作者：張衛(wèi)國

隨著物流產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，托盤四向穿梭式立體庫因其在流通倉儲(chǔ)體系中所具有的高效密集存儲(chǔ)功能優(yōu)勢(shì)、運(yùn)作成本優(yōu)勢(shì)與系統(tǒng)化智能化管理優(yōu)勢(shì)，已發(fā)展為倉儲(chǔ)物流的主流形式之一。本遍接上文《托盤四向穿梭式自動(dòng)化密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)概述 | 連載1-1|1-2》，系統(tǒng)介紹四向穿梭式自動(dòng)化密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)的規(guī)劃。

四向穿梭式自動(dòng)化密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)的規(guī)劃

托盤四向穿梭式自動(dòng)化密集倉儲(chǔ)系統(tǒng)的規(guī)劃涉及倉儲(chǔ)設(shè)施布局、貨架配置或設(shè)備數(shù)量優(yōu)化，及其對(duì)企業(yè)投資建設(shè)過程中的影響，盡可能在保證系統(tǒng)吞吐效率的前提下，降低投資成本，且應(yīng)考慮后續(xù)運(yùn)行過程中的運(yùn)營成本。目前規(guī)劃設(shè)計(jì)從業(yè)人員多集中于儲(chǔ)位分區(qū)和調(diào)度路徑優(yōu)化問題，而對(duì)于系統(tǒng)資源配置方面的優(yōu)化還缺乏。

1)輸送機(jī)與消防系統(tǒng)配合：主要涉及各庫區(qū)墻面及穿樓面孔洞處的卷簾防火門。評(píng)估消防門的安裝方式對(duì)該處的設(shè)備影響；消防與設(shè)備聯(lián)動(dòng)信號(hào)要求是消防給出火警信號(hào)后延時(shí)20秒斷電，消防卷簾門落下；同理考慮冷庫的保溫隔離系統(tǒng)。

2)托盤四向穿梭車與輸送機(jī)的接駁動(dòng)作與機(jī)構(gòu)匹配性設(shè)計(jì)，托盤四向穿梭車與貨架軌道及其托盤單元工藝運(yùn)動(dòng)路線的匹配、單機(jī)與整線的運(yùn)行效率匹配，托盤貨物單元對(duì)于鋼貨架結(jié)構(gòu)的選材校核與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，托盤四向穿梭車與托盤貨物提升機(jī)的機(jī)械接口匹配性設(shè)計(jì)：穿層托盤貨物提升機(jī)的布局工藝性評(píng)估與位置確定。

3)電氣控制系統(tǒng)規(guī)劃、強(qiáng)弱電的布局規(guī)劃與施工評(píng)估；電氣系統(tǒng)設(shè)備主要由配電柜、主控制柜、現(xiàn)場(chǎng)控制箱、現(xiàn)場(chǎng)操作員終端、條碼識(shí)別器、變頻器、現(xiàn)場(chǎng)總線組件、控制接口組件等組成；系統(tǒng)采用遞階式多層結(jié)構(gòu)，分別為系統(tǒng)監(jiān)控層、車間控制層、設(shè)備執(zhí)行層。采用工業(yè)以太網(wǎng)及PROFINET/PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將物流控制系統(tǒng)連接起來，構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定，可靠的系統(tǒng)環(huán)境。

