多穿系統(tǒng)在食品冷鏈行業(yè)的應用

時間：2024-06-08 13:22:03來源：admin01欄目：冷鏈新聞閱讀：

摘要

：本文以某冷鏈食品企業(yè)已投產(chǎn)運營的一套多層穿梭車物流倉儲系統(tǒng)為例，介紹并分析了總體設計方案和創(chuàng)新技術(shù)。在項目設計和實施過程中，基于對客戶的產(chǎn)品特點、工藝需求等方面的分析和研究，并結(jié)合多穿庫的特點，從軟件調(diào)度策略、電氣控制算法等方面進行優(yōu)化創(chuàng)新，從而大幅提高系統(tǒng)運行效率、減少系統(tǒng)故障率、降低人工成本。并且，解決了食品冷鏈從業(yè)人員工作環(huán)境不良、產(chǎn)品在物流倉儲配送環(huán)節(jié)生產(chǎn)效率低和產(chǎn)品信息化管理難的問題，形成一套可在行業(yè)內(nèi)復制推廣的解決方案，進一步助力行業(yè)自動化水平的提升。

關(guān)鍵詞：多穿系統(tǒng)、密集存儲、冷鏈物流、食品

一、引言

中國食品行業(yè)近年來發(fā)展迅猛，食品冷鏈物流迎來巨大發(fā)展空間，同時生鮮電商的快速發(fā)展，也帶動了國內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品、冷鏈食品的產(chǎn)地、加工地和消費市場的重塑。2023年上半年，我國冷鏈物流總額為3.1萬億元，同比增長3.7%；冷鏈物流市場規(guī)模為2688億元，同比增長3.3%。我國冷鏈物流需求總量為2.1億噸，同比增長5.2%，保持穩(wěn)定增長。生鮮工廠生產(chǎn)過程中對冷鏈物流的自動化、智能化有著強烈的需求。人力密集、效率低下、能耗高、工作環(huán)境惡劣等等，成為生鮮冷鏈行業(yè)傳統(tǒng)作業(yè)過程中制約行業(yè)轉(zhuǎn)型升級和快速發(fā)展的瓶頸，研發(fā)適合生鮮工廠的冷鏈物流智能解決方案成為企業(yè)亟須解決的問題。

多層穿梭車倉儲物流系統(tǒng)是由高層貨架、軌道導引車輛、高速升降機、軌道及箱式輸送線組成，通過緊密的貨架和軌道布置實現(xiàn)貨物的密集存儲，通過高速箱式輸送線實現(xiàn)貨物的精準物流配送。隨著食品冷鏈物流對于倉儲配送的柔性化要求日漸提高，將多穿系統(tǒng)應用到食品冷鏈物流是一種新的嘗試，其空間利用率高、運行效率高、自動化程度高等特點，恰好可有效解決食品冷鏈物流所面臨的問題。[1] [2]

二、系統(tǒng)方案設計

本方案通過前期分析某大型豬肉食品企業(yè)生產(chǎn)需求，將凍品和鮮品進行區(qū)分。凍品采用傳統(tǒng)的堆垛機立體冷庫，而鮮品由于其包裝的特殊性和配送的時效性，設計了多層穿梭車物流倉儲系統(tǒng)的解決方案。針對客戶對存儲產(chǎn)品輸送設備的高效、安全、穩(wěn)定的需求，對系統(tǒng)自動化、信息化、智能化的期望，深入研究工藝流程，以形成一套適用于食品冷鏈的多穿系統(tǒng)解決方案。

1.硬件方案設計

該系統(tǒng)主要由多層穿梭車、貨架系統(tǒng)、輸送設備、提升機、WMS、WCS等組成，由提升機負責垂直方向物料搬運，多層穿梭車負責水平方向物料搬運工作；多層穿梭車是一種用于自動化物流系統(tǒng)中的智能型搬運設備，可以在同一個巷道不同層之間通過提升機輔助進行換層作業(yè)，占用空間小，布局緊密。多臺小車協(xié)同作業(yè)可以大大提高物料的輸送效率。多層穿梭車在自動狀態(tài)下完全通過調(diào)度系統(tǒng)支配，無需人員操作。運行速度快，效率高，節(jié)省了人員操作的工作量。多層穿梭車結(jié)構(gòu)設計非常緊湊，可比一般及傳統(tǒng)的解決方案占地面積減少30%～50%，本案例采用的穿梭車貨叉為雙深位設計，存儲貨物更為密集。相同空間布局系統(tǒng)中，多層穿梭車智能存儲系統(tǒng)出入庫處理能力，可比傳統(tǒng)倉儲系統(tǒng)提升5～10倍，功能區(qū)域布局如圖1所示。

