1.鋁型材行業(yè)現(xiàn)狀
我國“十二五”規(guī)劃要求單位GDP能耗下降16%，二氧化碳排放降低17%，以及非化石能源占一次能源消費(fèi)比重上升至11.4%的目標(biāo)。
中國鋁型材在工業(yè)領(lǐng)域的消費(fèi)量僅在世界上占30%，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)技術(shù)水平的提高，鋁型材在工業(yè)領(lǐng)域的消費(fèi)具有很大潛力。2009年中國鋁型材產(chǎn)量的729萬噸，其中建筑鋁型材和工業(yè)鋁型材產(chǎn)量分別是496萬噸和233萬噸。到2012年底，我國共有鋁型材企業(yè)900多家，設(shè)備生產(chǎn)能力1300多萬噸，擠壓材實(shí)際產(chǎn)量1050多萬噸。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)看，鋁合金管棒材有190萬噸，鋁型材860萬噸。鋁型材中，建筑型材有600萬噸以上(約占70%)，工業(yè)型材為260萬噸(約占30%)左右。產(chǎn)量主要分布在珠江三角洲、長江三角洲和環(huán)渤海灣工業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)域。
未來10~15年中國仍將處于城鎮(zhèn)化、工業(yè)化快速發(fā)展的階段,預(yù)計在2015年前后,中國的城鎮(zhèn)化水平將超過50%，加上從現(xiàn)在至2020年我國舊有建筑更新、改造對建筑鋁型材的需求進(jìn)入高速增長階段,中國的鋁型材產(chǎn)量有望達(dá)到1100萬噸，鋁合金建筑型材產(chǎn)量有望達(dá)到800萬噸/年左右，工業(yè)鋁型材達(dá)到300噸左右。
2.鋁型材物料儲存和存取現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)企業(yè)普遍采用的是平面庫、單層或雙層庫(見圖1)，占地面積大，庫房低，空間利用率低;采用橋式起重機(jī)、叉車或人工搬運(yùn)的方式;出入庫頻率低，未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。
近幾年，國內(nèi)少數(shù)同行業(yè)廠家(如堅美鋁材廠)雖然學(xué)習(xí)國外技術(shù)開發(fā)采用了懸臂式貨架存儲，叉車搬運(yùn)、存取的模式(見圖2)，但受設(shè)計能力的限制，仍然存在著占地面積大，庫房空間利用率低、未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理，入出庫頻率低的缺陷。
國外的發(fā)展比國內(nèi)領(lǐng)先一步，長直桿件的存儲一般采用懸臂貨架存儲，橋式堆垛機(jī)存取的方式。意大利BONFANTI公司開發(fā)了較多的這種產(chǎn)品，多用于鋼廠企業(yè)。應(yīng)用特點(diǎn)是：長直桿件，存儲量不大，重量較大，出入庫量和頻率較低，所以庫房比較低。如圖3，其堆垛機(jī)速度提升速度為20m/min，行駛速度為60 m/min，運(yùn)行速度為30 m/min(本數(shù)據(jù)來源于意大利BONFANTI，該公司和太原高科銳志物流倉儲設(shè)備有限公司為戰(zhàn)略合作單位)。雖然技術(shù)有了長足的進(jìn)步，但還是無法滿足華昌公司≥300t/d的出入庫要求。而BONFANTI的競爭對手，如德國沃爾特(Vollert)，德國迪森克虜伯、德國西馬克，日本JFE等公司目前還都沒有相應(yīng)項目的開發(fā)和應(yīng)用。
經(jīng)過調(diào)研，目前，長度達(dá)到6500mm，重量在1000Kg左右，出入庫頻率達(dá)到每小時上百件(框)流量的長直桿件立體庫在國際上還未發(fā)現(xiàn)。
