作者：張衛(wèi)國

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

四向穿梭式自動化密集倉儲系統(tǒng)的規(guī)劃

托盤四向穿梭式自動化密集倉儲系統(tǒng)的規(guī)劃涉及倉儲設施布局、貨架配置或設備數量優(yōu)化，及其對企業(yè)投資建設過程中的影響，盡可能在保證系統(tǒng)吞吐效率的前提下，降低投資成本，且應考慮后續(xù)運行過程中的運營成本。目前規(guī)劃設計從業(yè)人員多集中于儲位分區(qū)和調度路徑優(yōu)化問題，而對于系統(tǒng)資源配置方面的優(yōu)化還缺乏。

1)輸送機與消防系統(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。評估消防門的安裝方式對該處的設備影響；消防與設備聯(lián)動信號要求是消防給出火警信號后延時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的接駁動作與機構匹配性設計，托盤四向穿梭車與貨架軌道及其托盤單元工藝運動路線的匹配、單機與整線的運行效率匹配，托盤貨物單元對于鋼貨架結構的選材校核與結構設計，托盤四向穿梭車與托盤貨物提升機的機械接口匹配性設計：穿層托盤貨物提升機的布局工藝性評估與位置確定。

3)電氣控制系統(tǒng)規(guī)劃、強弱電的布局規(guī)劃與施工評估；電氣系統(tǒng)設備主要由配電柜、主控制柜、現(xiàn)場控制箱、現(xiàn)場操作員終端、條碼識別器、變頻器、現(xiàn)場總線組件、控制接口組件等組成；系統(tǒng)采用遞階式多層結構，分別為系統(tǒng)監(jiān)控層、車間控制層、設備執(zhí)行層。采用工業(yè)以太網及PROFINET/PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術將物流控制系統(tǒng)連接起來，構成了一個穩(wěn)定，可靠的系統(tǒng)環(huán)境。

系統(tǒng)監(jiān)控層：倉儲監(jiān)控管理系統(tǒng)，根據WMS系統(tǒng)下達出入庫計劃進行計算機管理，WMS物流管理系統(tǒng)通過（切換和全雙工）工業(yè)以太網與控制系統(tǒng)相連，接受WMS管理系統(tǒng)的指令，執(zhí)行叉車任務、托盤四向穿梭車、托盤貨物提升機、地面AGV、輸送等設備作業(yè)監(jiān)控，上報現(xiàn)場設備運行狀態(tài)數據，存儲工藝流程參數及生產歷史數據，完成整個自動化物流系統(tǒng)的運行。上位PC機作為監(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），操作人員通過設置及監(jiān)視系統(tǒng)運行參數。計算機之間采用工業(yè)以太網連接，形成一個物流系統(tǒng)數據共享的統(tǒng)一解決方案。系統(tǒng)運行的軟件平臺采用Windows 系統(tǒng)+WCS軟件，運用圖形化的方式提供強大的控制功能，具有統(tǒng)一的操作、運行中文界面。目前公司的應用系統(tǒng)運行的軟件平臺采用Windows NT+WCS軟件，運用圖形化的方式提供強大的控制功能，具有統(tǒng)一的操作、運行中文界面，同時便于系統(tǒng)的再開發(fā)與維護。

車間控制層：中央控制器有（切換和全雙工）100M帶寬聯(lián)網功能及PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線接口，既能滿足與上位機（監(jiān)控站）聯(lián)網通訊，實現(xiàn)監(jiān)控的功能，又能實現(xiàn)上位機與自動化系統(tǒng)（控制單元）間的通訊，適合于自動化系統(tǒng)與現(xiàn)場信號單元的通訊，滿足現(xiàn)場智能化儀器儀表及數字控制系統(tǒng)的需求。具有高可靠性、安全性、開放性、高速性和易于擴展等優(yōu)點，信號遠程采集方式為就近信號采集，節(jié)省空間布線簡單，便于維護，PROFINET / PROFIBUS-DP 還可以直接連接帶有接口的變頻器、啟動器、傳感器和其它現(xiàn)場電器與儀表，節(jié)省了施工調試以及今后系統(tǒng)運行的維護費用，并為今后擴展和更新設備預留了足夠的空間。PROFINET / PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線是一種開放式的現(xiàn)場總線標準，其中DP是為自動化系統(tǒng)與分布式的外圍設備或現(xiàn)場設備而設計的。傳輸介質采用專用屏蔽DP電纜線，系統(tǒng)采用總線式的拓撲結構，各設備采用總線接插件連入總線，數據傳輸速率為最高12MBbps。

