一軌雙車濾棒高架庫堆垛機利用率的影響因素研究

彭煥宇，袁建華，裴廣山，向琪玲，文斌

（湖南中煙工業(yè)責任有限公司常德卷煙廠，湖南常德 415000）

自動化立體倉庫（以下簡稱“立體庫”）是指將物流、計算機管理和控制、網(wǎng)絡(luò)、信息、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)結(jié)合起來，自動化、信息化程度高，存儲量大且存儲時間長[1]，有效滿足了生產(chǎn)工藝要求，目前已成為煙草工業(yè)企業(yè)的首選模式。而堆垛機是自動化立體倉庫的關(guān)鍵組成部分，保證堆垛機利用率大小在合適范圍，既要充分發(fā)揮立體庫的處理能力，也要保證任務(wù)產(chǎn)生后能及時處理完成[2]。研究堆垛機利用率影響因素，可以有效找到提升濾棒庫效率的優(yōu)化方向，滿足更大的生產(chǎn)需求。

在目前一軌雙車的作業(yè)模式下，存在讓車頻次多、任務(wù)路徑長的問題，從理論計算、仿真實驗、數(shù)據(jù)分析入手，研究站臺區(qū)域設(shè)置、堆垛機運動區(qū)域設(shè)置、堆垛機作業(yè)模式等因素對利用率的影響，并在實際工作情況下加以驗證。

1 濾棒高架庫布局及主要參數(shù)

1.1 高架庫布局

濾棒高架庫為同層異側(cè)、雙排貨架單巷道結(jié)構(gòu)，各站臺位置固定。貨架規(guī)劃按1 個貨格放1 個料盤組設(shè)計貨架，共2 排×86 列×8 層貨架。

成型機側(cè)共有11 臺成型機，立柱占用6 列貨位，再加1 個立柱與成型機側(cè)開孔位置重合的4 個貨位，有效貨位為：80（列）×8（層）－11×5×4+4=424，發(fā)射機側(cè)共有8 臺發(fā)射機和1 個人工站臺，有效貨位為：86（列）×8（層）－8×5×4－3×4=516。庫內(nèi)總貨位為516+424=940。

根據(jù)實際布局以及目前貨位間綁定關(guān)系，繪制出可用貨位綁定圖，如圖1 所示。

圖1 可用貨位綁定圖

1.2 一軌雙堆垛機雙叉系統(tǒng)

項目采用一軌雙堆垛機雙叉系統(tǒng)，2 臺堆垛機共用同一條軌道，協(xié)同作業(yè)，干涉區(qū)域作業(yè)時相互避讓，不會出現(xiàn)機械碰撞、相互卡死的情況。該子系統(tǒng)處理能力介于單臺堆垛機子系統(tǒng)和2 臺獨立運行堆垛機子系統(tǒng)之間。生產(chǎn)中如果干涉過大，可能會導致一軌雙堆垛機子系統(tǒng)的處理能力急劇下降。堆垛機間的安全距離為7 列。330 堆垛機運行最大范圍為1—79 列，331堆垛機運行最大范圍為11—86 列。堆垛機運行參數(shù)如表1 所示。

表1 堆垛機運行參數(shù)

1.3 堆垛機作業(yè)模式

若機組初始清空，物流系統(tǒng)開始供應空料盤組（成型機組）或?qū)嵙媳P組（發(fā)射機組），系統(tǒng)為兩叉堆垛機，機組入口輸送機產(chǎn)生足以容納2 個料盤組的空間時申請出庫。經(jīng)過一段生產(chǎn)時間后，當產(chǎn)生2 個完整的實料盤組（成型機組）或空料盤組（發(fā)射機組）時申請入庫。

單一作業(yè)是出庫和入庫作業(yè)分開申請，期間堆垛機可以處理其他機組作業(yè)。單一作業(yè)出庫/入庫流程如圖2 所示。

圖2 單一作業(yè)出庫/入庫流程

復合作業(yè)是指堆垛機從執(zhí)行出庫任務(wù)將托盤送到選定站臺[3]，然后調(diào)度判斷站臺下層是否有入庫任務(wù)，若有則執(zhí)行該站臺入庫任務(wù)，將下層托盤送入庫內(nèi)，期間不會受到其他站臺任務(wù)干擾。在復合作業(yè)方式中堆垛機會在一個循環(huán)里完成一個站臺的出入庫工作。復合作業(yè)出入庫流程如圖3 所示。

