鋼桶自動化倉庫設計
文/王小偉
【摘要】通過分析鋼桶的特點以及出入庫頻率，設計了專門的自動化立體倉庫。為了盡可能地提高倉庫容量，采用了重力式貨架；為了堆垛機可以連貫地執行出入庫操作，將傳送帶布置在巷道中取代出入庫臺，并設計了特殊形式的貨叉。由于倉庫中堆垛機周期與以往的不同，重新計算了堆垛機的工作周期。最后設計了倉庫的控制管理系統并通過 Flexsim 仿真驗證了方案的可行性。計算和仿真結果表明: 倉庫的設計能夠滿足鋼桶自動化倉儲的需求。
【關鍵詞】物流；自動化立體倉庫；鋼桶；堆垛機；貨叉；Flexsim 仿真
鋼桶是一種圓柱形金屬包裝容器。工業上普遍用鋼桶來存放和搬運貨物，尤其200L以上的開口、閉口大型鋼桶在聚氨酯、潤滑油、涂料、樹脂、農藥、醫藥、香料、食品、石化冶金等行業應用極為廣泛。目前國內專門從事鋼桶生產的企業數量眾多，生產規模也很大，有的年生產銷售能力達千萬只。然而這些成品鋼桶的倉儲仍然主要依靠人工搬運與堆垛。
物流自動化是企業自動化發展的趨勢。隨著工業4.0的到來，越來越多的企業加緊物流自動化的步伐，比如亞馬遜大規模移動機器人的使用，富士康的“百萬機器人計劃”等。自動立體倉庫是企業物流自動化的核心技術，對實現生產自動化有著重要的作用。
國外的鋼桶制造企業在2000年左右已將自動化立體倉庫應用到成品鋼桶的存儲了。目前國內對鋼桶的自動化倉儲的研究尚無文獻出現，專業生產鋼桶的企業仍然主要依靠人工搬運，尚未實現自動化。人工的倉儲方式不僅效率低下，而且高強度的勞動直接損害倉儲人員的健康。雖然很多使用大型鋼桶包裝的產品，比如潤滑油已經使用自動化立體倉庫實現了物流自動化，但是單純鋼桶和裝有其它產品的鋼桶除了外形尺寸相同，質量、進出庫頻率、庫存量、企業實力背景等都各不相同。因此設計專門的自動化立體倉庫以滿足鋼桶頻繁出入庫的需求，提高物流效率，減輕員工的勞動量，具有十分重要的意義。
1 自動化倉庫總體方案設計
1.1 問題描述
某鋼桶廠商每天出入庫2萬個鋼桶，鋼桶自生產線出來，在倉庫入口處掃描登記后進入倉庫。倉庫是生產型倉庫，大多數情況下鋼桶經過倉庫的輸送線到達倉庫出口直接出庫而不用存儲在貨架上。鋼桶為200L，208L，210L，216.5L標準開口桶和212L，216.5L，230L標準閉口桶。
鋼桶的倉儲自動化有2個較為特殊的限制:
1) 研究對象鋼桶本身的限制。
鋼桶如圖1所示，最大直徑為0.6m，最大外高0.997m，質量約為20kg。如果以多個鋼桶為1個單元，讓堆垛機可以一次性裝載多個鋼桶，必須使用大型堆垛機。然而大型堆垛機笨重，能耗大，運行速度慢，難以滿足貨物頻繁出入庫的要求;大型堆垛機自身尺寸過大，巷道變寬，倉庫中留給貨架的空間變小，也就意味著倉庫最大庫存量變小。如果以單個鋼桶作為1個單元，堆垛機一次性只裝載1個鋼桶，目前市場上的最小的堆垛機（DPH-6-300）載荷為3000N，遠大于單個鋼桶自重。如果降低堆垛機設計載荷，它的垂直提升速度、叉貨速度以及加速度都可以有所提升。
圖1 鋼桶外形
2) 原有倉庫自身尺寸與庫存要求的限制。
倉庫長61m，寬38m，高5m，倉庫中還有很多柱子以及原有的輸送線，最大庫量約為1萬個鋼桶。倉庫本身屬于生產型倉庫，倉庫的最大庫存量小于每天的進庫量和出庫量。意味著很多鋼桶必須剛進入倉庫還沒碼垛或者放入貨架中就直接出庫。但是倉庫必須保證足夠大的最大庫存量，以給每天鋼桶出入庫提供緩沖，并為以后產量增長提供余量。如果采取簡單的單深位托盤式固定貨架，將會導致過多的巷道出現。巷道過多不僅降低了存儲空間而且需要更多的堆垛機，大大增加了建庫成本。
