​托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的规划|连载2

作者：张卫国

随着物流产业的迅猛发展，托盘四向穿梭式立体库因其在流通仓储体系中所具有的高效密集存储功能优势、运作成本优势与系统化智能化管理优势，已发展为仓储物流的主流形式之一。本遍接上文《托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统概述 | 连载1-1|1-2》，系统介绍四向穿梭式自动化密集仓储系统的规划。

四向穿梭式自动化密集仓储系统的规划

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的规划涉及仓储设施布局、货架配置或设备数量优化，及其对企业投资建设过程中的影响，尽可能在保证系统吞吐效率的前提下，降低投资成本，且应考虑后续运行过程中的运营成本。目前规划设计从业人员多集中于储位分区和调度路径优化问题，而对于系统资源配置方面的优化还缺乏。

1)输送机与消防系统配合：主要涉及各库区墙面及穿楼面孔洞处的卷帘防火门。评估消防门的安装方式对该处的设备影响；消防与设备联动信号要求是消防给出火警信号后延时20秒断电，消防卷帘门落下；同理考虑冷库的保温隔离系统。

2)托盘四向穿梭车与输送机的接驳动作与机构匹配性设计，托盘四向穿梭车与货架轨道及其托盘单元工艺运动路线的匹配、单机与整线的运行效率匹配，托盘货物单元对于钢货架结构的选材校核与结构设计，托盘四向穿梭车与托盘货物提升机的机械接口匹配性设计：穿层托盘货物提升机的布局工艺性评估与位置确定。

3)电气控制系统规划、强弱电的布局规划与施工评估；电气系统设备主要由配电柜、主控制柜、现场控制箱、现场操作员终端、条码识别器、变频器、现场总线组件、控制接口组件等组成；系统采用递阶式多层结构，分别为系统监控层、车间控制层、设备执行层。采用工业以太网及PROFINET/PROFIBUS-DP现场总线技术将物流控制系统连接起来，构成了一个稳定，可靠的系统环境。

系统监控层：仓储监控管理系统，根据WMS系统下达出入库计划进行计算机管理，WMS物流管理系统通过（切换和全双工）工业以太网与控制系统相连，接受WMS管理系统的指令，执行叉车任务、托盘四向穿梭车、托盘货物提升机、地面AGV、输送等设备作业监控，上报现场设备运行状态数据，存储工艺流程参数及生产历史数据，完成整个自动化物流系统的运行。上位PC机作为监控操作员和工程师工作站，位于中央控制室（配送中心控制中心），操作人员通过设置及监视系统运行参数。计算机之间采用工业以太网连接，形成一个物流系统数据共享的统一解决方案。系统运行的软件平台采用Windows 系统+WCS软件，运用图形化的方式提供强大的控制功能，具有统一的操作、运行中文界面。目前公司的应用系统运行的软件平台采用Windows NT+WCS软件，运用图形化的方式提供强大的控制功能，具有统一的操作、运行中文界面，同时便于系统的再开发与维护。

车间控制层：中央控制器有（切换和全双工）100M带宽联网功能及PROFIBUS-DP现场总线接口，既能满足与上位机（监控站）联网通讯，实现监控的功能，又能实现上位机与自动化系统（控制单元）间的通讯，适合于自动化系统与现场信号单元的通讯，满足现场智能化仪器仪表及数字控制系统的需求。具有高可靠性、安全性、开放性、高速性和易于扩展等优点，信号远程采集方式为就近信号采集，节省空间布线简单，便于维护，PROFINET / PROFIBUS-DP 还可以直接连接带有接口的变频器、启动器、传感器和其它现场电器与仪表，节省了施工调试以及今后系统运行的维护费用，并为今后扩展和更新设备预留了足够的空间。PROFINET / PROFIBUS-DP现场总线是一种开放式的现场总线标准，其中DP是为自动化系统与分布式的外围设备或现场设备而设计的。传输介质采用专用屏蔽DP电缆线，系统采用总线式的拓扑结构，各设备采用总线接插件连入总线，数据传输速率为最高12MBbps。

设备执行层：各子站系统、分拣车间的托盘四向穿梭车、自动备货与自动分拣的生产工艺设备的运行、停机、故障报警等各种过程控制。通过现场操作员终端可以对每台设备实现手动/自动切换，单机/联机运行及状态指示与反馈等功能。通过上位监控系统可以监控整个自动化物流系统所有设备的运行状况、货物的所在位置及相关运行数据等。行程开关、接近开关、电磁阀等开关量进入远程I/O控制箱，通过现场总线电缆传递至主控机。这样可以降低电缆成本，使系统具有灵活的可扩展性。

4)系统规划与流程设计：系统整体技术架构图、系统概要、软件设计、数据库架构、B/S架构体系及系统测试报告完整；WCS系统上层通过以太网与物流管理系统联接，接收WMS系统的指令，能与上位WMS/ERP系统进行无缝连接，接收WMS/ERP系统的生产任务指令，分解下达给执行设备，接受执行设备的运行数据，并反馈作业状态及作业任务执行结果。可通过监控计算机远程设置、控制执行设备（托盘四向穿梭车、托盘货物提升机、输送机等）的信息和启/停动作，执行设备能够根据指令执行相应动作。服务器采用双机冗余热备设计，下层通过工业总线、串行通信或其他通信装置等与托盘四向穿梭车、托盘单元提升机与输送设备控制系统通讯，下达设备运行指令并采集/接收设备运转状态及作业任务执行状态；系统具有良好的扩展性，支持系统物流设备的改造、增加等。设备控制系统采用三层或多层架构设计，负责接收作业指令，必须保证可靠性和响应速度，当上位机系统异常时，保证单个设备能够独立运行，能够实时监控设备参数、运行情况，能够及时、准备反馈异常原因并产生异常记录；WMS和WCS系统是两个相对独立的系统，通过接口实现数据通信。WMS和WCS系统之间实现托盘信息的交换，托盘信息主要包含托盘编号、商品品种和数量等；发生设备异常时，WCS系统及时将设备异常信息告知WMS系统，便于WMS对即将下发的作业任务进行调度，自行负责托盘进出路径优化和存储位置调整，系统数据自动备份存档。