圖3 復合作業(yè)出入庫流程

單一作業(yè)出入庫時間：T1=2×（t0+t1+2×t2）。

復合作業(yè)出入庫時間：T2=t0+t1+4×t2+t3+t4。

在足夠大的數(shù)據(jù)量情況下，默認跑位時間都相等，則t0=t1=t4。單一作業(yè)出入庫時間與復合作業(yè)出入庫時間差為：T=T1－T2=t0－t3。t0跑位時間（設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計平均單次跑位時長8 s）大于t3載貨臺從站臺上層下降到下層時間（實測時間2.3 s），所以復合作業(yè)模式下堆垛機出入庫任務(wù)時間會得到有效縮短。

1.4 優(yōu)先級策略

就近優(yōu)先原則：在設(shè)定的站臺范圍內(nèi)，中心列優(yōu)先級最高，分別向左右2 個方向遞減；同一列以入庫站臺對應層優(yōu)先級最高，分別向上下2 個方向遞減，查找優(yōu)先級最高的貨位作為目標地址。

先進先出原則：在設(shè)定的站臺范圍內(nèi)，尋找入庫時間最早，即庫內(nèi)存放時間最長的托盤組出庫。

本系統(tǒng)中，入庫均遵循就近優(yōu)先原則，出庫遵循先進先出原則。

1.5 站臺信息設(shè)置

成型實盤入庫站臺、成型空盤出庫站臺、發(fā)射實盤出庫站臺、發(fā)射空盤入庫站臺4 種站臺類型，均需分別進行“限定貨架開始列”“中心列”“限定貨架結(jié)束列”和“位置區(qū)域”的設(shè)置。其中，“中心列”通常以自身站臺所在列為中心，而“位置區(qū)域”有3 種選項：①全區(qū)域（1—86 列）；②A 區(qū)域（1—60 列）；③B 區(qū)域（36—86 列）。

2 濾棒庫區(qū)域設(shè)置仿真

2.1 濾棒庫機組配置

成型機組：共11 臺，其中D F 1 0（能力為1 000 m/min）5 臺，KDF4（能力為600 m/min）6 臺。

卷接機組：共36.5 組，其中PROTOS70（能力為每臺7 000 支/min）29.5 臺（PROTOS70 機組接入2 條發(fā)射機管道，0.5 代表機組接入1 條管道），PROTOS2-2（能力為每臺16 000 支/min）4 臺，PROTOS M5（能力為每臺12 000 支/min）3 臺。

卸盤機：YB19 型（能力為每臺16000 支/min）8 臺。

2.2 系統(tǒng)能力要求

入庫流量（按11 臺成型機組額定能力進行計算）：（5×10 000 支/min+6×6 000 支/min）÷4 300÷22×60 min=54.5 組/h。要求空料盤組出庫流量為54.5 組/h。出庫流量（按卷接包機組額定能力，并考慮85%的設(shè)備利用率進行計算）：[（29.5×7 000 支/min）+（3×12 000 支/min）+（4×16 000 支/min）]×0.85÷4÷4 300÷22×60=41.3 組/h。要求空料盤組返庫量為：41.3 組/h。

人工站臺處理流量：人工站臺按處理2 組/h 進行流量計算。

要求堆垛機的處理能力：要求巷道堆垛機的最大處理能力為54.5×2+41.3×2+2=193.6 組/h。

2.3 仿真平臺

采用的通用仿真平臺是Autosimulations 公司出品的AutoMod12.3.1 物流仿真軟件，可根據(jù)系統(tǒng)工藝平面布置圖，按1∶1 比例建立三維實體模型，對項目進行系統(tǒng)和關(guān)鍵單機設(shè)備能力仿真。AutoMod 仿真軟件中堆垛機利用率計算公式為一段工作時長內(nèi)堆垛機最大可處理總數(shù)與立體庫要求任務(wù)數(shù)之比。