國外的發(fā)展比國內(nèi)領(lǐng)先一步，長直桿件的存儲一般采用懸臂貨架存儲，橋式堆垛機(jī)存取的方式。意大利BONFANTI公司開發(fā)了較多的這種產(chǎn)品，多用于鋼廠企業(yè)。應(yīng)用特點(diǎn)是：長直桿件，存儲量不大，重量較大，出入庫量和頻率較低，所以庫房比較低。如圖3，其堆垛機(jī)速度提升速度為20m/min，行駛速度為60 m/min，運(yùn)行速度為30 m/min(本數(shù)據(jù)來源于意大利BONFANTI，該公司和太原高科銳志物流倉儲設(shè)備有限公司為戰(zhàn)略合作單位)。雖然技術(shù)有了長足的進(jìn)步，但還是無法滿足華昌公司≥300t/d的出入庫要求。而BONFANTI的競爭對手，如德國沃爾特(Vollert)，德國迪森克虜伯、德國西馬克，日本JFE等公司目前還都沒有相應(yīng)項目的開發(fā)和應(yīng)用。
經(jīng)過調(diào)研，目前，長度達(dá)到6500mm，重量在1000Kg左右，出入庫頻率達(dá)到每小時上百件(框)流量的長直桿件立體庫在國際上還未發(fā)現(xiàn)。
3.舊的儲存、存取方式及存在的問題
1) 舊的儲存、存取方式：
地面堆放，部分料框存放，人工取貨、叉車或吊機(jī)存取搬運(yùn)。
2) 存在問題：
(1)占地面積大，土地利用率低，空間利用率低;
(2)搬運(yùn)工作量大，使用人員多，費(fèi)工費(fèi)時，效率低下，人工成本高;
(3)存在人身、產(chǎn)品安全隱患，人工搬運(yùn)，易造成人員、貨物磕、碰、擦傷;
(4)大量的貨物堆放在一起，依靠人工管理，易出現(xiàn)發(fā)錯貨或找不到貨的情況，庫房管理困難;
(5)重復(fù)勞動較多，常常需要倒貨，倒庫;
(6)手工記賬，效率低下，賬目易出差錯;
(7)無法推行現(xiàn)代管理，賬目無法和公司的ERP系統(tǒng)無縫對接，出入庫信息無法及時反饋到銷售、財務(wù)、信息中樞等部門。
以廣東華昌為例，到2012年華昌鋁廠的設(shè)備產(chǎn)能達(dá)到了13萬噸以上，產(chǎn)量達(dá)到了10.50萬噸/年，產(chǎn)品3000多個品種，產(chǎn)銷兩旺。但是，在土地日趨緊張、人員招聘越來越難招及人工費(fèi)用越來越高的情況下，可華昌鋁廠生產(chǎn)規(guī)模一直不斷發(fā)展壯大，而用于儲存鋁型材產(chǎn)品的成品倉庫(2層)，儲存量最大也只有2500多噸。且儲存期年平均為3-4個月，甚至更長。并且舊的成品倉庫存在的占地面積大、用人多、出入庫效率低、人工管理賬目易出差錯及倉儲環(huán)節(jié)生產(chǎn)成本高的問題成了企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。每天產(chǎn)品的分檢、包裝、運(yùn)輸、儲存及出入庫等工作十分繁忙，物流量特別大，老的儲存和存取工藝及設(shè)備已經(jīng)不能適應(yīng)生產(chǎn)銷售形勢不斷發(fā)展的需要，運(yùn)行節(jié)奏和運(yùn)行效率急需提高，故開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的長直桿件自動化立體倉庫非常必要。
4.研發(fā)目標(biāo)
1.鋁型材出入庫自動化
自動化立體倉庫的運(yùn)行時，只要發(fā)出入庫或者出庫指令，全部的入庫、出庫作業(yè)都由設(shè)備自動完成。
2. 倉儲形式立體化
要求盡最大可能提高倉庫空間利用率，倉儲層高要求為10層，靠近廠房屋頂?shù)膸琢幸蟊M可能提高層數(shù)。以提高倉庫的容積比例和，節(jié)約土地資源。
3.型材搬運(yùn)無人化
傳統(tǒng)的物料搬運(yùn)，通常都是行車吊取，人工掛鉤，人工搬運(yùn)，或者叉車叉取。在作業(yè)過程中，不免存在無法統(tǒng)計的人與設(shè)備的安全，能源的消耗，環(huán)境的污染及勞動職業(yè)衛(wèi)生方面的問題。
這次研發(fā)攻關(guān)的立體倉庫要解決上述問題，實(shí)現(xiàn)型材出入庫、庫內(nèi)無人化自動搬運(yùn)。
4.倉儲管理智能化
平面?zhèn)}儲管理都用人工記賬。入庫量、批號、客戶信息、產(chǎn)品種類、數(shù)量、顏色、型號、米重、總重量等大量信息都需要人工統(tǒng)計記錄，容易出現(xiàn)差錯。
