铝型材挤压模具自动化立体仓库规划设计与应用

马 笑/文

铝型材挤压模具自动化立体仓库规划设计与应用

马 笑/文

为解决原有平面库存储占地大、效率低等问题，广东华昌铝厂有限公司与太原高科锐志物流仓储设备有限公司合作，开发建设了铝型材挤压模具自动化立体仓库。

广东华昌铝厂有限公司的铝型材挤压模具自动化立体仓库，由太原高科锐志物流仓储设备有限公司在2014年建造，主要用于存取铝型材挤压生产线模具，具有大幅度减少用地、高效、准确、减少用人、减轻工人劳动强度、自动化运行、信息化管理等特征。

太原高科锐志物流仓储设备有限公司承建的铝型材挤压模具自动化立体仓库，以及“长件成品库”、“长件输送线”等与该铝业公司生产线、ERP系统配套，实现了企业生产、物流的一体化和全程自动化、信息化管理。

一、建库背景

广东华昌铝厂有限公司是我国建筑铝合金型材及工业型材的研发设计和生产基地之一。到2014年，该公司的产能达到了15万吨以上，产量达到12.3万吨，产品品种有3000多个。公司装有36条挤压生产自动线，过去库存3万套模具，每天模具最大出入库量为1035套。企业原采用平面库（见图1）存放模具，用桥式起重机、叉车或人工方式搬运。模具的分类、入库、运输、储存及出入库等工作十分繁忙，物流量和劳动强度特别大。

图1：模具原存储方式

随着生产规模和产品品种不断扩展，模具也在不断增加，仓储面积日益紧张，原有的储存、供应方式已不能适应生产节奏和管理要求。挤压模具在存、取方面遇到的问题，成为企业进一步发展的瓶颈。

总体来看，采用平面库存放的方式主要有以下问题：

1. 占地面积大，土地利用率低，空间利用率低；

2. 搬运工作量及劳动强度大，用人多，耗时多，效率低，人工成本高；

3. 人工出入库及搬运过程，存在人身安全隐患，模具的掉落、滚动，很容易轧、碰伤人；

4. 依靠人工管理，易出现错发模具或找不到模具的情况；

5. 电脑库存台账手工输入，易出现差错和漏输现象，效率低；

6. 难于推行现代管理，库存数据和公司ERP系统无法对接，出入库信息不能及时反馈到生产、技术、财务、信息中枢等部门。

为了解决上述问题，广东华昌铝厂有限公司与太原高科锐志物流仓储设备有限公司合作，开发建设了挤压模具自动化立体仓库。

表1：堆垛机主要技术参数

二、使用要求和建库条件

1.库存量要求

库存量大于63040套模具。

2.入出库能力要求

广东华昌铝厂有限公司36条挤压生产线日最大生产能力为420吨，平均每天每台机需要模具40套，则全厂每天需要供应模具1500套，除少数机台的模具因生产需连续使用外，挤压生产所需模具全部都由自动化立体库供给。按模具自动仓库每天出、入库各工作10小时，夜间安排模具入库，白天上午5点供给挤压白班所需模具，下午5点供给挤压夜班所需模具，则每小时需要出库模具为1500÷10=150套。

入库能力：生产用过的模具需煲模、修模后，才能入库备用，故模具入库作业安排在夜间进行，其入库能力≥150套/小时即可。

出库能力：考虑到模具出库都集中在白天进行，且出库后还会有返仓情况，要求设计出库速度应大于实际出库速度150套/小时才能满足生产需求。

综上所述，考虑库存容量进一步增大时，在不返仓情况下，模具的最大出、入库能力按照每小时240套设计，可以满足实际生产需要。

3.自动化立体仓库位置和环境条件

本项目利用企业原熔铸车间28米跨厂房建造，建设长度54米 ，宽度16.5米，占地面积891平方米，厂房净高到16米。

三、自动化立体库布局和设备配置

1.立库布局和设备配置

按照存储量、出入库频率和场地条件要求，库内配置横梁式组合货架（8排36列23层），具有货位数6624个。采用大、中、小模具分类分区存放的方式，可存储模具100730套；

根据场地情况和工艺流程要求，入库、出库都安排在仓库的同一端。主要作业功能区分为：存储区，入库准备区，出入库作业区。

模具立体仓库具体平面布置图，见图2；效果图，见图3；实用场景图，见图4。

库内配置4台双货叉、双立柱堆垛机；41台链式输送机，4台辊式输送机；8台升降输送机；为保证检测要求，入库口配置称重检测装置4套、托盘货物尺寸检测装置4套；配置计算机管理控制系统1套，入库手持终端2个等。

2.主要设备介绍

（1）双叉堆垛机

为了满足出入库频率要求，堆垛机采用了双货叉配置，可一次执行两个托盘出库或入库作业，节省出、入库行程和作业时间。

在控制方面，采用先进的定位控制技术，提升了控制性能。项目采用Profibus总线技术、知名品牌变频器、编码器、激光测距仪等，实现运行、起升、货叉等的精确定位，使驱动速度曲线更加光滑，起动迅速，制动及时，杜绝了由于开关失灵造成的定位错误等隐患。

堆垛机主要技术参数，见表1。

（2）信息管理和自动控制系统

信息管理和自动控制是物流仓储设备系统中的精髓，其水平高低决定了物流仓储设备自动化水平的高低。完成物流系统中的各种特定任务，依靠的是计算机信息管理、自动化控制技术与自动化物流仓储设备系统中各技术部件的有机组合。

