朱紹林 成 偉 李 軍 楊 勇 萬濤濤 馬運龍 李治輝/文

穿梭子母車密集庫在食品加工行業(yè)的應用

朱紹林 成 偉 李 軍 楊 勇 萬濤濤 馬運龍 李治輝/文

本文結(jié)合食品加工行業(yè)成品物流系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程及行業(yè)特征，從物流規(guī)劃、設(shè)備選型、計算機及電控系統(tǒng)設(shè)計等各個方面，對湖南貴太太茶油科技股份有限公司的穿梭子母車自動化物流密集庫進行整體概述及分析總結(jié)，并得出相應的物流應用案例。該物流集成項目可充分滿足食品加工行業(yè)成品倉庫的用戶需求及運營管理，同時最大化地兼顧了項目的經(jīng)濟性、智能化及可擴展性。

穿梭子母車密集庫、食品加工行業(yè)、應用案例

食品加工行業(yè)中，成品倉庫前端與生產(chǎn)銜接，后端與銷售關(guān)聯(lián)，合理高效地管理成品倉庫，是企業(yè)經(jīng)營管理的一個重要環(huán)節(jié)。穿梭子母車自動化物流系統(tǒng)可以在有限的占地面積內(nèi)最大化地提高庫存儲位，具備投資成本回報率高的特點。合理的總體規(guī)劃、良好的物流集成，將密集庫成功應用到成品的生產(chǎn)入庫、庫存管理及商業(yè)訂單配送等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，可以全方位地加強企業(yè)物流管理水平，對生產(chǎn)和銷售提供輔助決策分析的數(shù)據(jù)支持，降低人力成本，最終達到提高企業(yè)核心競爭力的目的。

本文結(jié)合食品加工行業(yè)成品物流系統(tǒng)中的規(guī)劃設(shè)計和業(yè)務(wù)流程進行分析，詳細闡述了穿梭子母車式密集庫的物流集成。通過對物流設(shè)備選型、信息集成、電氣控制等進行歸納、總結(jié)，詮釋了穿梭子母車密集庫在食品加工行業(yè)的物流應用，對于食品加工行業(yè)企業(yè)成品物流系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、開發(fā)和實施具有指導意義。

一、物流整體規(guī)劃

1.項目整體規(guī)劃和設(shè)備選型

本系統(tǒng)的整體規(guī)劃平面圖，如圖1所示。

（1）立庫貨架

圖1 ：物流系統(tǒng)規(guī)劃圖

圖2 ：穿梭子母車

圖3 ：碼垛入庫流程

圖4 ：拆垛出庫流程

采用密集存儲立體倉庫。本庫區(qū)共三層，每層左右端各一條穿梭車軌道，將立庫劃分為左中右三個庫區(qū)。每層每個庫區(qū)分別設(shè)計20個巷道，左右?guī)靺^(qū)每個巷道1個貨位，中間庫區(qū)每個巷道18個貨位，總貨位數(shù)為1200個。

之所以選擇密集存儲立體倉庫，源于小型食品加工企業(yè)的品類相對較少，而每種品類的存儲量較多，密集庫與該特點可以完美貼合。另外，密集庫具備造價成本低、占用面積小、空間利用率高、貨位數(shù)量多等優(yōu)良特點。

（2） 組盤/拆盤設(shè)備

為了規(guī)范入庫組盤及出庫揀選業(yè)務(wù)，提升效率，提高自動化水平，降低人員工作量，體現(xiàn)人工智能，系統(tǒng)采用2臺庫卡機器人分別進行入庫碼垛及出庫拆垛。

（3） 輸送機設(shè)備

輸送機13臺、拆碼盤機1臺（二合一），用于在庫區(qū)外運輸成品實托盤、單空托盤及空托盤組。

垂直升降輸送機2臺，用于將出入庫端的穿梭子母車換層。

（4）穿梭子母車

穿梭母車2臺、穿梭板2臺，穿梭子母車如圖2，用于在庫區(qū)內(nèi)移載實托盤及空托盤組。

（5）條碼閱讀器

共3套，一套用于識別品牌碼，以完成碼垛品牌的自動切換；一套用于識別成品件箱唯一碼，最終保證計算機系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲成品件箱的唯一碼；一套用于識別托盤條碼，完成入庫時成品信息與托盤號的自動關(guān)聯(lián)。

（6）伸縮鏈板機

1套，機器人拆垛后將成品放置到伸縮鏈板機上，完成成品自動裝車過程。

（7）LED顯示屏

1套，用于展示出庫訂單號、運貨車輛牌號、出庫品牌、出庫數(shù)量等，以有效引導司機作業(yè)。

2.主要業(yè)務(wù)流程

(1) 碼垛入庫流程（如圖3）

(2) 拆垛出庫流程（如圖4）

二、計算機信息系統(tǒng)

