汽車鈑金車間自動化立體倉儲系統(tǒng)設計

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(chǎn)過程智能優(yōu)化控制和智能工廠建設等，有利于提高生產(chǎn)效率和自動化水平，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，保持與世界先進技術(shù)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(chǎn)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(jié)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)過程同步，實現(xiàn)了物流和生產(chǎn)的高效結(jié)合，極大提升了客戶的滿意度[4]。國內(nèi)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(chǎn)權(quán)的產(chǎn)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(diào)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(diào)度管理中存在倉庫占地面積大、勞動強度大以及生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(shù)，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(shù)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(nèi)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(chǎn)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(cè)與二層平臺SUB線對接，庫內(nèi)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(nèi)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(quán)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(zhì)量自動分配功能。系統(tǒng)可根據(jù)入庫鐵箱質(zhì)量對鐵箱存儲位置進行分配，使巷道內(nèi)貨架存儲物料單元質(zhì)量均勻分布，確保單個貨架單元質(zhì)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(cè)均需要有出入庫功能，并可與立庫東、西側(cè)二層SUB線區(qū)域?qū)?，均可出入?滿鐵箱。②立庫東側(cè)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(cè)出入庫口和東側(cè)入庫口與背負式AGV對接，立庫東側(cè)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(chǎn)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(cè)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(cè)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(cè)設計一片6 m寬鋼平臺（深色方框內(nèi)）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(cè)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(zhì)量小于或等于500 kg（含容器質(zhì)量）；空鐵箱質(zhì)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(qū)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(nèi)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(gòu)，以西門子1500系列PLC作為主控制器。將供貨范圍內(nèi)的設備進行統(tǒng)一控制、有序結(jié)合，構(gòu)成一套功能完整的物流作業(yè)系統(tǒng)。所有供貨范圍內(nèi)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(diào)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?。唤y(tǒng)一的管理和調(diào)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(chǎn)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(nèi)容包括軟件結(jié)構(gòu)與功能、數(shù)據(jù)庫選擇、硬件配置、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、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(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)計劃單，生產(chǎn)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(quán)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(jié)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(chǎn)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(shù)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(shù)架構(gòu)領先性

（1）系統(tǒng)可靠性。采用成熟的軟件系統(tǒng)架構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（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(diào)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(nèi)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(jié)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(shù)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(shù)特點。該自動化立體倉儲系統(tǒng)的設計應用提高了生產(chǎn)自動化水平，實現(xiàn)了汽車車架的智能化生產(chǎn)制造。