羅素暉，曾志堅，周博俊

（1.廣州廣汽荻原模具沖壓有限公司，廣州 511400；2.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣州 510006）

0 引言

隨著汽車車型及制造規(guī)模的不斷拓展，采用信息化、自動化、智能化手段不斷推動裝備制造業(yè)的升級改造十分必要。通過引入工業(yè)4.0概念，加快關鍵崗位的機器人替代、生產過程智能優(yōu)化控制和智能工廠建設等，有利于提高生產效率和自動化水平，實現(xiàn)產業(yè)轉型升級，保持與世界先進技術的銜接和同步發(fā)展[1]。

自動化立體庫的建設是汽車制造的一個重要組成部分，相較于傳統(tǒng)的物料倉儲方式，自動化立體倉儲系統(tǒng)能夠準確查詢實時動態(tài)庫存信息，智能化數(shù)據(jù)處理，節(jié)省人力、物力和倉儲空間，提高作業(yè)效率，減少資源浪費，實現(xiàn)倉儲管理合理化，出入庫自動化，操作簡便化、人性化，加快“智慧工廠”的實現(xiàn)，提高現(xiàn)代企業(yè)的生產管理水平。

目前，智能物流設備制造廠商和系統(tǒng)集成商日本大福公司，已經(jīng)推出了以自動化立體倉庫為代表并與高效分揀系統(tǒng)相結合的倉儲系統(tǒng)運用在各個行業(yè)領域的新模式[2]。美國著名工業(yè)自動化與信息化公司Rockwell Automation針對制造執(zhí)行系統(tǒng)開發(fā)的FactoryTalk軟件平臺是一個集成化生產與績效套件，包含了多個可擴展的模塊，模塊之間的組合能夠滿足工廠范圍內各種系統(tǒng)的集成[3]。倉儲物流設備制造商勝斐邇在工業(yè)倉儲設備和物流系統(tǒng)承建領域占有一席之地。德國物料處理系統(tǒng)和倉儲管理軟件供應商Viastore Systems公司旗下產品Viadat倉庫管理系統(tǒng)(WMS)和HYDRA制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）進行一體化連接，使得物料運輸和生產過程同步，實現(xiàn)了物流和生產的高效結合，極大提升了客戶的滿意度[4]。國內企業(yè)與國外先進的物流自動化系統(tǒng)提供商在競爭中不斷發(fā)展，陸續(xù)推出具有自主知識產權的產品。2017年，山東蘭劍物流科技股份公司為唯品會打造的蜂巢系統(tǒng)，采用了典型的穿梭車系統(tǒng)集成模式和自主研發(fā)的智能高速穿梭車，實現(xiàn)了288臺的超大集群調度，并且利用自動化立體庫和多層穿梭車的有效配合，訂單處理能力可達52萬件/天。2018年，沈陽理工大學的石征錦等[5]根據(jù)大型汽車部件的料架傳送、解垛及堆垛3個重點生產環(huán)節(jié)，確定各個環(huán)節(jié)工作節(jié)拍，并且根據(jù)各個環(huán)節(jié)的工作節(jié)拍設計了大型汽車部件自動化立體倉儲的實施方案，優(yōu)化了生產線節(jié)拍。2018年，中達電通股份有限公司設計了臺達智能立體倉儲解決方案，采用多層堆垛小車無人化存儲、橫梁式層板貨架，出入庫采用連續(xù)輸送機系統(tǒng)，可實現(xiàn)高節(jié)拍揀選作業(yè)，出入庫節(jié)拍能力350箱/h，材倉庫容6 336箱，電子倉庫容3 360箱[6]。2019年，施耐德電氣(中國)有限公司設計的自動化立體倉儲整套解決方案運行穩(wěn)定，使用ATV 32+ATV 71 383高性能變頻器大大提高了立體倉儲的工作效率[7]。2019年，中車青島四方機車車輛股份有限公司的馬永敬等[8]針對如何建設一個適合自己需求、具有最佳投入產出比的智能倉儲系統(tǒng)的問題，通過定量計算，分析了堆垛式立庫和穿梭式立庫的優(yōu)勢和適用場景，穿梭式立庫適合大批量同類產品高密度存取作業(yè)場合，而堆垛式立庫則適合作業(yè)效率要求更高的應用場合。

