鋼鐵行業線材盤卷立體倉庫的應用分析

文/馬利斌

作為國家重要的原材料工業之一，鋼鐵工業長期存在勞動密集型、作業強度大等特點。近5年來，隨著中國人口老齡化、社會生產結構多樣化、人們生活水平不斷提高，傳統行業日益難以獲得合適、穩定的勞動力資源，鋼鐵行業的生產工藝和作業環境亟待進行升級改造。

山西東杰智能物流裝備股份有限公司（簡稱“東杰智能”）專門針對鋼鐵行業的倉儲、輸送環節進行了深入研究，并在國內率先推出應用到鋼鐵行業線材盤卷的立體倉庫。線材盤卷屬于鋼鐵行業的線材產品，外形尺寸比較統一。相對與整個鋼鐵行業產品系列來說，單卷重量屬于輕量級，這對于采用自動化立體倉庫存儲是有利的方面。

一、應用實例

智能倉儲項目不僅要選用先進的自動化設備，信息的自動化也是其中的關鍵環節。從工業到貨（或產品下線）開始，一直到出庫裝車，整個流程均可實現產品信息的自動采集和處理。自動化設備執行具體的操作和指令，完成貨品的搬運和存儲。

本項目的目標客戶是一家集煉鐵、煉鋼、軋鋼、制氧、焦化、余熱發電、新型建材生產為一體的大型鋼鐵制造與相關配套產業綜合體，其主要產品為特殊鋼種線材制品。近幾年看到各行各業自動化程度升級改造給企業帶來的紅利，該企業也希望通過自動化升級改造，來降低成本、提高效率、改善產品質量。由于線材盤卷成品需要占用大量的土地資源來存儲，并且發貨時需要工人熟記各個鋼種所存放的位置，當發貨產品在下層時，還需要對存儲區域進行倒貨；另外，由于線材盤卷所占面積較大，很大一批產品都是露天存放，不利于產品品質的保護。

圖2：線材盤卷傳統存儲方式

因此，東杰智能在與該企業進行多次溝通交流后，計劃首先從線材盤卷成品的輸送和存儲入手，采用自動化立體倉庫對現有作業流程進行升級優化。

二、案例詳解

該立體倉庫用于存儲線材盤卷，在節省倉庫面積的同時，對盤卷進行物料標記和跟蹤，實現出入庫的信息自動化。

1.節省倉庫面積

同樣的倉庫面積，原來只能存儲3層；采用立體倉庫后，可以存儲12層，總體節約庫房面積約50%。

2.防止盤卷在輸送、倒運過程中的磕碰傷

對于特殊鋼種的線材來說，磕碰傷會對后道拉絲工序產生致命影響。因此，線材盤卷在輸送、存儲和運輸過程中嚴禁劃傷、磕碰。在東杰智能的這套立體倉庫系統中，盤卷在運輸過程中與載具之間無相對運動，避免了相互摩擦產生的磕碰傷。

在卸卷工位，采用舉升運卷小車將盤卷從C形鉤上取下來，并送至庫前移行小車。卸卷和交接過程中，盤卷相對于小車只有豎直方向的位移，沒有水平方向的位移，杜絕了盤卷由輸送產生劃傷的可能性。

在庫前，移行小車通過WCS系統和PLC系統的控制，可實現提前變道、到位等待，接卷后，直接送至需要入庫的巷道口位置，由堆垛機完成入庫作業。

3.入庫采用V型貨叉，保證盤卷存取平穩

堆垛機的貨叉采用V型結構，保證貨叉取料板只承受正壓力，無側向分力，從而實現取料平穩，貨叉性能可靠。

4.全程信息跟蹤，便于回溯查詢

盤卷在打包工位完成打包后，會在盤卷上懸掛一個產品標牌，上面記錄了鋼種信息、重量信息、班次信息等內容，MES系統中也會同時生成這些信息。這些信息通過MES系統和WMS系統的接口，在盤卷卸卷后，傳遞給WMS系統（立體倉庫管理系統）。WMS系統將這些信息與盤卷和載具實時關聯，確保信息系統的及時性和正確性。WMS的架構包括總體架構和技術架構，如圖4、圖5。

