現(xiàn)代工廠倉儲智能管理

李梅，譚道桓，李恒毅，魯毅，張睿鋒

1.云南省彌勒市星田工業(yè)園區(qū)紅河卷煙廠，云南紅河，652300；2.昆明理工大學(xué)理學(xué)院，云南昆明，650093

0 引言

當(dāng)今時代，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)飛速發(fā)展，隨著物流運輸不斷向數(shù)據(jù)化、信息化發(fā)展，物流倉儲業(yè)應(yīng)緊跟時代腳步[1]。在本次智慧倉庫管理方案分析中，我們以云南紅河煙廠技術(shù)升級改造項目為例[2]，探討智能管控在現(xiàn)代倉儲中的運用。

針對紅河煙廠倉儲情況，有如下現(xiàn)狀：① 物料入庫需要整托盤入庫，散件需要人工或自動配盤入庫；② 需要存放的物料或成品種類不多，其體積和質(zhì)量相近；③ 成品庫存區(qū)與銷售運輸區(qū)域相連，成品可直接裝車出庫。

企業(yè)傳統(tǒng)倉庫管理往往存在諸多問題：入庫登記不規(guī)范；人工完成從庫房到生產(chǎn)線的物料運輸，庫內(nèi)運輸效率低下；不同時間生產(chǎn)包裝的成品堆積，位于貨堆底部的成品出庫困難；多品種產(chǎn)品出庫需協(xié)調(diào)多個倉庫，程序繁瑣。針對這些問題，紅河煙廠提出并實踐了一套為生產(chǎn)原材料、加工半成品、成品的存儲管理全過程進(jìn)行智能化管控的方案。該方案提出貨物使用高架庫存放代替?zhèn)鹘y(tǒng)倉庫存放，通過機(jī)械手和自動引導(dǎo)車（automated guided vehicle, 后簡稱AGV）進(jìn)行物料和成品的入庫出庫，通過自動電磁懸掛（electromagnetic suspension, 后簡稱EMS）運輸車進(jìn)行庫內(nèi)運輸[3]，不同貨架的物料和成品的分揀通過分合流系統(tǒng)進(jìn)行，最終通過雙向堆碼垛機(jī)送入高架庫中進(jìn)行存放。全過程信息化實現(xiàn)，物料通過托盤上射頻識別（radio-frequency identification,簡稱RFID）芯片進(jìn)行標(biāo)記、成品通過唯一標(biāo)識條碼配合 RFID 芯片進(jìn)行識別，物料和成品在庫內(nèi)位置、狀態(tài)等信息可實現(xiàn)全程精準(zhǔn)可控、智慧管理。

1 入庫與出庫

倉庫分為輔料庫區(qū)（存放生產(chǎn)用物料）和成品庫區(qū)（存放成品），輔料庫區(qū)與生產(chǎn)線直接相連，成品庫區(qū)位于生產(chǎn)線末端。輔料庫和成品庫均采用高架庫進(jìn)行物料存放，對少數(shù)特殊物料通過平庫存放，位于生產(chǎn)車間旁，平庫內(nèi)物料由 AGV 車或人工叉車進(jìn)行存取，僅作為臨時使用，不在智慧倉儲管理范圍之內(nèi)。

無論是成品庫還是輔料庫，主要貨物均存放于高架庫內(nèi)，成品高架庫共 24 個貨架，每個貨架有8層，每層60個貨位，輔料庫有10個貨架，每個貨架14層，每層48個貨位，輔料庫每4個貨架成品庫，每 2 個貨架間配備一臺雙向堆垛機(jī)，由該堆垛機(jī)負(fù)責(zé)左右兩排貨架的貨位存取。成品庫的入庫和出庫由上下兩層分別完成，下層傳送帶連接運輸車輛所在區(qū)域，完成出庫操作，生產(chǎn)線直接與上層入庫區(qū)域連接。

