鋁型材擠壓模具自動(dòng)化立體倉(cāng)庫規(guī)劃設(shè)計(jì)與應(yīng)用

馬 笑/文

鋁型材擠壓模具自動(dòng)化立體倉(cāng)庫規(guī)劃設(shè)計(jì)與應(yīng)用

馬 笑/文

為解決原有平面庫存儲(chǔ)占地大、效率低等問題，廣東華昌鋁廠有限公司與太原高科銳志物流倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備有限公司合作，開發(fā)建設(shè)了鋁型材擠壓模具自動(dòng)化立體倉(cāng)庫。

廣東華昌鋁廠有限公司的鋁型材擠壓模具自動(dòng)化立體倉(cāng)庫，由太原高科銳志物流倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備有限公司在2014年建造，主要用于存取鋁型材擠壓生產(chǎn)線模具，具有大幅度減少用地、高效、準(zhǔn)確、減少用人、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、自動(dòng)化運(yùn)行、信息化管理等特征。

太原高科銳志物流倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備有限公司承建的鋁型材擠壓模具自動(dòng)化立體倉(cāng)庫，以及“長(zhǎng)件成品庫”、“長(zhǎng)件輸送線”等與該鋁業(yè)公司生產(chǎn)線、ERP系統(tǒng)配套，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)、物流的一體化和全程自動(dòng)化、信息化管理。

一、建庫背景

廣東華昌鋁廠有限公司是我國(guó)建筑鋁合金型材及工業(yè)型材的研發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)基地之一。到2014年，該公司的產(chǎn)能達(dá)到了15萬噸以上，產(chǎn)量達(dá)到12.3萬噸，產(chǎn)品品種有3000多個(gè)。公司裝有36條擠壓生產(chǎn)自動(dòng)線，過去庫存3萬套模具，每天模具最大出入庫量為1035套。企業(yè)原采用平面庫（見圖1）存放模具，用橋式起重機(jī)、叉車或人工方式搬運(yùn)。模具的分類、入庫、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及出入庫等工作十分繁忙，物流量和勞動(dòng)強(qiáng)度特別大。

圖1：模具原存儲(chǔ)方式

隨著生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品品種不斷擴(kuò)展，模具也在不斷增加，倉(cāng)儲(chǔ)面積日益緊張，原有的儲(chǔ)存、供應(yīng)方式已不能適應(yīng)生產(chǎn)節(jié)奏和管理要求。擠壓模具在存、取方面遇到的問題，成為企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。

總體來看，采用平面庫存放的方式主要有以下問題：

1. 占地面積大，土地利用率低，空間利用率低；

2. 搬運(yùn)工作量及勞動(dòng)強(qiáng)度大，用人多，耗時(shí)多，效率低，人工成本高；

3. 人工出入庫及搬運(yùn)過程，存在人身安全隱患，模具的掉落、滾動(dòng)，很容易軋、碰傷人；

4. 依靠人工管理，易出現(xiàn)錯(cuò)發(fā)模具或找不到模具的情況；

5. 電腦庫存臺(tái)賬手工輸入，易出現(xiàn)差錯(cuò)和漏輸現(xiàn)象，效率低；

6. 難于推行現(xiàn)代管理，庫存數(shù)據(jù)和公司ERP系統(tǒng)無法對(duì)接，出入庫信息不能及時(shí)反饋到生產(chǎn)、技術(shù)、財(cái)務(wù)、信息中樞等部門。

為了解決上述問題，廣東華昌鋁廠有限公司與太原高科銳志物流倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備有限公司合作，開發(fā)建設(shè)了擠壓模具自動(dòng)化立體倉(cāng)庫。

表1：堆垛機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

二、使用要求和建庫條件

1.庫存量要求

庫存量大于63040套模具。

2.入出庫能力要求

廣東華昌鋁廠有限公司36條擠壓生產(chǎn)線日最大生產(chǎn)能力為420噸，平均每天每臺(tái)機(jī)需要模具40套，則全廠每天需要供應(yīng)模具1500套，除少數(shù)機(jī)臺(tái)的模具因生產(chǎn)需連續(xù)使用外，擠壓生產(chǎn)所需模具全部都由自動(dòng)化立體庫供給。按模具自動(dòng)倉(cāng)庫每天出、入庫各工作10小時(shí)，夜間安排模具入庫，白天上午5點(diǎn)供給擠壓白班所需模具，下午5點(diǎn)供給擠壓夜班所需模具，則每小時(shí)需要出庫模具為1500÷10=150套。

