随着我国经济社会的发展, 特别是电子商务平台的大规模应用, 对物流业的依赖性越来越高, 而信息化作为物流业的重要组成部分, 已经成为现代物流的核心技术和时代特征[1]。仓库是物流服务链上各环节的重要节点[2], 基于现代信息技术而形成的自动化立体仓库在现代物流管理中发挥了储存、保管、配送、加工、调节运输能力、信息传递等功能[3], 同时在降低劳动强度、提高工作效率、提升仓储利用率、有效加工和利用仓储信息、降低仓储损耗和仓储持有成本、加强仓储管理人员的规范化、标准化水平等方面也发挥了积极作用, 达到了安全风险预控和可控的目的, 铁路自动化立体仓库理念已经得到了相关部门和行业的认可和普及。目前我国很多铁路货场结合自身的特点谋求转型, 将铁路货场打造成区域物流配送中心, 对自动化立体仓库的依赖性更加迫切。因此, 自动化立体仓库作为物流配送中心的重要组成部分, 是“互联网+现代仓库”的具体实践, 主要表现在节约用地、消除差错、提升仓储自动化水平及管理水平、节省人力、提高管理和操作人员素质、降低储运损耗、有效减少流动资金占用、提高物流效率等方面的优越性[4]。自动化立体仓库进一步与厂级计算机管理信息系统联网形成厂级物联网, 再与生产线相连后, 自动化立体仓库就成为了助力企业柔性制造系统 (Flexible Manufacturing Systems, FMS) 的重要节点。

铁路自动化立体仓库按照货架结构形式分为箱式立体仓库 (也称为货格式立体仓库) 、贯通式立体仓库、自动化柜式立体仓库及条形货架立体仓库。铁路机车检修配件箱式自动化立体仓库建设主要用于储存铁路机车检修所用小型备件、体积较小的通用材料和电子电气产品, 货位承载质量一般为100 kg。箱式自动化立体仓库的特点是能够独立完成仓储及快速出入库需求, 适应多品种、小批量物资的出入库作业, 出入库频率较高, 要求操作简单、便于管理、灵活性强、安全可靠, 作业效率较高、空间利用率较高, 完全满足机车检修小型配件的仓储要求。箱式自动化立体仓库系统与企业资源计划系统 (Enterprise Resource Planning, ERP) 无缝衔接后, 可以实现数据的实时交换, 物流与信息流一体化、集成化运行。售后服务是箱式自动化立体仓库长期良好运行的关键, 箱式自动化立体仓库供应商是否具备立体仓库技术援助、故障排除能力成为重要考量标准[5]。考虑到机车检修配件自动化立体仓库项目距离大城市较远, 规划时要求设备整体故障率低, 技术标准和参数设置标准高, 同时售后服务可靠、方便、快捷, 而且能够提供长期售后服务。

室外堆场设计应根据其功能遵循一定的设计原则:室外堆场地形以矩形为好, 这样既便于车辆行驶, 又便于货物摆放, 能够有效提高室外堆场的利用率;室外交通组织应考虑好标准集装箱、货车的回转半径和消防通道的需求, 宽度一般不小于12 m, 条件允许时可分别设置入口和出口, 以提高车辆的进出效率, 同时最好单独设计行人出入口, 做到人车分流;在场地四周设置围挡, 在周边和办公区附近设置绿化带, 以尽量提高土地的利用率。

为了尽可能提高仓库的利用率, 方便立体货架的安装, 库房在建设时内部不设立柱, 建筑形式采用混凝土钢梁结构。这种结构自重轻、跨度大并且施工周期短。设计方案是现浇混凝土柱, 钢梁屋架, 彩钢板加聚苯乙烯保温板屋面, 加装保温玻璃棉, 屋面坡度1:10。为提高库内的采光效果, 屋面增加合成树脂纤维制作的采光带;屋面采用等截面人字形实腹钢梁;柱顶与钢梁的节点采用铰接形式链接[6]。库区出入门采用电动提升门, 便于操作, 并且满足频繁进出的需要。室内地面载荷由立体货架的供应商提供, 并且将其作为建造依据。为满足室内机械频繁碾压的要求, 采用金属骨料耐磨地面, 并且在浇筑地面混凝土时, 严格把控好混凝土初凝时间, 随打随磨, 一次性完成[7]。因室内混凝土地面较厚, 各种水暖管线应设置在管道沟中以方便检修。