圖1 整體布局圖

本文針對汽車制造車間的物料運輸和調度管理中存在倉庫占地面積大、勞動強度大以及生產協(xié)同效率不高等問題，設計一種應用于某汽車公司鈑金車間自動化立體倉儲系統(tǒng)。該項目的實施對于推動汽車制造業(yè)的技術創(chuàng)新應用，降低勞動強度和提高效率都具有積極意義。

1 總體設計方案

1.1 總體設計遵循原則

總體設計遵循原則如下。

（1）有限空間最大存儲量原則。

（2）工藝流程最合理原則。

（3）功能完備全面滿足生產工藝要求原則。

（4）設備選用先進性原則。緊跟世界一流水平的設計思想和技術，采用世界先進的自動化設備，先進的控制及軟件系統(tǒng)共同組成符合業(yè)界發(fā)展趨勢的先進的物流倉儲配送系統(tǒng)，從而保證業(yè)主在系統(tǒng)投資上的最大效用。

（5）柔性原則。系統(tǒng)具有經(jīng)濟性，安裝操作簡單、運營成本低、系統(tǒng)易于修改和升級，維護簡單且成本低。

（6）實用性原則。以用戶方的當前需求為出發(fā)點，并考慮未來發(fā)展需要，在設計上滿足物流順暢。

（7）靈活性原則。模塊化的設計，使用標準的單元模塊，各輸送系統(tǒng)單獨控制，能夠通過增加輸送單元數(shù)量來提高系統(tǒng)吞吐能力，確保吞吐能力最大化。

（8）采用統(tǒng)一的標準系統(tǒng)接口和通信協(xié)議，使得系統(tǒng)能夠與不同制造商的類似設備兼容，并同時適應未來新技術的發(fā)展。在系統(tǒng)設計中應盡可能考慮使用符合國際或國內標準的通用設備，從而為系統(tǒng)升級和擴展留出空間。

（9）硬件設備的可靠性和軟件系統(tǒng)的容錯性。對于設計方案中所有提到的設備產品和控制元件，必須都具有符合標準、成熟可靠的特點。工具軟件應選用成熟的優(yōu)秀平臺和工具軟件，采用模塊化設計，具有安全管理的策略和功能，并盡可能優(yōu)化系統(tǒng)。

（10）控制界面人機友好，操作簡單方便、現(xiàn)場設備的控制和監(jiān)視界面直觀。

1.2 設計要求及功能布局

1.2.1 立庫可用空間

立體可用空間52 m(長 )×24 m(寬 )×16 m(最低凈空 )，立庫東、西兩側與二層平臺SUB線對接，庫內物料可實現(xiàn)二層平臺出入庫，二層平臺亦可通過該平臺對接口回庫存儲；二層鋼平臺設計高度為4.5 m，其他區(qū)域最大高度為10 m。

區(qū)域劃分：立體庫基于現(xiàn)有庫房布局設計，實現(xiàn)倉儲和車間分離。區(qū)域分布示意如圖1所示。

1.2.2 立庫功能要求

（1）物料存儲管理功能。立庫可自動存取大、小鐵箱，對庫內存儲物料進行智能化管理，主要功能模塊有倉庫管理、物料管理、庫存管理、盤點管理、任務管理、監(jiān)控管理、權限管理、日志管理、統(tǒng)計報表管理等（投標方需明確功能模塊的具體項目）。

（2）入庫鐵箱質量自動分配功能。系統(tǒng)可根據(jù)入庫鐵箱質量對鐵箱存儲位置進行分配，使巷道內貨架存儲物料單元質量均勻分布，確保單個貨架單元質量滿足地面承載要求、貨架承載要求。