入庫能力：生產(chǎn)用過的模具需煲模、修模后，才能入庫備用，故模具入庫作業(yè)安排在夜間進(jìn)行，其入庫能力≥150套/小時(shí)即可。

出庫能力：考慮到模具出庫都集中在白天進(jìn)行，且出庫后還會(huì)有返倉(cāng)情況，要求設(shè)計(jì)出庫速度應(yīng)大于實(shí)際出庫速度150套/小時(shí)才能滿足生產(chǎn)需求。

綜上所述，考慮庫存容量進(jìn)一步增大時(shí)，在不返倉(cāng)情況下，模具的最大出、入庫能力按照每小時(shí)240套設(shè)計(jì)，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

3.自動(dòng)化立體倉(cāng)庫位置和環(huán)境條件

本項(xiàng)目利用企業(yè)原熔鑄車間28米跨廠房建造，建設(shè)長(zhǎng)度54米 ，寬度16.5米，占地面積891平方米，廠房?jī)舾叩?6米。

三、自動(dòng)化立體庫布局和設(shè)備配置

1.立庫布局和設(shè)備配置

按照存儲(chǔ)量、出入庫頻率和場(chǎng)地條件要求，庫內(nèi)配置橫梁式組合貨架（8排36列23層），具有貨位數(shù)6624個(gè)。采用大、中、小模具分類分區(qū)存放的方式，可存儲(chǔ)模具100730套；

根據(jù)場(chǎng)地情況和工藝流程要求，入庫、出庫都安排在倉(cāng)庫的同一端。主要作業(yè)功能區(qū)分為：存儲(chǔ)區(qū)，入庫準(zhǔn)備區(qū)，出入庫作業(yè)區(qū)。

模具立體倉(cāng)庫具體平面布置圖，見圖2；效果圖，見圖3；實(shí)用場(chǎng)景圖，見圖4。

庫內(nèi)配置4臺(tái)雙貨叉、雙立柱堆垛機(jī)；41臺(tái)鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)，4臺(tái)輥式輸送機(jī)；8臺(tái)升降輸送機(jī)；為保證檢測(cè)要求，入庫口配置稱重檢測(cè)裝置4套、托盤貨物尺寸檢測(cè)裝置4套；配置計(jì)算機(jī)管理控制系統(tǒng)1套，入庫手持終端2個(gè)等。

2.主要設(shè)備介紹

（1）雙叉堆垛機(jī)

為了滿足出入庫頻率要求，堆垛機(jī)采用了雙貨叉配置，可一次執(zhí)行兩個(gè)托盤出庫或入庫作業(yè)，節(jié)省出、入庫行程和作業(yè)時(shí)間。

在控制方面，采用先進(jìn)的定位控制技術(shù)，提升了控制性能。項(xiàng)目采用Profibus總線技術(shù)、知名品牌變頻器、編碼器、激光測(cè)距儀等，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、起升、貨叉等的精確定位，使驅(qū)動(dòng)速度曲線更加光滑，起動(dòng)迅速，制動(dòng)及時(shí)，杜絕了由于開關(guān)失靈造成的定位錯(cuò)誤等隱患。

堆垛機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，見表1。

（2）信息管理和自動(dòng)控制系統(tǒng)

信息管理和自動(dòng)控制是物流倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備系統(tǒng)中的精髓，其水平高低決定了物流倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備自動(dòng)化水平的高低。完成物流系統(tǒng)中的各種特定任務(wù)，依靠的是計(jì)算機(jī)信息管理、自動(dòng)化控制技術(shù)與自動(dòng)化物流倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備系統(tǒng)中各技術(shù)部件的有機(jī)組合。

圖2： 模具立體倉(cāng)庫平面布置圖

圖3： 模具立體倉(cāng)庫效果圖

圖4： 模具立體倉(cāng)庫實(shí)用場(chǎng)景圖

圖5： 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫物流監(jiān)控和管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖6： 模具自動(dòng)化立體倉(cāng)庫物流監(jiān)控和管理系統(tǒng)框圖

