石油管智能周轉(zhuǎn)庫的設(shè)計開發(fā)

劉 偉，劉 珂，趙 云

（1. 科大智能物聯(lián)技術(shù)股份有限公司，上海 201601；2. 達力普控股有限公司，河北 滄州 061000）

石油管是被用于石油挖掘、石油精煉及石油運輸?shù)臒o縫鋼管。石油管的生產(chǎn)制造與倉儲物流，是石油能源產(chǎn)業(yè)的“生命線”。我國提出中國制造2025 宏大規(guī)劃，傳統(tǒng)石油管制造行業(yè)逐漸展開了工廠智能化與信息化的改革。其目標(biāo)是建立一個高度靈活的柔性化和數(shù)字化的生產(chǎn)與倉儲模式，從根本上實現(xiàn)提高生產(chǎn)質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率。達力普控股有限公司（簡稱達力普公司）構(gòu)建了一套“石油管智能倉儲與制造系統(tǒng)”，在行業(yè)內(nèi)率先建立了基于智能化立體庫房的石油管智能周轉(zhuǎn)庫，實現(xiàn)管材制造與倉儲的智能化管控。

周轉(zhuǎn)庫是承載物資存儲，銜接區(qū)域庫和車間班組庫配送活動的關(guān)鍵節(jié)點，倉庫布局是否科學(xué)合理直接影響整個倉儲配送管理系統(tǒng)的高效運行［1-3］。同時，融入智能化算法技術(shù)，可以有效地提升周轉(zhuǎn)庫的物流績效［4］。其中，智能化計量周轉(zhuǎn)庫房是基于現(xiàn)代計算機技術(shù)和物流倉儲技術(shù)建成的智能化倉儲設(shè)施，對計量管理工作的開展具有重要意義［5］?，F(xiàn)代周轉(zhuǎn)庫技術(shù)特點包括三方面：①沒有任何定式，滿足實際需求是周轉(zhuǎn)庫建設(shè)根本；②周轉(zhuǎn)庫物流創(chuàng)新力度大于其他物流技術(shù)；③系統(tǒng)化標(biāo)準(zhǔn)化是周轉(zhuǎn)庫基本特征。

達力普公司設(shè)計了一種覆蓋10000 m2的智能化周轉(zhuǎn)庫，是國內(nèi)第一個應(yīng)用于石油管道倉儲物流的周轉(zhuǎn)庫［6］。該智能周轉(zhuǎn)庫最大小時吞吐量1090支石油管，實現(xiàn)了物料管理、設(shè)備管理、物流成本管理等多種實用功能，極大地增加了石油管的物流效率。

1 項目需求

達力普公司于2017年開始實施石油管退城搬遷技改項目。項目一期搬遷技改建設(shè)一條Φ73～159 mm（27/8～61/4 in）石油管智能生產(chǎn)線［7］。其中智能周轉(zhuǎn)庫為生產(chǎn)線的重要組成部分，它是軋管線連接熱處理線、管加工線、加厚線重要周轉(zhuǎn)庫，解決了鋼管進入下工序人工吊運問題。項目占地面積約10000 m2，長約270 m，寬36 m。要求庫區(qū)最高點為16.5 m。庫區(qū)設(shè)置4 條巷道，布置8 排×26層×18 列，整個智能周轉(zhuǎn)庫的最大小時吞吐量為1090 支，要求各設(shè)備工作效率負(fù)荷不大于額定的80%。項目地震烈度按7 級設(shè)計。

智能周轉(zhuǎn)庫工程包括智能周轉(zhuǎn)庫所轄區(qū)域內(nèi)所有的設(shè)備設(shè)施（工藝、設(shè)備、基礎(chǔ)、庫管系統(tǒng)、三電、流體、各種管線等）的設(shè)計、安裝、調(diào)試、該區(qū)域的地坪及地坪刷漆、自動化與信息化及智能化管理的軟硬件系統(tǒng)，以及庫區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等。

2 周轉(zhuǎn)庫物料流轉(zhuǎn)與效率需求分析

智能周轉(zhuǎn)庫作為Φ73～159 mm 石油管智能生產(chǎn)線中各車間物流轉(zhuǎn)移的樞紐，分別為工廠中的4個車間進行接收和派送鋼管，完成出、入庫任務(wù)。

（1） Φ73～159 mm 石油管智能軋制車間。

該車間含3 條預(yù)精整線，對應(yīng)的有3 個下料臺架，位置在智能庫的東北角，其中一臺架與智能周轉(zhuǎn)庫出入口對齊，另外兩個臺架上鋼管由周轉(zhuǎn)庫輸送設(shè)備取走完成入庫；同時設(shè)有兩個入一般管成品庫下料臺架和收集框，位置在Φ73～89 mm 油管加厚車間北側(cè)，直接入一般管成品庫的鋼管通過智能周轉(zhuǎn)庫輸送設(shè)備將鋼管運送至這兩個臺架入一般管成品庫。智能庫在此處的出入庫口最大周轉(zhuǎn)量達440 支/h。