（3）出入庫對接功能。①立庫東、西兩側均需要有出入庫功能，并可與立庫東、西側二層SUB線區(qū)域對接，均可出入空/滿鐵箱。②立庫東側需設置空箱和尾箱回收區(qū)，供應空箱和尾箱的回收暫存。③沖壓工位輸送線需進行改造，輸送線輸送面高度小于或等于300 mm，兩端輸送面高度可自動感應升降，未來可與背負式AGV對接（具體高低根據(jù)甲方的AGV高度實施）。④立庫出入庫方式均需考慮到后期能與AGV自動對接，沖壓和焊裝車間主要采用背負式和潛伏牽引式這兩種AGV類型。立庫西側出入庫口和東側入庫口與背負式AGV對接，立庫東側出庫口與潛伏牽引式AGV牽引平板車對接。

（4）立體庫儲存夾具的巷道需要具有根據(jù)生產計劃，自動安排整車型的夾具自動按照設定好的順序自動出庫，并且是一鍵式操作功能。

（5）WMS系統(tǒng)可與公司ERP系統(tǒng)對接并預留MES接口功能。

圖2 立庫布局圖

圖3 對接區(qū)域圖

圖4 回收區(qū)布局圖

1.2.3 立庫布局

立庫兩端出入庫口設計均可實現(xiàn)鐵箱出入庫功能，其中立庫西側出入庫口采用鏈條式輸送機出入庫鐵箱，未來可對接背負式AGV；立庫東側入庫口通過鏈條式輸送機輸入鐵箱，未來也可對接背負式AGV，出庫口采用出庫提升機將鐵箱從出庫站臺提起落到平板車上，再由人工或者牽引式AGV拉走。立庫布局示意如圖2所示。

1.2.4 與二樓SUB線對接區(qū)域

對接區(qū)域示意如圖3所示。立庫東側設計一片6 m寬鋼平臺（深色方框內）對接SUB線鋼平臺，并在鋼平臺上設置出入庫站點，人工或者AGV牽引平板車到出入庫站點，堆垛機可直接在平板車上叉取鐵箱出入庫。

1.2.5 空箱/尾箱回收區(qū)設計

本項目在立庫東側設計一片回收區(qū)，用于緩存焊裝車間的空箱及尾料箱，回收區(qū)出口端設計可以與背負式AGV對接?；厥諈^(qū)共設計6條緩存線，大小鐵箱緩存線各3條，每條線可緩存7個鐵箱，輸送面高度均為700 mm。緩存線帶有動力，具有能將空鐵箱自動向前推的功能?；厥諈^(qū)布局示意如圖4所示。

1.2.6 立庫存儲單元

鐵箱存儲物料質量小于或等于500 kg（含容器質量）；空鐵箱質量小于或等于110 kg；物料信息載體為二維碼（掃碼設備需可兼容一維碼掃描）；工作時間為滿足車間24 h生產連續(xù)不中斷。

鐵箱分為以下4種規(guī)格：1330 mm×930 mm×800 mm；1330 mm×930 mm×650 mm；1750 mm×1130 mm×800 mm；1750 mm×1130 mm×600 mm。大小鐵箱尺寸設計方案如圖5～6所示。

圖5 大鐵箱設計圖

1.2.7 沖壓工位設計

沖壓車間有2個工位，分別是1 250 t和2 500 t沖壓工位，每個工位可“一”字型緩存6個鐵箱（可兼容大小鐵箱）。工位輸送機通過動力向前輸送鐵箱，輸送面高度小于或等于500 mm，工位兩端輸送機有升降功能，輸送面高度可升降300～700 mm，未來可與背負式AGV對接。沖壓工位布局示意如圖7所示。

圖6 小鐵箱設計圖

圖7 沖壓工位布局圖

1.2.8 立庫貨架

貨架是整個自動化立體倉庫系統(tǒng)實現(xiàn)物料立體儲存的主要支撐結構，綜合考慮實施空間和成本，本項目共設計了6條巷道和12排貨架，并且采用橫梁式貨架。

1.2.9 堆垛機

自動化立體倉庫的主要存取設備是有軌巷道堆垛機。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；要求貨叉具有運動安全互鎖功能；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)。

2 設備控制系統(tǒng)

2.1 輸送電控系統(tǒng)