2.4 仿真方案

站臺中心線示意如圖4 所示，每個站臺（成型和發(fā)射機）占用5 列貨位，站臺中心線則為中間列，例如，9 號成型機的中心線為22 列，8 號成型機的中心線為31 列，7 號成型機的中心線為40 列。

圖4 中心線示意圖

方案一：330 堆垛機和331 堆垛機互不干涉，且承擔負荷量相當。

330 堆垛機為1—46 列；331 堆垛機為47—86 列。站臺起始列：330 堆垛機的運行區(qū)域內(nèi)的站臺選擇區(qū)域為1—46 列；331 堆垛機的運行區(qū)域內(nèi)的站臺選擇區(qū)域為47—86 列。中心列為站臺中心線。

方案二：330 堆垛機和331 堆垛機存在重疊區(qū)域，且承擔負荷量相當。

第一種情況，330 堆垛機為1—46 列，331 堆垛機為40—86 列，重疊區(qū)域為40—46 列。重疊區(qū)域外的站臺：站臺選擇區(qū)域為區(qū)域內(nèi)運行堆垛機的可運行范圍。中心列為站臺中心線。重疊區(qū)域內(nèi)的站臺：5#發(fā)射機站臺選擇區(qū)域有3 種設(shè)置方式，分別為20—60 列、15—70 列、1—86 列。中心列為站臺中心線。

第二種情況，330 堆垛機為1—55 列，331 堆垛機為31—86 列，重疊區(qū)域為31—55 列。重疊區(qū)域外的站臺：站臺選擇區(qū)域為區(qū)域內(nèi)運行堆垛機的可運行范圍。中心列為站臺中心線。重疊區(qū)域內(nèi)的站臺：發(fā)射機4#、5#、6#，成型機6#、7#，3 種起始列設(shè)置方式分別為20—60 列、15—70 列、1—86 列。中心列為站臺中心線。

第三種情況，330 堆垛機為1—66 列，331 堆垛機為21—86 列，重疊區(qū)域為21—66 列。重疊區(qū)域外的站臺：站臺選擇區(qū)域為區(qū)域內(nèi)運行堆垛機的可運行范圍。中心列為站臺中心線。重疊區(qū)域內(nèi)的站臺：發(fā)射機3#～7#，成型機4#～8#，起始列設(shè)置方式分別為15—70 列、1—86 列。中心列為站臺中心線。

第四種情況，330 堆垛機為1—79 列，331 堆垛機為11—86 列，重疊區(qū)域為11—79 列（原有方案）。重疊區(qū)域外的站臺：站臺選擇區(qū)域為區(qū)域內(nèi)運行堆垛機的可運行范圍。中心列為站臺中心線。重疊區(qū)域內(nèi)的站臺：發(fā)射機2#～8#，成型機2#～11#，起始列設(shè)置為1—86 列。中心列為站臺中心線。

2.5 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如表2 所示。從仿真結(jié)果可以看出，在理想生產(chǎn)情況下，一軌雙車濾棒庫中兩車干涉區(qū)域越窄，堆垛機利用率會越低。但現(xiàn)場生產(chǎn)情況較為復雜，需要考慮生產(chǎn)中的其他問題，如成型兩側(cè)生產(chǎn)速率不平衡、人工站臺抽樣、空盤的供給等。所以在綜合考慮下選擇采用方案二第二種情況，既保證了低利用率，又有足夠的重疊緩沖區(qū)，同時中間站臺還可以在線調(diào)配2 個區(qū)域內(nèi)的空盤、實盤占比，這更符合現(xiàn)場生產(chǎn)情況需要。