1.2 倉庫總體設計
倉庫中共有7排貨架，每排貨架為3層85列。貨架為重力式貨架，鋼桶從貨架的一端進入貨架，從另一端離開貨架，每個貨格容量為5個大型鋼桶，每排貨架的容量為1275個鋼桶，倉庫總體容量為8925個鋼桶。如圖2所示，貨架間有6個巷道，還有2個巷道在貨架外側，共計8條巷道，需8臺堆垛機。8條巷道按功能劃分為入庫巷道和出庫巷道，入庫巷道只負責鋼桶入庫，出庫巷道只負責鋼桶出庫。傳送帶源于倉庫入口處，一條主傳送帶使倉庫入口與倉庫出口相連，方便鋼桶直接出庫。主傳送帶在倉庫最右側有分支，分別與4個入庫巷道中的傳送帶相連，便于鋼桶進入入庫巷道，由堆垛機放入貨架。另一條分支分別連接4個出庫巷道中的傳送帶，把離開貨架的鋼桶匯入主傳送帶并送到倉庫出口。
圖2 倉庫布局
1.3 倉庫關鍵設備設計
由于自動化立體倉庫服務的對象的屬性不同，所以倉庫中的貨架和堆垛機以及調度策略都要另外設計。
1.3.1 貨架
貨架的形式多種多樣，根據存儲貨物的形狀、質量、體積、包裝形式等特性不同，采用的貨架形式也不相同。倉庫常用的固定式貨架有單深位、雙深位托盤貨架和重力式貨架等。然而采用典型的單深位貨架將會導致巷道、堆垛機過多，倉庫容量過小等問題; 雙深貨架的每個單元可以存放2個貨物，在貨物品種較少而且周轉率較高時是比較劃算的，但是需要采用相應的雙深位堆垛機，相對于普通堆垛機，尺寸較大的雙深位堆垛機會使巷道變大，倉庫容量也沒有明顯的提高。流體的鋼桶包裝多采用重力貨架: 貨架的一側用來存貨，另一側用來取貨，貨物放在貨架上的滾輪上，貨架向取貨方向傾斜，利用貨物重力的分力使其向出口方向自動滑移，以待取出。根據鋼桶的特性及其高出入庫頻率、大庫存容量的倉儲需求，本文擬采用重力貨架。貨架傾斜4°，其中滾輪的實際滾動摩擦系數μ為0.03; 單元貨格寬為0.62m，高為1.25m，深為3.10m，容量為5個鋼桶。貨架外形結構如圖3所示。
圖3 貨架外形結構
1.3.2 堆垛機
堆垛機在巷道中往返運行，自動移動、存取貨物，實現貨物的流動。典型的自動化立體倉庫中每個巷道配備有1臺堆垛機，為了減少堆垛機的數量降低倉庫建設成本，出現了多個巷道共用1臺堆垛機的形式。但是可變巷道式的堆垛機適用于出入庫頻率較低的場合。為了提高堆垛機的運送能力，堆垛機的貨叉除常見的單叉外又出現了多叉，這時堆垛機就可以一次運送多個貨物，目前比較常見的是雙叉堆垛機。使用多叉的堆垛機可以大大減少堆垛機往返出入庫臺的次數。由于鋼桶外形尺寸較大，自身質量相對較小，并不適合使用多叉或者單叉堆垛機。
現有的堆垛機都難以滿足要求，主要有3個方面原因:
1) 不管是單叉還是雙叉堆垛機都需要以出入庫
平臺作為緩沖，堆垛機還需在出入庫平臺和貨架之間往返，它的輸送能力并沒有明顯的提高。
2) 為進一步提高堆垛機的運送能力，倉庫巷道中除了配有堆垛機以外還有傳送帶，盡可能地將鋼桶送到離堆垛機最近的可用工位。倉庫不使用托盤，現有的堆垛機無法將鋼桶從傳送帶上叉起。
3) 鋼桶質量較小，市場上的堆垛機負載能力過剩，為較高負載設計的運行速度也比較低，難以滿足鋼桶頻繁出入庫的要求，堆垛機需要重新設計。
