多穿系統在食品冷鏈行業的應用

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已投產運營的一套多層穿梭車物流倉儲系統為例，介紹并分析了總體設計方案和創新技術。在項目設計和實施過程中，基于對客戶的產品特點、工藝需求等方面的分析和研究，并結合多穿庫的特點，從軟件調度策略、電氣控制算法等方面進行優化創新，從而大幅提高系統運行效率、減少系統故障率、降低人工成本。并且，解決了食品冷鏈從業人員工作環境不良、產品在物流倉儲配送環節生產效率低和產品信息化管理難的問題，形成一套可在行業內復制推廣的解決方案，進一步助力行業自動化水平的提升。

關鍵詞：多穿系統、密集存儲、冷鏈物流、食品

一、引言

中國食品行業近年來發展迅猛，食品冷鏈物流迎來巨大發展空間，同時生鮮電商的快速發展，也帶動了國內農產品、冷鏈食品的產地、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%，保持穩定增長。生鮮工廠生產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、工作環境惡劣等等，成為生鮮冷鏈行業傳統作業過程中制約行業轉型升級和快速發展的瓶頸，研發適合生鮮工廠的冷鏈物流智能解決方案成為企業亟須解決的問題。

多層穿梭車倉儲物流系統是由高層貨架、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貨物的密集存儲，通過高速箱式輸送線實現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、系統方案設計

本方案通過前期分析某大型豬肉食品企業生產需求，將凍品和鮮品進行區分。凍品采用傳統的堆垛機立體冷庫，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的解決方案。針對客戶對存儲產品輸送設備的高效、安全、穩定的需求，對系統自動化、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解決方案。

1.硬件方案設計

該系統主要由多層穿梭車、貨架系統、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，占用空間小，布局緊密。多臺小車協同作業可以大大提高物料的輸送效率。多層穿梭車在自動狀態下完全通過調度系統支配，無需人員操作。運行速度快，效率高，節省了人員操作的工作量。多層穿梭車結構設計非常緊湊，可比一般及傳統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。相同空間布局系統中，多層穿梭車智能存儲系統出入庫處理能力，可比傳統倉儲系統提升5～10倍，功能區域布局如圖1所示。

圖1 功能區域布局

2.軟件方案設計

多穿系統的軟件構成主要包括WMS、WCS、多穿設備執行控制器、手持PDA、人機交互界面。

WMS系統通過數據庫管理整個系統的物料和訂單信息。WCS系統負責調度小車、提升機、輸送機等按優化路徑執行每條訂單任務。執行系統通過PLC程序控制驅動器，實現具體動作的實施。手持終端和人機交互界面實現系統與人員之間的信息傳遞，從而執行相關訂單狀態操作。

各系統之間由以太網或無線網絡相連。SAP生產計劃與WMS系統進行對接，實現與公司級的上位管理系統的信息對接。作為倉儲的管理系統，WMS要通過任務下發給WCS，通過WCS的調度和協調，最終完成整個訂單的任務，如圖2所示。通過軟件架構的搭建，實現了信息互通、設備監控、人機交互的功能。

圖2 軟件架構

3.業務流程

（1）入庫流程

庫區與生產廠房連接，產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系統分配入庫地址，并經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，由多穿小車根據上位系統調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

庫區正前方為發貨月臺，月臺停靠廂式冷藏貨車。管理系統根據訂單下達出庫作業指令，多穿小車將指定料箱取出，放置于層間站臺，經料箱提升機送至二層出庫線，出庫線合流后，經過讀碼交互由上位系統分配月臺去向，通過高速分揀機精準分流到指定訂單車輛停靠口，停靠位置伸縮皮帶機直達車廂內部，人工在車廂內裝車完成出庫任務，如圖4所示。

圖4 出庫流程

三、系統特點分析

1.多穿系統在冷鏈物流輸送系統中優勢顯著

多層穿梭車系統完美契合于食品冷鏈行業，能夠實現自動化、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：多層穿梭車能夠實現貨物的多層穿梭，可以在不同的貨架或區域之間快速移動，提高了物流運輸的效率和準確性。

（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，提高生產效率。

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

（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，能夠實現精確控制和操作，降低故障率。

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

2.基于收發貨周期多穿庫貨位存儲的優化算法

由于低溫食品類行業注重食品的鮮度，多數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。采用傳統靜態規則制定物料貨位，往往會造成穿梭車取貨慢，生成過多搬庫作業的情況，導致低溫庫的效率下降。系統順應低溫庫的這種高流水特性，利用一段時間內系統的收發貨記錄作為統計數據，獲取物料的收/發貨周期，建立統計學模型以及收發貨周期評價函數，形成算法的閉環反饋。動態評價物料的優先權重以及預測未來物料的發貨時間點，從而在入庫階段或者穿梭車空閑時段優化貨物的貨位。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。經過前期測試，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”權重。接下來，在一周的時間段內，統計各種物料收發貨周期，并使用泊松分布，建立物料預發貨時間模型。

其中，P(X=k)為貨物在第k個時間周期內出庫的概率。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。首先將收發周期短的貨物使用熱度較高的貨位，保證貨物的快速流轉。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

多穿系統的高效運行，必須有外圍足夠高效的輸送系統配套支撐，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，實現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：將控制系統置于示教模式，在高速旋轉的箱式輸送主線上放置一物料，使其由“data in 傳感器”經過，此時脈沖計數更新為0。在各分流通道口的前端均安裝有一個校驗傳感器，物料經由各個校驗傳感器時，系統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，控制系統對數據表進行掃描，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：系統設定了一個脈沖區間范圍，在大于分流口到達脈沖和小于分流后到達脈沖加脈沖區間的脈沖計數均認為是當前分流口的有效脈沖。所有有效數據中的脈沖變量“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間，如圖8所示，并發起分揀請求，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 分流口脈沖區間寬度

圖9 物料信息數據元素

基于SCL語言的脈沖分流系統的優勢：

（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域的脈沖區間值；

（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，可大大節省PLC的系統循環掃描周期，從而確保分流系統的穩定性與準確性；

（3）產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

多層穿梭車物流倉儲系統在食品冷鏈車間的創新應用，針對多穿庫鮮品入出庫高流水高效率的需求，研發了基于收發貨周期多穿庫貨位存儲的優化算法，系統智能化調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，開發了基于SCL語言的脈沖分流系統，該系統通過簡化傳感器布置，基于脈沖計數校驗來實現準確分流，同時SCL語言在控制系統中的應用大大降低了系統掃描周期，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”冷鏈物流發展規劃》中指出，科技創新和數字轉型激發冷鏈物流發展新動力。在面對這樣的機遇和挑戰的時期，提高系統的智能化水平和創新技術，改善現有行業遺留問題，顯得至關重要。通過對典型案例的分析和研究，為后續行業的相關技術發展提供借鑒。

參考文獻:

[1]王旭斌.多穿系統在醫藥物流中心的應用創新[J].物流技術與應用，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在冷鏈倉儲物流行業的應用[J].制造業自動化，2018，40(05):38-40.

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