堆垛機立體庫在航天軍工項目的設計與應用

文 / 全興科 李敏 石義民

一、項目背景

該航天軍工倉庫用于儲存稀有材料半成品和成品，產(chǎn)品易燃，體積大，減少人為操作有利于產(chǎn)品的儲存安全，軍工行業(yè)保密要求較高，項目需求僅局限于倉儲中的部分功能，項目啟動時間為2021年8月，工期3個月。

堆垛機能充分利用倉庫的垂直空間，其面積實際利用率、儲存量遠遠大于普通的單層儲存。貨物的儲存工作實現(xiàn)機械化和自動化，有效節(jié)省人力，提高整個倉儲環(huán)節(jié)的效率。采取先進的管理和儲存方式，有效地做到“先進先出”，避免貨物無法及時出入庫帶來的損失。另外儲位集中，有利于控制和處理，尤其是應用了計算機技術，不僅能夠實現(xiàn)倉儲工作的主動控制，還可以進行信息處理，更好地適應黑暗、低溫、有毒等獨特條件的要求。

二、設計與選型原則

該倉庫規(guī)劃占地面積長度約50米，寬度約9米，高度約10米。立體庫的高度，低于倉庫頂部照明、暖通、消防、電纜橋架等。在系統(tǒng)設計中，由于軍工行業(yè)的保密性要求，不能使用Wi-Fi等通信技術，采用光通信傳輸。在充分滿足立體倉庫儲存及輸送系統(tǒng)的功能要求和主要技術指標前提下，遵循系統(tǒng)完整、通暢實用、安全可靠、先進成熟、規(guī)范標準的設計思想與原則進行系統(tǒng)設計和設備制造。結合實際情況，總體規(guī)劃既要滿足當前的使用，又要考慮今后的發(fā)展，還需要遵循物流行業(yè)一些通用性原則:系統(tǒng)最高可靠性和安全性原則；有限空間最大儲存量原則；配置流程最合理、最簡捷原則；設備選用先進性、成熟性原則；規(guī)劃合理性、實用性及標準化原則；安裝操作簡便、人機界面友好、維護簡單原則。

三、方案設計

1.設計原則

（1）滿足客戶需求的原則，貨物后期會有長度超過目前儲存貨物尺寸的情況，儲存量低，出入庫效率低，為解決這種特殊儲存要求，將規(guī)劃圖中的托盤庫最下面一列貨架設置成可擴展儲位，兩個貨位合并占中只放置一托貨物。

（2）托盤、料箱采用條形碼管理，采用入庫掃碼的方式進行出庫的數(shù)據(jù)采集和貨物轉移確認。

（3）貨物入出庫規(guī)則，線路最短、在巷道組中均布、ABC分類等，按照指定的次序優(yōu)先出庫或先進先出（FIFO）等。

（4）貨物存放的原則，同品種分巷道儲存，降低故障風險；系統(tǒng)最高可靠性和安全性原則；有限空間最大儲存量原則；配置流程合理、簡捷原則。

（5）設備選用先進性、規(guī)劃合理性、實用性及標準化原則；安裝操作簡便、維護簡單原則；性價比最高原則；物流規(guī)劃向國際標準統(tǒng)一原則；安全性符合或超過國家標準的原則。

2.系統(tǒng)功能分區(qū)

方案圖（如圖1）中系統(tǒng)主要分4個功能區(qū)：托盤立體庫儲存區(qū)、托盤出入庫暫存區(qū)、料箱立庫儲存區(qū)、料箱出入庫分揀區(qū)。

圖1 方案圖

3.操作流程說明

（1）原料、半成品和成品來料作業(yè)

原料、半成品和成品來料根據(jù)SAP下發(fā)的定單，對應的容器（托盤或者料箱）物料粘貼的信息標簽，并將對應物料放置到容器內，上游完成物料配盤和容器信息綁定。

（2）入庫作業(yè)