仓库内部空间规划应考虑计算机监控中心区、入库暂存区、检验区、码垛区、储存区、出库暂存区、不合格品暂存区和杂物区的合理划分, 同时消防水路、各种控制电缆电线、高低压电缆电线、机械设备充电区应做好合理设计。库房照明一般按照日常照明、维修和应急照明等3种功能设计, 库房照明设备在以后的仓库运行过程中非常重要, 设计时应特别考虑外围工作区和辅助区的照明。库房通风和采暖系统应根据存放物品的条件要求进行设计, 一般环境温度25℃左右, 相对湿度控制在60%~80%。

机车检修配件自动化立体仓库是物资大量集中的地方, 一旦发生火灾, 火焰蔓延速度快、疏散扑救困难, 立体货架一般在10~15 min会发生倒塌的危险, 容易造成重大财产损失。因此, 安全可靠的消防设计是自动化立体仓库设计的重要组成部分[8]。机车检修配件自动化立体仓库的消防系统主要由防排烟系统、自动报警系统、自动喷水系统和消防栓系统组成。参照《自动喷水灭火系统设计规范》高层货架内置喷头按照每层间隔不大于4 m的设计要求, 考虑机车检修配件自动化立体仓库为箱式自动化仓库的特点, 采用每4层货位设置一层内置喷头, 每层喷头的间隔约为2 m, 在每个喷头的上方设置面积为0.19 m2的圆形集热挡水板, 机车检修配件自动化立体仓库内置喷头层数为6层, 设置位置为货架背靠背的一面。喷头采用比较安全和技术成熟的ESFR-K200早期抑制快速响应喷头。系统中控室设计磷酸铵盐干粉灭火器和CO2气体灭火器。火灾自动报警系统采用灵敏度高的吸气式感烟探测器[9], 而线型光纤感温火灾探测器具有坚固耐用、不宜腐蚀、很少需要维护等其他探测方式不可替代的优势, 已经成为高架仓库火灾探测的一个新的发展方向。

网络监控系统接入厂级办公网络系统, 实现在线远程终端监控功能。监控系统配置:网络硬盘录像机1台, 网络高清红外智能球型摄像机3台, 液晶显示器1台, 2T监控专用硬盘4块。球型摄像头分别安装在系统中控室、立体库前断及后段。采用JMF技术获取图像, 采用Canny边缘检测算法, 可以实现对运动物体的跟踪检测, 并且将现场图片保存, 推送给安卓手机客户端, 实现移动监控现场作业情况和突发火情报警。

在库房的日常管理中应重点关注相对湿度的要求[10], 温湿度的监控可以通过无线温湿度传感器完成。机车检修配件自动化立体仓库环境温湿度监控采用MSP430F149采集后使用单总线接口将数据传输给主控芯片, 通过控制以太网控制芯片模块将数据传输至网络, 远程电脑终端可通过网络实时监控仓库温湿度。

