2020年中國(guó)明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”的目標(biāo)。基于此目標(biāo)，一大批新能源企業(yè)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展起來(lái)。原料庫(kù)、極片庫(kù)和化成分容庫(kù)作為新能源企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化儲(chǔ)存、物流和生產(chǎn)的三種重要的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，其設(shè)備布局和系統(tǒng)控制策略合理與否、流量能否滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，直接影響到新能源企業(yè)的產(chǎn)能和發(fā)展。本文基于物流系統(tǒng)的3D建模仿真技術(shù)對(duì)某原料庫(kù)物流系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。

一

新能源企業(yè)原料庫(kù)基本描述

本文所分析的原始模型是坐落于某南亞國(guó)家的新能源企業(yè)工廠(chǎng)的原材料自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)物流系統(tǒng)。該立庫(kù)系統(tǒng)集合了原料及母托盤(pán)垛入庫(kù)、原料整托出庫(kù)、原料分揀回庫(kù)、分揀原料出庫(kù)和盤(pán)點(diǎn)等功能，該立庫(kù)的鳥(niǎo)瞰圖如圖1所示，圖中展示了其各個(gè)功能分區(qū)。

圖1 新能源原料庫(kù)鳥(niǎo)瞰圖

由于該立庫(kù)需要儲(chǔ)存的不同原料采用了多種尺寸的托盤(pán)，所以在儲(chǔ)存過(guò)程中，利用相同尺寸的塑料母托盤(pán)作為庫(kù)內(nèi)周轉(zhuǎn)載具。由于原料庫(kù)的流量需求并不高，僅為：入庫(kù)50盤(pán)/小時(shí)，揀選20盤(pán)/小時(shí)，出庫(kù)50盤(pán)/小時(shí)，所以為了節(jié)約成本、方便維修并實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的可替換性，立庫(kù)中8個(gè)巷道共用4臺(tái)道岔式堆垛機(jī)，在庫(kù)尾實(shí)現(xiàn)巷道切換功能，見(jiàn)圖2。

圖2 道岔堆垛機(jī)

該存儲(chǔ)系統(tǒng)的輸送設(shè)備包括：輥道機(jī)、鏈條機(jī)、頂升移載機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)、牙叉升降機(jī)、子母托盤(pán)自動(dòng)組盤(pán)機(jī)以及拆疊盤(pán)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)子母托盤(pán)自動(dòng)組盤(pán)入庫(kù)、自動(dòng)拆盤(pán)出庫(kù)，母托盤(pán)自動(dòng)供給、母托盤(pán)垛回收以及人工揀選等功能。各主要流程的物流流向如圖3所示。

圖3 各流程物流流向示意圖

該存儲(chǔ)系統(tǒng)的8個(gè)巷道分為A、B、C三個(gè)區(qū)，分別存儲(chǔ)輔料、極片和隔離膜/極片，如圖4所示。A、B兩區(qū)各有一臺(tái)堆垛機(jī)負(fù)責(zé)兩個(gè)巷道原料的取放，C區(qū)由兩臺(tái)堆垛機(jī)負(fù)責(zé)四個(gè)巷道原料的取放。

圖4 分區(qū)說(shuō)明

二

原料庫(kù)模型建立

基于立庫(kù)設(shè)備的實(shí)際尺寸進(jìn)行系統(tǒng)建模，并根據(jù)基本參數(shù)對(duì)相應(yīng)的設(shè)備模型進(jìn)行賦值，設(shè)置控制程序后，可得到立庫(kù)設(shè)備的可視化模型，如圖5所示。

圖5 仿真模型

在模型中，初始狀態(tài)和各區(qū)域工作流程的基本邏輯如下：

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1.初始狀態(tài)

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由于仿真目的主要考察立庫(kù)設(shè)備的吞吐能力，所以設(shè)置對(duì)于單一巷道堆垛機(jī)取、放貨物的貨位都是隨機(jī)生成的。根據(jù)出入庫(kù)的實(shí)際情況，堆垛機(jī)可以執(zhí)行在同一個(gè)往復(fù)行程中只執(zhí)行一次取貨或放貨的單一工作模式，或者在同一個(gè)往復(fù)行程中執(zhí)行一次取貨和放貨復(fù)合工作模式，堆垛機(jī)不可帶貨更換巷道。

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2.揀選流程

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揀選流程采用拉動(dòng)式物料供給的方式。A區(qū)域供給10托盤(pán)輔料到揀選工位，經(jīng)揀選工位揀選后變成20托盤(pán)揀選輔料返回至A區(qū)域，A區(qū)域兩個(gè)巷道平均分配；C區(qū)域供給10托盤(pán)隔離膜給揀選工位，經(jīng)揀選工位揀選后變成20托盤(pán)揀選隔離膜托盤(pán)返回至C區(qū)域，C區(qū)域四個(gè)巷道均分。

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3.入庫(kù)流程

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叉車(chē)工間隔72秒放置一盤(pán)原料，其中每小時(shí)有12.5托盤(pán)輔料進(jìn)入A區(qū)域，12.5托盤(pán)極片進(jìn)入B區(qū)域，剩余25盤(pán)隔離膜或極片不區(qū)分類(lèi)型按照平均分配原則進(jìn)入C區(qū)域。