表2 仿真結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 利用率公式

通過仿真軟件利用率算法，推導出實際運行方案中利用率計算公式。實際利用率計算公式：

式中：α為在線任務(wù)時長；β為故障時長；γ為干涉避讓時長；T為運行總時長。

每小時堆垛機最大可處理組數(shù)計算公式如下：

式中：n為總時長內(nèi)任務(wù)次數(shù)。

濾棒庫需求任務(wù)量為193.6 組/h，則濾棒庫堆垛機利用率η=193.6/ΣXi（i為堆垛機編號）。

該濾棒庫系統(tǒng)中所采用的是雙叉堆垛機，堆垛機一次接送貨會執(zhí)行兩叉任務(wù)，故而一次堆垛機運行時間應為兩叉中任務(wù)時間長的時間。為方便統(tǒng)計，默認兩叉任務(wù)時間平均數(shù)為堆垛機運行時間，即0.5α。

3.2 運行數(shù)據(jù)分析

從設(shè)備HMI 中收集原有方案和優(yōu)化方案一周內(nèi)120 h 的運行數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫內(nèi)采集不同方案干涉避讓時長，代入推導出的利用率計算公式，得出實際濾棒庫最大可處理組數(shù)和濾棒庫堆垛機利用率。

3.2.1 原有方案

優(yōu)化前堆垛機330 運行數(shù)據(jù)情況如表3 所示。

表3 優(yōu)化前堆垛機330 運行數(shù)據(jù)

實際利用率：

最大可處理組數(shù)：

優(yōu)化前堆垛機331 運行數(shù)據(jù)情況如表4 所示。

表4 優(yōu)化前堆垛機331 運行數(shù)據(jù)

實際利用率：

最大可處理組數(shù)：

濾棒庫堆垛機利用率：

優(yōu)化前的原有方案中堆垛機運行區(qū)域和站臺設(shè)置區(qū)域采用方案二第四種情況，仿真結(jié)果中的方案二第四種情況是在100%復合作業(yè)情況下測試數(shù)據(jù)，但現(xiàn)場的原有方案中復合作業(yè)覆蓋率低，所以利用率無法達到仿真結(jié)果的96.8%。

3.2.2 優(yōu)化方案

優(yōu)化調(diào)度策略，改進電控程序，將復合作業(yè)覆蓋率提高到90%以上。選用仿真方案二第二種情況中的站臺區(qū)域和堆垛機運行區(qū)域。優(yōu)化后堆垛機330 運行數(shù)據(jù)情況如表5 所示。

表5 優(yōu)化后堆垛機330 運行數(shù)據(jù)

實際利用率：

最大可處理組數(shù)：

優(yōu)化后堆垛機331 運行數(shù)據(jù)情況如表6 所示。

表6 優(yōu)化后堆垛機331 運行數(shù)據(jù)

實際利用率：

最大可處理組數(shù)：

濾棒庫堆垛機利用率：

3.3 綜合分析

優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比如圖5 所示。根據(jù)優(yōu)化方案中的2 個方向優(yōu)化后，利用率比仿真中的方案二第二種情況更低，因為調(diào)度策略上將復合作業(yè)分配更加優(yōu)化，某些特殊情況下會調(diào)度2 臺堆垛機來一起作業(yè)而不是仿真中的100%復合作業(yè)，這樣充分利用2 臺堆垛機可以縮短任務(wù)路徑、降低干涉避讓率。堆垛機利用率由原本的99.1%降低到了90.1%，利用率有效下降了9.0%，濾棒庫堆垛機效率提高，滿足了系統(tǒng)能力要求。

圖5 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代物流行業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)對于倉儲系統(tǒng)的出入庫能力有了更高的要求，堆垛機利用率控制在合理范圍對于生產(chǎn)運行就更為重要[4]。本文以一軌雙車雙叉濾棒高架庫為研究對象，利用AutoMod 軟件對倉庫進行建模與仿真，找到濾棒庫區(qū)域設(shè)置合適方案，再通過現(xiàn)場實際運行產(chǎn)生的設(shè)備數(shù)據(jù)和任務(wù)數(shù)據(jù)來計算利用率實際情況，將對利用率有影響的因素通過仿真、計算等方式得出結(jié)論，找到了降低利用率的優(yōu)化方向，更好地滿足了現(xiàn)場的生產(chǎn)需求。