以下对箱式自动化仓库软硬件系统的设计进行研究, 并结合具体案例进行分析。

以SH铁路公司机车检修配件箱式自动化仓库软硬件系统设计为例, 探讨铁路箱式自动化立体仓库系统设计。SH铁路公司机车检修配件自动化立体仓库室内建筑尺寸为34.5 m (长) ×11.3 m (宽) ×13 m (高) , 立体仓库区域尺寸为29 m (长) ×9.5 m (宽) ×12.45 m (高) , 4个巷道、4台铝合金堆垛机, 货架共8排、38列、24层, 共计7 296个货位。高层货架采用牛脚式组合工业货架。塑料周转箱尺寸600 mm×400 mm×280 mm, 承重100 kg/箱, 包含周转箱7 296个。货物出入库采用由不锈钢辊道输送机、顶升移载机组成的输送系统组成。设有2个拣选口、1个入库口和1个出库口。在出入库口的输送机设有尺寸和质量检测装置, 超限或超重时报警。配备现场操作终端、无线手持终端、LED显示屏进行操作。在库房中央控制室内布置网络及数据库服务器、管理及监控计算机、UPS、激光打印机、视频监控、消防设备。自动化立体仓库平面设计图如图1所示, 图中所有单位为mm。

机车检修配件自动化立体仓库主要由货架系统、有轨巷道堆垛机、出入库输送系统、仓储管理系统、计算机管理和监控系统5个主要部分组成。

钢结构货架要求具备足够的强度、韧性和整体的稳定性, 一般采用牛腿式组合货架。立柱全长调节孔累计误差和相邻孔误差宜在合理范围内, 以确保安装的方便牢固。表面处理一般采用酸洗、磷化、烘干、静电喷粉、固化和包装的工艺。货架表面静电喷涂的材料一般采用环氧树脂粉末, 同时为满足消防的需要, 钢结构货架表面喷涂材料的耐火极限不低于2 h。

图1 自动化立体仓库平面设计图Fig.1 Graphic design of automated high-rise warehouse  下载原图

为了提高堆垛机的运行效率, 减轻载荷, 减少故障率, 堆垛机采用双立柱铝合金结构。运行、升降、货叉采用变频调速, 闭环控制。运行速度包括水平运行速度、升降速度和货叉速度, 是决定堆垛机性能和价格的主要指标, 应根据具体现场情况合理确定。升降装置采用钢丝绳, 并且设置松绳和过载的安全保护装置。运行、升降的认址方式采用条码认址。为方便日常对堆垛机的保养检修和应急故障处理, 采用手动、单机自动、联机控制等3种控制方式。电机减速机、变频器和定位控制系统是堆垛机的核心部件, 分别选用技术相对成熟的国际品牌SEW、DEMAG、SIEMENS的产品。安全滑触线、继电器、主要控制元件选用了松下的产品。为了降低工作噪音, 提高设备运行的稳定性, 地轨选用铝合金材质, 行走轮采用聚氨酯材料, 保证工作噪声不高于60 d B, 以达到系统平稳运行的要求。堆垛机安装有提升紧急终端限位器、运行终端限速器、运行终端限位器、急停按钮等装置, 以及电气联锁保护装置, 以确保堆垛机的运行安全。

出入库输送系统是将入库周转箱输送至堆垛机作业原始位置, 或将出库周转箱输送至出库端口的水平输送设备。出入库输送系统一共包含3部分设备: (1) 在每条货架前布置1台平行于巷道的链式输送机, 每条巷道两侧的2台输送机分别设定为入库输送机和出库输送机; (2) 中间布置2条输送线; (3) 在库前区同一侧布置出、入分拣输送机各2台, 配备条形码扫描、尺寸检测及重量检测等装置。仓储系统入库任务相关流程如图2所示, 下架的货箱或需入库的货箱分别放入库前区的分拣输送机, 通过链条驱动轨轮将货箱传送到中间输送线上, 货箱需要经过条形码扫描、尺寸检测及重量检测后被传送到巷道的链式输送机, 由堆垛机运送到计算机控制系统指定货位。仓储系统出库任务相关流程如图3所示, 计算机控制系统出库指令下达后, 堆垛机到达指定货位, 通过条形码扫描后启动货叉取下货箱, 通过导引轨将货箱运送到巷道前的链式输送机, 再通过中间输送线经过条形码扫描、尺寸检测及重量检测, 根据计算机控制系统下达的任务指令, 将货箱分别输送到各功能出库端口。

