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近年來，隨著國(guó)家對(duì)智能制造的不斷推進(jìn)以及勞動(dòng)力成本的不斷提升，致使一些大中型企業(yè)逐步向著生產(chǎn)集約化轉(zhuǎn)型，優(yōu)化資源配置，進(jìn)一步提升利潤(rùn)空間[1]。物流被稱為企業(yè)的第三利潤(rùn)源，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，提升物流效率，降低物流成本，逐漸成為企業(yè)轉(zhuǎn)型的重要手段。盡管如此，仍有一些企業(yè)的物流發(fā)展處于比較滯后的狀態(tài)[2]。

文中以主要生產(chǎn)袋裝物料的某企業(yè)倉(cāng)庫(kù)為應(yīng)用背景，探索研究一套適用于類似生產(chǎn)模式的物流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物流設(shè)備與包裝生產(chǎn)線對(duì)接，形成從包材供應(yīng)、包裝、成品入庫(kù)、移庫(kù)、出庫(kù)及自動(dòng)裝車的自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)提升倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)能、節(jié)約物流成本的目標(biāo)。

本課題研究對(duì)象為我國(guó)北方某大型煤化工企業(yè)生產(chǎn)包裝及倉(cāng)儲(chǔ)車間，所生產(chǎn)物料為聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）顆粒，兩種物料產(chǎn)能相當(dāng)，日產(chǎn)量約為2 000 t。庫(kù)區(qū)南北長(zhǎng)390 m，東西寬112 m，總占地面積45 000m2。左側(cè)為聚丙烯包裝車間，右側(cè)為聚乙烯包裝車間，兩車間共有8條成品包裝線，單線包裝能力為30 t/h，占地面積6 705 m2。配電站設(shè)在庫(kù)房中部西側(cè)，占地面積204 m2。汽車裝車站臺(tái)長(zhǎng)240 m，寬8 m；車站站臺(tái)長(zhǎng)390 m，寬6.5 m，能同時(shí)滿足物料裝車和汽車裝車需求。在現(xiàn)有生產(chǎn)模式下倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)能約為15 000 t。

由于該車間的物料生產(chǎn)及存儲(chǔ)布局基本上是左右對(duì)稱的，分析中均以右側(cè)PE生產(chǎn)存儲(chǔ)為例。如圖1所示，PE存儲(chǔ)區(qū)域劃分為11個(gè)部分（PE01～PE11），該車間所生產(chǎn)的合格物料主要通過火車運(yùn)輸銷售，生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的過渡料、協(xié)議料及部分合格料通過卡車運(yùn)輸銷售。

圖1 廠區(qū)布局   下載原圖

車間目前生產(chǎn)流程為人工用叉車將包材及托盤送至生產(chǎn)線，生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)包裝碼垛作業(yè)。貨物由包裝線碼好后，人工用叉車將貨物運(yùn)送至庫(kù)房?jī)?nèi)存儲(chǔ)區(qū)域。物料在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)靜置48 h后，根據(jù)質(zhì)檢結(jié)果和出貨需求，確定物料出庫(kù)時(shí)間。物料出庫(kù)時(shí)，由叉車將貨物搬運(yùn)至運(yùn)輸車輛裝車位，由人工完成貨物裝車作業(yè)。

現(xiàn)有的作業(yè)模式中諸多環(huán)節(jié)是通過密集勞動(dòng)力實(shí)現(xiàn)的，如庫(kù)房?jī)?nèi)所有包材、托盤及貨物運(yùn)輸，靠人工用叉車搬運(yùn)。叉車運(yùn)輸速度較快，易造成貨物損壞，存在安全隱患；在貨物出庫(kù)裝車階段，完全是依靠勞動(dòng)力搬運(yùn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，人員成本高。因此，該自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是滿足作業(yè)需求的條件下最大程度減少叉車作業(yè)人員和裝卸作業(yè)人員，提升企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)物流自動(dòng)化水平。

在基本保持現(xiàn)有生產(chǎn)模式的前提下，對(duì)整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)空間做出重新規(guī)劃，新規(guī)劃布局主要體現(xiàn)了3個(gè)亮點(diǎn)：(1)物料成品自動(dòng)下線，通過輸送線運(yùn)送至對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)；(2)包材、托盤通過AGV（見圖2）實(shí)現(xiàn)上線，并通過輸送線分配至對(duì)應(yīng)上線口，完成自動(dòng)上線；(3)AGV通過調(diào)度系統(tǒng)控制，將貨物搬運(yùn)至出庫(kù)線體，線體將貨物分配至相應(yīng)裝車工位，自動(dòng)裝車器械完成貨物的自動(dòng)裝卸工作。