（2） Φ73～89 mm 油管加厚車間。

智能周轉(zhuǎn)庫在此處任務(wù)是為加厚車間輸送原料同時取走下料臺架上已經(jīng)加工完成的鋼管，車間設(shè)有1 個上料臺架和1 個下料臺架，位置在智能庫西北角。原料由智能庫送至該車間上料臺架上，加工完畢后，鋼管符合要求則由智能周轉(zhuǎn)庫輸送設(shè)備運回智能周轉(zhuǎn)庫，智能周轉(zhuǎn)庫為該車間小時最大出庫量55 支/h、最大入庫量55 支/h，合計最大周轉(zhuǎn)量110 支/h。

（3） Φ73～159 mm 石油管熱處理智能生產(chǎn)車間。

智能周轉(zhuǎn)庫在此處主要任務(wù)是為該車間提供熱處理原料并將完成熱處理的鋼管取走入庫，車間設(shè)有1 個上料臺架和1 個下料臺架，位置在智能庫東南角。智能庫出入口與上料臺架對齊，熱處理完畢后，鋼管由周轉(zhuǎn)庫輸送設(shè)備于下料臺架將鋼管取走。智能周轉(zhuǎn)庫在此處最大出庫量140 支/h、入庫量140 支/h，合計最大周轉(zhuǎn)量280 支/h。

（4） Φ73～177.8 mm 耐蝕耐壓耐溫油井管加工車間。

智能周轉(zhuǎn)庫在此處主要任務(wù)是出庫為車間輸送原料。每條線設(shè)有1 個上料臺架，位置在智能庫西側(cè)，兩條線上料臺架與智能周轉(zhuǎn)庫出入口對齊。該車間設(shè)備生產(chǎn)能力按每條線130 支/h 設(shè)計。兩條線分別對應(yīng)1 個智能庫的出入庫口，智能庫對應(yīng)的每個出入庫口在該車間的最大周轉(zhuǎn)量130 支/h。需要注意的是，智能庫西北角出入庫口要同時為1 條管加工線和加厚線提供原料鋼管，此出入庫口最大周轉(zhuǎn)量240 支/h。

（5） 智能周轉(zhuǎn)庫效率需求分析。

智能周轉(zhuǎn)庫物流效率分析如圖1 所示。

圖1 石油管線智能周轉(zhuǎn)庫物流效率分析

管加工只出庫26 次/h，加厚出入庫3 次/h+3次/h=6 次/h，熱處理出入庫15 次/h+15 次/h=30 次/h，預(yù)精整線入庫38 次/h?？傂手禐?00 次/h，是按照4 大工藝最高效率峰值且同一時間段出現(xiàn)計算得出。從效率計算表中可以得出管加工和熱處理為同一管徑的139 mm，而精整的管徑為114.3 mm。加厚工藝處于單獨工藝，而且效率值為固定值。

3 周轉(zhuǎn)庫物流設(shè)備

智能周轉(zhuǎn)庫由貨架、穿梭車、分配小車、堆垛機、提升機、滾筒輸送機等設(shè)備組成，鋼管成排存放在貨架的貨格上，由智能周轉(zhuǎn)庫管倉庫管理系統(tǒng)按生產(chǎn)計劃程序發(fā)出指令控制操作以上設(shè)備達到自動存取、運送和裝卸的目的。

3.1 貨 架

本項目存儲物料為石油管，同時考慮空間利用率最大化，因此采用懸臂式貨架存儲方式（圖2）。單個貨格為4 t 載重，貨架按地震等級7 級設(shè)防，安全系數(shù)2 倍設(shè)計。貨格數(shù)量總計為3456 個。

圖2 智能周轉(zhuǎn)庫貨架示意

3.2 物流設(shè)備的效率與負(fù)荷計算

為了滿足物流設(shè)備應(yīng)用，對各設(shè)備進行效率與負(fù)荷計算。

（1） 堆垛機。

根據(jù)計算，智能周轉(zhuǎn)庫1 臺堆垛機的單循環(huán)效率為24.6 次/h，復(fù)合循環(huán)效率為18.7 次/h。共計4臺。

以上效率值已經(jīng)考慮負(fù)荷80%前提下：單循環(huán)效率為24.6 次/h，4×24.6=98.4 次/h，基本滿足100 次需求值。

（2） 分配小車。

分配小車最大行走速度按60 m/min 計，即最大行走速度為1 m/s。單車最大運行距離31 m。分配小車循環(huán)時間為154.4 s，即設(shè)備效率為23 次/h。精整工藝所需效率值為35 次/h，即35/23=1.5 輛車既可以滿足。精整工藝和管加工工藝總需求54 次/h，54/23=2.3 輛車即可滿足。目前兩端出入口庫各配備3 臺，共6 臺。按最大需求54 次/h 計，總負(fù)荷率為54/（3×23）=78%，滿足設(shè)計需求。