物料運送至倉庫后若為整托盤物料，則通過人工叉車送至入庫區(qū)入庫站臺處，每一個入庫站臺均配備 RFID 掃描裝置，通過掃描托盤上的 RFID 芯片獲取數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫內(nèi)訂單進(jìn)行匹配后管理系統(tǒng)將為其分配存儲貨位[4]；人工入庫主要針對未使用完的物料或特殊物料入庫，人工入庫在人工配盤區(qū)進(jìn)行操作，由工作人員擺放托盤，并將數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前庫區(qū)情況分配貨位。貨位分配完成后傳送帶和庫內(nèi)運輸設(shè)備將自動運輸至對應(yīng)貨架處，再經(jīng)堆垛機(jī)運送入庫。成品通過生產(chǎn)線運輸帶直接運輸至成品庫分合流系統(tǒng)，分合流系統(tǒng)上配備 RFID 掃描裝置和紅外條碼掃描裝置，經(jīng)機(jī)器手堆垛至托盤上后，寫入托盤 RFID 芯片，系統(tǒng)為其分配貨位，進(jìn)行成品入庫操作。

出庫過程與入庫過程相反，成品庫整托盤出庫過程和輔料庫出庫過程一致。當(dāng)生產(chǎn)線發(fā)出物料配送請求或收到成品出庫訂單出庫指令之后，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前庫存狀態(tài)和預(yù)定的規(guī)則進(jìn)行選擇貨位進(jìn)行操作，對于多盤或多種物料請求，則每一種和每一盤物料均進(jìn)行出庫和運輸。輔料物料通過堆垛機(jī)從高架庫上取下，經(jīng)庫內(nèi)運輸系統(tǒng)送至輔料區(qū)出庫口，隨后由 AGV 車輛將物料輸送至請求生產(chǎn)線或請求工位[5]。成品庫散件出庫通過前述系統(tǒng)取出托盤后送至機(jī)器手堆碼垛區(qū)[6]，由機(jī)器手對需要出庫成品進(jìn)行拆垛，經(jīng)運輸帶、分合流系統(tǒng)運輸至出庫車輛運輸區(qū)。對于已經(jīng)拆散的成品托盤將臨時存放在機(jī)器手拆碼垛緩沖區(qū)，若后續(xù)有該托盤貨物需要散件出庫，則可直接使用，若緩沖區(qū)不足，則系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則，將部分散盤運回原貨位或?qū)⑸⒈P直接拆散，經(jīng)傳送帶和提升機(jī)運輸至上層入庫區(qū)重新入庫[7]。

2 倉庫內(nèi)運輸

在本文研究環(huán)境下，庫內(nèi)運輸包括輔料從運輸車輛運送至入庫站臺、經(jīng)入庫站臺運送至貨架、從貨架運輸至生產(chǎn)線和成品從生產(chǎn)線運輸至貨架、貨架之間的相互運輸以及成品從貨架出庫等過程。

針對物料運輸至入庫站臺，對于整托盤物料直接通過 AGV 車進(jìn)行運輸，特殊情況下由人工叉車負(fù)責(zé)運送[8]。散件由人工叉車運送至人工配盤區(qū)后由人工配盤。

物料從入庫站臺送至貨架分為兩部分，第一部分通過傳送帶進(jìn)行運輸，傳送帶連接到各個入庫站臺，對于路線交叉處采用可升降的傳輸機(jī)通過升降控制運輸方向[9]。由于貨架使用頻率較高，若使用 AGV 或人工叉車等運輸方式容易造成堵塞，影響整個系統(tǒng)工作效率，綜合考慮下，EMS運輸系統(tǒng)是解決貨架區(qū)域運輸?shù)氖走x。自動電磁懸掛車輛根據(jù)預(yù)定軌道運行，變軌裝置的存在使運送路徑得以多樣選擇，通過良好的調(diào)度管理和精確的控制技術(shù)實現(xiàn)高效的運輸[10]。