WMS接收上層SAP入庫單信息，入庫作業(yè)分為托盤入庫和料箱入庫兩種。

①托盤入庫

。AGV由上游搬運物料進行入庫作業(yè)，與入庫口滾筒線接駁后，經(jīng)自動掃描待入庫單條碼，檢索對應的入庫單據(jù)，包括物料名稱、規(guī)格、型號、數(shù)量等信息，使物料與托盤形成綁定關系。

。所有物料確定無誤后，提交至WMS，WMS根據(jù)上架原則，分配合適的立庫貨位給WCS，WCS入庫完成后，返回信息至WMS，告知入庫完成；WMS反饋信息至SAP，通知其入庫完成。

②料箱入庫

。AGV由上游搬運物料進行入庫作業(yè)，與入庫口滾筒線接駁后，經(jīng)自動掃描待入庫單條碼，檢索對應的入庫單據(jù)，包括物料名稱、規(guī)格、型號、數(shù)量等信息，使物料與料箱形成綁定關系。

。所有物料確定無誤后，提交至WMS，WMS根據(jù)上架原則，分配合適的立庫貨位給WCS，WCS入庫完成后。返回信息至WMS，告知入庫完成。WMS反饋信息至SAP，通知其入庫完成。

（3）出庫作業(yè)

WMS接到SAP出庫單后，系統(tǒng)根據(jù)先進先出與空盤先出的原則，自動分配好物料的批次和貨位，確定好后，將出庫指令傳送至WCS，WCS控制立庫設備進行出庫，當立庫將物料推送至出貨口。將整托放置到指定出庫區(qū)域，若是分揀出庫，則揀貨完成后，將料箱重新上架至立庫。最后將數(shù)據(jù)反饋給SAP，完成出庫作業(yè)。

4.作業(yè)流程

托盤出入庫流程如圖2所示，料箱出入庫流程如圖3所示。

圖2 托盤出入庫流程圖

圖3 料箱出入庫流程圖

四、貨架設計

1.貨架規(guī)劃

立體庫貨架采用獨立的鋼結構系統(tǒng)，為橫梁組合式貨架，按當?shù)氐卣鹆叶仍O防（如圖4）。

圖4 貨架

(1)貨架材料：選用國內大型鋼廠生產(chǎn)的優(yōu)質型材。

(2)貨架有能力承受由貨物重量分布不均所造成的變形。

(3)貨架的設計和安裝考慮足夠的安全系數(shù)并符合相關國家標準。

(4)貨架端部部分加強，以承受由堆垛機入庫出庫動作引起的橫向沖力。

(5)貨架頂部、背部和水平面有拉桿保證安裝精度和穩(wěn)定性。

(6)貨架的固定以及其他配套的鋼架滿足指定要求，貨架的設計、運輸、安裝、測量、調試等工作由我司負責。

2.貨架結構

高位貨架為雙貨位橫梁式貨架，每個貨格保管2個托盤。貨架嚴格按照《立體倉庫焊接式鋼結構貨架技術條件》設計，保證足夠的強度和穩(wěn)定性。主要由以下幾部分組成：貨架片、橫梁、背部拉桿、水平及水平斜拉桿、吊梁等。

(1)貨架片為組合式，是由兩個立柱之間用C型型材連接成片狀框架，立柱孔距為75mm，連接橫梁可以在貨架全高范圍內做間隔為75mm的調整。

(2)立柱由優(yōu)質帶鋼經(jīng)過冷彎機軋制而成，截面復雜，慣性矩大，承載能力和抗沖性強，采用孔距75mm；結構更加適合組裝連接。

(3)橫梁是將各貨架片連接成一體的構件。橫梁采用L型梁，通過掛片同立柱連接，并插入保險銷來保證貨架的安全性。

(4)垂直拉桿裝置分布在貨架兩端及中部的背后，對整個貨架系統(tǒng)起到順巷道方向的穩(wěn)定作用。垂直拉桿裝置通過螺栓同貨架立柱連接在一起。

(5)水平拉桿裝置分布在相對于垂直拉桿位置的貨架某幾層處，對整個結構的平面方向起到穩(wěn)定作用。水平拉桿通過螺栓同貨架連接在一起。

(6)吊梁用于吊裝巷道堆垛機天軌，吊梁固定在貨架片的頂部；吊梁制作安裝的好壞將直接關系到巷道堆垛機的正常運行；由于巷道堆垛機的運行范圍超出貨架長度方向，為保證堆垛機的運行范圍，在貨架的兩端設置三角支架來保證天軌的長度，并承受由堆垛機入庫出庫動作引起的橫向沖力；貨架與地面連接方式采用化學螺栓。