1.系統(tǒng)架構(gòu)

計算機信息系統(tǒng)是以物料倉儲、供應服務(wù)、銜接生產(chǎn)、集中管理、信息全線跟蹤為核心的在線物料管理系統(tǒng)，它集物流保障管理、物料管理、倉儲管理于一身，是管理、調(diào)度的信息中樞。物流信息系統(tǒng)擔負了在線物料過程管理，通過向調(diào)度系統(tǒng)下達調(diào)度指令，保障了物料存儲管理、生產(chǎn)前儲備。向上可與企業(yè)ERP、MES、商業(yè)配送等管理系統(tǒng)連接，同時銜接物流調(diào)度管理，保證了信息的上傳下達。

計算機信息系統(tǒng)集物料管理、物流供應、倉儲管理于一身，實現(xiàn)物料收、發(fā)、儲存管理，物流信息系統(tǒng)按照體系架構(gòu)及應用部署，可以分為數(shù)據(jù)接口層、信息管理層、調(diào)度監(jiān)控層、應用服務(wù)層等四個層次。

行業(yè)標準化 + 定制化 = 產(chǎn)品庫組裝 + 定制化開發(fā) = 計算機信息系統(tǒng)解決方案，如圖5。

（1）數(shù)據(jù)接口層API

負責從ERP、MES、商業(yè)配送系統(tǒng)等獲取物料基礎(chǔ)信息、出入庫計劃、銷售發(fā)貨單等信息，并為企業(yè)信息管理系統(tǒng)實時反饋庫存、出入庫單據(jù)信息等，實現(xiàn)承上啟下的業(yè)務(wù)管理功能，實現(xiàn)全廠各個信息系統(tǒng)之間系統(tǒng)集成、接口兼容、互聯(lián)互通和資源共享。

（2）信息管理層WMS

主要通過倉庫管理模塊實現(xiàn)物流信息管理層的功能，對采集的信息進行歸類、整理和綜合分析，以實現(xiàn)倉庫的管理。提供貨區(qū)貨位管理、出入庫管理、產(chǎn)品基礎(chǔ)信息管理、收發(fā)貨管理、庫存管理、抽檢管理、盤點管理、質(zhì)量管理、綜合報表等業(yè)務(wù)處理。倉庫管理模塊對物料進行全面的信息化管理，及時準確地反映物料的收發(fā)情況、庫存狀態(tài)、儲備狀況，為企業(yè)生產(chǎn)及銷售提供智能輔助決策分析。

（3）調(diào)度監(jiān)控層WCS

接收并分解物流管理層的任務(wù)，通過設(shè)備子系統(tǒng)接口協(xié)議下達至具體的設(shè)備執(zhí)行層，對物流過程進行統(tǒng)一的調(diào)度，并對各個物流環(huán)節(jié)、現(xiàn)場設(shè)備、流程參數(shù)及工藝點進行監(jiān)視和控制。系統(tǒng)設(shè)計集成不同廠家、不同類型的物流設(shè)備，完成綜合調(diào)度、集中控制、狀態(tài)監(jiān)視、異常報警、日志記錄等功能。

（4）應用服務(wù)層ServiceApp

在物流項目中，物流載體通常使用條形碼或電子標簽以唯一標志及識讀，掌上電腦PDA因可以掃描一維碼、二維碼及讀寫RFID芯片而備受歡迎。現(xiàn)在PDA主要有WinCe、Windows、安卓系統(tǒng)等，APP在各種系統(tǒng)平臺之間不能夠通用。ServiceApp應用服務(wù)具有跨平臺的通用性特征，通過提供相應的WebForm界面，并發(fā)布至應用服務(wù)器的IIS，PDA、計算機、平板電腦及手機（安卓或IOS）均可通過IE瀏覽器訪問相應頁面，以完成組盤入庫、出庫分揀等人機交互業(yè)務(wù)，也可遙控和指揮穿梭子母車完成貨物移載、設(shè)備啟停等動作。ServiceApp應用服務(wù)層的頁面展示如圖6。

2.網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

典型穿梭子母車密集庫自動化物流系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖7。從上至下分為計算機信息系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、設(shè)備執(zhí)行子系統(tǒng)，可適用食品加工、醫(yī)藥、機械制造及煙草等多個行業(yè)。

3.密集倉庫的存取策略

（1）入庫策略

子母車立體庫在分配入庫巷道時通常結(jié)合智能分區(qū)策略，如根據(jù)物料的ABC分類、實托盤垛形（整盤/散盤）等進行分區(qū)或分層存儲，同時使用了移入就近原則。入庫巷道確定后則采用補滿原則，即巷道內(nèi)的貨位采用駛?cè)胧椒峙洳呗浴?/p>

