随着工业自动化的快速发展, 人力成本的不断上升, 各大白酒企业在提高品牌效应的同时均在尝试向自动化、智能化酿造转型升级, 向智能酿造工厂目标靠近, 以提高生产效率、降低成本。灌装生产线的优劣直接关系着企业产品质量、食品安全、生产效率及企业效益[1], 与灌装生产线配套的成品酒仓库和包材仓库直接影响整个灌装厂的效率。白酒行业属于传统行业, 整体自动化水平较低, 对现有工艺改进和优化, 充分发挥机械化和自动化的优势, 提高生产效率, 降低劳动强度, 实现资源的合理化配置[2,3,4], 是各大酒企共同的目标。同时, 在工业4.0和人口红利消失的新时代, 传统的白酒制造模式面临转型升级, 基于RFID的白酒灌装厂中转立体仓库是提升灌装厂整体效率的有效途径。基于RFID技术, 设计白酒灌装生产线匹配的中转立体仓库, 提出了中转立体仓库工作流程, 并对立体库货架和厂房尺寸进行了理论计算, 为白酒行业的发展提供借鉴。

标准的RFID系统包含电子标签、读写器和应用系统[5]。电子标签由芯片、天线及耦合元件组成, 每个标签具有唯一的电子编码, 用于储存相应的商品信息[6]。读写器由射频接口、控制系统及耦合元件组成, 采用射频信号以空间耦合方式进行无接触信息传输, 实现读取或写入电子标签中对应的商品信息, 并通过控制系统对接收信息进行数据处理, 最终实现自动识别商品信息的目的[7,8]。

RFID技术中所衍生的产品大概有三大类:无源RFID产品、有源RFID产品、半有源RFID产品[9,10,11]。无源RFID产品发展最早, 也是发展最成熟, 市场应用最广的产品。无源RFID产品不需要供电电源, 减少了后期的维护成本, 因此白酒灌装厂中转立体仓库设计优选无源RFID。

白酒灌装厂中转立体仓库是配合灌装生产线使用, 由成品酒仓库和包材仓库组成, 主要用于包材和成品酒的中转。由于包材立体库和成品酒立体库相似, 该处以成品酒立体仓库为例进行设计和理论计算。假设灌装线产能20000p/h, 根据货车运输的周转时间以及每天的生产量, 成品酒的暂存期定为七天。以节约占地面积, 合理利用土地资源, 尽量避免安全事故的发生为原则, 并且以包材与成品酒的暂存天数为依据对自动化立体仓库进行设计, 且本仓库采用RFID技术。

基于RFID的自动化立体仓库管理系统流程设计:在立体仓库出入口安装RFID读写设备。当货物进入设备信号覆盖区域, 附着在货物上的电子标签产生感应电流, 并将货物信息发送到RFID读写器。RFID读写器将信号解码后, 传送到自动化立体仓库管理系统, 实现货物的出库、入库、直接装车自动化管理。

包装好的成品酒根据ERP系统下达的入库作业指令或直接装车指令自动进入成品酒仓库或直接装车。

(1) 上一级ERP系统下达入库作业单, 自动化立体仓库管理系统获取指令, 入库管理模块对成品入库作业单 (如成品入库单编号、货物名称、数量等) 等信息自动识别、分析和处理。

(2) 自动化立体仓库管理系统根据成品入库作业单对巷道式堆垛机系统发出指令, 巷道式堆垛机根据指令将空托盘从货架取出, 利用有轨穿梭小车将空托盘转运至传送带并传送至入库站台。

(3) 成品进入立体仓库后, 安装在入口的RFID读写器对成品的电子标签进行批量读取, 自动化立体仓库管理系统将实际验收的成品信息与成品入库作业单的成品信息进行核对。若出现不符, 则自动化立体仓库管理系统对分流机发出指令, 并将成品输送至装车输送线。核实无误后, 自动化立体仓库管理系统对分流机发出指令, 将成品输送至机械手处, 机械手根据指令将成品码在托盘上。

