自動化立體倉庫總體布置面積與巷道堆垛機作業(yè)周期特點的研究

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

自動化立體倉庫的總體布置由諸多影響因素決定，例如物料流程，出、入庫能力，貨架高度，貨格尺寸，貨架總體布置形式，巷道堆垛機能力等。在項目前期規(guī)劃設計階段，通常會根據工藝布置的相關原則以及相關經驗公式進行估算布置；進入到深化設計階段時，會根據前期規(guī)劃設計階段估算的布置尺寸進行設備初步選型，然后再根據選定的關鍵設備巷道堆垛機的作業(yè)周期參數（即作業(yè)循環(huán)時間），對立體倉庫的估算布置面積進行反復驗證和優(yōu)化調整，從而完成優(yōu)化設計的目的。這是設計過程中非常重要的一環(huán)。

1 總體布置原則

立體倉庫的總體布置規(guī)劃需要遵循以下原則：

（1）直線前進原則。要求設備安排、操作流程應使物料搬運和儲存按自然順序逐步進行，避免迂回。

（2）能力匹配原則。設備的存儲和輸送能力要和系統(tǒng)的需求相協(xié)調，避免設備能力的浪費。

（3）能力均衡原則。保持進出庫的設備工作負荷均衡，使倉庫整體維持合理的運行速度。

（4）最經濟原則。保持倉庫內每一段流程之間的最經濟距離，節(jié)省物料轉運時間，降低成本。

（5）冗余原則。保證一定的空間以便將來設備的改造和維修。

（6）安全性原則。設計時考慮操作人員的安全和方便。

2 立體倉庫面積靜態(tài)計算

目前主流的設計工作中，一般由業(yè)主提供工廠生產能力、貨物的儲存周期、總儲存量、貨物種類及尺寸、托盤規(guī)格等相關的基礎數據等，再根據下列經驗公式進行倉庫面積靜態(tài)估算：

式中S1——倉庫儲存區(qū)占地面積，m2；

S2——倉庫出入庫作業(yè)區(qū)占地面積，m2；

Qua——存儲貨物量，t；

G——單元貨物重量，kg；

Hw——庫房有效高度；

a1——貨架至屋架下緣距離，單深式貨架可取1.2 m；雙深式貨架可取1.4 m；

a2——下層貨物至上層貨物底之間的距離，單深式貨架可取0.24 m，雙深式貨架可取0.3 m；

K1——存儲密度系數，單深式貨架可取2～2.5，雙深式貨架可取1.8～2；

H——單元貨物高度，m；

L——單元貨物長度，m；

W——單元貨物寬度，m。

值得注意的是確定立體庫貨架的有效高度Hw是極其重要的，因為高度直接影響倉庫的占地面積、長度、寬度、堆垛機的作業(yè)效率及其技術經濟指標的選擇。通常，為了使巷道堆垛機在長度和高度方向移動速度均衡，高度和長度的比值范圍采用 （1/6～1/4）[2]。由此估算出的倉庫面積S1再根據項目總圖特點得出倉庫初步的長、寬尺寸。

雖然按照經驗公式可以算出初步的倉庫面積及尺寸，但是上式中的設計參數均為靜態(tài)值或是經驗系數，沒有結合實際倉庫中的輸送設備即巷道堆垛機的動態(tài)運行周期、堆垛機數量進行計算，無法滿足深化設計的要求。因此，有必要對堆垛機的運行特點和出入庫能力計算進行研究。

3 巷道堆垛機

自動化立體倉庫巷道式堆垛起重機是自動化立體倉庫中應用最廣泛的貨物搬運設備，也是物流倉儲系統(tǒng)最重要的設備。堆垛機主要的動態(tài)性能參數主要有：運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、振動與噪聲等。

3.1 巷道堆垛機的作業(yè)周期特點

巷道堆垛機的作業(yè)周期是自動化立體倉庫總體布置的一個重要參數，它決定了系統(tǒng)是否能滿足出、入庫能力的需要和巷道堆垛機性能參數的選擇。

巷道堆垛機的出、入庫工況可分為平均單一作業(yè)循環(huán)和復合作業(yè)循環(huán)兩種，從原始位置出發(fā)到指定貨位完成一次取貨或存貨后重新回到原始位置待命為一個單一作業(yè)循環(huán)，如圖1所示。

將貨架的左下角看作坐標原點O，貨架的高設為H，長設為L，在貨架中取（0.2L，0.67H）和（0.67L，0.2H）兩個貨位（即圖1 中的P1和P2），分別測量或計算到P1、P2 兩點的作業(yè)周期，之后求平均值，即可得到立體倉庫單作業(yè)周期的近似值。單循環(huán)作業(yè)周期計算如下：

從O點到P1點：

圖1 單一作業(yè)循環(huán)示意圖Fig.1 Single circulation sketch

從O點到P2點：

單循環(huán)作業(yè)周期：

Ts=[max （T1L，T1H） + max （T2L，T2H） ]+ 2Tf

根據經驗可得：

式中TS——堆垛機單一作業(yè)循環(huán)時間；

H——立體倉庫貨架有效高度；

L——立體倉庫貨架區(qū)總長；

VL——堆垛機水平運行速度；

VH——堆垛機水平運行速度；

aL——堆垛機水平運行加速度；

aH——堆垛機垂直運行加速度；

Tf——堆垛機貨叉伸叉時間。

從原始位置出發(fā)到某指定貨位完成一次存貨之后又到另一指定貨位完成一次取貨，然后返回原始位置為一個復合作業(yè)循環(huán)，如圖2所示。測量從原點至P1（P2）點，再到P2（P1）點，最后返回原點的作業(yè)周期并求取平均值，即可得到立體倉庫復合作業(yè)周期的近似值。