輸送電控系統(tǒng)主要控制整個物流系統(tǒng)中的輸送設備，向上聯(lián)接到物流的上位機系統(tǒng)，接受物料的輸送指令；向下聯(lián)接輸送設備，實現(xiàn)底層輸送設備的驅動、物料的檢測與識別，完成物料輸送的過程控制及信息的傳遞，橫向完成其他單機系統(tǒng)的控制集成。此外，輸送電控系統(tǒng)還提供內容豐富、形象直觀的人機界面、安全保護措施和多種操作模式，輔助工作人員進行設備操作和維護。

本方案電控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡采用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡進行架構，以西門子1500系列PLC作為主控制器。將供貨范圍內的設備進行統(tǒng)一控制、有序結合，構成一套功能完整的物流作業(yè)系統(tǒng)。所有供貨范圍內的電機控制器件、I/O、現(xiàn)場操作員終端、智能識別設備及單機控制系統(tǒng)等，通過本地PROFINET交換機接入系統(tǒng)PROFINET網(wǎng)絡。

對于上層計算機系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)提供專用的接口進行連接，通過以太網(wǎng)使用OPC協(xié)議或Socket協(xié)議進行通訊。

PLC控制器本身具有網(wǎng)絡分段功能，向上連接上位機及上層計算機系統(tǒng)，向下連接PROFINET網(wǎng)絡。上層網(wǎng)絡和底層控制網(wǎng)絡物理隔離，底層設備控制網(wǎng)絡為獨立網(wǎng)段，不占用企業(yè)IP地址，不受上層網(wǎng)絡的干擾。

2.2 集成化物流管理系統(tǒng)

該軟件系統(tǒng)是自動化物流系統(tǒng)的調度核心和信息存儲處理中心，運行在計算機網(wǎng)絡環(huán)境和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)上，實現(xiàn)了車間物料的自動化存??；統(tǒng)一的管理和調度，確保了快速高效的物料出入庫，快捷、準確、高效的運輸。系統(tǒng)控制范圍包含任務管理、系統(tǒng)管理等基礎業(yè)務功能。系統(tǒng)設置、預留可與該公司上層ERP/SAP系統(tǒng)的標準接口和協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互，進行出入庫及產線數(shù)據(jù)的對接，以及未來計劃實施MES、APS、AGV物料呼叫系統(tǒng)的業(yè)務接口對接功能，實現(xiàn)信息的高度集成。

本項目的集成化物流管理系統(tǒng)包括立體倉庫管理系統(tǒng)（WMS）、倉庫控制系統(tǒng)（WCS）、數(shù)據(jù)庫以及計算機網(wǎng)絡、系統(tǒng)軟件。該套系統(tǒng)內容包括軟件結構與功能、數(shù)據(jù)庫選擇、硬件配置、網(wǎng)絡拓撲結構、操作系統(tǒng)、與其他軟件業(yè)務數(shù)據(jù)接口等整體功能集成的解決方案。

3 立體庫出入庫作業(yè)流程

3.1 自動化立體庫入庫作業(yè)

到貨后的鐵箱以及沖壓生產完畢的鐵箱通過AGV搬運至入庫端入庫時，進行入庫作業(yè)，在巷道入口處采用自動掃描技術并同步向系統(tǒng)申請分配庫位，發(fā)送入庫申請信息，系統(tǒng)根據(jù)服務器收到的入庫申請信息來判斷是否入庫以及貨位坐標。當能夠判定為入庫時，將包含貨物坐標的入庫指令發(fā)送到執(zhí)行系統(tǒng)，接收到指令的堆垛機將貨物存放在指定的貨格中，然后將操作完成的信息返回給控制系統(tǒng)，等待接收下一條操作指令，完成的信息將返回到管理系統(tǒng)以進行出入庫管理，入庫完成后，關閉訂單并生成庫存。入庫訂單主要包括入庫單據(jù)的處理、物料組盤登記、系統(tǒng)自動讀取容器條碼、物料（自產成品和其他物料）入庫操作、剩余成品和返庫入庫。入庫訂單處理要求：接收ERP入庫類訂單，包括生產計劃單，生產入庫、退貨入庫單等，生成相應的入庫單據(jù)；在ERP不能傳送指令的情況下，可由具備權限的操作員在WMS錄入各種單據(jù)；入庫完成后，執(zhí)行入庫任務完成處理；各種入庫單據(jù)的結算操作會生成實際的庫存數(shù)據(jù)。

