鋁材企業實施的整廠自動化物流系統項目為例，詳細介紹了解決方案規劃要點、系統構成、業務流程、項目難點與應用效果。

馬笑山西迎才物流設備科技有限公司

傳統工廠正在向智能工廠生產運營模式轉變，整廠物流系統升級優化是重要的一環。大型物料、細長桿件類產品的搬運、倉儲一直是有色金屬行業面臨的痛點問題。自動化物流系統要想與產線對接，不僅需要根據企業實際做好物流方案規劃設計，還需要開發大量的專用設備。

有色金屬行業呼喚自動化物流技術

大型物料、細長桿件類產品的搬運與倉儲，一直是有色金屬行業、超大重型物料行業面臨的問題。這些行業在物流方面遇到的問題主要有，搬運勞動強度大、工序復雜搬運次數多、安全隱患大、信息數據復雜、占用設備投資多、耗費人力資源龐大、搬運過程中物料損耗較大。這些痛點問題亟待解決。

據不完全統計，國內普通常規自動化立體庫集中在托盤貨物載重1噸左右，體積1立方米左右，從數量上占絕大多數。而重型自動化立體庫，托盤貨物重達幾噸甚至幾十噸，長期以來供應商以國外企業為主，如，有色金屬行業市場基本掌握在德國西馬克SIEMAG（2011年其為洛陽某企業做的立體庫，載重32.7噸，速度200m/min）、沃樂特VOLLERT、歐碼福OMAV等公司手中。重載自動化立體庫如果再加上高溫等特殊使用要求，國內企業在該領域基本空白。

近年來，除了重型貨物，長大型物料也對自動倉庫提出了需求。如，幾米長的細長桿件（超過6000mm）的搬運、堆疊，這個過程中要有碼垛、拆垛、旋轉、懸掛等各種作業要求，而且貨物運輸過程中容易出現互相剮蹭、表面劃傷等貨損現象，甚至設備操作人員都面臨較大的安全風險。

更為重要的原因是，目前中國社會存在倉儲作業招工難的現象，在經濟發達地區，勞動力更為短缺，因此越來越多的企業提出了用自動化設備代替人。

基于以上因素，采用現代物流技術設備解決企業遇到的問題顯得極為迫切。近年來，國內企業開始嘗試規劃建設專門用于長大物料的重型自動化立體庫。山西迎才物料設備科技有限公司的核心技術團隊，憑借近30年來的立體倉庫技術，積極拓展自動化物流系統在鋁材行業的應用，在中國有色金屬行業積累了一些經驗。

解決方案

自動化物流系統與產線對接需要開發大量的專用設備。例如，在鋁加工行業，自動裝框設備非常重要，需要專門設計。

1.專機開發，設備對接

（1）自動裝框

為了物料搬運方便，需要裝框搬運。為了裝框，傳統的人工搬運，已經不能適應市場變化。目前市場上的自動裝框基本是有固定高度節距的。這種作業方式缺點非常明顯，無論在寬度還是高度上都不能使料框裝滿，帶來了兩個問題，一是物流搬運量加大，二是時效成本驟增。

（2）無固定高度自動裝框

無固定高度裝框是一種基于較高精度檢測技術的裝框技術，該技術的實現有助于減少周轉框數，減少物流搬運次數。見圖1、圖2。

圖1 貨壓貨，無固定高度裝框

圖2 裝框作業中檢測

2.裝框后搬運

對于一個擠壓工廠，擠壓機是不能停的，物流要保證擠壓機的有效運轉。自動裝框完成后的料框，一般要求3分鐘內把滿框送走，把空框送到自動裝框需要的位置。為了保證有效實現連續作業，以下兩個因素務必考慮：一是如何實現連續生產，二是為連續生產考慮的冗余設計。