图2 仓储系统入库任务相关流程Fig.2 Procedures of warehousing system's inbound task  下载原图

图3 仓储系统出库任务相关流程Fig.3 Procedures of warehousing system's outbound task  下载原图

堆垛机控制系统是仓储管理系统的核心系统, 它包括电控系统、动力配电系统、电气系统、通信寻址系统和硬件系统等。堆垛机控制系统框图如图4所示。堆垛机控制系统由计算机控制系统建立与堆垛机控制器的指令交互, 利用趋势水平驱动变频器、垂直驱动变频器、货叉驱动变频器完成各项指令, 从而实现水平认址、垂直认址、速度保护监测、货叉极限与居中确认、人操作界面、声光报警、电机安全检测、货物安全检测、设备安全检测、人员安全保护的功能。

电控系统控制网络采用PROFIBUS DP架构, 主控器件采用某公司S7-300或S7-400系列可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller, PLC) , 信号采集的I/O模块, 电机启动器采用某公司ET200S系列产品, 放置于现场控制箱内, 通过PROFIBUS DP网关接入PROFIBUS DP网络。现场操作员终端通过PROFIBUS DP网关接入PROFIBUS DP网络。

动力配电采用配电柜至电控系统主控制柜、主控制柜至现场控制箱、现场控制箱至设备电机的“3级供电”方式, 每一级电力传输均采用保护开关对下一级设备进行保护。电气控制系统的功能主要有控制方式切换、信息查询、停电保护等功能。现场分布触摸屏设置操作密码保护, 重要的操作需要密码登录确认后才能进入操作界面。

计算机管理和监控系统主要由计算机管理信息系统、计算机监控系统组成。系统具有良好的开放性, 系统功能采用模块化设计, 便于修改, 保证系统的可扩展性和二次开发能力。界面、文档均为中文, 报表格式按照要求设计。仓库管理系统 (Warehouse Management System, WMS) 具备与ERP接口能力, 但在没有ERP时, WMS可以独立运行。计算机管理和监控系统的功能如图5所示。

计算机管理信息系统应具有友好的可视化人机交互界面, 能够实现数据查询、统计报表、故障分析等功能, 所有操作易学易会。为保证整个自动化立体仓库长时间稳定、可靠、安全地运行, 该管理系统应选用先进稳定的操作系统, 并提供多种数据备份形式和系统故障恢复功能。

图4 堆垛机控制系统框图Fig.4 Block diagram of stacker control system  下载原图

图5 计算机管理和监控系统的功能Fig.5 Function of computer management and monitoring system  下载原图

计算机监控系统根据计算机管理信息系统自动分配好的作业地址信息, 按照运行时间最短、作业工位合理分配等原则对作业顺序进行优化组合排定, 经数据处理后向堆垛机、输送机等主要机电设备控制器分发作业命令。计算机监控系统的子系统计算机集成化过程监控系统接收实时控制级的反馈信息, 并对主要设备的运行位置、作业状态、货位占位情况、周转箱载物情况和运行故障等信息状态进行实时动态仿真显示。计算机监控系统架构图如图6所示。

图6 计算机监控系统架构图Fig.6 Architecture diagram of computer monitoring system  下载原图

铁路自动化立体仓库的设计建造是一项复杂的系统工程, 建造前期需要进行周密的设计和需求论证。在房建施工期间, 应充分听取设备安装方的意见和建议, 合理做好各种预埋件的安装, 保证各种线缆、管件接头的预留位置准确, 以及地面的承载力、平整度。项目建造完成后, 还需要相当长一段时间用于设备联调, 联调的时间长短取决于系统所采用的电器元器件、电机及控制系统软件的可靠性。目前, 很多单位都采用了资产管理信息系统进行物资管理工作, 资产管理信息系统与自动化立体仓库管理系统的衔接逐渐成为亟待解决的现实问题, 否则将造成资产管理信息系统与自动化立体仓库管理系统的相互孤立, 为物资全生命周期的管理和日常工作带来较大障碍。