一軌雙車濾棒高架庫堆垛機利用率的影響因素研究

彭煥宇，袁建華，裴廣山，向琪玲，文斌

（湖南中煙工業責任有限公司常德卷煙廠，湖南常德 415000）

自動化立體倉庫（以下簡稱“立體庫”）是指將物流、計算機管理和控制、網絡、信息、數據庫等技術結合起來，自動化、信息化程度高，存儲量大且存儲時間長[1]，有效滿足了生產工藝要求，目前已成為煙草工業企業的首選模式。而堆垛機是自動化立體倉庫的關鍵組成部分，保證堆垛機利用率大小在合適范圍，既要充分發揮立體庫的處理能力，也要保證任務產生后能及時處理完成[2]。研究堆垛機利用率影響因素，可以有效找到提升濾棒庫效率的優化方向，滿足更大的生產需求。

在目前一軌雙車的作業模式下，存在讓車頻次多、任務路徑長的問題，從理論計算、仿真實驗、數據分析入手，研究站臺區域設置、堆垛機運動區域設置、堆垛機作業模式等因素對利用率的影響，并在實際工作情況下加以驗證。

1 濾棒高架庫布局及主要參數

1.1 高架庫布局

濾棒高架庫為同層異側、雙排貨架單巷道結構，各站臺位置固定。貨架規劃按1 個貨格放1 個料盤組設計貨架，共2 排×86 列×8 層貨架。

成型機側共有11 臺成型機，立柱占用6 列貨位，再加1 個立柱與成型機側開孔位置重合的4 個貨位，有效貨位為：80（列）×8（層）－11×5×4+4=424，發射機側共有8 臺發射機和1 個人工站臺，有效貨位為：86（列）×8（層）－8×5×4－3×4=516。庫內總貨位為516+424=940。

根據實際布局以及目前貨位間綁定關系，繪制出可用貨位綁定圖，如圖1 所示。

圖1 可用貨位綁定圖

1.2 一軌雙堆垛機雙叉系統

項目采用一軌雙堆垛機雙叉系統，2 臺堆垛機共用同一條軌道，協同作業，干涉區域作業時相互避讓，不會出現機械碰撞、相互卡死的情況。該子系統處理能力介于單臺堆垛機子系統和2 臺獨立運行堆垛機子系統之間。生產中如果干涉過大，可能會導致一軌雙堆垛機子系統的處理能力急劇下降。堆垛機間的安全距離為7 列。330 堆垛機運行最大范圍為1—79 列，331堆垛機運行最大范圍為11—86 列。堆垛機運行參數如表1 所示。

表1 堆垛機運行參數

1.3 堆垛機作業模式

若機組初始清空，物流系統開始供應空料盤組（成型機組）或實料盤組（發射機組），系統為兩叉堆垛機，機組入口輸送機產生足以容納2 個料盤組的空間時申請出庫。經過一段生產時間后，當產生2 個完整的實料盤組（成型機組）或空料盤組（發射機組）時申請入庫。

單一作業是出庫和入庫作業分開申請，期間堆垛機可以處理其他機組作業。單一作業出庫/入庫流程如圖2 所示。

圖2 單一作業出庫/入庫流程

復合作業是指堆垛機從執行出庫任務將托盤送到選定站臺[3]，然后調度判斷站臺下層是否有入庫任務，若有則執行該站臺入庫任務，將下層托盤送入庫內，期間不會受到其他站臺任務干擾。在復合作業方式中堆垛機會在一個循環里完成一個站臺的出入庫工作。復合作業出入庫流程如圖3 所示。

圖3 復合作業出入庫流程

單一作業出入庫時間：T1=2×（t0+t1+2×t2）。

復合作業出入庫時間：T2=t0+t1+4×t2+t3+t4。

在足夠大的數據量情況下，默認跑位時間都相等，則t0=t1=t4。單一作業出入庫時間與復合作業出入庫時間差為：T=T1－T2=t0－t3。t0跑位時間（設備數據統計平均單次跑位時長8 s）大于t3載貨臺從站臺上層下降到下層時間（實測時間2.3 s），所以復合作業模式下堆垛機出入庫任務時間會得到有效縮短。

1.4 優先級策略

就近優先原則：在設定的站臺范圍內，中心列優先級最高，分別向左右2 個方向遞減；同一列以入庫站臺對應層優先級最高，分別向上下2 個方向遞減，查找優先級最高的貨位作為目標地址。