這次研發(fā)攻關(guān)的立體倉庫要實(shí)現(xiàn)倉儲管理智能化，以避免庫存數(shù)據(jù)、發(fā)貨數(shù)據(jù)的差錯和發(fā)錯貨的現(xiàn)象。
5. 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化
型材成品倉儲工作與廠內(nèi)各部門聯(lián)系較多，這次研發(fā)攻關(guān)要求實(shí)現(xiàn)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化，使各部門之間信息互通共享，減少或取消紙質(zhì)文件信息交流方式。
最終建成一座儲存?zhèn)}位約5000個，儲存量達(dá)3000-3500噸，每天出、入庫鋁型材≥300噸的自動化立體倉庫。
5.需要解決的技術(shù)關(guān)鍵
要完成上述工藝過程，滿足入出庫頻率、保證設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和儲存物資的質(zhì)量，需要解決的技術(shù)關(guān)鍵為：
1)貨架承載能力計算、試驗(yàn)和貨架定型。
倉儲貨架是自動化立體倉庫存儲貨物的基礎(chǔ)設(shè)施，要求良好的承載、抗震能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
2)長直桿件堆垛起重機(jī)研究。
堆垛機(jī)是自動化立體倉庫中擔(dān)負(fù)自動存取貨物的起重運(yùn)輸設(shè)備，本項目所使用的雙立柱堆垛機(jī)在運(yùn)行方向上尺寸是普通堆垛機(jī)的4-5倍。尺寸的加大對堆垛機(jī)的剛性、穩(wěn)定性、同步性、必然帶來更高的要求;需要開發(fā)新型的載貨臺和貨叉機(jī)構(gòu)及提升機(jī)構(gòu)。
3)長直桿件料框研究。
料框是鋁型材的基本存儲、搬運(yùn)單元，它既要滿足鋁型材在存儲、搬運(yùn)過程中不損壞、不變形，滿足堆垛機(jī)、叉車在存取過程中的叉取，同時還要求空載時可以堆疊存放。
4)開發(fā)專用的自動控制和管理系統(tǒng)
開發(fā)適合于華昌鋁廠自動化立體倉庫要求的計算機(jī)自動控制系統(tǒng)和ERP管理系統(tǒng)改造，以實(shí)現(xiàn)各管理部門、生產(chǎn)現(xiàn)場與倉庫的實(shí)時通訊和數(shù)據(jù)交換。
6.華昌成品型材庫總體方案介紹
1)項目總體布局見總體布置圖(見圖4)
圖為：華昌鋁廠成品型材庫總體方案平面布置圖
(1) 橫向布局
如圖5所示，根據(jù)廠房的高度情況，靠廠房中間部分設(shè)置三個加高巷道，這樣能充分利用現(xiàn)有空間，使現(xiàn)有空間儲存最大化。
(2) 縱向布局
如圖6所示，其中6排設(shè)置為11層，入庫端列距6.4m，出庫端列距6.9m，高度為13m。
圖為：華昌鋁材廠鋁型材自動化立體倉庫縱向布置圖
如圖7所示：其中8排設(shè)置為10層，全部高度為12.05m，另外6排為11層。列距分別為，前29列(入庫端)6.4m，后6列(出庫端)6.9m(見表1)。
7.華昌鋁廠鋁型材自動化立體倉庫項目作業(yè)流程
根據(jù)產(chǎn)品庫存要求和華昌鋁廠實(shí)際，確定自動化立體倉庫的作業(yè)流程(見圖8)：
8.信息管理和自動控制系統(tǒng)
信息管理和自動控制是物流倉儲設(shè)備系統(tǒng)中的精髓，其水平高低決定了物流倉儲設(shè)備系統(tǒng)自動化水平的高低。完成物流系統(tǒng)中的各種特定的任務(wù)，依靠的是計算機(jī)信息管理和自動化控制技術(shù)與自動化物流倉儲設(shè)備系統(tǒng)中各技術(shù)部件的有機(jī)組合。系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)為：
(1)倉庫管理系統(tǒng)與工廠ERP系統(tǒng)可無縫連接;
(2)通過簡捷明了的人機(jī)操作界面，使操作員輕松完成貨物的入庫、出庫操作;
(3)通過設(shè)備作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度輸送機(jī)和堆垛機(jī)等設(shè)備自動運(yùn)行，并動態(tài)跟蹤貨物的物流路線，自動更新庫存帳目;