設備執(zhí)行層：各子站系統(tǒng)、分揀車間的托盤四向穿梭車、自動備貨與自動分揀的生產工藝設備的運行、停機、故障報警等各種過程控制。通過現(xiàn)場操作員終端可以對每臺設備實現(xiàn)手動/自動切換，單機/聯(lián)機運行及狀態(tài)指示與反饋等功能。通過上位監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)控整個自動化物流系統(tǒng)所有設備的運行狀況、貨物的所在位置及相關運行數據等。行程開關、接近開關、電磁閥等開關量進入遠程I/O控制箱，通過現(xiàn)場總線電纜傳遞至主控機。這樣可以降低電纜成本，使系統(tǒng)具有靈活的可擴展性。

4)系統(tǒng)規(guī)劃與流程設計：系統(tǒng)整體技術架構圖、系統(tǒng)概要、軟件設計、數據庫架構、B/S架構體系及系統(tǒng)測試報告完整；WCS系統(tǒng)上層通過以太網與物流管理系統(tǒng)聯(lián)接，接收WMS系統(tǒng)的指令，能與上位WMS/ERP系統(tǒng)進行無縫連接，接收WMS/ERP系統(tǒng)的生產任務指令，分解下達給執(zhí)行設備，接受執(zhí)行設備的運行數據，并反饋作業(yè)狀態(tài)及作業(yè)任務執(zhí)行結果?？赏ㄟ^監(jiān)控計算機遠程設置、控制執(zhí)行設備（托盤四向穿梭車、托盤貨物提升機、輸送機等）的信息和啟/停動作，執(zhí)行設備能夠根據指令執(zhí)行相應動作。服務器采用雙機冗余熱備設計，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、托盤單元提升機與輸送設備控制系統(tǒng)通訊，下達設備運行指令并采集/接收設備運轉狀態(tài)及作業(yè)任務執(zhí)行狀態(tài)；系統(tǒng)具有良好的擴展性，支持系統(tǒng)物流設備的改造、增加等。設備控制系統(tǒng)采用三層或多層架構設計，負責接收作業(yè)指令，必須保證可靠性和響應速度，當上位機系統(tǒng)異常時，保證單個設備能夠獨立運行，能夠實時監(jiān)控設備參數、運行情況，能夠及時、準備反饋異常原因并產生異常記錄；WMS和WCS系統(tǒng)是兩個相對獨立的系統(tǒng)，通過接口實現(xiàn)數據通信。WMS和WCS系統(tǒng)之間實現(xiàn)托盤信息的交換，托盤信息主要包含托盤編號、商品品種和數量等；發(fā)生設備異常時，WCS系統(tǒng)及時將設備異常信息告知WMS系統(tǒng)，便于WMS對即將下發(fā)的作業(yè)任務進行調度，自行負責托盤進出路徑優(yōu)化和存儲位置調整，系統(tǒng)數據自動備份存檔。

圖5   系統(tǒng)整體框架圖

托盤四向穿梭式立體庫貨架鋼結構的設計與規(guī)劃

托盤四向穿梭式立體庫鋼貨架結構的設計與規(guī)劃的難點主要集中在倉庫內托盤四向穿梭式鋼貨架結構與建筑結構的匹配設計和優(yōu)化，托盤四向穿梭式立體庫多在已有建筑的基礎上進行改造、設計與規(guī)劃，在考慮倉儲功能區(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、設計與校核；

托盤四向穿梭式立體庫的規(guī)劃設計會局限于存儲物品的品種類別和單元化尺寸系列、托盤四向穿梭式臺車的規(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、建設與運營成本、存儲搬運設備運行效率及其可靠性配置等因素，并以此構建托盤四向穿梭式高位鋼貨架結構的結構模型和力系分析因子，托盤四向穿梭式鋼貨架結構采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，用分項系數設計表達式進行設計與計算，其中承重構件按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別設計；