图2： 模具立体仓库平面布置图

图3： 模具立体仓库效果图

图4： 模具立体仓库实用场景图

图5： 自动化立体仓库物流监控和管理系统拓扑图

图6： 模具自动化立体仓库物流监控和管理系统框图

图7： 入库工艺流程

图8： 出库工艺流程

广东华昌铝厂有限公司建有ERP系统，本项目作为系统的一个数据节点独立运行（可以脱离ERP系统独立运行的节点），即：立体仓库管理系统自主管理立体仓库的运行，同时能够和ERP系统完成数据交换，包括执行ERP系统下达的出库指令和响应ERP系统的数据查询。

自动化立体仓库物流监控和管理系统(IWMS)拓扑图（见图5），体系结构分为如下三个层次，即信息管理层——过程监控层——实时控制层，采用三级联网的在线联机方式，在它上面是企业的主控ERP系统。在没有ERP系统的情况下，IWMS可以独立工作。

（1）信息管理层上联企业信息管理系统，实现物料管理和作业任务的产生；

（2）过程监控层是联系信息管理层和实时控制层的纽带。由它完成两级间的通信传输及信息交换，对作业任务进行调度监控，可动画显示系统的作业状态；

（3）最下层的实时控制层是配置在单机设备上的PLC，由它完成单机自动控制和与上级监控的信息通信联络。

IWMS系统共包括四个子系统：入出库终端操作系统（管理系统）、监控系统、作业调度系统、RF采集系统，各子系统之间相互独立，通过后台数据库进行信息交互。参见图6。

项目规模和主要技术指标，见表2。

四、工艺流程

1.入库工艺流程（见图7）

2.库内模具存放方式

根据模具规格，通常多个模具（最多48个）装一个托盘，一个托盘存入一个货位；

对于大规格的模具，每个托盘所装模具数量较少，但还是一个托盘存入一个货位；

堆垛机的额定载荷为2000kg，其中每个托盘额定载荷为1000kg（托盘+模具）。

3.出库工艺流程（见图8）

五、实施效果及经济性分析

该项目建库投资为1200万元，其中建筑工程300万元（利用已有厂房改造），托盘制造300万元，设备投资600万元。

1.项目实施效果

本项目2014年12月投入试运行，2015年5月正式验收，项目预定指标全部实现。投入运行以来，设备运行稳定可靠，满足企业生产要求。用户认为该仓库实现了“储存立体化（层高为23层）、模具搬运无人化、出库入库自动化、库存管理智能化、信息传输网络化”。

2016年4月15日，中国有色金属工业协会在广东省佛山市组织了该项目的成果鉴定会。鉴定结论认为：“该项目自主研发了适用于铝材挤压模具的自动化立体仓库，具有占地面积小，劳动强度低，自动化程度高的特点，解决了铝材行业挤压模具存储占地面积大和出入库效率低的难题，投入使用一年多，运行稳定、安全、可靠，满足企业生产需求，具有显著的经济和社会效益。”鉴定委员会一致认为“该项目整体技术在铝材行业挤压模具存储仓库方面处于国内领先水平，同意通过科技成果鉴定”，建议“加强推广应用”。

表2：项目规模和技术指标

2.项目的经济性

根据广东华昌铝厂有限公司提供的数据，项目的经济性主要体现在：

（1）节约仓储用地及建筑费用。

本项目占地面积891平方米，设计储存模具为23层，托盘货位6624个，最大限度地利用厂房的空间，提高了空间利用率和单位空间的储存量。模具最大储存量10万套，单位面积模具储存量为112套/平方米。原平面模具库面积为1344平方米，最大模具储存量约3万套，单位面积模具储存量为22套/平方米。因此：

立体仓库比平面仓库单位面积储存量提高：(112-22)/22×100%=409%；

立体仓库比平面仓库节省用地量：1344/3×10-891=3589平方米；

节省用地：3598/891×100%=402%；

按2012年广东厂址每亩最低地价80万元计算，则可减少购地费用80×（3589/666.67）=430万元；

建库建筑投资按每平方米造价850元计算，则减少仓库建筑投资850/10000×3589=305 万元；

节约仓储用地及建筑费用合计：430+305=735万元。

（2）提高了模具入出库效率和后工序的时间利用率。

采用人工库时，每天模具最大出入库量合计为1035套，需要11小时。采用模具自动化立体仓库后，平均最大出库量为1500套，耗时10小时。

出入库效率提高[（1500/10）/（1035/2/11）-1] ×100%=219%；

节约时间1小时（9.09%），挤压车间可以充分利用这段时间挤压产品。另模具仓库虽然节约时间1小时，但由于模具出库是边出边送，在其他条件不变的情况下，挤压车间至少可以赢得0.5小时的净生产时间，则挤压车间至少可挤压型材7吨，表面处理后可获得6.5吨铝合金建筑型材。如每吨型材的工厂加工费用按3000元/吨，每年按生产300天计算，可增加销售收入为0.3×6.5×300=585万元。

（3）缩短仓储周转期。

采用平面仓库时，模具储存期平均为3～4个月。自动化立体模具库投入使用后，由于效率提高，停滞减少，模具的储存期平均为2～3个月，加快了周转。

（4）用人少，降低人工成本。

采用人工库，库存3万套模具时，配备出入库员工18人。采用自动化立体仓库，库存能力10万套，目前实际库存4万套，配备出入库员工13人。比原库存方式减少5人，则每年节约人工费用=5人×0.4万元/月.人×12=24万元/年。

通过以上分析，采用挤压模具自动化立体仓库后，仓储环节可减少征地及土建投资735万元，年提高经济效益为24+585=609万元。

（5）降低员工劳动强度，提高企业管理信息化水平。

采用挤压模具自动化立体仓库后，模具出入库人工搬运模具的距离和时间大为减少， 可以大幅度减轻工人劳动强度，减少人员配置，提升企业信息化管理水平，促进企业转型升级。

作者单位为太原高科锐志物流仓储设备有限公司