（1）從O點到P1點：

圖2 復合作業(yè)循環(huán)原理示意圖Fig.2 Double circulation sketch

（2）從P1點到P2點

（3）從O點到P2點：

復合循環(huán)作業(yè)周期：

根據經驗可得：

式中TD——堆垛機復合作業(yè)循環(huán)時間。

4 立體倉庫面積動態(tài)計算

一旦確定了巷道堆垛機的作業(yè)循環(huán)時間之后，就可以根據巷道堆垛機在巷道中的工作狀態(tài)（即單、雙循環(huán)所占比例）和巷道堆垛機使用效率計算出滿足出入庫能力的巷道堆垛機最小臺數，即巷道數[3]：

式中P——托盤單位時間內的出入庫總量；

P1——堆垛機單循環(huán)所占比例；

P2——堆垛機復合循環(huán)所占比例；

η——堆垛機期望使用效率，0.8～0.9。

當堆垛機最小臺數確定后，即可確定貨架行數，單伸貨架行數為2n，雙伸貨架行數為4n。

再根據單位貨架的長度、進深、堆垛機外形尺寸、巷道行數、列數計算出立體倉庫的理論長度、寬度，最終結合立體倉庫建筑的柱網布置和預留公用工程的凈空、凈距離等，計算出立體倉庫的最終長度、寬度和高度。從而達到深化設計的要求。

5 項目驗證案例

5.1 項目背景

海外某項目為8×105t/a 聚丙烯裝置，成品為塑料粒子，工廠操作時間為8 000 h/a，產品包裝規(guī)格為小袋（25 kg），小袋包裝需進行碼垛、套膜，托盤每層5 袋，共12 層。倉儲周期15 天，最大儲存能力可達7.2×104t。某該立體倉庫采用庫架一體式設計，設計基礎參數如表1所示。

表1 立體倉庫設計參數Tab.1 ASRS warehouse parameters

5.2 出入庫流程簡述

包裝、碼垛、套膜后的產品經過環(huán)形懸掛穿梭系統(tǒng)輸送至立體庫入庫工作臺處，自動化管理系統(tǒng)（WMS）根據堆垛機的繁忙程度和儲存區(qū)域的容量分析將托盤分配到相應的巷道位置等待存儲。在出庫端，堆垛機根據自動化管理系統(tǒng)指令提取符合牌號、日期等要求的托盤貨物送至出庫端，由出庫端的輸送機送至指定位置等待叉車裝車。

包裝碼垛系統(tǒng)所需的空托盤、包裝袋等可由出庫端叉車送入立體倉庫輸送線上，等待堆垛機送至管理系統(tǒng)指定的貨位。當包裝廠房需要空托盤時，管理系統(tǒng)根據指定位置的信息、貨物類別信息等出庫指令找出相應貨物，通過輸送線送至相應的等待位置。流程如圖3所示。

圖3 包裝及立體倉庫流程圖Fig.3 Warehouse flow diagram

5.3 倉庫建筑、設備布置形式

（1）該立體倉庫采用整體式貨架，即貨架及其主要結構均與房屋的屋頂和墻壁固連一體。

（2）儲存方式為單裝載單元，即在貨架貨位的深度方向只存儲一個貨位單元

（3）堆垛機布置為同一層建筑兩端出入庫方式。

5.4 工藝參數計算

（1）根據靜態(tài)估算公式可得貨架儲存區(qū)域初步面積和尺寸：

S1=13 600 m2；

L可取160 m；

W可取85 m。

倉庫出入庫作業(yè)區(qū)S2根據設備、土建需要考慮1 700 m2?？偯娣e為15 300 m2，L可取180 m，W可取85 m。

（2）巷道堆垛機性能參數如表2所示。

表2 巷道堆垛機性能參數Tab.2 Stack crane parameters

即可得出堆垛機的單一作業(yè)循環(huán)和復合作業(yè)循環(huán)時間：

TS=88 s，TD=137 s

（3）根據物流統(tǒng)計出入庫能力，如圖4所示。

圖4 出入庫能力平衡表Fig.4 Entrance and exit balance table

入庫能力為200 托盤/h，出庫能力為220 托盤/h，即單循環(huán)所占比例為10%，雙循環(huán)所占比例為90%。堆垛機使用效率按90%考慮。則堆垛機數量為：

N=18臺，單伸貨架行數為36 行。

根據已知倉庫有效高度、單層貨架高度和貨架行數，可推出貨架列數為48 列。

貨位數排列方式為：

48（列）×36（行）×14（層）=24 192（個）

最終根據單位巷道的進深（4 250 mm）和長度（3 350 mm），可將倉庫的貨架區(qū)儲存面積定為80 m×165 m=13 200 m2。

倉庫出入庫作業(yè)區(qū)S2 根據設備占地、維修空間、土建需要考慮1 600 m2。總面積為14 800 m2，L可取180 m，W可取85 m。

6 結論

通過對巷道堆垛機的作業(yè)周期特點進行研究以及對實際項目案例的說明可以看出，利用動態(tài)計算可以使立體倉庫的總體布置面積更加精確，更加優(yōu)化，滿足深化設計過程中的要求。