(4)可生成各種統(tǒng)計報表，滿足各種查詢要求;
(5)通過動態(tài)仿真，可實(shí)時監(jiān)控到設(shè)備(堆垛機(jī)、輸送機(jī))的運(yùn)行和故障情況，便于維護(hù)和檢修;
經(jīng)過研發(fā)，結(jié)果如下：
9.堅美立體庫的應(yīng)用介紹
佛山堅美鋁業(yè)，在華昌的基礎(chǔ)上又做了大量的改進(jìn)，將高度提高到20米，層數(shù)增加到了16層。整個流程上實(shí)現(xiàn)了可直接從生產(chǎn)車間接貨，然后提升到二樓以后再從天橋上搬運(yùn)貨物。并且給生產(chǎn)線預(yù)留了借口，以使將來可順利實(shí)現(xiàn)和生產(chǎn)線的對接。
圖為：堅美鋁業(yè)成品鋁材自動化立體倉庫效果圖
庫房尺寸：140(長)×68寬)×20(屋架下弦高)m;
存放物品：鋁型材等;
單元貨物：6200/8000×1000×850 (長×寬×高)mm，1600Kg;
料框尺寸/重量：6200/8000×1000×850 (長×寬×高)mm，200Kg;
貨架規(guī)模：
6200mm米貨位數(shù)：32排x18列x16層-112=9104個貨位
8000mm長貨位：4排x14列x16層-21=875個貨位
貨位總計：9979貨位
有軌巷道堆垛機(jī)18臺; 提升機(jī)4臺
入出庫輸送機(jī)系統(tǒng)1套(包括32臺配合提升機(jī)的輸送機(jī)，18臺入庫輸送機(jī)，36臺出庫輸送機(jī)，16臺頂升機(jī))：
雙工位自動分配車2臺;
入庫條形碼自動識別(含RF)和出庫LED顯示屏校驗(yàn)系統(tǒng);
計算機(jī)管理信息系統(tǒng)(WMS);
10. 華昌項目的經(jīng)濟(jì)和社會效益性
1) 企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益分析
(1)自動倉庫占地面積小、投資少
本項目設(shè)計為10-11層，最大限度地利用廠房的空間，提高了空間利用率和單位空間的儲存量。與平面?zhèn)}庫(含二層倉儲)相比，占地面積大大減少。按10層常規(guī)倉庫估算，考慮到庫存密度，相同的庫存量時，可節(jié)省長248m寬28m(6944m2)的庫房約3-4棟,約合減少占地面積20000-30000m2。按2012年廠址每畝最低地價80萬元計算，則：可減少購地費(fèi)用=(20000-30000m2)/666.67x80= 2400-3600萬元;
土建投資每平方米造價1400元計算，則：減少成品倉庫土建投資=(20000-30000m2)x1400元/m2=2800-4200萬元;故節(jié)約倉儲用地及土建費(fèi)用合計= (2400-3600)+ (2800-4200)=5200-7800萬元。
(2)用人少，降低人工成本
按現(xiàn)有生產(chǎn)能力計算，如果采用原有的出入庫方式，則每班需配備出入庫信息員28名，入庫工48人，出庫工48人，合計需要124人。
采用自動化立體倉庫后，需出入庫信息員9人，入庫工16人，出庫工36人，維護(hù)工1人，合計需要62人，共減少62人。則：
年節(jié)約人工費(fèi)用=62人x(4000-5000)元/月.人x12=276-372萬元/年。
(3)提高了入出庫精度與效率
采用人工庫時，每天平均最大出入庫量合計為460t，入庫需要24h，出庫需要14h，出入庫合計耗時40h,則：平均出入庫重量=460/(24+14)=12.1t/h;
使用自動化立體倉庫后，鋁型材出入庫及庫內(nèi)的搬運(yùn)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動化作業(yè)，每天平均最大出入庫量合計為600t，入庫需要24h，出庫需要9h，出入庫合計耗時33h,則：平均出入庫重量=600/(24+9)=18.18t/h;
自動化立體倉庫比人工庫提高入出庫效率=(18.18-12.1)/18.18x100=33%。按最大平均產(chǎn)量300t/d，即自動倉庫比人工倉庫多出入庫數(shù)量=300(1-1/1.33)=74.4t/d.