5.倉儲控制系統智能化、自動化

倉儲控制系統（WCS）是倉庫實現信息化的基礎，實現了對各種設備系統接口的集成，對各設備系統進行統一調度、管理，協調各個輸送設備段完成倉庫的出入庫任務需求，并通過實時收集設備層反饋，做到對設備的實時監控及對任務執行狀況的實時跟蹤；WCS在調度時奉行均衡負載、最短路徑、優先級任務、堵塞就近等原則，并對出入庫任務組合實行優化，實現最佳的出入庫雙循環作業，另外還有專門的流程加強系統安全性，降低系統對部分設備的安全依賴，這些安全流程有輸送線緩沖臨界檢測、設備故障任務轉移流程等。

在本項目中，WCS通過WMS生成的任務進行分配派發，并通過特定的算法對WMS下達的多個任務以及車輛分配裝貨口任務進行優化，該算法實現了均衡任務、最短路徑、出入庫任務組合優化、優先級調度、堵塞就近等原則。WCS的網絡結構示意圖，如圖6。

WCS對各設備進行登記，并記錄其運行狀況，以供定期分析查詢。

WCS提供對整個物流系統設備的監控，并支持遠程監控。用戶通過監控畫面，可以看到各個設備的運行狀態，并可在設備上查看相應的記錄。

三、系統特點和收益分析

1.系統集成能力強

現代的自動化物流系統是集光、機、電、信息等技術為一體的多學科高技術的系統工程，通過應用系統集成的方法，使各種物料最合理、經濟、有效地流動，并使物流、信息流、商流在計算機的集成控制管理下，實現物流的信息化、自動化、網絡化、智能化、集成化是一個自動化物流項目成功與否的標志。

本項目所用的集成技術，均是在多個工程實例中使用過的成熟的先進技術，既具有很高的先進性，又有很強的實用性。系統方面，經過嚴格測試的集成化物流管理系統WMS及WCS，在眾多知名企業的物流系統中得到應用取得良好效果。尤其是與MES系統和ERP系統的集成技術方面，更體現了領先一步的先進技術和經驗。

2.系統自動化程度高

該物流系統由信息管理層、現場控制層、設備執行層三部分組成；向上連接物流系統的調度監控計算機，向下連接輸送設備的驅動、檢測、識別器件。

（1）信息管理層將上位計算機系統生成的、任務下達至控制層，并與電控層實時通訊，結合現場情況，實時干預物流流程，最終完成任務。同時，分揀信息管理層可對控制層所有設備的運行情況進行實時監控和數據采集，監控系統將現場情況實時的通過圖形顯示在屏幕上，為用戶了解現場生產情況提供直觀、生動的說明。

圖6：WCS系統網絡結構

（2）現場控制層采用西門子可編程控制器進行控制，采用分布式I/O模式，全程傳輸將與上位信息系統進行信息交互，協調進行。上層PROFINET工業以太網聯接上位監控層，實現與監控機的信息交互以及下層PROFIBUS總線聯接各ET200M子站，實現CPU對遠程I/O的信息采樣及動作執行。完成邏輯控制、信息交互、數據處理、信號采集等功能。

圖7：WCS系統監控畫面

（3）設備執行層指底層物流設備的連接、信號檢測和設備控制的執行機構；含輸送、分揀系統所有相關設備，包括分布式I/O、控制面板、電氣控制柜、控制箱、開關、傳感器、現場總線連接設備。

3.系統上線后收益明顯

該系統上線后，可實現線材盤卷的自動下線和輸送，經WMS系統和WCS系統處理后，按照一定的入庫規則，分配到對應的入庫區和庫位；需要出庫時，WMS系統從上層系統獲得揀選出庫任務并下發給WCS系統進行作業，由終端設備完成對應盤卷的揀選出庫。整個流程可實現盤卷出入庫的任意存取。

在盤卷的輸送和存儲過程中，線材無損傷，大大提高了下道工序的原料成材率；并且，采用自動化立體倉庫存儲后，避免了露天環境的風吹雨淋，線材的品質能得到更好保障。

整個流程為無人化操作完成，節約人力成本，提供穩定可靠的生產保障設備。

現在，類似的系統和設備，已應用到多個金屬和非金屬原材料生產企業，并逐漸延伸到型鋼、鋁型材、鋁箔紙、橡膠、塑料等多種金屬和非金屬原材料生產行業。。