圖1 功能區(qū)域布局

2.軟件方案設計

多穿系統(tǒng)的軟件構(gòu)成主要包括WMS、WCS、多穿設備執(zhí)行控制器、手持PDA、人機交互界面。

WMS系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫管理整個系統(tǒng)的物料和訂單信息。WCS系統(tǒng)負責調(diào)度小車、提升機、輸送機等按優(yōu)化路徑執(zhí)行每條訂單任務。執(zhí)行系統(tǒng)通過PLC程序控制驅(qū)動器，實現(xiàn)具體動作的實施。手持終端和人機交互界面實現(xiàn)系統(tǒng)與人員之間的信息傳遞，從而執(zhí)行相關(guān)訂單狀態(tài)操作。

各系統(tǒng)之間由以太網(wǎng)或無線網(wǎng)絡相連。SAP生產(chǎn)計劃與WMS系統(tǒng)進行對接，實現(xiàn)與公司級的上位管理系統(tǒng)的信息對接。作為倉儲的管理系統(tǒng)，WMS要通過任務下發(fā)給WCS，通過WCS的調(diào)度和協(xié)調(diào)，最終完成整個訂單的任務，如圖2所示。通過軟件架構(gòu)的搭建，實現(xiàn)了信息互通、設備監(jiān)控、人機交互的功能。

圖2 軟件架構(gòu)

3.業(yè)務流程

（1）入庫流程

庫區(qū)與生產(chǎn)廠房連接，產(chǎn)品放置于一層上線口進行單箱上線，通過箱式線輸送，讀碼后由WCS系統(tǒng)分配入庫地址，并經(jīng)由高速移載機分流到指定巷道料箱提升機，由料箱提升機送至相應的層間站臺，由換層提升機接駁多穿小車到庫端站臺取貨，由多穿小車根據(jù)上位系統(tǒng)調(diào)度入庫到該層指定貨位存儲。完成入庫任務，如圖3所示。

圖3 入庫流程

（2）出庫流程

庫區(qū)正前方為發(fā)貨月臺，月臺停靠廂式冷藏貨車。管理系統(tǒng)根據(jù)訂單下達出庫作業(yè)指令，多穿小車將指定料箱取出，放置于層間站臺，經(jīng)料箱提升機送至二層出庫線，出庫線合流后，經(jīng)過讀碼交互由上位系統(tǒng)分配月臺去向，通過高速分揀機精準分流到指定訂單車輛?？靠冢？课恢蒙炜s皮帶機直達車廂內(nèi)部，人工在車廂內(nèi)裝車完成出庫任務，如圖4所示。

圖4 出庫流程

三、系統(tǒng)特點分析

1.多穿系統(tǒng)在冷鏈物流輸送系統(tǒng)中優(yōu)勢顯著

多層穿梭車系統(tǒng)完美契合于食品冷鏈行業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化、智能化管理，可以快速響應和應對各種需求，提高整體運營效率。

（1）高效性：多層穿梭車能夠?qū)崿F(xiàn)貨物的多層穿梭，可以在不同的貨架或區(qū)域之間快速移動，提高了物流運輸?shù)男屎蜏蚀_性。

（2）自動化：多層穿梭車可以自動完成貨物的搬運和存儲任務，降低人力成本，提高生產(chǎn)效率。

（3）靈活性：多層穿梭車的靈活性強，可以根據(jù)不同的需求進行定制和擴展，適應不同的環(huán)境和場景。

（4）可靠性：多層穿梭車具有較高的可靠性，采用先進的傳感器和控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制和操作，降低故障率。

（5）節(jié)約空間：多層穿梭車可以在一個有限的空間內(nèi)實現(xiàn)貨物的多層存儲和運輸，節(jié)約空間資源，提高空間利用率。

2.基于收發(fā)貨周期多穿庫貨位存儲的優(yōu)化算法

由于低溫食品類行業(yè)注重食品的鮮度，多數(shù)物料不能在庫房中存儲較長時間。這就要求低溫庫在高流水場景下快速運行。采用傳統(tǒng)靜態(tài)規(guī)則制定物料貨位，往往會造成穿梭車取貨慢，生成過多搬庫作業(yè)的情況，導致低溫庫的效率下降。系統(tǒng)順應低溫庫的這種高流水特性，利用一段時間內(nèi)系統(tǒng)的收發(fā)貨記錄作為統(tǒng)計數(shù)據(jù)，獲取物料的收/發(fā)貨周期，建立統(tǒng)計學模型以及收發(fā)貨周期評價函數(shù)，形成算法的閉環(huán)反饋。動態(tài)評價物料的優(yōu)先權(quán)重以及預測未來物料的發(fā)貨時間點，從而在入庫階段或者穿梭車空閑時段優(yōu)化貨物的貨位。最終達到出入庫效率的最大化，提升低溫庫最大流水量。

圖5 “使用熱度”圖

如圖5所示，貨物進出多穿庫均在同一側(cè)。經(jīng)過前期測試，獲得多穿庫各貨位存取使用時間。按分鐘計算，分配貨位“使用熱度”權(quán)重。接下來，在一周的時間段內(nèi)，統(tǒng)計各種物料收發(fā)貨周期，并使用泊松分布，建立物料預發(fā)貨時間模型。