本文中的堆垛機采用復合貨叉: 典型托取式貨叉加撥桶式貨叉。堆垛機載貨臺底部裝有1 對托取式貨叉，可將鋼桶托起; 載貨臺內壁兩邊分別裝有1 只撥桶式貨叉，貨叉經過改動并裝有擋料氣缸，氣缸活塞隨貨叉的伸縮可沿著貨叉方向推動鋼桶。堆垛機執行裝載和卸載操作時2種貨叉會做出不同的組合動作。堆垛機從貨架轉載鋼桶和卸載鋼桶到貨架時，貨叉和升降載貨臺的動作與典型的單叉堆垛一樣，沒有用到撥桶式貨叉。堆垛機從傳送帶上轉載鋼桶時，如圖4所示，開始時擋料氣缸活塞、2對貨叉保持縮回狀態; 撥桶式貨叉伸向鋼桶，當它伸出一個桶徑深度時，擋料氣缸伸出; 撥桶貨叉縮回把鋼桶拉向堆垛機，托取貨叉伸出接住鋼桶，托取貨叉完全接住鋼桶后縮回，裝載動作完成。
圖4 變形貨叉堆垛機裝載示意圖
貨架卸載鋼桶時，如圖5所示，開始時擋料氣缸活塞、2對貨叉保持縮回狀態; 托取貨叉托舉著鋼桶傳送帶伸出，當它伸到位時，擋料氣缸伸出; 撥桶貨叉伸出把鋼桶推向傳送帶，鋼桶完全在傳送帶上時，所有貨叉縮回，卸載動作完成。
圖5 變形貨叉堆垛機卸載示意圖
貨叉均采用輕載型ham120×58貨叉，如圖6所示，貨叉外形尺寸如表1所示。
圖6 Ham 120×58貨叉
表1 貨叉外形尺寸表
| 下叉長度L |
貨叉行程S |
貨叉高度H |
貨叉寬度Wus |
上叉長度Lus |
1.500 |
1.600 |
0.058 |
0.120 |
1.500 |
另外重新設計后的堆垛機:行走速度為2.5～3.7m·s-1，加速度為1.0m·s-2;升降速度為0.4～0.8m·s-1，最大加速度為1.5m·s-2; 貨叉伸縮最大速度為0.7～0.8m·s-1，變加速度控制，最大加速度為0.8m·s-2; 最大載荷為500N，額定載荷200N。
2 堆垛機工作周期
2.1 堆垛機工作方式與鋼桶存取原則
鋼桶每天有2萬個鋼桶入庫和出庫，倉庫每天工作24h，每分鐘有20000/(24×60)=13.89個鋼桶進出，每條巷道負責13.89/4=3.47個鋼桶。堆垛機要在60/3.47=17.29s內把鋼桶從傳送帶上運送到貨架上并回到待命工位。堆垛機一般的工作方式是在固定的出入庫平臺和目標貨位往返。本文倉庫巷道長53m，堆垛機最快行走速度3m·s-1，堆垛機在巷道中往返于出入庫臺和目標貨位的時間為8.8s，留給貨叉和升降臺動作的時間只有13.0s。而且如果出入庫臺和目標貨位較遠時，堆垛機無法及時運送鋼桶，必須設計相應的緩沖區，并采取相應的優化調度算法，倉庫研發難度大大提高。
入庫堆垛機初始時位于巷道入口，出庫堆垛機初始時位于巷道出口處。貨物的存取原則采取就近原則。所以堆垛機的下一個工位為總是最近可用貨位，傳送帶總是把鋼桶送到堆垛機所在位置，減少堆垛機往返路程。相同型號的鋼桶相對集中的存放貨架上。
2.2 堆垛機運行時間
2.2.1 載貨臺工作時間
升降載貨臺最大速度v=0.8m·s-1，采取變加速度控制，最大加速度為1.5m·s-2，速度曲線為拋物線，v=1.5t-0.7t2，加速到最高速度所需時間為t=1.07s，加速距離為0.582m。貨架共3層，堆垛機初始高度為第1層，從第1層到達第2層的時間為1.07×2+(1.2-0.582×2)/0.8=2.19s，到達第3層的時間為1.07×2+(2.4-0.582×2)/0.8=3.69s。
2.2.2 貨叉工作時間
貨叉伸縮的最大速度v=0.8m·s-1，貨叉速度曲線同樣為拋物線，最大加速度可達0.8 m·s-2，v=0.8t-0.5t2，加速到最高速度所需時間為t=0.8s，加速距離為0.171m。貨叉最大行程為1.6m，伸縮來回時間為2×[0.8×2+(1.6-0.171×2)/0.8]=6.35s。
2.2.3 堆垛機工作循環時間