（2）出庫策略

子母車立體庫在分配出庫巷道時通常采用物料先進先出、移出就近等多種原則進行綜合平衡處理。出庫巷道確定后則采用排空原則，結(jié)合物流規(guī)劃設(shè)計，實施巷道內(nèi)先進先出、先進后出等策略。

（3）移庫策略

不用經(jīng)過輸送機即可實現(xiàn)庫區(qū)內(nèi)的倒庫，通過移庫策略完成個性化的出入庫要求，是密集庫的一大亮點。通過穿梭板、穿梭車、升降機的組合作業(yè)，可以靈活的在密集庫各個庫區(qū)、樓層及巷道之間移庫，便于業(yè)主方對倉庫靈活管理及物資調(diào)配。

（4）理貨策略

密集庫巷道出庫一段時間后，常出現(xiàn)前半段空閑，貨物積壓在后半段，導致出庫時穿梭板行走距離較長的情況。通過對信息軟件、電控系統(tǒng)、物流設(shè)備的有機結(jié)合，采用理貨功能即可調(diào)度穿梭板將巷道后端的托盤整體順序地轉(zhuǎn)移到出庫取貨前端，以提高物流效率和出庫能力。對于隊列式巷道，理貨功能還能確保后端儲位空間得以釋放，保障入庫分配，提高儲位利用率。

4.食品加工行業(yè)特色業(yè)務(wù)

（1）物料屬性

物料可分為大類和小類。大類指容器、成品、輔料、備件等，小類包括純茶油、調(diào)和油、餐飲油、贈品油等，通過物料大類和物料小類的相互結(jié)合，可以提高物料分類的細粒度，確保高效全面地對物料進行分類和管理，便于物料查詢及維護等。

除包括傳統(tǒng)項目的編碼、名稱、規(guī)格等屬性，還有垛型屬性，用于針對不同的品牌區(qū)分垛型，下達機器人拆碼垛信息時，垛型信息來自于該物料屬性。

（2）質(zhì)量管理

在食品制造行業(yè)，質(zhì)量管理是日常工作的重中之重。實托盤入庫后其質(zhì)量狀態(tài)自動設(shè)置為待檢，經(jīng)人工檢驗完畢后，視檢測結(jié)果批量修改為合格或不合格。待檢及不合格的成品，均不能夠發(fā)貨出庫。

（3）組盤管理

為了保證各個牌號的實托盤垛型規(guī)范標準統(tǒng)一，采用機器人進行碼垛。當成品件箱經(jīng)過品牌碼閱讀器時，電控系統(tǒng)讀取成品品牌碼及件箱唯一碼，當成品品牌碼發(fā)生變化時向計算機系統(tǒng)上報新的成品品牌碼，計算機系統(tǒng)接收后自動下達機器人碼垛指令以進行入庫品牌切換，指令內(nèi)容包括品牌碼、堆疊垛型、滿托數(shù)量等。

圖5 ：信息系統(tǒng)解決方案組成成分

圖6 ：ServiceApp應用服務(wù)頁面

圖7 ：穿梭子母車密集庫網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

機器人碼垛完畢入庫申請時，電控系統(tǒng)將之前掃碼讀取到的成品件箱唯一碼上報至計算機系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)保存該入庫實托盤的每一個成品件箱唯一碼，以保證信息系統(tǒng)對貨品的全過程跟蹤及追溯。

（4）拆垛管理

為了與伸縮鏈板機有效橋接，降低人力成本，提高自動化程度，通過機器人對出庫實托盤進行拆垛，當托盤抵達拆垛站臺時，計算機系統(tǒng)下達拆垛指令，指令內(nèi)容包括堆疊垛型、到達數(shù)量、拆垛數(shù)量。機器人成功接受指令后，自動對成品實托盤拆垛，拆垛后的成品件箱直接卸載到伸縮鏈板機。

（5）生產(chǎn)與銷售平衡管理

保證合理的庫存數(shù)量，提高物流立體庫的利用效率，避免庫存超儲或庫存不足，是食品加工行業(yè)成品物流系統(tǒng)的一項重要工作。若生產(chǎn)入庫量大于銷售出庫量，則會導致庫存超儲，反之則將造成庫存不足。倉庫管理系統(tǒng)WMS所提供的庫存預警統(tǒng)計功能，可以讓庫管員實時監(jiān)控的各種貨品的整體庫存情況。