系統(tǒng)監(jiān)控層：倉儲(chǔ)監(jiān)控管理系統(tǒng)，根據(jù)WMS系統(tǒng)下達(dá)出入庫計(jì)劃進(jìn)行計(jì)算機(jī)管理，WMS物流管理系統(tǒng)通過（切換和全雙工）工業(yè)以太網(wǎng)與控制系統(tǒng)相連，接受WMS管理系統(tǒng)的指令，執(zhí)行叉車任務(wù)、托盤四向穿梭車、托盤貨物提升機(jī)、地面AGV、輸送等設(shè)備作業(yè)監(jiān)控，上報(bào)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)工藝流程參數(shù)及生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)，完成整個(gè)自動(dòng)化物流系統(tǒng)的運(yùn)行。上位PC機(jī)作為監(jiān)控操作員和工程師工作站，位于中央控制室（配送中心控制中心），操作人員通過設(shè)置及監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。計(jì)算機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)連接，形成一個(gè)物流系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的統(tǒng)一解決方案。系統(tǒng)運(yùn)行的軟件平臺(tái)采用Windows 系統(tǒng)+WCS軟件，運(yùn)用圖形化的方式提供強(qiáng)大的控制功能，具有統(tǒng)一的操作、運(yùn)行中文界面。目前公司的應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的軟件平臺(tái)采用Windows NT+WCS軟件，運(yùn)用圖形化的方式提供強(qiáng)大的控制功能，具有統(tǒng)一的操作、運(yùn)行中文界面，同時(shí)便于系統(tǒng)的再開發(fā)與維護(hù)。

車間控制層：中央控制器有（切換和全雙工）100M帶寬聯(lián)網(wǎng)功能及PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口，既能滿足與上位機(jī)（監(jiān)控站）聯(lián)網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的功能，又能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與自動(dòng)化系統(tǒng)（控制單元）間的通訊，適合于自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)單元的通訊，滿足現(xiàn)場(chǎng)智能化儀器儀表及數(shù)字控制系統(tǒng)的需求。具有高可靠性、安全性、開放性、高速性和易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，信號(hào)遠(yuǎn)程采集方式為就近信號(hào)采集，節(jié)省空間布線簡單，便于維護(hù)，PROFINET / PROFIBUS-DP 還可以直接連接帶有接口的變頻器、啟動(dòng)器、傳感器和其它現(xiàn)場(chǎng)電器與儀表，節(jié)省了施工調(diào)試以及今后系統(tǒng)運(yùn)行的維護(hù)費(fèi)用，并為今后擴(kuò)展和更新設(shè)備預(yù)留了足夠的空間。PROFINET / PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線是一種開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，其中DP是為自動(dòng)化系統(tǒng)與分布式的外圍設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備而設(shè)計(jì)的。傳輸介質(zhì)采用專用屏蔽DP電纜線，系統(tǒng)采用總線式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各設(shè)備采用總線接插件連入總線，數(shù)據(jù)傳輸速率為最高12MBbps。

設(shè)備執(zhí)行層：各子站系統(tǒng)、分揀車間的托盤四向穿梭車、自動(dòng)備貨與自動(dòng)分揀的生產(chǎn)工藝設(shè)備的運(yùn)行、停機(jī)、故障報(bào)警等各種過程控制。通過現(xiàn)場(chǎng)操作員終端可以對(duì)每臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)切換，單機(jī)/聯(lián)機(jī)運(yùn)行及狀態(tài)指示與反饋等功能。通過上位監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)控整個(gè)自動(dòng)化物流系統(tǒng)所有設(shè)備的運(yùn)行狀況、貨物的所在位置及相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)等。行程開關(guān)、接近開關(guān)、電磁閥等開關(guān)量進(jìn)入遠(yuǎn)程I/O控制箱，通過現(xiàn)場(chǎng)總線電纜傳遞至主控機(jī)。這樣可以降低電纜成本，使系統(tǒng)具有靈活的可擴(kuò)展性。