由于堆垛機在連續裝載、卸載鋼桶時，不用往返于目標貨位與出入庫平臺之間，而是直接從傳送帶上把鋼桶送到貨架上或者把貨架上的鋼桶直接放在傳輸帶上。堆垛機連續裝載時，如果完成某一列貨架的裝載工作，只需要行走一個貨位寬度的距離，到達下一列。
所以堆垛機連續轉載時平均工作時間約為［2×(6.35+0.25)+ 2×(6.35+2.19+0.25 )+2×(6.60+3.69+0.25)］/3=17.28s＜17.29s(考慮到動作確認的延遲時間)，故堆垛機的工作能力滿足鋼桶出入庫需求。
3 倉庫管理控制系統設計
倉庫的管理控制系統可分為管理層、監控層和設備層3個部分。其中管理層采用B/S架構，使用J2EE的SSH框架開發，它以web應用程序的形式部署在服務器上。有管理權限的工作人員可以通過瀏覽器訪問服務器完成出入庫操作、庫存控制與統計數據庫管理以及出入庫作業任務發布、生產計劃、采購計劃制訂以及生產進度的管理等工作，是整個企業生產計劃與調配的控制中心。
監控層實現執行機構的狀態監測與動作控制，是保證自動化立體倉庫正常運行的核心軟件，它主要實現下列功能: ①將管理層軟件下達的出入庫任務指令分解為設備的動作指令; ②向設備下達動作指令，并檢測其執行結果; ③對設備運行狀態進行監測; ④將設備的狀態信息和動作執行結果反饋給管理層; ⑤以簡明清晰的形式將系統狀態顯示出來。設備層負責堆垛機的位置控制、速度控制以及輸送機的控制等。PLC通過I/O點、通信口與傳送帶傳感器、條形碼掃描器、觸摸屏相連，構成物流輸送控制系統。
4 倉庫物流仿真
自動化立體倉庫系統運行過程具有離散性和不確定性。利用系統建模和仿真技術對自動化倉庫的系統運作進行分析，可以有效地驗證方案設計的合理性。
Flexsim 是一款商業化離散事件系統仿真軟件，采用面向對象技術，并具有三維顯示功能。鋼桶自動化倉庫在Flexsim 7.0 的建模仿真步驟如下:
1) 根據圖2的布局構建仿真模型，選擇對象庫里合適的對象，并拖拽到仿真視圖窗口中的適當位置，圖7所示為整個倉庫在 Felxsim 中仿真布局的俯視圖。
2) 根據系統各對象之間的邏輯關系，連接相應的輸入、輸出和中間端口。
3) 設置參數，包括從生產線出來的鋼桶的到達時間間隔，堆垛機運行速度，以及每個設備的尺寸的設置。
4) 編譯代碼，通過代碼規定鋼桶直接出庫與進入貨架的時機、貨架貨位分配規則和出貨規則。
5) 仿真結果統計如表2所示。
圖7 仿真布局的俯視圖
表2 堆垛機仿真準確狀態圖
| 堆垛機 |
狀態/% |
空閑 |
忙碌 |
阻塞 |
行走 |
裝載 |
02 |
15.63 |
0 |
0 |
61.47 |
22.90 |
04 |
20.57 |
0 |
0 |
61.82 |
17.61 |
06 |
9.60 |
0 |
0 |
62.39 |
28.01 |
08 |
16.50 |
0 |
0 |
78.48 |
5.01 |
任務最艱巨的入庫堆垛機在24h的工作中的空閑率在9.60%～20.57%，未出現阻塞和過于繁忙狀態，滿足工作要求。
5 結語
本文設計的大型成品鋼桶的自動化倉庫，可以滿足鋼桶高頻率出入庫的需求，實現鋼桶的自動化倉儲。重力式貨架保證了高度較低的倉庫采用貨架的倉儲容量; 巷道中的傳送帶和特殊形式的貨叉讓堆垛機能夠不用借用托盤在傳送帶上裝卸鋼桶，并連貫地執行出入庫操作。堆垛機工作循環時間的計算和Flexsim 仿真驗證了設計方案的合理性。