3.貨架工藝特點

(1)貨架型材截面結構合理，外形美觀。

(2)部件焊縫表面焊接均勻，沒有裂紋、夾渣、焊瘤、燒穿、弧坑和針狀氣孔等缺陷。

(3)對按焊縫和貼角焊縫的外形尺寸極限偏差符合GBJ205中有關規(guī)定。

(4)貨架及零部件表面進行噴漆，涂層厚度達60微米。

(5)涂層表面豐滿平滑無色差，無縮孔包花等現(xiàn)象，其質量符合GB6807-86中有關規(guī)定。

(6)貨架顏色將按照招標方確認的配色方案執(zhí)行。

4.地面連接方式

(1)貨架同地面的聯(lián)接采用可調地腳的方式，地腳與地基采用化學螺栓固定。

(2)此種結構可以將立柱所傳下來的力均勻地分散開，有助于地面承載。

(3)此種聯(lián)接方式安裝、制作方便，地面不平的情況下，通過螺母方便調節(jié)，確保貨架安裝精度。

五、巷道式堆垛機

1.工作原理

巷道堆垛機（如圖5）在機架的頂架和底架上分別裝有導行輪，夾持著天軌與地軌。走行電機驅動地軌上的走行輪，沿天地軌水平走行；系著升降臺的提升鋼絲繩，在提升電機的驅動下，以立柱兩側為導向，完成載貨臺的升降運動；貨叉電機驅動一套運動倍增機構，使上叉體完成左右存、取托盤運動。三種運動分別在電控系統(tǒng)協(xié)調控制下，完成本巷道對站臺托盤的出、入庫工作。堆垛機存取貨物和運輸貨物過程中對貨物進行狀態(tài)監(jiān)測以保證運行安全；具有貨叉運動安全互鎖功能；超速報警功能；安全的速度控制方法及其他安全防護系統(tǒng)。

圖5 巷道堆垛機

2.控制技術

選用世界先進的控制器件，在通用器件上獨立開發(fā)控制程序，便于器件采購和系統(tǒng)維護，主要采用機載PLC及總線控制技術應用于堆垛機的控制系統(tǒng)。

在堆垛機上應用現(xiàn)場總線技術比一般解決方案節(jié)省了大量接線工作，現(xiàn)場出錯的可能性大大減少，任何故障都限制在局部，因此故障查找和消除快捷方便，顯著地縮短了設備停機時間。

電機驅動技術是堆垛機的關鍵技術，選用先進驅動器件，采用矢量閉環(huán)變頻器，圓滑控制，最佳速度輸出，實現(xiàn)高速度下運行無貨物潰散。

3.機械結構

堆垛機機械部分主要由金屬結構、載貨臺、水平運行機構、起升機構、貨叉伸縮機構、導輪裝置、安全保護裝置組成。

(1)金屬結構

立柱與上、下橫梁通過法蘭定位，用高強度螺栓連接，整個金屬結構具有重量輕、抗扭、抗彎性性能好、剛度大、強度高等特點。

(2)載貨臺

載貨臺是一個通過動力牽引作上下垂直運動的部件，由垂直框架和水平框架焊接而成的U型結構。在載貨臺上設置了多方位尺寸檢測裝置，避免貨物托盤在運行過程中尺寸變化而造成的故障。垂直框架用于安裝起升導輪和一些安全保護裝置。