4)系統(tǒng)規(guī)劃與流程設(shè)計(jì)：系統(tǒng)整體技術(shù)架構(gòu)圖、系統(tǒng)概要、軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫架構(gòu)、B/S架構(gòu)體系及系統(tǒng)測(cè)試報(bào)告完整；WCS系統(tǒng)上層通過以太網(wǎng)與物流管理系統(tǒng)聯(lián)接，接收WMS系統(tǒng)的指令，能與上位WMS/ERP系統(tǒng)進(jìn)行無縫連接，接收WMS/ERP系統(tǒng)的生產(chǎn)任務(wù)指令，分解下達(dá)給執(zhí)行設(shè)備，接受執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并反饋?zhàn)鳂I(yè)狀態(tài)及作業(yè)任務(wù)執(zhí)行結(jié)果?？赏ㄟ^監(jiān)控計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)置、控制執(zhí)行設(shè)備（托盤四向穿梭車、托盤貨物提升機(jī)、輸送機(jī)等）的信息和啟/停動(dòng)作，執(zhí)行設(shè)備能夠根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。服務(wù)器采用雙機(jī)冗余熱備設(shè)計(jì)，下層通過工業(yè)總線、串行通信或其他通信裝置等與托盤四向穿梭車、托盤單元提升機(jī)與輸送設(shè)備控制系統(tǒng)通訊，下達(dá)設(shè)備運(yùn)行指令并采集/接收設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及作業(yè)任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)；系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，支持系統(tǒng)物流設(shè)備的改造、增加等。設(shè)備控制系統(tǒng)采用三層或多層架構(gòu)設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)接收作業(yè)指令，必須保證可靠性和響應(yīng)速度，當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)異常時(shí)，保證單個(gè)設(shè)備能夠獨(dú)立運(yùn)行，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行情況，能夠及時(shí)、準(zhǔn)備反饋異常原因并產(chǎn)生異常記錄；WMS和WCS系統(tǒng)是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，通過接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。WMS和WCS系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)托盤信息的交換，托盤信息主要包含托盤編號(hào)、商品品種和數(shù)量等；發(fā)生設(shè)備異常時(shí)，WCS系統(tǒng)及時(shí)將設(shè)備異常信息告知WMS系統(tǒng)，便于WMS對(duì)即將下發(fā)的作業(yè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，自行負(fù)責(zé)托盤進(jìn)出路徑優(yōu)化和存儲(chǔ)位置調(diào)整，系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動(dòng)備份存檔。

圖5   系統(tǒng)整體框架圖

托盤四向穿梭式立體庫貨架鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃

托盤四向穿梭式立體庫鋼貨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃的難點(diǎn)主要集中在倉庫內(nèi)托盤四向穿梭式鋼貨架結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)的匹配設(shè)計(jì)和優(yōu)化，托盤四向穿梭式立體庫多在已有建筑的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造、設(shè)計(jì)與規(guī)劃，在考慮倉儲(chǔ)功能區(qū)域規(guī)劃、滿足功能性配置的前提下，完成托盤四向穿梭式立體庫的配置、規(guī)劃、設(shè)計(jì)與校核；

托盤四向穿梭式立體庫的規(guī)劃設(shè)計(jì)會(huì)局限于存儲(chǔ)物品的品種類別和單元化尺寸系列、托盤四向穿梭式臺(tái)車的規(guī)格尺寸、庫區(qū)建筑樓層高度、建筑地面的承重與地面不均勻沉降要求、建設(shè)與運(yùn)營成本、存儲(chǔ)搬運(yùn)設(shè)備運(yùn)行效率及其可靠性配置等因素，并以此構(gòu)建托盤四向穿梭式高位鋼貨架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型和力系分析因子，托盤四向穿梭式鋼貨架結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，用分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，其中承重構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別設(shè)計(jì)；

并根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特性、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力狀態(tài)、連接方法、鋼材材性與厚度、工作環(huán)境等因素綜合考慮，非承重構(gòu)件主要按鋼貨架結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求設(shè)置；

其中：托盤四向穿梭式立體庫貨架立柱按照雙向壓彎構(gòu)件進(jìn)行校核，需要考慮立柱正面或側(cè)面開孔的孔洞影響因素，也要驗(yàn)證立柱截面孔型的冷彎效應(yīng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的計(jì)算方法等，驗(yàn)算內(nèi)容包括貨架立柱片及其構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性計(jì)算與校核，穩(wěn)定性驗(yàn)算包括局部屈曲、畸變屈曲與整體彎扭屈曲等多要素要求，這點(diǎn)也是很多工程技術(shù)人員容易忽視或不作驗(yàn)證的地方，也容易誤認(rèn)為穩(wěn)定性校核就是整體穩(wěn)定性校核，會(huì)給具體的工程項(xiàng)目帶來一定的安全隱患；