（3） 提升機。

按預(yù)精整線最大需求值為38 次/h 計算，提升機效率值59 次/h，負(fù)荷為64.4%，滿足設(shè)計需求。

（4） 配送穿梭車。

左下（熱處理）：需求值為30 次/h，穿梭車提供效率值56 次/h，負(fù)荷值為53.5%。

右上（管加工和加厚）：需求值為19 次/h，穿梭車提供效率值47 次/h，負(fù)荷值為40%。

右下（精整）：需求值為38 次/h，穿梭車提供效率值38 次/h，負(fù)荷為100%。

右下（精整）：需求值為38 次/h，穿梭車提供效率值43 次/h，負(fù)荷為88%。

4 堆垛機能量反饋系統(tǒng)

堆垛機能量反饋系統(tǒng)是通過MDR 能量回饋模塊將處于發(fā)電狀態(tài)的軸的能量收集起來，反饋用戶電網(wǎng)，由電網(wǎng)內(nèi)的其他設(shè)備消耗，從而達到堆垛機運行節(jié)能的目的。根據(jù)初步方案，堆垛機水平運行為60 kW，升降運行為100 kW，貨叉為3 kW。堆垛機能量反饋系統(tǒng)設(shè)計如圖3 所示。

圖3 堆垛機能量反饋系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)以上參數(shù)，采用能量回饋系統(tǒng)后，堆垛機僅升降運行單次最高回收能量約0.2388 kW·h，但堆垛機不太可能每次都是運行最大距離，按平均0.5 倍最大距離計算，堆垛機每小時運行40 次，每天運行20 h，全年運行340 d 計算，單臺堆垛機全年節(jié)約電量為：0.2388×0.5×20×340=32476.8 kW·h。如果按照工業(yè)用電1 元/（kW·h）計算，1年單臺可節(jié)約費用32000 元，4 臺總節(jié)約費用128000 元。

5 倉庫管理系統(tǒng)貨位承重均衡算法

在日常出入庫作業(yè)過程中為倉庫管理系統(tǒng)（Warehouse Management System，WMS）增加了貨位承重均衡算法，如圖4 所示。

圖4 貨位稱重均衡算法示意

（1） 系統(tǒng)中建立受力分析模型，在第一次入庫完成后，通過當(dāng)前石油管的屬性（質(zhì)量），可以統(tǒng)計當(dāng)前石油管總質(zhì)量，記錄到模型中。

（2） 再次入庫作業(yè)時，需通過受力分析算法得到當(dāng)前入庫石油管的最佳貨格位置。系統(tǒng)生成入庫任務(wù)下發(fā)給倉庫控制系統(tǒng)（Warehouse Control System，WCS）。

（3） 出庫完成后即石油管從貨架取貨到出庫輸送線端，算法需將當(dāng)前石油管質(zhì)量從模型中去除掉。

6 智能送料系統(tǒng)流程設(shè)計

智能送料系統(tǒng)流程設(shè)計：

（1） WMS 系統(tǒng)和各分系統(tǒng)現(xiàn)實分系統(tǒng)對接；

（2） WMS 通過同步各個工藝生產(chǎn)訂單數(shù)據(jù)即轉(zhuǎn)換成WMS 出庫訂單數(shù)據(jù)；

（3） WMS 通過當(dāng)前生產(chǎn)訂單的油管屬性獲取工藝生產(chǎn)的節(jié)拍自動生成送料節(jié)拍；

（4） 通過在各工藝接料點加裝對射光電以確認(rèn)緩存點是否缺料作為二次送料核實；

（5） WMS 鎖定庫存，下架作業(yè)，通過WCS 調(diào)度設(shè)備完成石油管自動送料到各工藝接料點；

（6） 各車間完成加工后，如果WMS 檢測到當(dāng)前訂單未做更新處理，同時接料點的石油管未達到入庫數(shù)量時，繼續(xù)等待中，如果檢測到當(dāng)前訂單發(fā)生插單/更新訂單時，則接料點向WMS 做入庫申請；

（7） WMS 下發(fā)入庫命令，通過WCS 調(diào)度設(shè)備完成石油管自動入庫動作；

（8） 完成入庫后WMS 更新庫存數(shù)據(jù)。

智能送料系統(tǒng)設(shè)計如圖5 所示。

圖5 智能送料系統(tǒng)設(shè)計

7 結(jié)語

介紹了智能倉儲于制造系統(tǒng)構(gòu)建中最具代表性的智能化周轉(zhuǎn)庫倉儲系統(tǒng)，通過運用人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)，結(jié)合算法設(shè)計與系統(tǒng)工程，構(gòu)建了智能工廠物料智能周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從根本上實現(xiàn)了石油管生產(chǎn)制造與倉儲物流的減人、提質(zhì)與增效，對企業(yè)效益提升起到了至關(guān)重要的作用。