图5   系统整体框架图

托盘四向穿梭式立体库货架钢结构的设计与规划

托盘四向穿梭式立体库钢货架结构的设计与规划的难点主要集中在仓库内托盘四向穿梭式钢货架结构与建筑结构的匹配设计和优化，托盘四向穿梭式立体库多在已有建筑的基础上进行改造、设计与规划，在考虑仓储功能区域规划、满足功能性配置的前提下，完成托盘四向穿梭式立体库的配置、规划、设计与校核；

托盘四向穿梭式立体库的规划设计会局限于存储物品的品种类别和单元化尺寸系列、托盘四向穿梭式台车的规格尺寸、库区建筑楼层高度、建筑地面的承重与地面不均匀沉降要求、建设与运营成本、存储搬运设备运行效率及其可靠性配置等因素，并以此构建托盘四向穿梭式高位钢货架结构的结构模型和力系分析因子，托盘四向穿梭式钢货架结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式进行设计与计算，其中承重构件按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别设计；

并根据结构的重要性、荷载特性、结构形式、应力状态、连接方法、钢材材性与厚度、工作环境等因素综合考虑，非承重构件主要按钢货架结构构造要求设置；

其中：托盘四向穿梭式立体库货架立柱按照双向压弯构件进行校核，需要考虑立柱正面或侧面开孔的孔洞影响因素，也要验证立柱截面孔型的冷弯效应的强度设计值的计算方法等，验算内容包括货架立柱片及其构件的强度、刚度与稳定性计算与校核，稳定性验算包括局部屈曲、畸变屈曲与整体弯扭屈曲等多要素要求，这点也是很多工程技术人员容易忽视或不作验证的地方，也容易误认为稳定性校核就是整体稳定性校核，会给具体的工程项目带来一定的安全隐患；

横梁在静力荷载工况组合下按照受弯构件校核，在地震荷载工况组合下梁构件校核，均需验算变形与强度两方面的内容，并需要校核梁端节点的强度与扭转刚度，一般可以依照简支梁做构件校核，节点校核则需要一定的试验数据做支撑，尤其是当闭口截面长宽比超95，开口截面形式的梁宽厚比超40、长宽比超40时，需要校核梁的局部稳定性与整体稳定性要求，或试验校核与验证承载能力的削弱局部稳定系数；横斜补受压时按照两端铰接的受压构件进行校核，受拉时除按照受拉构件校核外尚需校核横斜补节点的抗拉强度；柱间支撑用拉杆包括背拉杆与水平拉杆，均按照受拉构件校核，同时需校核连接节点的抗拉强度，通过加强柱间支撑体系可提高托盘四向穿梭式立体库结构的抗侧移刚度；考虑货架在各种荷载组合下的最不利效应进行结构验算或部件校核；确保托盘四向穿梭式立体库钢货架结构能满足强度、稳定性及变形要求。

托盘四向穿梭式钢货架结构的设计与规划也要综合考虑托盘四向穿梭在货架子（巷）道、母（坡）道中的运动荷载的影响及其运行效率，有效评价整体系统的运营成本与投资性价比，有效评价结构变形限值对穿梭车运行效率、可靠度的影响等；也要考虑托盘四向穿梭车与货物垂直提升机的对接与精准定位，托盘四向穿梭车与其它配置设备或系统之间的对接精度与匹配控制、构件几何制造安装精度或初始缺陷等构造影响；根据《钢货架结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》等相关规定，货架设计时可仅考虑水平地震作用的影响，不计竖向地震作用，作用于货架结构的地震作用宜采用振型分解反应谱计算，以便考虑结构的扭转耦联效应。

托盘四向穿梭式钢货架结构的设计与规划需要详细分析客户物流工艺要求、仓库建筑结构及其形式、基础承载能力等基础资料，研究客户的物流运作模式和基本成本构成、物流单元化标准制定和验证、物流效率分析与比较、消防、照明等附属设施的配置、人员构成等，形成合理的物流解决方案，确定基本合理的平面布局规划或空间模拟，根据具体项目规划信息，确定结构特征单元与结构模型，手工计算获取托盘四向穿梭式钢货架结构的基本结构选材、节点设计与优化、构件内力及变形控制限值等设计计算信息，再通过有限元参数化建模及其分析，进一步分析特定构件的受力与变形，获取整体结构模型的模态分析结果，查询各工况下构件的应力、变形等分析结果，针对模型中各构件长度及长细比进行设计校核，获得有效压弯应力比、剪切应力比等构件信息，对比基本构件的内力与变形模拟计算，再与手工计算条件进行对比、优化、校核或试验验证，在确保各构件满足要求的前提下，再综合分析与评价托盘四向穿梭式立体库的整体稳定性与承载能效比，确保托盘四向穿梭式立体库钢货架结构满足设计要求。