先進先出原則：在設定的站臺范圍內，尋找入庫時間最早，即庫內存放時間最長的托盤組出庫。

本系統中，入庫均遵循就近優先原則，出庫遵循先進先出原則。

1.5 站臺信息設置

成型實盤入庫站臺、成型空盤出庫站臺、發射實盤出庫站臺、發射空盤入庫站臺4 種站臺類型，均需分別進行“限定貨架開始列”“中心列”“限定貨架結束列”和“位置區域”的設置。其中，“中心列”通常以自身站臺所在列為中心，而“位置區域”有3 種選項：①全區域（1—86 列）；②A 區域（1—60 列）；③B 區域（36—86 列）。

2 濾棒庫區域設置仿真

2.1 濾棒庫機組配置

成型機組：共11 臺，其中D F 1 0（能力為1 000 m/min）5 臺，KDF4（能力為600 m/min）6 臺。

卷接機組：共36.5 組，其中PROTOS70（能力為每臺7 000 支/min）29.5 臺（PROTOS70 機組接入2 條發射機管道，0.5 代表機組接入1 條管道），PROTOS2-2（能力為每臺16 000 支/min）4 臺，PROTOS M5（能力為每臺12 000 支/min）3 臺。

卸盤機：YB19 型（能力為每臺16000 支/min）8 臺。

2.2 系統能力要求

入庫流量（按11 臺成型機組額定能力進行計算）：（5×10 000 支/min+6×6 000 支/min）÷4 300÷22×60 min=54.5 組/h。要求空料盤組出庫流量為54.5 組/h。出庫流量（按卷接包機組額定能力，并考慮85%的設備利用率進行計算）：[（29.5×7 000 支/min）+（3×12 000 支/min）+（4×16 000 支/min）]×0.85÷4÷4 300÷22×60=41.3 組/h。要求空料盤組返庫量為：41.3 組/h。

人工站臺處理流量：人工站臺按處理2 組/h 進行流量計算。

要求堆垛機的處理能力：要求巷道堆垛機的最大處理能力為54.5×2+41.3×2+2=193.6 組/h。

2.3 仿真平臺

采用的通用仿真平臺是Autosimulations 公司出品的AutoMod12.3.1 物流仿真軟件，可根據系統工藝平面布置圖，按1∶1 比例建立三維實體模型，對項目進行系統和關鍵單機設備能力仿真。AutoMod 仿真軟件中堆垛機利用率計算公式為一段工作時長內堆垛機最大可處理總數與立體庫要求任務數之比。

2.4 仿真方案

站臺中心線示意如圖4 所示，每個站臺（成型和發射機）占用5 列貨位，站臺中心線則為中間列，例如，9 號成型機的中心線為22 列，8 號成型機的中心線為31 列，7 號成型機的中心線為40 列。

圖4 中心線示意圖

方案一：330 堆垛機和331 堆垛機互不干涉，且承擔負荷量相當。

330 堆垛機為1—46 列；331 堆垛機為47—86 列。站臺起始列：330 堆垛機的運行區域內的站臺選擇區域為1—46 列；331 堆垛機的運行區域內的站臺選擇區域為47—86 列。中心列為站臺中心線。

方案二：330 堆垛機和331 堆垛機存在重疊區域，且承擔負荷量相當。

第一種情況，330 堆垛機為1—46 列，331 堆垛機為40—86 列，重疊區域為40—46 列。重疊區域外的站臺：站臺選擇區域為區域內運行堆垛機的可運行范圍。中心列為站臺中心線。重疊區域內的站臺：5#發射機站臺選擇區域有3 種設置方式，分別為20—60 列、15—70 列、1—86 列。中心列為站臺中心線。

第二種情況，330 堆垛機為1—55 列，331 堆垛機為31—86 列，重疊區域為31—55 列。重疊區域外的站臺：站臺選擇區域為區域內運行堆垛機的可運行范圍。中心列為站臺中心線。重疊區域內的站臺：發射機4#、5#、6#，成型機6#、7#，3 種起始列設置方式分別為20—60 列、15—70 列、1—86 列。中心列為站臺中心線。

第三種情況，330 堆垛機為1—66 列，331 堆垛機為21—86 列，重疊區域為21—66 列。重疊區域外的站臺：站臺選擇區域為區域內運行堆垛機的可運行范圍。中心列為站臺中心線。重疊區域內的站臺：發射機3#～7#，成型機4#～8#，起始列設置方式分別為15—70 列、1—86 列。中心列為站臺中心線。