如圖3，自動裝框完畢后直接送到左側，同時另外一個空框送到自動裝框點就可以實現連續生產。間隔時間允許，就應該采取自動裝框形式，參見圖4。

圖3 單一輸送

圖4 時間允許的單一輸送

如果自動裝框的效率足夠，就應該考慮更為簡潔的形式，同時并排三個空框用于自動裝框。這個方案的缺點是，如果自動裝框機發生故障，無法采用人工裝框替代，只能停機。參見圖5。

圖5 并排輸送，理論實現

如圖6所示，當滿框裝滿，如果只考慮RGV輸送頻率，那是足夠的；但如果要考慮同時呼叫RGV工作，須考慮這種重復疊加的效應會導致RGV無法來到擠壓機工作的時長。這時候做冗余的緩存設計就非常必要。

圖6 冗余設計輸送緩存，但能保證有效生產

整廠物流解決方案

下面以某鋁材行業實際項目為例，介紹超長超大物料整廠自動化物流解決方案從規劃到落地的探索與思考。

1.整體布局考慮

對于某工廠而言，產品的生產工序可以簡單歸結為從熔鑄、擠壓、時效（分為噴涂與電泳）、包裝、分料、入庫存儲到裝車發運。

據不完全統計，1噸成品的制造過程中，一般會出現50噸以上的搬運量。這樣的搬運次數和效率對打通各環節的調度搬運提出了比較高的要求。而在生產過程中，大量的往復調運具體而且復雜。如圖7所示，針對某工廠物流，需要將擠壓生產后的金屬產品進行時效處理，而其中一個車間就存在從擠壓機到時效爐需要分別調度到不同的時效爐。

圖7 整廠物流系統俯瞰圖

在規劃方案的過程中還要考慮到，如果目標時效爐出現故障，就需要將物料智能運輸到另外的爐子里，這就是智能調度。

2.方案規劃

（1）倉庫需求分析

項目要求成品出庫量每天4 0 0噸，按照平均每框0.5噸，8小時工作計算，出庫量為100框每小時；成品入庫每天400噸，按照平均每框0.5噸，20小時工作計算，入庫量為40框/小時。以上成品出入庫為140框/小時，與此同時，要求此物流系統每小時由庫房向生產線回流空框140框/小時。

要求素材入庫每天330噸，按照平均每框0.5噸，20小時工作計算，入庫量為33框/小時；與此同時，要求此物流系統每小時由庫房向生產線回流空框33框/小時。

以上總出入庫量為140+140+33+33=346框/小時。

①總體工藝布置

整個自動化物流系統包括鋼結構立體貨架1座，其中巷道堆垛機21臺，入出庫輸送系統3套，計算機管理監控系統1套。作業區主要劃分為立體庫單元貨物存儲區，入庫作業區，出庫作業區。參見圖7、圖8。

圖8 實例俯瞰圖

②整體布置方案

分三層來進行出入庫作業，參見圖9、圖10。各層工作內容作如下劃分：一層出庫口布局，設置6個裝車位。在調運量能力上，一層負責約60%的成品出庫（60托、30次作業），二層負責約40%的成品出庫（40托、20次作業）。在空框調運上，二層負責約50%的空框（50托、25次作業），三層負責約50%的空框（50托、25次作業）。三層之間的轉運通過垂直輸送機完成。

圖9 設備分布三層側視圖

圖10 垂直輸送機輸送成品、素材關系圖

③貨物貨位托盤尺寸關系

單元貨物的確定，物流單元器具采用平底料框，參見圖11。

圖11 平底料框圖

根據行業標準《有軌巷道式高層貨架倉庫設計規范》（J B/T 9018-1999），根據現場所需托盤為6000×1000mm和6500×1000mm兩種長度，確定貨架列距為圖12所示。

圖12 貨架列距

設計干貨總結：貨架設計有兩點需要考慮：第一，為了防止貨架橫梁的扭轉，每一格貨格都需要增加橫拉，以加強橫梁的強度，這在國內外的貨架設計標準上還沒有涉及；第二，平底料框需要增加墊梁，以方便堆垛機叉取。如12圖所示。有些項目的料框有貨叉叉取空間，所以貨架不需要設計墊梁，參見圖13。

