汽车钣金车间自动化立体仓储系统设计

2020-09-25罗素晖曾志坚周博俊

机电工程技术 2020年8期

罗素晖，曾志坚，周博俊

（1.广州广汽荻原模具冲压有限公司，广州 511400；2.广东工业大学机电工程学院，广州 510006）

0 引言

随着汽车车型及制造规模的不断拓展，采用信息化、自动化、智能化手段不断推动装备制造业的升级改造十分必要。通过引入工业4.0概念，加快关键岗位的机器人替代、生产过程智能优化控制和智能工厂建设等，有利于提高生产效率和自动化水平，实现产业转型升级，保持与世界先进技术的衔接和同步发展[1]。

自动化立体库的建设是汽车制造的一个重要组成部分，相较于传统的物料仓储方式，自动化立体仓储系统能够准确查询实时动态库存信息，智能化数据处理，节省人力、物力和仓储空间，提高作业效率，减少资源浪费，实现仓储管理合理化，出入库自动化，操作简便化、人性化，加快“智慧工厂”的实现，提高现代企业的生产管理水平。

目前，智能物流设备制造厂商和系统集成商日本大福公司，已经推出了以自动化立体仓库为代表并与高效分拣系统相结合的仓储系统运用在各个行业领域的新模式[2]。美国著名工业自动化与信息化公司Rockwell Automation针对制造执行系统开发的FactoryTalk软件平台是一个集成化生产与绩效套件，包含了多个可扩展的模块，模块之间的组合能够满足工厂范围内各种系统的集成[3]。仓储物流设备制造商胜斐迩在工业仓储设备和物流系统承建领域占有一席之地。德国物料处理系统和仓储管理软件供应商Viastore Systems公司旗下产品Viadat仓库管理系统(WMS)和HYDRA制造执行系统（MES）进行一体化连接，使得物料运输和生产过程同步，实现了物流和生产的高效结合，极大提升了客户的满意度[4]。国内企业与国外先进的物流自动化系统提供商在竞争中不断发展，陆续推出具有自主知识产权的产品。2017年，山东兰剑物流科技股份公司为唯品会打造的蜂巢系统，采用了典型的穿梭车系统集成模式和自主研发的智能高速穿梭车，实现了288台的超大集群调度，并且利用自动化立体库和多层穿梭车的有效配合，订单处理能力可达52万件/天。2018年，沈阳理工大学的石征锦等[5]根据大型汽车部件的料架传送、解垛及堆垛3个重点生产环节，确定各个环节工作节拍，并且根据各个环节的工作节拍设计了大型汽车部件自动化立体仓储的实施方案，优化了生产线节拍。2018年，中达电通股份有限公司设计了台达智能立体仓储解决方案，采用多层堆垛小车无人化存储、横梁式层板货架，出入库采用连续输送机系统，可实现高节拍拣选作业，出入库节拍能力350箱/h，材仓库容6 336箱，电子仓库容3 360箱[6]。2019年，施耐德电气(中国)有限公司设计的自动化立体仓储整套解决方案运行稳定，使用ATV 32+ATV 71 383高性能变频器大大提高了立体仓储的工作效率[7]。2019年，中车青岛四方机车车辆股份有限公司的马永敬等[8]针对如何建设一个适合自己需求、具有最佳投入产出比的智能仓储系统的问题，通过定量计算，分析了堆垛式立库和穿梭式立库的优势和适用场景，穿梭式立库适合大批量同类产品高密度存取作业场合，而堆垛式立库则适合作业效率要求更高的应用场合。

图1 整体布局图

本文针对汽车制造车间的物料运输和调度管理中存在仓库占地面积大、劳动强度大以及生产协同效率不高等问题，设计一种应用于某汽车公司钣金车间自动化立体仓储系统。该项目的实施对于推动汽车制造业的技术创新应用，降低劳动强度和提高效率都具有积极意义。

1 总体设计方案

1.1 总体设计遵循原则

总体设计遵循原则如下。

（1）有限空间最大存储量原则。

（2）工艺流程最合理原则。

（3）功能完备全面满足生产工艺要求原则。

（4）设备选用先进性原则。紧跟世界一流水平的设计思想和技术，采用世界先进的自动化设备，先进的控制及软件系统共同组成符合业界发展趋势的先进的物流仓储配送系统，从而保证业主在系统投资上的最大效用。

（5）柔性原则。系统具有经济性，安装操作简单、运营成本低、系统易于修改和升级，维护简单且成本低。

（6）实用性原则。以用户方的当前需求为出发点，并考虑未来发展需要，在设计上满足物流顺畅。

（7）灵活性原则。模块化的设计，使用标准的单元模块，各输送系统单独控制，能够通过增加输送单元数量来提高系统吞吐能力，确保吞吐能力最大化。

（8）采用统一的标准系统接口和通信协议，使得系统能够与不同制造商的类似设备兼容，并同时适应未来新技术的发展。在系统设计中应尽可能考虑使用符合国际或国内标准的通用设备，从而为系统升级和扩展留出空间。