第四種情況，330 堆垛機為1—79 列，331 堆垛機為11—86 列，重疊區域為11—79 列（原有方案）。重疊區域外的站臺：站臺選擇區域為區域內運行堆垛機的可運行范圍。中心列為站臺中心線。重疊區域內的站臺：發射機2#～8#，成型機2#～11#，起始列設置為1—86 列。中心列為站臺中心線。

2.5 仿真結果

仿真結果如表2 所示。從仿真結果可以看出，在理想生產情況下，一軌雙車濾棒庫中兩車干涉區域越窄，堆垛機利用率會越低。但現場生產情況較為復雜，需要考慮生產中的其他問題，如成型兩側生產速率不平衡、人工站臺抽樣、空盤的供給等。所以在綜合考慮下選擇采用方案二第二種情況，既保證了低利用率，又有足夠的重疊緩沖區，同時中間站臺還可以在線調配2 個區域內的空盤、實盤占比，這更符合現場生產情況需要。

表2 仿真結果

3 結果與分析

3.1 利用率公式

通過仿真軟件利用率算法，推導出實際運行方案中利用率計算公式。實際利用率計算公式：

式中：α為在線任務時長；β為故障時長；γ為干涉避讓時長；T為運行總時長。

每小時堆垛機最大可處理組數計算公式如下：

式中：n為總時長內任務次數。

濾棒庫需求任務量為193.6 組/h，則濾棒庫堆垛機利用率η=193.6/ΣXi（i為堆垛機編號）。

該濾棒庫系統中所采用的是雙叉堆垛機，堆垛機一次接送貨會執行兩叉任務，故而一次堆垛機運行時間應為兩叉中任務時間長的時間。為方便統計，默認兩叉任務時間平均數為堆垛機運行時間，即0.5α。

3.2 運行數據分析

從設備HMI 中收集原有方案和優化方案一周內120 h 的運行數據，從數據庫內采集不同方案干涉避讓時長，代入推導出的利用率計算公式，得出實際濾棒庫最大可處理組數和濾棒庫堆垛機利用率。

3.2.1 原有方案

優化前堆垛機330 運行數據情況如表3 所示。

表3 優化前堆垛機330 運行數據

實際利用率：

最大可處理組數：

優化前堆垛機331 運行數據情況如表4 所示。

表4 優化前堆垛機331 運行數據

實際利用率：

最大可處理組數：

濾棒庫堆垛機利用率：

優化前的原有方案中堆垛機運行區域和站臺設置區域采用方案二第四種情況，仿真結果中的方案二第四種情況是在100%復合作業情況下測試數據，但現場的原有方案中復合作業覆蓋率低，所以利用率無法達到仿真結果的96.8%。

3.2.2 優化方案

優化調度策略，改進電控程序，將復合作業覆蓋率提高到90%以上。選用仿真方案二第二種情況中的站臺區域和堆垛機運行區域。優化后堆垛機330 運行數據情況如表5 所示。

表5 優化后堆垛機330 運行數據

實際利用率：

最大可處理組數：

優化后堆垛機331 運行數據情況如表6 所示。

表6 優化后堆垛機331 運行數據

實際利用率：

最大可處理組數：

濾棒庫堆垛機利用率：

3.3 綜合分析

優化前后數據對比如圖5 所示。根據優化方案中的2 個方向優化后，利用率比仿真中的方案二第二種情況更低，因為調度策略上將復合作業分配更加優化，某些特殊情況下會調度2 臺堆垛機來一起作業而不是仿真中的100%復合作業，這樣充分利用2 臺堆垛機可以縮短任務路徑、降低干涉避讓率。堆垛機利用率由原本的99.1%降低到了90.1%，利用率有效下降了9.0%，濾棒庫堆垛機效率提高，滿足了系統能力要求。

圖5 優化前后數據對比

4 結束語

隨著現代物流行業的快速發展，現代企業對于倉儲系統的出入庫能力有了更高的要求，堆垛機利用率控制在合理范圍對于生產運行就更為重要[4]。本文以一軌雙車雙叉濾棒高架庫為研究對象，利用AutoMod 軟件對倉庫進行建模與仿真，找到濾棒庫區域設置合適方案，再通過現場實際運行產生的設備數據和任務數據來計算利用率實際情況，將對利用率有影響的因素通過仿真、計算等方式得出結論，找到了降低利用率的優化方向，更好地滿足了現場的生產需求。