3.2 自動化立體庫出庫作業(yè)

焊裝崗位以及沖壓崗位需要物料時，系統(tǒng)生成相應的物料需求信息，進行出庫作業(yè)。首先將需求信息輸入到上位管理機中，服務器將根據(jù)收到的需求信息自動進行庫存查詢，按照“先進先出、自由分配、高度容錯”的原則，生成出庫作業(yè)指令，控制系統(tǒng)收到指令后，控制堆垛機按照分配的貨位地址取物料，并移栽到AGV小車上，小車與生產線自動完成對接，出庫作業(yè)完成，控制系統(tǒng)返回作業(yè)完成信息，管理系統(tǒng)更新庫存數(shù)據(jù)庫中的貨物信息和貨位占用情況，完成出庫管理。出庫訂單管理要求：接收ERP、SAP各種業(yè)務類型出庫單據(jù)；在ERP、SAP不能傳送指令的情況下，可實現(xiàn)Excel表格導入出庫清單模式或者手動輸入零件清單兩種模式；具備可以查詢出庫訂單、各種出庫單據(jù)的關單操作，更新實際庫存。

4 系統(tǒng)的技術特點

4.1 立庫鐵箱儲位數(shù)要求

采用橫梁式貨架，總儲位不低于4 200鐵箱儲位。

4.2 儲位比例要求

大小箱比例為4∶6；高矮箱比例為4∶6。

4.3 立庫鐵箱出入庫能力

立庫出入庫設計復合效率不低于260托/h（實際出入庫能力需求：入庫不小于120箱/h；出庫不小于140箱/h）。

4.4 技術架構領先性

（1）系統(tǒng)可靠性。采用成熟的軟件系統(tǒng)架構，其中的標準功能由多年的行業(yè)經(jīng)驗提煉，并已經(jīng)過大量項目驗證，可靠性高。

（2）可維護性?；谙鄬Ψ€(wěn)定的信息結構開發(fā)復雜且可變的應用，并減少系統(tǒng)維護的頻率。軟件文檔完整，具有開發(fā)狀態(tài)和操作狀態(tài)的監(jiān)控屬性。提供良好的軟件結構（模塊化、層次性、獨立性），采用先進的開發(fā)工具，提高維護效率。

（3）易用性。為了讓操作界面更加友好且易于操作，所有的用戶界面應均采用簡體中文的Windows界面，按照國標要求提供準確、一致的用戶文檔和使用文檔。面、文檔、幫助均為中文，報表符合國人習慣?？筛鶕?jù)用戶需求修改配置參數(shù)，定制界面的顯示信息，并且可依據(jù)客戶需求定制報表。

（4）開放性。在具體實施過程中，可通過調整參數(shù)、更改數(shù)據(jù)庫中基礎數(shù)據(jù)，定制客戶需求的功能。支持環(huán)境（網(wǎng)絡、服務器、數(shù)據(jù)庫）采用國際通用標準，保留同企業(yè)外圍管理系統(tǒng)的接口及系統(tǒng)升級、擴充能力，數(shù)據(jù)接口信息符合國際國內的開發(fā)規(guī)范，與外圍系統(tǒng)盡量保持代碼一致，數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一。

5 結束語

本文介紹了汽車沖壓和焊裝車間物流中自動化立體倉儲系統(tǒng)的設計原則和技術要求，包括總體方案設計、立庫布局設計、立庫功能設計以及設備控制系統(tǒng)的設計，描述了立庫輸入庫作業(yè)流程和系統(tǒng)技術特點。該自動化立體倉儲系統(tǒng)的設計應用提高了生產自動化水平，實現(xiàn)了汽車車架的智能化生產制造。