橫梁在靜力荷載工況組合下按照受彎構(gòu)件校核，在地震荷載工況組合下梁構(gòu)件校核，均需驗(yàn)算變形與強(qiáng)度兩方面的內(nèi)容，并需要校核梁端節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度與扭轉(zhuǎn)剛度，一般可以依照簡支梁做構(gòu)件校核，節(jié)點(diǎn)校核則需要一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐，尤其是當(dāng)閉口截面長寬比超95，開口截面形式的梁寬厚比超40、長寬比超40時(shí)，需要校核梁的局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性要求，或試驗(yàn)校核與驗(yàn)證承載能力的削弱局部穩(wěn)定系數(shù)；橫斜補(bǔ)受壓時(shí)按照兩端鉸接的受壓構(gòu)件進(jìn)行校核，受拉時(shí)除按照受拉構(gòu)件校核外尚需校核橫斜補(bǔ)節(jié)點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度；柱間支撐用拉桿包括背拉桿與水平拉桿，均按照受拉構(gòu)件校核，同時(shí)需校核連接節(jié)點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度，通過加強(qiáng)柱間支撐體系可提高托盤四向穿梭式立體庫結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度；考慮貨架在各種荷載組合下的最不利效應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算或部件校核；確保托盤四向穿梭式立體庫鋼貨架結(jié)構(gòu)能滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性及變形要求。

托盤四向穿梭式鋼貨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃也要綜合考慮托盤四向穿梭在貨架子（巷）道、母（坡）道中的運(yùn)動(dòng)荷載的影響及其運(yùn)行效率，有效評(píng)價(jià)整體系統(tǒng)的運(yùn)營成本與投資性價(jià)比，有效評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)變形限值對(duì)穿梭車運(yùn)行效率、可靠度的影響等；也要考慮托盤四向穿梭車與貨物垂直提升機(jī)的對(duì)接與精準(zhǔn)定位，托盤四向穿梭車與其它配置設(shè)備或系統(tǒng)之間的對(duì)接精度與匹配控制、構(gòu)件幾何制造安裝精度或初始缺陷等構(gòu)造影響；根據(jù)《鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定，貨架設(shè)計(jì)時(shí)可僅考慮水平地震作用的影響，不計(jì)豎向地震作用，作用于貨架結(jié)構(gòu)的地震作用宜采用振型分解反應(yīng)譜計(jì)算，以便考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)。

托盤四向穿梭式鋼貨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃需要詳細(xì)分析客戶物流工藝要求、倉庫建筑結(jié)構(gòu)及其形式、基礎(chǔ)承載能力等基礎(chǔ)資料，研究客戶的物流運(yùn)作模式和基本成本構(gòu)成、物流單元化標(biāo)準(zhǔn)制定和驗(yàn)證、物流效率分析與比較、消防、照明等附屬設(shè)施的配置、人員構(gòu)成等，形成合理的物流解決方案，確定基本合理的平面布局規(guī)劃或空間模擬，根據(jù)具體項(xiàng)目規(guī)劃信息，確定結(jié)構(gòu)特征單元與結(jié)構(gòu)模型，手工計(jì)算獲取托盤四向穿梭式鋼貨架結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)選材、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、構(gòu)件內(nèi)力及變形控制限值等設(shè)計(jì)計(jì)算信息，再通過有限元參數(shù)化建模及其分析，進(jìn)一步分析特定構(gòu)件的受力與變形，獲取整體結(jié)構(gòu)模型的模態(tài)分析結(jié)果，查詢各工況下構(gòu)件的應(yīng)力、變形等分析結(jié)果，針對(duì)模型中各構(gòu)件長度及長細(xì)比進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，獲得有效壓彎應(yīng)力比、剪切應(yīng)力比等構(gòu)件信息，對(duì)比基本構(gòu)件的內(nèi)力與變形模擬計(jì)算，再與手工計(jì)算條件進(jìn)行對(duì)比、優(yōu)化、校核或試驗(yàn)驗(yàn)證，在確保各構(gòu)件滿足要求的前提下，再綜合分析與評(píng)價(jià)托盤四向穿梭式立體庫的整體穩(wěn)定性與承載能效比，確保托盤四向穿梭式立體庫鋼貨架結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。