(3)水平運行機構

水平運行機構是由動力驅動和主被動輪組組成，用于整個設備巷道方向的運行。選用了變頻電機直接驅動車輪，質量可靠，維護方便，噪聲低。被動輪組采用了偏心結構用來調整整臺設備的垂直度和受力變形的影響。

(4)起升機構

起升機構是由動力驅動、卷筒、滑動組和鋼絲繩組成，用于提升載貨臺作垂直運動。選用變頻電機直接驅動卷筒，鋼絲繩帶動載貨臺上下運動。定滑輪和動滑輪均采用工程尼龍車制而成，此種卷揚方式，噪聲低，便于維修和發(fā)現(xiàn)隱患。

(5)貨叉伸縮機構

貨叉伸縮機構是由動力驅動和三叉組成的機構，用于垂直于巷道方向的存取貨物運動。下叉固定于載貨臺上，中間二叉之間通過鏈條傳動作直線差動式伸縮，貨叉由優(yōu)質金屬精制而成，成超薄形C型梁體，力學性能佳。

4.運行特點

堆垛機采用變頻調速技術，采用更平順、更可靠的速度技術-S形速度曲線（如圖6）控制，運行更加平穩(wěn)。

圖6 S型速度曲線

S型速度曲線加速度的變化連續(xù)，可以有效削弱系統(tǒng)沖擊和振動，各段加減速平滑過渡，將會使系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)。

其中：α為加速度，ρ加速度變化率，Vmax最大運行速度。

一個完整的S型速度曲線運行周期包括三個階段：

(1)加速度階段：0～t3；起動圓角段：0～t1；恒加速段：t1～t2；加速圓角段：t2～t3。

(2)等速運行階段：t3～t4。

(3)減速階段：t4～t7；減速圓角段：t4～t5；恒減速段：t5～t6；平層圓角段：t6～t7。

六、計算機軟件系統(tǒng)

1.概述

在智能倉庫自動化物流系統(tǒng)中，計算機軟件系統(tǒng)是自動化物流系統(tǒng)的調度核心和信息存儲處理中心，運行于計算機網(wǎng)絡環(huán)境與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之上，上聯(lián)企業(yè)信息管理系統(tǒng)，下接工業(yè)實時控制系統(tǒng)。它以集成技術為核心，實現(xiàn)物流指令快速、準確的下達及物流執(zhí)行信息的收集、處理、儲存和傳送，并做出正確的調度以協(xié)調各業(yè)務環(huán)節(jié)，保障各種物料準確調度、及時輸送，實現(xiàn)對物流信息的一體化管理，進而實現(xiàn)企業(yè)物料高效有序地流動和科學管理以滿足企業(yè)物流自動化的需要，同時，為上層信息管理系統(tǒng)提供所需的物流信息。

2.設計范圍

本項目軟件系統(tǒng)作為自動化系統(tǒng)的一個組成部分，主要實現(xiàn)各種物料入庫、出庫、庫存、預警、盤點、統(tǒng)計等業(yè)務管理功能，對物料和系統(tǒng)設備進行統(tǒng)一管理和調度，確保物料快速的出入庫以及快捷、準確、高效的輸送。業(yè)務范圍包括立體庫區(qū)、出入庫作業(yè)區(qū)以及分揀區(qū)的作業(yè)管理及配套物流傳輸系統(tǒng)的調度管理。同時通過與上層信息管理系統(tǒng)的接口和對接，實現(xiàn)表計倉儲和輸送管理的自動化、智能化、信息化，提高物料周轉和出入庫各個環(huán)節(jié)方面工作效率。

3.設計原則

為了建立一個高效有序的計算機系統(tǒng)，在設計中遵循了以下主要設計原則：

（1）模塊化

系統(tǒng)功能模塊化，能靈活組合、調用、調整、分步實施，以方便使用。

（2）開放性

采用統(tǒng)一的標準系統(tǒng)接口、通信協(xié)議，能兼容不同廠家的同類產(chǎn)品，選擇獨立于計算機平臺的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及開發(fā)工具，保證應用系統(tǒng)的可移植性可擴展性。