其中，P(X=k)為貨物在第k個時間周期內(nèi)出庫的概率。λ為貨物出庫周期的均值，即平均庫存周期時間。

分配貨位時，在白天出入庫流水較高的時段。首先將收發(fā)周期短的貨物使用熱度較高的貨位，保證貨物的快速流轉(zhuǎn)。而在晚上，流水較低的時段，多穿庫開始將較大概率即將放貨的貨物向熱度高的貨位轉(zhuǎn)移，為第二天出庫做準備，如圖6所示。

圖6 模型流程圖

3.基于西門子SCL語言的脈沖分流控制系統(tǒng)

多穿系統(tǒng)的高效運行，必須有外圍足夠高效的輸送系統(tǒng)配套支撐，因此在出庫高速分揀箱式線的PLC邏輯控制算法中引入脈沖分流系統(tǒng)，實現(xiàn)物料的精準配送及信息的準確傳遞。脈沖式分揀模式原理如下：

第一步：將控制系統(tǒng)置于示教模式，在高速旋轉(zhuǎn)的箱式輸送主線上放置一物料，使其由“data in 傳感器”經(jīng)過，此時脈沖計數(shù)更新為0。在各分流通道口的前端均安裝有一個校驗傳感器，物料經(jīng)由各個校驗傳感器時，系統(tǒng)依次記錄下來到達脈沖，最后物料到達剔除口，記錄到達剔除口時的脈沖值，示教模式結(jié)束。

第二步：物料在分流主線體上輸送到達“data in 傳感器”的瞬間觸發(fā)，控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)表進行掃描，查詢到隊列中標識位為0的空閑元素，將物料信息寫入該元素中，并把標識位置為1，如圖7所示。

圖7 傳感器位置示意圖

第三步：系統(tǒng)設定了一個脈沖區(qū)間范圍，在大于分流口到達脈沖和小于分流后到達脈沖加脈沖區(qū)間的脈沖計數(shù)均認為是當前分流口的有效脈沖。所有有效數(shù)據(jù)中的脈沖變量“PLS”都隨著主線的運行和全局脈沖進行累加。直到PLS進入對應去向的分流口脈沖區(qū)間，如圖8所示，并發(fā)起分揀請求，完成格口傳感器的校驗后，高速分揀擺輪進行分揀動作，將該料箱的信息傳遞給分流口對應設備，并對當前信息隊列里的元素信息進行清空。對未成功分揀的紙箱，PLS會一直累加直到達到剔除脈沖，清空元素信息，如圖9所示。

圖8 分流口脈沖區(qū)間寬度

圖9 物料信息數(shù)據(jù)元素

基于SCL語言的脈沖分流系統(tǒng)的優(yōu)勢：

（1）對傳感器的布置位置沒有嚴格的要求，可通過示教模式自學習記錄下每個分流區(qū)域的脈沖區(qū)間值；

（2）編程基于C語言框架下的SIEMENS-PORTAL平臺里的SCL語言，程序量小，可大大節(jié)省PLC的系統(tǒng)循環(huán)掃描周期，從而確保分流系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準確性；

（3）產(chǎn)品串道后可通過歷史條碼信息進行追溯；

（4）主線正常工作過程中無間斷運行，具有很高的生產(chǎn)效率；

（5）可拓展性強，可支持任意多個分流道的使用需求。

四、總結(jié)

多層穿梭車物流倉儲系統(tǒng)在食品冷鏈車間的創(chuàng)新應用，針對多穿庫鮮品入出庫高流水高效率的需求，研發(fā)了基于收發(fā)貨周期多穿庫貨位存儲的優(yōu)化算法，系統(tǒng)智能化調(diào)度大大提高存儲效率。為提高裝車訂單的分揀效率和準確性，開發(fā)了基于SCL語言的脈沖分流系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過簡化傳感器布置，基于脈沖計數(shù)校驗來實現(xiàn)準確分流，同時SCL語言在控制系統(tǒng)中的應用大大降低了系統(tǒng)掃描周期，具備高效分揀效率的同時也有良好的可拓展性。系統(tǒng)投用后，可以滿足25920個料箱存儲，效率可達每小時入出庫1440箱。如未來有訂單業(yè)務拓展增加，可通過增加多穿巷道進行拓展。

《“十四五”冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》中指出，科技創(chuàng)新和數(shù)字轉(zhuǎn)型激發(fā)冷鏈物流發(fā)展新動力。在面對這樣的機遇和挑戰(zhàn)的時期，提高系統(tǒng)的智能化水平和創(chuàng)新技術(shù)，改善現(xiàn)有行業(yè)遺留問題，顯得至關(guān)重要。通過對典型案例的分析和研究，為后續(xù)行業(yè)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

參考文獻:

[1]王旭斌.多穿系統(tǒng)在醫(yī)藥物流中心的應用創(chuàng)新[J].物流技術(shù)與應用，2020，25(S1):30-32.

[2]吳迪，徐健，曹路園，徐瑩，劉源.自動化立體倉庫技術(shù)在冷鏈倉儲物流行業(yè)的應用[J].制造業(yè)自動化，2018，40(05):38-40.

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