分合流系統(tǒng)是一種先進(jìn)高效的自動分揀系統(tǒng)，其一般由輸送部分、設(shè)備自動控制部分和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成。本倉庫中分合流系統(tǒng)分為三個部分：二樓入庫分合流設(shè)備、一樓出庫分合流設(shè)備及提升機(jī)[11]。其中入庫分合流設(shè)備包括含1個貨物主要入口和17個分類出口、提升機(jī)入口，另外包含不合格的物體剔除口、物體回流口和環(huán)形輸送機(jī)各一個。物體從主要入口進(jìn)入，在通過環(huán)形分合流軌道后可以最多分成17個種類進(jìn)入倉庫進(jìn)行存儲。出庫分合流設(shè)備，該設(shè)備分為6個入庫口、8個出庫口、提升機(jī)出口、不合格的物體剔除口、物體回流口和環(huán)形輸送機(jī)。將通過這6個入庫口將倉庫中的物體輸送到出庫分合流設(shè)備，然后在8個出庫口進(jìn)行出庫裝車。提升機(jī)可以在將一樓的貨物提升到二樓并進(jìn)入入庫分合流設(shè)備，進(jìn)行分類[12]。

3 智能控制及數(shù)字孿生平臺

在整個倉儲區(qū)間，幾乎所有的設(shè)備均連接網(wǎng)絡(luò)，并通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)控制信號和狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳送[13]。在該項目中，入庫站臺、出庫站臺、人工配盤區(qū)、機(jī)械手、堆碼垛設(shè)備均配備 RFID 讀寫設(shè)備，傳送帶、智能運輸車、分合流系統(tǒng)配備掃描裝置，可識別物件形狀及表面存在的條碼信息。AGV 車輛通過智能調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)分派和路徑規(guī)劃[14]，EMS運輸系統(tǒng)根據(jù)運輸任務(wù)實時控制EMS穿梭車速度并調(diào)用變軌系統(tǒng)優(yōu)化路線[15]。庫區(qū)堆垛機(jī)通過智能控制實現(xiàn)貨位分配優(yōu)化，使得在利于管理貨物存放的同時，獲得較高的效率。

正是因為幾乎所有設(shè)備均通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與控制中心連接，由此孕育而生了庫區(qū)數(shù)字孿生平臺——虛擬仿真監(jiān)控管理平臺[16]。平臺通過綜合處理各傳感器所讀取到的數(shù)據(jù)，及時進(jìn)行分析處理，通過虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字孿生[17]。該平臺同時連接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實時獲取任務(wù)信息，將任務(wù)信息與傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配比較，從而低延時、高精度地反映運輸線上的實際情況[18]。同時，虛擬監(jiān)控平臺在需要時直接通過Socket、TCP 等協(xié)議與邊緣計算設(shè)備以及物理設(shè)備進(jìn)行連接，進(jìn)而可通過該平臺直接控制運輸流程[19]。系統(tǒng)還可調(diào)用廠區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，通過物理監(jiān)控輔助問題和故障的排查和診斷。

智能管理平臺同時追蹤控制各個設(shè)備運行狀態(tài)、設(shè)備運行時間，實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)故障后自動調(diào)整運輸方案并及時報警、設(shè)備生命周期管理，為設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)提供有力基礎(chǔ)[20]。

4 結(jié)語

現(xiàn)代工廠發(fā)展要面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場，勇于創(chuàng)新。云南紅河煙廠通過技術(shù)改造實現(xiàn)現(xiàn)代工廠智能倉儲運輸控制，利用 EMS、AGV、分合流設(shè)備打造庫內(nèi)智能運輸體系；配合傳送帶、堆碼垛設(shè)備完成物料、成品位置、狀態(tài)精確把控；利用虛擬仿真系統(tǒng)實現(xiàn)運輸生產(chǎn)可視化管理。該項目結(jié)合傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等關(guān)鍵技術(shù)，深入研究并搭建工廠和倉庫的三維虛擬監(jiān)控數(shù)字孿生系統(tǒng)，除前述特點外系統(tǒng)具備良好的可擴(kuò)展性，設(shè)備、物料、成品信息可跨系統(tǒng)跨平臺共享，促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)車間智能化發(fā)展，為現(xiàn)代工廠倉儲運輸提供可行的解決方案。