（9）硬件设备的可靠性和软件系统的容错性。对于设计方案中所有提到的设备产品和控制元件，必须都具有符合标准、成熟可靠的特点。工具软件应选用成熟的优秀平台和工具软件，采用模块化设计，具有安全管理的策略和功能，并尽可能优化系统。

（10）控制界面人机友好，操作简单方便、现场设备的控制和监视界面直观。

1.2 设计要求及功能布局

1.2.1 立库可用空间

立体可用空间52 m(长 )×24 m(宽 )×16 m(最低净空 )，立库东、西两侧与二层平台SUB线对接，库内物料可实现二层平台出入库，二层平台亦可通过该平台对接口回库存储；二层钢平台设计高度为4.5 m，其他区域最大高度为10 m。

区域划分：立体库基于现有库房布局设计，实现仓储和车间分离。区域分布示意如图1所示。

1.2.2 立库功能要求

（1）物料存储管理功能。立库可自动存取大、小铁箱，对库内存储物料进行智能化管理，主要功能模块有仓库管理、物料管理、库存管理、盘点管理、任务管理、监控管理、权限管理、日志管理、统计报表管理等（投标方需明确功能模块的具体项目）。

（2）入库铁箱质量自动分配功能。系统可根据入库铁箱质量对铁箱存储位置进行分配，使巷道内货架存储物料单元质量均匀分布，确保单个货架单元质量满足地面承载要求、货架承载要求。

（3）出入库对接功能。①立库东、西两侧均需要有出入库功能，并可与立库东、西侧二层SUB线区域对接，均可出入空/满铁箱。②立库东侧需设置空箱和尾箱回收区，供应空箱和尾箱的回收暂存。③冲压工位输送线需进行改造，输送线输送面高度小于或等于300 mm，两端输送面高度可自动感应升降，未来可与背负式AGV对接（具体高低根据甲方的AGV高度实施）。④立库出入库方式均需考虑到后期能与AGV自动对接，冲压和焊装车间主要采用背负式和潜伏牵引式这两种AGV类型。立库西侧出入库口和东侧入库口与背负式AGV对接，立库东侧出库口与潜伏牵引式AGV牵引平板车对接。

（4）立体库储存夹具的巷道需要具有根据生产计划，自动安排整车型的夹具自动按照设定好的顺序自动出库，并且是一键式操作功能。

（5）WMS系统可与公司ERP系统对接并预留MES接口功能。

图2 立库布局图

图3 对接区域图

图4 回收区布局图

1.2.3 立库布局

立库两端出入库口设计均可实现铁箱出入库功能，其中立库西侧出入库口采用链条式输送机出入库铁箱，未来可对接背负式AGV；立库东侧入库口通过链条式输送机输入铁箱，未来也可对接背负式AGV，出库口采用出库提升机将铁箱从出库站台提起落到平板车上，再由人工或者牵引式AGV拉走。立库布局示意如图2所示。

1.2.4 与二楼SUB线对接区域

对接区域示意如图3所示。立库东侧设计一片6 m宽钢平台（深色方框内）对接SUB线钢平台，并在钢平台上设置出入库站点，人工或者AGV牵引平板车到出入库站点，堆垛机可直接在平板车上叉取铁箱出入库。

1.2.5 空箱/尾箱回收区设计

本项目在立库东侧设计一片回收区，用于缓存焊装车间的空箱及尾料箱，回收区出口端设计可以与背负式AGV对接。回收区共设计6条缓存线，大小铁箱缓存线各3条，每条线可缓存7个铁箱，输送面高度均为700 mm。缓存线带有动力，具有能将空铁箱自动向前推的功能。回收区布局示意如图4所示。

1.2.6 立库存储单元

铁箱存储物料质量小于或等于500 kg（含容器质量）；空铁箱质量小于或等于110 kg；物料信息载体为二维码（扫码设备需可兼容一维码扫描）；工作时间为满足车间24 h生产连续不中断。

铁箱分为以下4种规格：1330 mm×930 mm×800 mm；1330 mm×930 mm×650 mm；1750 mm×1130 mm×800 mm；1750 mm×1130 mm×600 mm。大小铁箱尺寸设计方案如图5～6所示。

图5 大铁箱设计图

1.2.7 冲压工位设计

冲压车间有2个工位，分别是1 250 t和2 500 t冲压工位，每个工位可“一”字型缓存6个铁箱（可兼容大小铁箱）。工位输送机通过动力向前输送铁箱，输送面高度小于或等于500 mm，工位两端输送机有升降功能，输送面高度可升降300～700 mm，未来可与背负式AGV对接。冲压工位布局示意如图7所示。