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4.出庫(kù)流程

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間隔72秒出庫(kù)一盤(pán)原料，按照每個(gè)巷道均勻分配的出庫(kù)原則出庫(kù)，折算到每個(gè)區(qū)域的流量為：A區(qū)域供給12.5托盤(pán)到出庫(kù)口，B區(qū)域供給12.5托盤(pán)到出庫(kù)口，C區(qū)域供給25托盤(pán)到出庫(kù)口。

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5.協(xié)同作業(yè)原則

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A區(qū)與B區(qū)可采取協(xié)同作業(yè)的方式，即兩臺(tái)堆垛機(jī)協(xié)作，共同完成某一個(gè)區(qū)域的作業(yè)流程后，再一同切換巷道至另一區(qū)域，繼續(xù)工作。舉例說(shuō)明：A、B區(qū)兩臺(tái)堆垛機(jī)集中協(xié)作完成A區(qū)域的入庫(kù)任務(wù)后，再切換巷道，集中協(xié)作完成B區(qū)的入庫(kù)任務(wù)，依此類(lèi)推。

基于上述邏輯，結(jié)合系統(tǒng)的流量需求，得到物流系統(tǒng)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的理論流量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各區(qū)域初始流量統(tǒng)計(jì)表

三

仿真結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)仿真，可得堆垛機(jī)工作1小時(shí)曲線(xiàn)如圖6所示。

圖 6 堆垛機(jī)工作曲線(xiàn)

從曲線(xiàn)中可知，堆垛機(jī)在運(yùn)行達(dá)到40min后工作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，可以觀察到原料在輸送系統(tǒng)及堆垛機(jī)上的流轉(zhuǎn)過(guò)程，輸送系統(tǒng)及堆垛機(jī)工作仿真狀態(tài)，如圖7所示。

圖 7 穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)

通過(guò)圖6堆垛機(jī)仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合該曲線(xiàn)可知：4臺(tái)堆垛機(jī)工作1小時(shí)出入庫(kù)量及設(shè)備利用率（設(shè)備利用率=設(shè)備實(shí)際工作平均時(shí)間/系統(tǒng)運(yùn)行總時(shí)間）分別為：A區(qū)堆垛機(jī)完成出入庫(kù)43次，設(shè)備利用率為94.8%；B區(qū)堆垛機(jī)完成出入庫(kù)39次，設(shè)備利用率為91.6%；C區(qū)一臺(tái)堆垛機(jī)完成出入庫(kù)40次，設(shè)備利用率為92.7%；C區(qū)另一臺(tái)堆垛機(jī)完成出入庫(kù)39次，設(shè)備利用率89.6%。

結(jié)合巷道轉(zhuǎn)換次數(shù)、單臺(tái)堆垛機(jī)的流量需求，可以得到堆垛機(jī)的設(shè)備綜合能力，如圖8所示。

圖 8 堆垛機(jī)工作情況

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以得出設(shè)備能力：A區(qū)堆垛機(jī)的巷道轉(zhuǎn)換次數(shù)16次，設(shè)備利用率94.8%，在如此高的巷道轉(zhuǎn)換次數(shù)和設(shè)備利用率的前提下，該堆垛機(jī)仍然無(wú)法獨(dú)立滿(mǎn)足A區(qū)的流量需求。但是由于B區(qū)需求量較小，故B區(qū)堆垛機(jī)閑時(shí)會(huì)協(xié)助A區(qū)工作完成12盤(pán)，即完成協(xié)同作業(yè)；B區(qū)堆垛機(jī)巷道轉(zhuǎn)換次數(shù)17次，設(shè)備利用率91.6%，完成的39次取送貨任務(wù)中，24次出入庫(kù)用于本區(qū)域的流量需求，12次出入庫(kù)為與A區(qū)域堆垛機(jī)協(xié)同作業(yè)，以滿(mǎn)足A區(qū)域的流量需求，3次用于滿(mǎn)足揀選所需的空托盤(pán)流量需求。雖然通過(guò)堆垛機(jī)的協(xié)同作業(yè)可以完成A、B兩個(gè)區(qū)域的流量需求，但是這導(dǎo)致A、B區(qū)域堆垛機(jī)的設(shè)備利用率均偏高；C區(qū)兩臺(tái)堆垛機(jī)巷道轉(zhuǎn)換次數(shù)分別為18和19次，C區(qū)除了完成實(shí)托盤(pán)出入庫(kù)任務(wù)，還完成了1個(gè)空托盤(pán)垛出庫(kù)任務(wù)，設(shè)備利用率在89%～93%之間，基本可以滿(mǎn)足需求量，也存在設(shè)備利用率偏高的問(wèn)題。