(4) 码垛后的成品经过输送机进入入库输送线, 并输送至有轨穿梭小车处。

(5) 自动化立体仓库管理系统指挥调度有轨穿梭小车并将成品托盘输送至相应的巷道式堆垛机站台。

(6) 自动化立体仓库管理系统将按照一定的原则分配一个固定的货位, 并通知巷道式堆垛机, 把成品托盘堆放到指定的货位, 完成成品入库。

(7) 成品入库作业完成后, RFID读写器将数据上传至系统数据库中, 完成信息更新。电子标签内的数据也随之更新 (写入操作时间) 。同时, 各设备在运行过程中将数据上传至系统数据库中, 实现信息实时更新。

(1) 上一级ERP系统下达成品出库作业单, 自动化立体仓库管理系统获取指令, 出库管理模块对成品出库作业单 (如成品出库单编号、货物名称、数量等) 等信息自动识别、分析和处理。

(2) 自动化立体仓库管理系统根据成品出库作业单对成品仓库储存货位进行查询, 向巷道式堆垛机系统发出指令, 巷道式堆垛机根据指令从指定巷道中提取成品托盘, 并送往巷道口。

(3) 自动化立体仓库管理系统调度有轨穿梭小车到巷道口取货, 并将成品转运至出库输送线, 成品通过输送线输送至出库站台。安装在出库输送线上的RFID读写器对成品与托盘的电子标签进行批量读取, 自动化立体仓库管理系统将实际出库的成品信息与成品出库作业单的成品信息进行核对。若出现不符, 则自动化立体仓库管理系统会输出提示信息, 并将成品托盘经输送机输送至入库站台处, 检测回库。同时, 自动化立体仓库管理系统将重新调配相同的成品托盘出库, 以进行补缺。核实无误后, 利用一台机械手将托盘上的成品卸至装车输送线上, 自动化立体仓储管理系统发出指令, 空托盘回传至成品区。

(4) 自动化立体仓库管理系统向装车输送线上的分流机发出指令, 分流机根据指令将成品分配至伸缩式传送带上, 利用装箱机器人与液压升降台将成品装在货车上。

(5) 成品出库作业完成后, RFID读写器将数据上传至系统数据库中, 完成信息更新。电子标签内的数据也随之更新 (写入操作时间) 。同时, 各设备在运行过程中将数据上传至系统数据库中, 实现信息实时更新。

(1) 上一级ERP系统下达直接装车作业单, 自动化立体仓库管理系统获取指令, 直接装车管理模块对装车作业单 (如装车单编号、货物名称、数量等) 等信息自动识别、分析和处理。

(2) 成品进入装车输送线后, 安装在装车输送线上的RFID读写器对成品的电子标签进行批量读取, 自动化立体仓库管理系统将实际装车的成品信息与直接装车作业单的成品信息进行核对。若出现信息不吻合, 则自动化立体仓库管理系统发出提示信息, 将成品输送至缓存区, 并通知相关人员处理, 处理后进行装车或回库。核实无误后, 自动化立体仓库管理系统向装车输送线上的分流机发出指令, 装车输送线上的分流机根据指令将成品分配至伸缩式传送带上, 利用装箱机器人与液压升降台将成品装在货车上。

(3) 直接装车作业完成后, RFID读写器将数据上传至系统数据库中, 完成信息更新。电子标签内的数据也随之更新 (写入操作时间) 。同时, 各设备在运行过程中将数据上传至系统数据库中, 随时进行信息更新。

托盘的选择:以某品牌酒为例, 目前的成品酒一件的尺寸为373mm×265mm×340mm, 由于包含十种瓶形, 为了便于各种瓶形都能存放于同一个货架, 因此选择一件成品酒的尺寸为400mm×300mm×340mm, 根据成品酒的尺寸来选择托盘的类型, 每个托盘放3×4×3=36件货物, 选择托盘尺寸为1200mm×1200mm×150mm。

托盘总量:以某品牌酒为例, 目前成品酒一件的重量为10.7kg, 因此, 设每件成品酒的重量为10kg, 每小时生产成品酒20000瓶, 即为10t, 因此每小时生产的成品酒大约重为34t, 七天的存储量为34t×22×7=5236t, 由于每个托盘载重0.36t, 则至少需要的托盘数为:5236÷0.36=14545个。

货架:设货架立柱厚度为100mm, 托盘与货架间隙为50mm, 货物高度为340×3=1020mm且离上层间隙为50mm。

一个货格的长L=100mm+1200mm+50mm+50mm=1400mm, 宽B=1200mm+50mm+50mm=1300mm, 高H=1020mm+100mm+150mm+50mm=1320mm, 货架如图1。