图6 小铁箱设计图

图7 冲压工位布局图

1.2.8 立库货架

货架是整个自动化立体仓库系统实现物料立体储存的主要支撑结构，综合考虑实施空间和成本，本项目共设计了6条巷道和12排货架，并且采用横梁式货架。

1.2.9 堆垛机

自动化立体仓库的主要存取设备是有轨巷道堆垛机。堆垛机存取货物和运输货物过程中对货物进行状态监测以保证运行安全；要求货叉具有运动安全互锁功能；超速报警功能；安全的速度控制方法及其他安全防护系统。

2 设备控制系统

2.1 输送电控系统

输送电控系统主要控制整个物流系统中的输送设备，向上联接到物流的上位机系统，接受物料的输送指令；向下联接输送设备，实现底层输送设备的驱动、物料的检测与识别，完成物料输送的过程控制及信息的传递，横向完成其他单机系统的控制集成。此外，输送电控系统还提供内容丰富、形象直观的人机界面、安全保护措施和多种操作模式，辅助工作人员进行设备操作和维护。

本方案电控系统控制网络采用PROFINET工业以太网网络进行架构，以西门子1500系列PLC作为主控制器。将供货范围内的设备进行统一控制、有序结合，构成一套功能完整的物流作业系统。所有供货范围内的电机控制器件、I/O、现场操作员终端、智能识别设备及单机控制系统等，通过本地PROFINET交换机接入系统PROFINET网络。

对于上层计算机系统，该控制系统提供专用的接口进行连接，通过以太网使用OPC协议或Socket协议进行通讯。

PLC控制器本身具有网络分段功能，向上连接上位机及上层计算机系统，向下连接PROFINET网络。上层网络和底层控制网络物理隔离，底层设备控制网络为独立网段，不占用企业IP地址，不受上层网络的干扰。

2.2 集成化物流管理系统

该软件系统是自动化物流系统的调度核心和信息存储处理中心，运行在计算机网络环境和数据库系统上，实现了车间物料的自动化存取；统一的管理和调度，确保了快速高效的物料出入库，快捷、准确、高效的运输。系统控制范围包含任务管理、系统管理等基础业务功能。系统设置、预留可与该公司上层ERP/SAP系统的标准接口和协议进行数据交互，进行出入库及产线数据的对接，以及未来计划实施MES、APS、AGV物料呼叫系统的业务接口对接功能，实现信息的高度集成。

本项目的集成化物流管理系统包括立体仓库管理系统（WMS）、仓库控制系统（WCS）、数据库以及计算机网络、系统软件。该套系统内容包括软件结构与功能、数据库选择、硬件配置、网络拓扑结构、操作系统、与其他软件业务数据接口等整体功能集成的解决方案。

3 立体库出入库作业流程

3.1 自动化立体库入库作业

到货后的铁箱以及冲压生产完毕的铁箱通过AGV搬运至入库端入库时，进行入库作业，在巷道入口处采用自动扫描技术并同步向系统申请分配库位，发送入库申请信息，系统根据服务器收到的入库申请信息来判断是否入库以及货位坐标。当能够判定为入库时，将包含货物坐标的入库指令发送到执行系统，接收到指令的堆垛机将货物存放在指定的货格中，然后将操作完成的信息返回给控制系统，等待接收下一条操作指令，完成的信息将返回到管理系统以进行出入库管理，入库完成后，关闭订单并生成库存。入库订单主要包括入库单据的处理、物料组盘登记、系统自动读取容器条码、物料（自产成品和其他物料）入库操作、剩余成品和返库入库。入库订单处理要求：接收ERP入库类订单，包括生产计划单，生产入库、退货入库单等，生成相应的入库单据；在ERP不能传送指令的情况下，可由具备权限的操作员在WMS录入各种单据；入库完成后，执行入库任务完成处理；各种入库单据的结算操作会生成实际的库存数据。

3.2 自动化立体库出库作业

焊装岗位以及冲压岗位需要物料时，系统生成相应的物料需求信息，进行出库作业。首先将需求信息输入到上位管理机中，服务器将根据收到的需求信息自动进行库存查询，按照“先进先出、自由分配、高度容错”的原则，生成出库作业指令，控制系统收到指令后，控制堆垛机按照分配的货位地址取物料，并移栽到AGV小车上，小车与生产线自动完成对接，出库作业完成，控制系统返回作业完成信息，管理系统更新库存数据库中的货物信息和货位占用情况，完成出库管理。出库订单管理要求：接收ERP、SAP各种业务类型出库单据；在ERP、SAP不能传送指令的情况下，可实现Excel表格导入出库清单模式或者手动输入零件清单两种模式；具备可以查询出库订单、各种出库单据的关单操作，更新实际库存。