作者：張衛(wèi)國

隨著物流產(chǎn)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(shè)施布局、貨架配置或設(shè)備數(shù)量優(yōu)化，及其對企業(yè)投資建設(shè)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(yīng)考慮后續(xù)運行過程中的運營成本。目前規(guī)劃設(shè)計從業(yè)人員多集中于儲位分區(qū)和調(diào)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(shè)備影響；消防與設(shè)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(gòu)匹配性設(shè)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(jié)構(gòu)的選材校核與結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)，分別為系統(tǒng)監(jiān)控層、車間控制層、設(shè)備執(zhí)行層。采用工業(yè)以太網(wǎng)及PROFINET/PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)將物流控制系統(tǒng)連接起來，構(gòu)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(jù)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(wǎng)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(wù)、托盤四向穿梭車、托盤貨物提升機、地面AGV、輸送等設(shè)備作業(yè)監(jiān)控，上報現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，存儲工藝流程參數(shù)及生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)，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(shè)置及監(jiān)視系統(tǒng)運行參數(shù)。計算機之間采用工業(yè)以太網(wǎng)連接，形成一個物流系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(yīng)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(wǎng)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(wǎng)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(shù)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(diào)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(shè)備預(yù)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(biāo)準，其中DP是為自動化系統(tǒng)與分布式的外圍設(shè)備或現(xiàn)場設(shè)備而設(shè)計的。傳輸介質(zhì)采用專用屏蔽DP電纜線，系統(tǒng)采用總線式的拓撲結(jié)構(gòu)，各設(shè)備采用總線接插件連入總線，數(shù)據(jù)傳輸速率為最高12MBbps。

設(shè)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(chǎn)工藝設(shè)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(shè)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(shè)備的運行狀況、貨物的所在位置及相關(guān)運行數(shù)據(jù)等。行程開關(guān)、接近開關(guān)、電磁閥等開關(guān)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(shè)計：系統(tǒng)整體技術(shù)架構(gòu)圖、系統(tǒng)概要、軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)庫架構(gòu)、B/S架構(gòu)體系及系統(tǒng)測試報告完整；WCS系統(tǒng)上層通過以太網(wǎng)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(chǎn)任務(wù)指令，分解下達給執(zhí)行設(shè)備，接受執(zhí)行設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，并反饋作業(yè)狀態(tài)及作業(yè)任務(wù)執(zhí)行結(jié)果?？赏ㄟ^監(jiān)控計算機遠程設(shè)置、控制執(zhí)行設(shè)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(shè)備能夠根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)動作。服務(wù)器采用雙機冗余熱備設(shè)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(shè)備控制系統(tǒng)通訊，下達設(shè)備運行指令并采集/接收設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)及作業(yè)任務(wù)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(shè)備的改造、增加等。設(shè)備控制系統(tǒng)采用三層或多層架構(gòu)設(shè)計，負責(zé)接收作業(yè)指令，必須保證可靠性和響應(yīng)速度，當(dāng)上位機系統(tǒng)異常時，保證單個設(shè)備能夠獨立運行，能夠?qū)崟r監(jiān)控設(shè)備參數(shù)、運行情況，能夠及時、準備反饋異常原因并產(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)量等；發(fā)生設(shè)備異常時，WCS系統(tǒng)及時將設(shè)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(wù)進行調(diào)度，自行負責(zé)托盤進出路徑優(yōu)化和存儲位置調(diào)整，系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)的設(shè)計與規(guī)劃

托盤四向穿梭式立體庫鋼貨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計與規(guī)劃的難點主要集中在倉庫內(nèi)托盤四向穿梭式鋼貨架結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)的匹配設(shè)計和優(yōu)化，托盤四向穿梭式立體庫多在已有建筑的基礎(chǔ)上進行改造、設(shè)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(shè)計與校核；

托盤四向穿梭式立體庫的規(guī)劃設(shè)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(shè)與運營成本、存儲搬運設(shè)備運行效率及其可靠性配置等因素，并以此構(gòu)建托盤四向穿梭式高位鋼貨架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型和力系分析因子，托盤四向穿梭式鋼貨架結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，用分項系數(shù)設(shè)計表達式進行設(shè)計與計算，其中承重構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別設(shè)計；

并根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特性、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)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(gòu)件主要按鋼貨架結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求設(shè)置；

其中：托盤四向穿梭式立體庫貨架立柱按照雙向壓彎構(gòu)件進行校核，需要考慮立柱正面或側(cè)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(yīng)的強度設(shè)計值的計算方法等，驗算內(nèi)容包括貨架立柱片及其構(gòu)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(shù)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(gòu)件校核，在地震荷載工況組合下梁構(gòu)件校核，均需驗算變形與強度兩方面的內(nèi)容，并需要校核梁端節(jié)點的強度與扭轉(zhuǎn)剛度，一般可以依照簡支梁做構(gòu)件校核，節(jié)點校核則需要一定的試驗數(shù)據(jù)做支撐，尤其是當(dāng)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(shù)；橫斜補受壓時按照兩端鉸接的受壓構(gòu)件進行校核，受拉時除按照受拉構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度；考慮貨架在各種荷載組合下的最不利效應(yīng)進行結(jié)構(gòu)驗算或部件校核；確保托盤四向穿梭式立體庫鋼貨架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)備或系統(tǒng)之間的對接精度與匹配控制、構(gòu)件幾何制造安裝精度或初始缺陷等構(gòu)造影響；根據(jù)《鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定，貨架設(shè)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(jié)構(gòu)的地震作用宜采用振型分解反應(yīng)譜計算，以便考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)。

托盤四向穿梭式鋼貨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計與規(guī)劃需要詳細分析客戶物流工藝要求、倉庫建筑結(jié)構(gòu)及其形式、基礎(chǔ)承載能力等基礎(chǔ)資料，研究客戶的物流運作模式和基本成本構(gòu)成、物流單元化標(biāo)準制定和驗證、物流效率分析與比較、消防、照明等附屬設(shè)施的配置、人員構(gòu)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(jù)具體項目規(guī)劃信息，確定結(jié)構(gòu)特征單元與結(jié)構(gòu)模型，手工計算獲取托盤四向穿梭式鋼貨架結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)選材、節(jié)點設(shè)計與優(yōu)化、構(gòu)件內(nèi)力及變形控制限值等設(shè)計計算信息，再通過有限元參數(shù)化建模及其分析，進一步分析特定構(gòu)件的受力與變形，獲取整體結(jié)構(gòu)模型的模態(tài)分析結(jié)果，查詢各工況下構(gòu)件的應(yīng)力、變形等分析結(jié)果，針對模型中各構(gòu)件長度及長細比進行設(shè)計校核，獲得有效壓彎應(yīng)力比、剪切應(yīng)力比等構(gòu)件信息，對比基本構(gòu)件的內(nèi)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(gòu)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(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。