圖2 激光導(dǎo)航AGV   下載原圖

以火車的自動(dòng)裝車為例，該倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)流程見圖3。

生產(chǎn)流程：PE/PP顆粒原料通過管道輸送至包裝車間的生產(chǎn)線下料口，操作員根據(jù)產(chǎn)品信息向系統(tǒng)輸入即將要進(jìn)行包裝的物料的噴碼序列號(hào)，啟動(dòng)包裝設(shè)備后，包裝生產(chǎn)線開始包裝碼垛作業(yè)，包裝流程如圖4左側(cè)方框內(nèi)所示。最終碼好垛的物料被運(yùn)送到生產(chǎn)線末端，包裝生產(chǎn)作業(yè)結(jié)束。

包材/空托自動(dòng)上線：包裝過程中需要包材和空托補(bǔ)給，系統(tǒng)通過AGV將包材和空托搬運(yùn)至滾筒輸送線，再通過輸送線將包材與空托發(fā)送至生產(chǎn)線，完成包材和空托自動(dòng)上線。

入庫(kù)作業(yè)：貨物入庫(kù)作業(yè)是通過輸送線運(yùn)輸和AGV搬運(yùn)配合完成的，入庫(kù)輸送線和包裝產(chǎn)線對(duì)接，貨物被直接輸送至相應(yīng)的入庫(kù)工位，由AGV接駁搬運(yùn)，將貨物運(yùn)送至相應(yīng)的存儲(chǔ)位，完成入庫(kù)作業(yè)。

移庫(kù)作業(yè)：根據(jù)第二天出庫(kù)訂單，將待出庫(kù)物料轉(zhuǎn)移至待裝區(qū)域，避免入庫(kù)作業(yè)和出庫(kù)作業(yè)形成沖突，同時(shí)也節(jié)省出庫(kù)作業(yè)時(shí)間。

出庫(kù)作業(yè)：接到出庫(kù)作業(yè)指令，AGV依次將待裝區(qū)物料搬運(yùn)至出庫(kù)輸送線，再由出庫(kù)輸送線將物料輸送至相應(yīng)工位，機(jī)器人拆解整托貨物，將物料搬運(yùn)至自動(dòng)裝車設(shè)備，完成出庫(kù)作業(yè)。

空托回流入庫(kù)：每托物料搬運(yùn)結(jié)束后，所產(chǎn)生的空托盤由出庫(kù)輸送線運(yùn)送至空托存儲(chǔ)區(qū)域，空托由AGV接收并碼放于存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，余料、空托回流入庫(kù)作業(yè)完成。

圖3 自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)流程   下載原圖

如圖4所示，包裝產(chǎn)線所需的包材和托盤由2臺(tái)AGV自動(dòng)搬運(yùn)上線，包裝車間每條產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍為1200包/h(30托/h）。對(duì)于PE生產(chǎn)車間，所需包材分為兩種，且兩種包材在外形體積上無差別，每托包材裝有包裝袋7 200根。托盤只有一種，10個(gè)托盤為一個(gè)搬運(yùn)單元。每托包材可供生產(chǎn)線連續(xù)使用6 h，每條生產(chǎn)線每天所需包材2～3托，為避免包材輸送與托盤發(fā)生沖突，該方案中規(guī)定每天生產(chǎn)開始前30 min由AGV負(fù)責(zé)包材的自動(dòng)上線，將包材發(fā)送至線邊臨時(shí)存放。一個(gè)空托搬運(yùn)單元為10個(gè)托盤，生產(chǎn)車間4條生產(chǎn)線每小時(shí)需托盤120個(gè)，即12個(gè)搬運(yùn)單元，由此得出AGV的搬運(yùn)節(jié)拍為5 min/次。

圖4 包材/空托上線流向圖   下載原圖

成品物料自動(dòng)化存儲(chǔ)設(shè)計(jì)需要考慮：1）物料存儲(chǔ)區(qū)需滿足貨物的存儲(chǔ)需求，即倉(cāng)庫(kù)升級(jí)后存儲(chǔ)量不能低于現(xiàn)有生產(chǎn)模式下的存儲(chǔ)量；2）貨物可根據(jù)出貨需求，提前完成移庫(kù)作業(yè)，以滿足就近出庫(kù)裝車的需求；3）該倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)存在高峰作業(yè)時(shí)間段，即5 h內(nèi)完成1 518 t裝車量，且不影響物料入庫(kù)作業(yè)。

如圖5所示，包裝碼垛后的物料合流到同一輸送線，單線生產(chǎn)節(jié)拍為30托/h，合流后生產(chǎn)節(jié)拍為120托/h。經(jīng)過該輸送線，物料被輸送至存儲(chǔ)區(qū)對(duì)應(yīng)的接駁位，由AGV將貨物搬運(yùn)碼放至存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)。PE存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)有5條通道，單條通道寬5 m，可供2臺(tái)AGV并行，每臺(tái)AGV搬運(yùn)節(jié)拍約為5 min/托。