圖13 貨架不需要設計墊梁

在載重方面，按照每框1500kg設計。這個數字根據各個工廠的情況具體設計。

④立體庫布局

立體庫參見圖14。加高現有廠房，可以使貨物倉儲達到20/21層，這樣充分利用現有空間，使空間儲存最大化。這一方案需要同設計院共同解決。

圖14 立體庫側視圖

圖17 包裝區和素材區入庫碼頭與提升工位設計

貨架整體分布為排16列，其中三列為6500mm的鋁材設計，其它為6000mm設計。參見圖15。

圖15 貨架正視圖

設計干貨總結：庫區容量的大小，一般成品庫按15天到20天的產量來規劃，素材庫按照一周的產量設計，空框則按照2～3天的使用量來設計其存儲量。

⑤功能區域劃分

項目規劃，按照成品存儲區、素材與成品混放儲存區共兩個區域考慮。在素材與成品儲存的位置關系上，素材與成品混放區要設計在靠近生產一端，這樣方便穿梭車調度時最大限度地提高運行效率。參見圖16。

圖16 成品與素材功能區域圖

（2）入庫流程

在包裝區和素材區共設計4個入庫碼頭，每一個碼頭都設計一臺準備提升的貨臺。實際上就是將立體庫與生產有效地進行了對接，生產完畢的產品只要放置到收貨臺，就進入到了倉儲物流系統。

如圖18，在每一個提升機的兩側設置一個成品入庫，同時從倉庫調撥來一個空框供生產區域使用。

圖18 空框出庫與成品入庫

入庫流程包括以下幾個步驟，參見圖19：

圖19 入庫流程

①入庫組盤

空料框和實料框組盤數據的生成過程有所不同。

空料框入庫，由操作員在入庫口，通過手持終端掃描料框條碼確認后，系統將自動生成空料框的組盤數據。

圖20 將生產線的觸角延伸到車間，設置幾個入庫碼頭，非常有效

實料框入庫，由接口系統自動讀取組盤數據，具體過程如下：包裝人員在包裝區將包裝好的物料放入料框，料框號采用一維條碼，并在ERP系統中錄入料框（料框號）和物料信息（物料編碼、規格、數量、重量等），接口系統自動讀取料框組盤數據，生成WMS系統入庫組盤數據。

入庫組盤數據生成后，作業調度系統根據組盤數據自動生成入庫作業（入庫作業數據包括主信息和明細信息兩部分。主信息包括作業代碼、任務號、托盤條碼、料框重量、貨位編號空料；明細信息包括作業代碼（與主信息對應）、物料編碼、物料名稱、物料規格、數量等。

②料框掃描

在每個入口輸送機上，配置一個固定條碼掃描儀。由吊車工將組盤完畢的托盤放到入口輸送機上，啟動入庫按鈕，輸送系統將觸發固定條碼掃描儀掃描料框條碼，并把掃描結果返回到作業調度系統。作業調度系統根據接收到的料框號搜索已生成的入庫作業數據，搜索到數據，則將作業任務號、目標巷道號、物料規格（主要針對長度）下達給輸送系統；否則，輸送系統將發出聲光報警，指示料框無錄入信息，同時懸掛于入口的LED屏也將提示掃碼錯誤。如果固定條碼有掃描儀無法掃到條碼，系統將報掃碼錯誤，可通過手持終端補錄料框條碼。

③稱重檢測

如需稱重，可將稱重傳感器配置到入口的第二節輸送上。當料框到達第二節輸送上時，輸送系統將把自動讀取的料框重量上傳到調度系統。調度系統根據入庫作業中存儲的料框重量與實際讀取的料框重量進行比較。如果重量之差相差5kg，料框將退回到入口第一節輸送上，并發出聲光報警，同時在懸掛于入口的LED屏上將提示料框稱重有誤，等待人工處理，人工處理后需要重新啟動。

