基于Flexsim的碳纖維成品自動(dòng)化立體倉庫優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉成文 ，戴雁琴，趙高翔，柏 陽

（1.淮海工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2.江蘇省海洋資源開發(fā)研究院，江蘇 連云港 222001）

1 引言

某碳纖維公司專業(yè)從事碳纖維材料研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，隨著市場(chǎng)份額的不斷擴(kuò)大，企業(yè)成品倉儲(chǔ)管理存在的問題日益突出，因此結(jié)合企業(yè)發(fā)展需求，運(yùn)用工業(yè)工程的原則和方法，優(yōu)化成品自動(dòng)化立體倉庫的構(gòu)建過程，并運(yùn)用系統(tǒng)仿真軟件驗(yàn)證企業(yè)所需的自動(dòng)化立體倉庫，對(duì)產(chǎn)品的入庫流程進(jìn)行分析，保證設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，以提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 碳纖維成品倉庫管理現(xiàn)狀

公司擬利用現(xiàn)有的成品倉庫改建為自動(dòng)化立體倉庫，在進(jìn)行倉庫的規(guī)劃前，需要對(duì)現(xiàn)有倉庫的基本情況進(jìn)行分析，找到需要優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.1 現(xiàn)有倉庫的基本情況

2.1.1 倉庫內(nèi)部布局。公司現(xiàn)有的碳纖維成品倉庫為60m×48m方形結(jié)構(gòu)，占地2 880m2，倉庫高度為8.5m，實(shí)際可用為7.5m，有6個(gè)安全出入口，按生產(chǎn)產(chǎn)品的系列分為8個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，成品倉庫的平面布置如圖1所示。

圖1 成品倉庫平面布置現(xiàn)狀

2.1.2 倉庫管理人員和設(shè)施配備。碳纖維成品倉庫部門有5名管理人員，7名負(fù)責(zé)產(chǎn)品出入庫的搬運(yùn)工，搬運(yùn)設(shè)備有1臺(tái)手動(dòng)推車以及2輛貨運(yùn)叉車，承載貨物的托盤規(guī)格為1 150mm×1 100mm×150mm。

2.1.3 倉庫產(chǎn)品種類。碳纖維產(chǎn)成品主要分為四大類，分別為FC70系列、FC90系列、FC98系列和FC100系列，每一系列又可分為I，II，III和IV四個(gè)品質(zhì)等級(jí)，其中I級(jí)成品最優(yōu)。

2.2 現(xiàn)有倉庫存在問題及解決思路

2.2.1 倉庫管理存在的問題。通過調(diào)查和分析，成品倉庫現(xiàn)有問題總結(jié)如下：

（1）產(chǎn)品堆放混亂，隨意堆放產(chǎn)品問題嚴(yán)重；

（2）搬運(yùn)產(chǎn)品存在過多的尋找和等待浪費(fèi)；

（3）空間利用率低下，不足可用空間高度的1/3；

（4）倉庫人工管理成本過高；

（5）庫存產(chǎn)品缺乏及時(shí)的信息更新，存在滯銷品。

2.2.2 倉庫管理解決思路。以上存在的諸多問題中，解決產(chǎn)品堆放混亂是優(yōu)化成品倉庫管理的關(guān)鍵，其問題的存在直接或間接導(dǎo)致其它問題的產(chǎn)生，因此運(yùn)用5W1H提問法對(duì)產(chǎn)品堆放進(jìn)行提問，分析見表1。

表1 5W1H提問表

3 基于IE的自動(dòng)化立體倉庫分析與設(shè)計(jì)

內(nèi)容涉及自動(dòng)化立體倉庫構(gòu)建的問題分析、主體設(shè)備相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，結(jié)合系統(tǒng)決策的方法，對(duì)輸送設(shè)備進(jìn)行分析選擇，并制定出入庫所需的產(chǎn)品編碼規(guī)則，最后運(yùn)用設(shè)施布置的原則和方法，合理布置立體倉庫的設(shè)備，達(dá)到自動(dòng)化立體倉庫空間布置的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

3.1 自動(dòng)化立體倉庫相關(guān)問題分析

本節(jié)對(duì)兩個(gè)問題進(jìn)行論述：其一，自動(dòng)化立體倉庫與傳統(tǒng)倉庫有何不同；其二，為何要基于IE研究自動(dòng)化立體倉庫構(gòu)建。

自動(dòng)化立體倉庫是使用高層貨架、自動(dòng)搬運(yùn)和運(yùn)輸設(shè)備，結(jié)合信息管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品出入庫少人化、高效化、合理化的倉儲(chǔ)設(shè)施。相比較傳統(tǒng)的倉庫管理中存在的人工成本過高，產(chǎn)品堆放混亂，搬運(yùn)效率低下，空間利用率低下等問題，結(jié)合IE的分析方法，構(gòu)建自動(dòng)化立體倉庫是提升企業(yè)在倉儲(chǔ)管理水平的保證。