圖5 物料流向圖   下載原圖

通過對(duì)現(xiàn)有存儲(chǔ)區(qū)域?qū)嵉販y(cè)量得出單位面積上堆放貨物1.5 t，因此,表1中系數(shù)k（單位面積存放量）取值為1.5。表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為新布局中各存儲(chǔ)區(qū)域占地面積，以此計(jì)算得出倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)能較原有布局提高約10%。

表1 倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)能核算     下載原表

由于火車運(yùn)輸對(duì)物料裝車時(shí)間限制為5 h，且出庫(kù)作業(yè)與入庫(kù)作業(yè)不能有沖突，因此，需要AGV在夜間不生產(chǎn)的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行移庫(kù)作業(yè)，將待出庫(kù)貨物搬運(yùn)至靠近出庫(kù)工位的待裝區(qū)域。PE存儲(chǔ)區(qū)和PP存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)有11條通道，可運(yùn)行22臺(tái)AGV，移庫(kù)作業(yè)時(shí)間為6 h，每臺(tái)AGV的移庫(kù)作業(yè)節(jié)拍為5 min/托。出庫(kù)作業(yè)時(shí)，有22臺(tái)AGV參與作業(yè)，待裝區(qū)內(nèi)存放的貨物距離裝車工位較近，裝車作業(yè)時(shí)間為4 h，每臺(tái)AGV搬運(yùn)出庫(kù)節(jié)拍為3.5 min/托，滿足裝火車的時(shí)間需求。

控制系統(tǒng)是自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)管理和控制的核心，既要完成倉(cāng)儲(chǔ)中各種信息的管理和控制，又要實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的調(diào)度和控制。其主要任務(wù)：根據(jù)倉(cāng)庫(kù)中出入庫(kù)的實(shí)際情況對(duì)在庫(kù)物品進(jìn)行管理，根據(jù)倉(cāng)庫(kù)中設(shè)備的具體情況及當(dāng)前狀態(tài)，對(duì)各出入庫(kù)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，對(duì)系統(tǒng)中的各自動(dòng)化設(shè)備或裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，與企業(yè)管理系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的自動(dòng)檢測(cè)和診斷等[3,4]。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為三層：WCS（倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)）層、WMS(倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng))層和執(zhí)行機(jī)構(gòu)層。倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WMS）軟件是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)倉(cāng)庫(kù)的賬目管理和作業(yè)管理，并擔(dān)負(fù)與上級(jí)系統(tǒng)的通信和企業(yè)信息系統(tǒng)的部分任務(wù)[5]。倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)需具備入庫(kù)管理、庫(kù)存管理、出庫(kù)管理、審計(jì)事務(wù)日志、管理/追蹤等功能。倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)(WCS)是自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的信息樞紐，它根據(jù)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)的作業(yè)命令，按運(yùn)行時(shí)間最短、作業(yè)間的配合合理等原則對(duì)作業(yè)的先后順序進(jìn)行優(yōu)化組合排隊(duì)，并將優(yōu)化后的作業(yè)命令發(fā)送給各控制系統(tǒng)，對(duì)作業(yè)進(jìn)程、作業(yè)信息及運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)將指令執(zhí)行結(jié)果反饋給WMS。電氣控制系統(tǒng)在得到指令后，將其翻譯成機(jī)器可以識(shí)別的指令，通過外部傳感器，最終通過控制設(shè)備完成指令。對(duì)于本系統(tǒng)，AGV通過無線AP接收WCS指令，將指定物料搬運(yùn)至指定工位；PLC驅(qū)動(dòng)輸送線滾筒電機(jī)，將物料、空托、包材等輸送至指定工位；掃碼設(shè)備通過讀取托盤信息，與系統(tǒng)內(nèi)調(diào)取出的物料信息進(jìn)行綁定，將對(duì)物料的追蹤轉(zhuǎn)化為對(duì)托盤的追蹤，直至物料出庫(kù)裝車，托盤與物料信息解除綁定；碼垛機(jī)器人負(fù)責(zé)拆解物料，將物料搬運(yùn)至自動(dòng)裝車設(shè)備，并反饋給WCS相應(yīng)的搬運(yùn)信息；自動(dòng)裝車設(shè)備接收WCS發(fā)出的調(diào)度指令，執(zhí)行相應(yīng)程序，完成具體的裝車作業(yè)，并將作業(yè)數(shù)據(jù)反饋給WCS。

本文通過對(duì)某企業(yè)物流現(xiàn)狀進(jìn)行分析，針對(duì)生產(chǎn)流程中存在的叉車安全隱患、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，探索性地提出了一種新的物流模式，并分析了這種模式的可行性及優(yōu)勢(shì)。隨著勞動(dòng)力成本不斷增加，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度逐步提高，這種物流模式在大型倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)將會(huì)得到推廣應(yīng)用。