④外形檢測

稱重和外形檢測是同時進行的。外形檢測主要包括超長檢測和超高檢測，在入口的第一節和第二節輸送之間設置有外形檢測裝置。當料框從第一節輸送到第二節輸送的過程中，如果料框超高或超出設定的長度，系統將發出聲光報警，同時自動退回到第一節輸送上，等待人工處理，LED屏上將會提示尺寸檢測有誤，人工處理后要重新啟動。

⑤輸送機送貨

外形和稱重均檢測合格的料框，將由一層的入庫輸送系統、提升機、二層的入庫輸送系統，將料框依據巷道號送到相應巷道口的入庫輸送上。

⑥堆垛機送貨

當料框到達入庫巷道口輸送時，入庫輸送系統將把料框的作業任務號通知作業調度系統。作業調度系統將調度相應的堆垛機，從巷道口輸送上取物并送到指定的貨位上。

⑦賬目處理

當作業調度系統監控到堆垛機完成相應的入庫作業后，將進行必要的賬目處理，如標記入庫作業完成、貨位信息狀態修改、庫存數據添加等。至此，入庫流程完成。

（3）成品入庫、素材入庫路線

從生產區域搬運過來的成品通過雙工位的穿梭車進行調度，以便進入不同的巷道。參見圖21。

圖21 成品、素材入庫

穿梭車交接點是為了讓穿梭車實現高效搬運而設計的，這樣從調度角度可以實現每次搬運的雙工位，參見圖22。

圖22 穿梭車交接點設計

經過計算，穿梭車的運行頻率不夠，可以通過接力的方式實現貨物搬運。參見圖23、圖24。

（4）素材出庫與成品出庫路線

出庫分為素材出庫、成品出庫、空框出庫。參見圖25、圖26。

圖26 成品出庫從一層和二層完成

（5）出庫流程

出庫流程包括以下幾個步驟：

①生成出庫單

當需要出庫時，首先應由出庫倉管員根據銷售單在WMS 管理系統中生成出庫單，也可通過接口系統自動從ERP系統讀取出庫信息，生成WMS出庫單。出庫單信息包括主信息和明細信息兩部分，主信息包括單據號（系統自動生成）、客戶名稱、車位號、司機姓名等；明細信息包括單據號（與主信息中的單據號對應）、物料編碼、物料名稱、批次、數量等。出庫單據主信息和明細信息為一對多的關系。

②出庫單分配

出庫單據生成后，需要倉管員在WMS系統中進行出庫單分配。可以單單分配，也可以多單分配，可手動分配，也可進行自動分配。手動分配由倉管員選擇滿足條件的貨位；自動分配由系統按照先進先出的出庫原則，自動分配貨位，貨位分配后，系統將生成出庫作業。出庫單分配時，系統將根據車位號自動生成出庫臺號（每個巷道包括東西各1個出庫臺）。

出庫作業包括主信息和明細信息兩部分。主信息包括作業代碼、托盤條碼、任務號、貨位編號等；明細信息包括作業代碼（與主信息對應）、出庫單號、客戶名稱、車位號、司機姓名、物料編碼、物料名稱、物料規格、批次、原有數量、出庫數量。

③堆垛機取貨

當生成出庫作業后，上位調度系統將調度相應的堆垛機從指定的貨位上取貨并送到巷道口出庫輸送上。

④出庫輸送系統輸送

料框由堆垛機從貨位上放到出庫巷道口輸送上時，料框由出庫輸送系統自動從第一節輸送到第二節，巷道上方的LED屏將顯示該料框的料框號、客戶信息、車位號、物料信息等，操作人員可據此將料框送到相應車位。

⑤發貨確認

當料框到達指定的車位時，操作人員利用手持終端RF進行發貨確認，系統將自動下賬。

（6）發貨裝車、空框回流路線

共設計6個裝車位，其中1號、2號垂直輸送機由2層調出后再送下。3～6號裝車位由一層穿梭車轉輸送機調出。具體流程流向參見圖27、圖28、圖29。