并根據結構的重要性、荷載特性、結構形式、應力狀態(tài)、連接方法、鋼材材性與厚度、工作環(huán)境等因素綜合考慮，非承重構件主要按鋼貨架結構構造要求設置；

其中：托盤四向穿梭式立體庫貨架立柱按照雙向壓彎構件進行校核，需要考慮立柱正面或側面開孔的孔洞影響因素，也要驗證立柱截面孔型的冷彎效應的強度設計值的計算方法等，驗算內容包括貨架立柱片及其構件的強度、剛度與穩(wěn)定性計算與校核，穩(wěn)定性驗算包括局部屈曲、畸變屈曲與整體彎扭屈曲等多要素要求，這點也是很多工程技術人員容易忽視或不作驗證的地方，也容易誤認為穩(wěn)定性校核就是整體穩(wěn)定性校核，會給具體的工程項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件校核，在地震荷載工況組合下梁構件校核，均需驗算變形與強度兩方面的內容，并需要校核梁端節(jié)點的強度與扭轉剛度，一般可以依照簡支梁做構件校核，節(jié)點校核則需要一定的試驗數據做支撐，尤其是當閉口截面長寬比超95，開口截面形式的梁寬厚比超40、長寬比超40時，需要校核梁的局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性要求，或試驗校核與驗證承載能力的削弱局部穩(wěn)定系數；橫斜補受壓時按照兩端鉸接的受壓構件進行校核，受拉時除按照受拉構件校核外尚需校核橫斜補節(jié)點的抗拉強度；柱間支撐用拉桿包括背拉桿與水平拉桿，均按照受拉構件校核，同時需校核連接節(jié)點的抗拉強度，通過加強柱間支撐體系可提高托盤四向穿梭式立體庫結構的抗側移剛度；考慮貨架在各種荷載組合下的最不利效應進行結構驗算或部件校核；確保托盤四向穿梭式立體庫鋼貨架結構能滿足強度、穩(wěn)定性及變形要求。

托盤四向穿梭式鋼貨架結構的設計與規(guī)劃也要綜合考慮托盤四向穿梭在貨架子（巷）道、母（坡）道中的運動荷載的影響及其運行效率，有效評價整體系統(tǒng)的運營成本與投資性價比，有效評價結構變形限值對穿梭車運行效率、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的對接與精準定位，托盤四向穿梭車與其它配置設備或系統(tǒng)之間的對接精度與匹配控制、構件幾何制造安裝精度或初始缺陷等構造影響；根據《鋼貨架結構設計規(guī)范》和《建筑抗震設計規(guī)范》等相關規(guī)定，貨架設計時可僅考慮水平地震作用的影響，不計豎向地震作用，作用于貨架結構的地震作用宜采用振型分解反應譜計算，以便考慮結構的扭轉耦聯(lián)效應。

托盤四向穿梭式鋼貨架結構的設計與規(guī)劃需要詳細分析客戶物流工藝要求、倉庫建筑結構及其形式、基礎承載能力等基礎資料，研究客戶的物流運作模式和基本成本構成、物流單元化標準制定和驗證、物流效率分析與比較、消防、照明等附屬設施的配置、人員構成等，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，根據具體項目規(guī)劃信息，確定結構特征單元與結構模型，手工計算獲取托盤四向穿梭式鋼貨架結構的基本結構選材、節(jié)點設計與優(yōu)化、構件內力及變形控制限值等設計計算信息，再通過有限元參數化建模及其分析，進一步分析特定構件的受力與變形，獲取整體結構模型的模態(tài)分析結果，查詢各工況下構件的應力、變形等分析結果，針對模型中各構件長度及長細比進行設計校核，獲得有效壓彎應力比、剪切應力比等構件信息，對比基本構件的內力與變形模擬計算，再與手工計算條件進行對比、優(yōu)化、校核或試驗驗證，在確保各構件滿足要求的前提下，再綜合分析與評價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構滿足設計要求。