圖7： 入庫工藝流程

圖8： 出庫工藝流程

廣東華昌鋁廠有限公司建有ERP系統(tǒng)，本項(xiàng)目作為系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行（可以脫離ERP系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)），即：立體倉(cāng)庫管理系統(tǒng)自主管理立體倉(cāng)庫的運(yùn)行，同時(shí)能夠和ERP系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交換，包括執(zhí)行ERP系統(tǒng)下達(dá)的出庫指令和響應(yīng)ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢。

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫物流監(jiān)控和管理系統(tǒng)(IWMS)拓?fù)鋱D（見圖5），體系結(jié)構(gòu)分為如下三個(gè)層次，即信息管理層——過程監(jiān)控層——實(shí)時(shí)控制層，采用三級(jí)聯(lián)網(wǎng)的在線聯(lián)機(jī)方式，在它上面是企業(yè)的主控ERP系統(tǒng)。在沒有ERP系統(tǒng)的情況下，IWMS可以獨(dú)立工作。

（1）信息管理層上聯(lián)企業(yè)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物料管理和作業(yè)任務(wù)的產(chǎn)生；

（2）過程監(jiān)控層是聯(lián)系信息管理層和實(shí)時(shí)控制層的紐帶。由它完成兩級(jí)間的通信傳輸及信息交換，對(duì)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度監(jiān)控，可動(dòng)畫顯示系統(tǒng)的作業(yè)狀態(tài)；

（3）最下層的實(shí)時(shí)控制層是配置在單機(jī)設(shè)備上的PLC，由它完成單機(jī)自動(dòng)控制和與上級(jí)監(jiān)控的信息通信聯(lián)絡(luò)。

IWMS系統(tǒng)共包括四個(gè)子系統(tǒng)：入出庫終端操作系統(tǒng)（管理系統(tǒng)）、監(jiān)控系統(tǒng)、作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)、RF采集系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，通過后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息交互。參見圖6。

項(xiàng)目規(guī)模和主要技術(shù)指標(biāo)，見表2。

四、工藝流程

1.入庫工藝流程（見圖7）

2.庫內(nèi)模具存放方式

根據(jù)模具規(guī)格，通常多個(gè)模具（最多48個(gè)）裝一個(gè)托盤，一個(gè)托盤存入一個(gè)貨位；

對(duì)于大規(guī)格的模具，每個(gè)托盤所裝模具數(shù)量較少，但還是一個(gè)托盤存入一個(gè)貨位；

堆垛機(jī)的額定載荷為2000kg，其中每個(gè)托盤額定載荷為1000kg（托盤+模具）。

3.出庫工藝流程（見圖8）

五、實(shí)施效果及經(jīng)濟(jì)性分析

該項(xiàng)目建庫投資為1200萬元，其中建筑工程300萬元（利用已有廠房改造），托盤制造300萬元，設(shè)備投資600萬元。

1.項(xiàng)目實(shí)施效果

本項(xiàng)目2014年12月投入試運(yùn)行，2015年5月正式驗(yàn)收，項(xiàng)目預(yù)定指標(biāo)全部實(shí)現(xiàn)。投入運(yùn)行以來，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足企業(yè)生產(chǎn)要求。用戶認(rèn)為該倉(cāng)庫實(shí)現(xiàn)了“儲(chǔ)存立體化（層高為23層）、模具搬運(yùn)無人化、出庫入庫自動(dòng)化、庫存管理智能化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化”。

2016年4月15日，中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)在廣東省佛山市組織了該項(xiàng)目的成果鑒定會(huì)。鑒定結(jié)論認(rèn)為：“該項(xiàng)目自主研發(fā)了適用于鋁材擠壓模具的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫，具有占地面積小，勞動(dòng)強(qiáng)度低，自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，解決了鋁材行業(yè)擠壓模具存儲(chǔ)占地面積大和出入庫效率低的難題，投入使用一年多，運(yùn)行穩(wěn)定、安全、可靠，滿足企業(yè)生產(chǎn)需求，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益?！辫b定委員會(huì)一致認(rèn)為“該項(xiàng)目整體技術(shù)在鋁材行業(yè)擠壓模具存儲(chǔ)倉(cāng)庫方面處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，同意通過科技成果鑒定”，建議“加強(qiáng)推廣應(yīng)用”。