（3）可靠性

工具軟件選用成熟的優(yōu)秀平臺和工具軟件，采用模塊化設計，保證信息、數(shù)據(jù)準備無誤，確保數(shù)據(jù)通訊安全和控制的實時性，具備檢錯、糾錯、容錯、排錯能力，發(fā)生故障時，能夠迅速恢復系統(tǒng)運行。

（4）易用性

充分考慮操作、管理、維護的可視化，采用友好的人機界面，盡量貼近招標方人員的操作習慣，易學易用，能滿足不同計算機水平人員使用。

（5）可維護性

系統(tǒng)應建立在穩(wěn)定、靈活的信息結構基礎上，選用先進的開發(fā)工具，采用模塊化、層次性、獨立性的軟件結構，并降低系統(tǒng)維護的頻率。

（6）環(huán)保性

選用節(jié)能環(huán)保型設備和產(chǎn)品。

4.控制體系架構（如圖7）

圖7 體系架構圖

按照自動化物流系統(tǒng)的功能，可分為上位信息系統(tǒng)層、物流計算機系統(tǒng)層和物流作業(yè)執(zhí)行層。其中計算機系統(tǒng)層又可以分為系統(tǒng)接口、倉庫管理（WMS）、調度控制(WCS)三大模塊，分別實現(xiàn)與外圍信息系統(tǒng)的接口、物流管理層和物流調度層相應的功能。通過對主機設備、電控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫服務器、管理軟件等統(tǒng)一配置，實現(xiàn)對物流自動化系統(tǒng)的管理和調度。

系統(tǒng)接口，向上可與SAP、生產(chǎn)管理系統(tǒng)以及其它信息管理系統(tǒng)以通用標準的接口方式實現(xiàn)集成、信息互聯(lián)互通、資源共享，且提供開放、透明的接口，實現(xiàn)各系統(tǒng)之間信息的傳送和流轉。

倉庫管理（WMS）實現(xiàn)倉庫管理層的功能，通過對物料和倉庫進行全面的信息化管理，跟蹤物料與倉庫貨位的對應關系，控制物料自動出入庫，及時準確地反映庫內物料的狀態(tài)、出入庫情況、庫存狀況以及倉庫貨位狀態(tài)等，使管理人員能夠隨時掌握庫內物料的儲存情況，可有效避免物料在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)積壓或短缺，控制物料的儲存成本，為企業(yè)生產(chǎn)決策提供準確、快捷的材料和數(shù)據(jù)。

調度控制（WCS）是介于WMS系統(tǒng)和物流設備之間的一層管理控制系統(tǒng)。負責協(xié)調、調度底層的各種物流設備，使底層的物流設備可以執(zhí)行WMS倉儲控制系統(tǒng)的業(yè)務流程，并且在這個過程中完全按照程序預先設定的流程來執(zhí)行的。同時也能將物流設備的相關狀態(tài)和數(shù)據(jù)根據(jù)需要實時反映給WMS倉儲系統(tǒng)，并提供對物流設備的接口測試。

七、總結

軍工航天企業(yè)作為國家制造業(yè)的核心，不僅代表了高端制造，更是代表了國家先進的技術能力和裝備制造能力。其“保密性”、“安全性”“智能性”尤為重要。隨著市場環(huán)境的快速變化，在內外部因素共同作用下，軍工航天企業(yè)依托于智能制造與數(shù)字化網(wǎng)絡技術，通過對生產(chǎn)運輸過程進行智能化改造，以達到創(chuàng)新升級、提高安全、降本增效的目標。

智能堆垛機立庫在民用方面已經(jīng)相當廣泛，其用于航天軍工的智能立庫的倉儲管理，有利于推進某軍工航天企業(yè)產(chǎn)品、技術與服務的創(chuàng)新升級，降低傳統(tǒng)生產(chǎn)、運輸、倉儲中的不安全因素，使用現(xiàn)有的科技產(chǎn)品用于自動化傳感技術、控制和傳輸應用，完全可以滿足軍工行業(yè)的特殊保密性要求。