图1 货架   下载原图

成品仓库长度:大货车最长为17.5m, 加上车头最长为20m, 采用伸缩输送带与装箱机器人上货时, 由于装箱机器人最大上货能力为10t/h, 则至少需要4辆车才能满足每小时生产的成品全部装车, 由于伸缩输送带长度为7m, 机器人需要的长度为3m, 车长为20m, 车预留距离为3m, 此时4个货位装车至少需要的长度为: (7+3+20+3) m×4=132m。

货位数:由于需要14545个货位数, 货架宽为1300mm, 堆垛机宽为1400mm, 一个堆垛机对应两排货架, 考虑7个堆垛机时, 则宽度为 (1300+1400+1300) mm×7=28000mm。考虑87列时, 则货架长度为1400mm×87=126000mm=121.8m, 设层数为12层, 则货架总高为:1320mm×12=15.84m, 则此时总货位数87×14×12=14616个>14545个, 满足七天的存储量。设立体仓库的输送线长度为15m, 则仓库总长为:121.8m+15m=136.8m>132m, 满足四个装车位所需长度, 此时成品仓库占地面积为:136.8m×28m=3830.4m2。根据建筑防火设计规范可知, 每座高层仓库最大占地面积为4000m2, 最大防火分区为1000m2, 由于每个堆垛机对应的占地面积为:4m×121.8m=487.2m2, 则在进行防火分区设置时, 每两个堆垛机所在区域设置一个防火墙, 总共需要3个防火墙, 设每个防火墙长124m, 宽为0.6m, 则仓库的总宽为:28m+0.6m×3=29.8m, 成品仓库主要参数见表1所示。

表1 成品酒仓库主要参数     下载原表

根据以上设计并结合本系统所选仓库模型实际情况, 自动化立体仓库管理系统应由以下几个功能模块组成 (如图2所示) :系统管理模块、基本信息模块、直接装车模块、入库出库管理模块、库存管理模块、设备监控模块等。

图2 自动化立体仓库组成模块   下载原图

从安全角度考虑, 本系统在界面层中设置了访问权限, 用户只能获取权限范围内的数据, 从而确保系统的数据安全。

基本信息主要包括入出库信息、设备信息、货品信息、货位信息、客户信息 (公司名称、公司地址、公司联系人、联系方式、职务等) 、盘点数据等。综合信息包括分析界面, 主要面向公司主管, 根据系统库存统计和预警, 研究是否增补库存和快速发货。

库存管理主要是完成盘点作业, 此外还可以进行库存调整管理、库存查询、库存统计和储位货物分析等。

(1) 主控制系统。包括电脑主机、网络控制器、出入口RFID读写器及相应的识别天线、无线路由器等。电脑主机连接网络控制器, 通过无线路由器连接出、入库门口的RFID读写器、识别天线。

(2) 仓库设施。仓库设施包括所处仓库、货区、货架及每个货物存放区。整个立体仓库内及附近都被无线网覆盖, 以实现仓库内信息共享。

立体仓库的消防非常重要, 因此必须安装足够的消防设备。除了考虑仓库本身的防火性能设计外, 还应配备消防安全设备, 以保障仓库的消防安全。立体仓库应安装火警自动报警系统、烟感报警器和自动喷水灭火消防系统, 这些系统会自动感应烟雾、高温和光辐射, 发出声光报警、切断电源、进行卷帘隔绝等。

仓库空调系统的作用是使仓库内与室外空气的循环流通, 调节温度、CO2和O2的含量, 维持作业人员和保管货物所需的作业环境。立体仓库尤其要注意防潮、防湿, 因此在规划立体仓库时必须注意仓库的换气、通风设施。

经过各大酒企的共同努力和中国制造2025战略的引领, 白酒行业机械化、自动化、智能化酿造已初显成效, 在酿造环节已呈现出一批具有典型代表的企业, 个别酒企已达到机械化、自动化酿造的水平, 突破了传统酿造的模式。酿造后端灌装、包装及原材料和成品酒中转自动化程度也有一定提高, 采用RFID技术应用于立体仓库, 将进一步提高白酒行业自动化、智能化水平, 为大规模个性化定制奠定技术基础, 同时还可建立白酒追溯体系, 以技术手段保证食品安全。