表2：項(xiàng)目規(guī)模和技術(shù)指標(biāo)

2.項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)廣東華昌鋁廠有限公司提供的數(shù)據(jù)，項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在：

（1）節(jié)約倉(cāng)儲(chǔ)用地及建筑費(fèi)用。

本項(xiàng)目占地面積891平方米，設(shè)計(jì)儲(chǔ)存模具為23層，托盤貨位6624個(gè)，最大限度地利用廠房的空間，提高了空間利用率和單位空間的儲(chǔ)存量。模具最大儲(chǔ)存量10萬套，單位面積模具儲(chǔ)存量為112套/平方米。原平面模具庫面積為1344平方米，最大模具儲(chǔ)存量約3萬套，單位面積模具儲(chǔ)存量為22套/平方米。因此：

立體倉(cāng)庫比平面?zhèn)}庫單位面積儲(chǔ)存量提高：(112-22)/22×100%=409%；

立體倉(cāng)庫比平面?zhèn)}庫節(jié)省用地量：1344/3×10-891=3589平方米；

節(jié)省用地：3598/891×100%=402%；

按2012年廣東廠址每畝最低地價(jià)80萬元計(jì)算，則可減少購(gòu)地費(fèi)用80×（3589/666.67）=430萬元；

建庫建筑投資按每平方米造價(jià)850元計(jì)算，則減少倉(cāng)庫建筑投資850/10000×3589=305 萬元；

節(jié)約倉(cāng)儲(chǔ)用地及建筑費(fèi)用合計(jì)：430+305=735萬元。

（2）提高了模具入出庫效率和后工序的時(shí)間利用率。

采用人工庫時(shí)，每天模具最大出入庫量合計(jì)為1035套，需要11小時(shí)。采用模具自動(dòng)化立體倉(cāng)庫后，平均最大出庫量為1500套，耗時(shí)10小時(shí)。

出入庫效率提高[（1500/10）/（1035/2/11）-1] ×100%=219%；

節(jié)約時(shí)間1小時(shí)（9.09%），擠壓車間可以充分利用這段時(shí)間擠壓產(chǎn)品。另模具倉(cāng)庫雖然節(jié)約時(shí)間1小時(shí)，但由于模具出庫是邊出邊送，在其他條件不變的情況下，擠壓車間至少可以贏得0.5小時(shí)的凈生產(chǎn)時(shí)間，則擠壓車間至少可擠壓型材7噸，表面處理后可獲得6.5噸鋁合金建筑型材。如每噸型材的工廠加工費(fèi)用按3000元/噸，每年按生產(chǎn)300天計(jì)算，可增加銷售收入為0.3×6.5×300=585萬元。

（3）縮短倉(cāng)儲(chǔ)周轉(zhuǎn)期。

采用平面?zhèn)}庫時(shí)，模具儲(chǔ)存期平均為3～4個(gè)月。自動(dòng)化立體模具庫投入使用后，由于效率提高，停滯減少，模具的儲(chǔ)存期平均為2～3個(gè)月，加快了周轉(zhuǎn)。

（4）用人少，降低人工成本。

采用人工庫，庫存3萬套模具時(shí)，配備出入庫員工18人。采用自動(dòng)化立體倉(cāng)庫，庫存能力10萬套，目前實(shí)際庫存4萬套，配備出入庫員工13人。比原庫存方式減少5人，則每年節(jié)約人工費(fèi)用=5人×0.4萬元/月.人×12=24萬元/年。

通過以上分析，采用擠壓模具自動(dòng)化立體倉(cāng)庫后，倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)可減少征地及土建投資735萬元，年提高經(jīng)濟(jì)效益為24+585=609萬元。

（5）降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高企業(yè)管理信息化水平。

采用擠壓模具自動(dòng)化立體倉(cāng)庫后，模具出入庫人工搬運(yùn)模具的距離和時(shí)間大為減少， 可以大幅度減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人員配置，提升企業(yè)信息化管理水平，促進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

作者單位為太原高科銳志物流倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備有限公司