采用倉庫管理系統(tǒng)WMS的智能輔助決策分析模塊，結(jié)合實際庫存量/合理庫存量、立庫空閑儲位、生產(chǎn)工單、商業(yè)銷售訂單、物流能力等進行統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)挖掘，最終提供最為合理的出入庫計劃。通過數(shù)據(jù)接口系統(tǒng)API，在入庫環(huán)節(jié)與MES信息集成，在出庫環(huán)節(jié)與ERP或商業(yè)配送系統(tǒng)集成，以配合指導生產(chǎn)作業(yè)及銷售運營，最終保證生產(chǎn)入庫與銷售出庫的數(shù)量平衡。

結(jié)合該項目的物流規(guī)劃設(shè)計，生產(chǎn)與銷售平衡管理還可以保證成品發(fā)貨時機器人拆垛所產(chǎn)生的空托盤直接從出庫端轉(zhuǎn)移至入庫端，供機器人碼垛入庫使用，有效避免了空托盤在庫內(nèi)及輸送線上多次反復搬運，大幅度提高了物流效率，節(jié)能環(huán)保。

三、電控系統(tǒng)

1.系統(tǒng)概述

電控系統(tǒng)主要完成自動化物流系統(tǒng)中輸送設(shè)備的控制任務(wù)。向上聯(lián)接物流系統(tǒng)上位機及調(diào)度計算機，接受物料的輸送指令；向下聯(lián)接設(shè)備電機，實現(xiàn)底層設(shè)備的驅(qū)動、輸送物料的檢測與識別；完成物料輸送的過程控制及物料跟蹤。此外還提供內(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(shè)備操作和維護。如圖8。

圖8 ：電控系統(tǒng)層

圖9 ：PLC控制程序及監(jiān)控軟件特點

圖10 ：移動操作終端界面

2.主要選型

設(shè)備選型包括現(xiàn)場總線、現(xiàn)場操作終端、分布式IO、電機啟動單元、條碼閱讀器、低壓電氣、檢測器件等。

主控制柜：負責電控系統(tǒng)的動力接入和電源分配，為系統(tǒng)內(nèi)的用電設(shè)備（子母車、機器人、RGV、輸送設(shè)備等）分配動力電源；安裝PLC主控制器、網(wǎng)絡(luò)部件，控制電源分配、系統(tǒng)操作按鈕、指示燈報警燈等，是整個系統(tǒng)的控制中心。

現(xiàn)場控制箱：箱內(nèi)配置分布式I/O模塊、空開接觸器、變頻器、本地交換機、網(wǎng)絡(luò)組件、電源等控制器件，完成對現(xiàn)場設(shè)備的信號采集及動作控制，并與主控制柜的PLC建立網(wǎng)絡(luò)連接，實時通訊。

現(xiàn)場操作終端：完成控制設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)視、單機操作、故障報警、報警信息查詢、主要工藝參數(shù)及物流信息的查詢與設(shè)定等。圖形頁面按照系統(tǒng)平面布置來顯示所監(jiān)控的對象，采用三維圖形和二維圖形結(jié)合方式，圖形界面美觀、操作方便。

網(wǎng)絡(luò)組件：主要由交換機、PROFINET專用電纜、專用接頭構(gòu)成，將系統(tǒng)內(nèi)的主控制柜、現(xiàn)場控制箱、現(xiàn)場操作終端、穿梭子車、穿梭母車、條碼閱讀器等進行物理連接，搭建數(shù)據(jù)通道。

3.控制軟件

控制軟件包含PLC控制程序和監(jiān)控軟件兩部分。各部分特點如圖9。

4.移動操作終端

現(xiàn)今，人工智能在自動化物流領(lǐng)域內(nèi)得到愈加廣泛的重視，并在機器人、控制系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)中得到應用。基于安卓系統(tǒng)開發(fā)，具備設(shè)備操作、故障查詢、輸送任務(wù)查詢、異常復位等功能的移動終端APP，大大提高了設(shè)備操作和維護的便捷性和安全性。操作員可通過無線4G等隨時下載最新版本，隨身攜帶，就近操作設(shè)備。移動操作終端界面，如圖10。

四、結(jié)論

隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的全面推進，自動化物流系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、業(yè)務(wù)流程、存儲需求也在不斷發(fā)生變化，服務(wù)于食品加工行業(yè)的倉儲物流也愈發(fā)趨于智能化和柔性化。

近年來，穿梭子母車已發(fā)展成為物流行業(yè)的一種靈活易用、節(jié)能環(huán)保的新興運載設(shè)備，通過對子母車與密集庫的有機結(jié)合、合理應用，完全能適應食品加工企業(yè)的發(fā)展和變化需要。

穿梭子母車密集庫已在貴太太茶油科技股份有限公司得以應用，有效規(guī)范了工廠倉庫管理，提高了人員工作效率，降低了企業(yè)運營成本，加強了物資的流動，各方面均取得較好的效果。

作者單位為上海音鋒機器人股份有限公司