IE是一門管理與技術(shù)相結(jié)合的學(xué)科。IE分析方法在傳統(tǒng)分析方法考慮研究對(duì)象設(shè)計(jì)的可行性和方案選擇的合理性的同時(shí)，更加關(guān)注研究對(duì)象內(nèi)各部分設(shè)計(jì)的整體性、優(yōu)化性和系統(tǒng)性。自動(dòng)化立體倉庫的參數(shù)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)活動(dòng)，因此需要通過IE的分析方法來研究。

3.2 成品自動(dòng)化立體倉庫的概念設(shè)計(jì)

自動(dòng)化立體倉庫的主要設(shè)備布局包括貨架區(qū)、輸送機(jī)、控制室、出入庫暫存區(qū)、信息識(shí)別區(qū)、托盤暫存區(qū)以及其他設(shè)備區(qū)。結(jié)合現(xiàn)有倉庫布局，擬利用4號(hào)門為入庫口，1號(hào)門為出庫口，結(jié)合設(shè)備運(yùn)作流程，設(shè)備大體區(qū)域布置如圖2所示。

圖2 立體倉庫設(shè)備布置概念圖

3.3 自動(dòng)化立體倉庫主體設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇

3.3.1 自動(dòng)化立體倉庫需求分析。結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有倉庫需求和發(fā)展需要，公司擬設(shè)定立體倉庫的庫容量為300t，存儲(chǔ)形式采用托盤單元式。結(jié)合現(xiàn)有倉庫結(jié)構(gòu)，確定倉庫可用高度為7.5m。通過統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有庫存產(chǎn)品信息，利用ABC法對(duì)庫存產(chǎn)品的庫存總重量、總箱數(shù)和總的存取頻率進(jìn)行分析，得到結(jié)果見表2。

表2 庫存產(chǎn)品ABC分類表

3.3.2 托盤規(guī)格的選擇。在進(jìn)行托盤規(guī)格選擇時(shí)，有兩種方案，一是通過均衡化的思想設(shè)計(jì)最優(yōu)托盤存放重量，二是通過最大化的思想計(jì)算托盤面積利用率來選擇最合適的托盤。通過統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品包裝規(guī)格相同，A類品的平均重量約為B類和C類品的3倍，若均衡托盤重量則存在貨格空間浪費(fèi)達(dá)到2/3，結(jié)合企業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，B類和C類產(chǎn)品的市場(chǎng)需求會(huì)逐步被A類品所取代，因此第二種托盤選擇方案具有現(xiàn)實(shí)意義。

通用的托盤規(guī)格有三種，如圖3所示，現(xiàn)有產(chǎn)品包裝規(guī)格為500mm×330mm×300mm，通過計(jì)算可以求出每一托盤最大的利用率分別為82.5%、81.81%和82.5%，考慮托盤適用性和貨格的利用率，選用1 200mm×1 000mm規(guī)格的托盤。托盤材料選用塑料托盤，承重500kg，考慮到自動(dòng)設(shè)備存取方便，采用雙面四向叉入型?？紤]數(shù)字型編碼，編碼規(guī)則可采用常用的Code-128的編碼規(guī)則。

圖3 擬采用三種托盤的貨物存放方式

3.3.3 貨架的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)貨架的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮貨格的尺寸、貨架的行列數(shù)及貨架規(guī)格。在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，需要在現(xiàn)有倉庫基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品特征，合理設(shè)計(jì)貨架的尺寸參數(shù)。

一般而言，貨格高度不超過1.2m，產(chǎn)品包裝箱的規(guī)格尺寸為500mm×330mm×300mm，箱體尺寸較小，擬采用堆疊式存放，考慮到預(yù)留工作空間，可以取堆放高度為3層。貨格產(chǎn)品堆放如圖4所示。

貨架的規(guī)格計(jì)算需要考慮貨格的尺寸、貨架的行數(shù)和列數(shù)。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)需預(yù)留工作空隙為50mm、鋼架的厚度為100mm、堆垛機(jī)貨叉工作高度為300mm。通過相應(yīng)的公式計(jì)算可得到貨架規(guī)格見表3。

圖4 貨格設(shè)計(jì)產(chǎn)品堆放圖

表3 貨架參數(shù)一覽表

3.3.4 輸送設(shè)備的選擇

（1）堆垛機(jī)的選擇。常用的堆垛機(jī)有兩種，分別是單立柱式和雙立柱式，在進(jìn)行比選時(shí)，利用逐一比較法對(duì)他們的性能進(jìn)行比較，得到每一性能的權(quán)重，進(jìn)而根據(jù)每一性能的優(yōu)劣求得兩種方案的綜合得分，見表4。