從仿真結(jié)果來(lái)看，結(jié)合合理的堆垛機(jī)調(diào)度邏輯，目前的系統(tǒng)雖然基本可以滿(mǎn)足立庫(kù)的流量需求，但是仍存在設(shè)備變軌頻率較高，且設(shè)備利用率偏高的問(wèn)題。這對(duì)于設(shè)備的使用壽命和物流系統(tǒng)的穩(wěn)定性是不利的，因此需要考慮通過(guò)優(yōu)化自動(dòng)化立庫(kù)的出庫(kù)管理控制策略來(lái)進(jìn)一步降低堆垛機(jī)的設(shè)備利用率。

四

方案優(yōu)化

為了能夠在滿(mǎn)足系統(tǒng)流量需求的前提下，進(jìn)一步降低堆垛機(jī)的軌道轉(zhuǎn)換頻率和設(shè)備利用率，需考慮提前制定出入庫(kù)計(jì)劃，而非臨時(shí)生成，這樣立庫(kù)管理系統(tǒng)就可以通過(guò)提前獲取立庫(kù)的出入庫(kù)訂單來(lái)提前下達(dá)出庫(kù)任務(wù)，系統(tǒng)可以通過(guò)集中分配原則提前規(guī)劃并下達(dá)出庫(kù)任務(wù)，即在某一時(shí)間段內(nèi)盡量先下達(dá)同一巷道的出庫(kù)任務(wù)直至該巷道再?zèng)]有該訂單的任務(wù)或者另一個(gè)巷道有入庫(kù)任務(wù)為止，再集中下達(dá)訂單中另一巷道的出庫(kù)任務(wù)，這樣可以有效地降低堆垛機(jī)轉(zhuǎn)換巷道的次數(shù)，從而可以達(dá)到降低堆垛機(jī)利用率的目的。

根據(jù)上述邏輯，以A區(qū)堆垛機(jī)作為優(yōu)化的測(cè)試對(duì)象進(jìn)行仿真分析，在所有系統(tǒng)參數(shù)不變動(dòng)的前提下，揀選出庫(kù)及出庫(kù)任務(wù)按照集中分配的原則分配，可得仿真結(jié)果如表2所示。

表2 A 區(qū)堆垛機(jī)優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

從表2可以看出，在系統(tǒng)中各設(shè)備參數(shù)不變的條件下，通過(guò)集中分配任務(wù)的策略，A區(qū)堆垛機(jī)巷道轉(zhuǎn)換次數(shù)從16次降到7次，與此同時(shí)，完成任務(wù)數(shù)量反而有所增加，從43盤(pán)增加到48盤(pán)，A區(qū)堆垛機(jī)的設(shè)備利用率也有所下降。進(jìn)一步分析，由于A區(qū)堆垛機(jī)自身的存儲(chǔ)能力得到提升，相應(yīng)的需要B區(qū)堆垛機(jī)協(xié)同作業(yè)完成的任務(wù)數(shù)量也將有所減少，這也使得B區(qū)堆垛機(jī)可以相應(yīng)地降低巷道轉(zhuǎn)換頻率，其設(shè)備利用率也將進(jìn)一步降低。

從上述對(duì)優(yōu)化方案仿真結(jié)果的分析可以看出，提前制定出庫(kù)計(jì)劃，并采用集中分配策略可以在提升流量的前提下，降低堆垛機(jī)的巷道轉(zhuǎn)換頻率，從而降低設(shè)備利用率。由此可見(jiàn)，合理的控制方案可以大大提高設(shè)備效率，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

五

總結(jié)

本文基于某新能源原料庫(kù)模型，應(yīng)用可視化系統(tǒng)仿真軟件建立了自動(dòng)化原料立體倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)系統(tǒng)的物流過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，可直觀地觀測(cè)物流系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中物料的流向、設(shè)備的利用率以及實(shí)際的流量等系統(tǒng)參數(shù)。從仿真結(jié)果來(lái)看，物流系統(tǒng)通過(guò)較高設(shè)備利用率和堆垛機(jī)間的協(xié)同作業(yè)滿(mǎn)足了物流系統(tǒng)的流量需求。

雖然現(xiàn)有設(shè)備和控制策略可以滿(mǎn)足系統(tǒng)出入庫(kù)及分揀的流量需求，但是通過(guò)數(shù)據(jù)也可以看出，由于控制邏輯隨機(jī)性較強(qiáng)，立庫(kù)系統(tǒng)中道岔式堆垛機(jī)存在設(shè)備利用率偏高的問(wèn)題。為了可以在保證流量需求的前提下，盡量降低設(shè)備利用率，以達(dá)到提高設(shè)備壽命和物流系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的，本文對(duì)控制策略進(jìn)行了優(yōu)化。

優(yōu)化仿真結(jié)果驗(yàn)證了：通過(guò)提前制定原料庫(kù)出庫(kù)計(jì)劃，并采取集中分配出庫(kù)任務(wù)的策略來(lái)降低堆垛機(jī)轉(zhuǎn)換巷道的頻率，從而降低堆垛機(jī)設(shè)備利用率，使整個(gè)物流系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行更協(xié)調(diào)、更穩(wěn)定。

本文是對(duì)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)的可視化仿真與控制策略?xún)?yōu)化的一次嘗試，在物流系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)與合理規(guī)劃方面做出了探索。

本文作者：祖慶華 騰達(dá) 程健偉 | 沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司