表4 兩種堆垛機(jī)評(píng)價(jià)項(xiàng)目關(guān)聯(lián)矩陣表

由表4可知選用雙立柱式堆垛機(jī)，A類產(chǎn)品單箱最大重量為25.2kg，B類和C類產(chǎn)品單箱最大重量為8.95kg，為節(jié)約購置成本和運(yùn)作成本，考慮購置不同型號(hào)的設(shè)備。查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)，A類產(chǎn)品選用3臺(tái)型號(hào)為DFH-8-500的堆垛機(jī)，B類和C類產(chǎn)品選用4臺(tái)型號(hào)為DFH-8-300的堆垛機(jī)。

（2）輸送機(jī)的選擇。常用的動(dòng)力式輸送的類型有鏈條式、皮帶式和輥筒式，通過系統(tǒng)決策中的古林法對(duì)三種方案進(jìn)行比較，計(jì)算出各性能的權(quán)重和每一性能下三種方案的重要度，得到各方案綜合得分見表5。通過表5分析可知，輥筒式綜合得分最高，因此選用輥筒式輸送機(jī)。

表5 古林法分析各方案綜合評(píng)定表

3.3.5 產(chǎn)品編碼設(shè)計(jì)。結(jié)合收集企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品信息和特征，產(chǎn)品編碼的內(nèi)容包括產(chǎn)品的等級(jí)、類別、品質(zhì)、生產(chǎn)日期以及存放區(qū)域等，由于產(chǎn)品數(shù)量和信息量較大，可考慮數(shù)字型編碼，編碼規(guī)則可采用常用的Code-128的編碼規(guī)則。

3.4 成品自動(dòng)化立體倉庫總體規(guī)劃和布局設(shè)計(jì)

結(jié)合設(shè)施布置與物流規(guī)劃的原則和方法，以及所需的設(shè)備運(yùn)作流程，經(jīng)濟(jì)合理的布置相關(guān)區(qū)域，并對(duì)不同的產(chǎn)品類別進(jìn)行分類管理。

在確定了貨架區(qū)域的尺寸后，結(jié)合圖2的平面布置概念圖，具體規(guī)劃設(shè)備的布置區(qū)域，在滿足運(yùn)作流程合理化的基礎(chǔ)上，做到運(yùn)輸距離最小化，可實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的整體協(xié)調(diào)性，具體整體布置如圖5所示。

圖5 內(nèi)部相關(guān)區(qū)域平面布置圖

4 基于Flexsim的立體倉庫仿真分析

通過上述分析，結(jié)合相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)，利用Flexsim仿真軟件對(duì)自動(dòng)化立體倉庫進(jìn)行模擬仿真，三維立體模型如圖6所示。擬定相關(guān)的設(shè)備參數(shù)，目標(biāo)是使該模型初期運(yùn)行時(shí)設(shè)備的利用率達(dá)到80%，運(yùn)行過程無擁堵，出入庫流程能夠順暢穩(wěn)定進(jìn)行。

圖6 立體倉庫仿真模型圖

通過設(shè)定相關(guān)設(shè)備的參數(shù)模擬產(chǎn)品入庫流程，運(yùn)作模型如圖7所示。仿真模型中，A類產(chǎn)品、B類產(chǎn)品與C類產(chǎn)品的發(fā)生比例為1:1:1。模型中對(duì)3、5、7堆垛機(jī)進(jìn)行仿真運(yùn)行，整體仿真模型導(dǎo)出的數(shù)據(jù)見表6。

表6 系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表

通過表6統(tǒng)計(jì)分析，各運(yùn)行設(shè)備的空閑率最高為19.1%，都在仿真目標(biāo)范圍內(nèi)，滿足運(yùn)行要求。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)比較穩(wěn)定，仿真過程中實(shí)體流動(dòng)順暢，表明設(shè)備的參數(shù)設(shè)置具有合理性，立體倉庫的規(guī)劃可行性高。

圖7 立體倉庫仿真入庫圖

5 總結(jié)

本文研究了某碳纖維成品自動(dòng)化立體倉庫的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容如下：

（1）結(jié)合產(chǎn)品信息和特征，對(duì)自動(dòng)化立體倉庫的管理需求進(jìn)行了分析和總結(jié)。

（2）對(duì)自動(dòng)化立體倉庫的主體設(shè)施進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選擇，合理規(guī)劃了自動(dòng)化立體倉庫設(shè)施布置。

（3）對(duì)設(shè)計(jì)自動(dòng)化立體倉庫進(jìn)行了基于FlexSim的仿真分析。