按年工作時間330d，人工出入庫平均費(fèi)用64.3y/t計算，則：每年可降低出入庫人工費(fèi)用=74.4(t/d)x330(d)x64.3y/t=157.87萬元。
還解決了過去長期存在的庫內(nèi)有料，出庫時找不到造成庫存死料或錯發(fā)貨退賠等問題。平均每年因此類問題報廢的型材有100-120t,按平均每噸型材加工費(fèi)2500元計算，則：每年造成的經(jīng)濟(jì)損失=(100-120t)x2500元/t=25-30萬元
(4)員工勞動強(qiáng)度小
采用自動化立體倉庫后，鋁型材出入庫及庫內(nèi)的搬運(yùn)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動化作業(yè)，員工通過人機(jī)界面操作，從繁重的體力勞動解放出來。且每車型材的裝車時間由原來的14h縮短到10h,減少裝車時間4(h)，意即在不減少收入的情況下，員工可以提前4h下班休息。
通過以上分析可知，采用自動化立體倉庫后，倉儲環(huán)節(jié)可提高經(jīng)濟(jì)效益=(5200+276+157.87+25)~(7800+372+157.87+30)=5658.87~8359.87萬元。
2) 社會效益分析
(1)自動化立體倉庫占地面積小，空間利用率高
目前，我國共有鋁型材企業(yè)900多家，如有十分之一左右的廠家使用這樣的倉庫，則：僅土地占用可減少費(fèi)用=(20000-30000)x100=200-300萬m2，減少倉庫土建投資=(20000-30000m2)x1400元/m2x100=28-42億元。
(2)節(jié)能減排效果顯著。巷道式堆垛機(jī)行走電機(jī)功率≤10kw，只有同類電機(jī)功率的四分之一，節(jié)約功率30Kw。本立體倉庫共有7臺堆垛機(jī)，如平均每臺堆垛機(jī)一天工作12小時，按每度電減少二氧化碳排放0.997kg計算，則：減少C02排放量=7(臺)x30(kw)x12(h)x365(d)x0.997(kgC02/kw.h)=917t/年。
11. 成果推廣應(yīng)用前景
經(jīng)過一年的試運(yùn)行，項目各項指標(biāo)都達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)和要求，使用現(xiàn)場反映良好。說明項目的研發(fā)成果完全適用于鋁型材行業(yè)的成品倉儲作業(yè)。
長直桿件類的鋁型材自動化倉庫的成功研發(fā)應(yīng)用，首次實(shí)現(xiàn)了真正意義上的鋁型材入、出庫自動化，倉儲立體化、型材搬運(yùn)無人化，倉儲賬目管理智能化，庫存信息共享網(wǎng)絡(luò)化。
由于長直桿件類的鋁型材自動化立體倉庫是采用計算機(jī)、自動控制、網(wǎng)絡(luò)、信息、通訊、激光、紅外等現(xiàn)代技術(shù)集成并相互滲透、有機(jī)結(jié)合形成的智能物流存取系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有土地利用率高、出入庫效率高、倉儲高層立體化、型材搬運(yùn)無人化，庫存賬目管理智能化，庫存信息共享網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)能、用人少、勞動成本低等特點(diǎn)，具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。填補(bǔ)了國內(nèi)鋁型材行業(yè)空白，具有國際先進(jìn)水平。
作者簡介：
唐性宇(1957-) 男 貴州貴陽人 高級工程師 廣東華昌鋁廠有限公司總工程師
馬笑(1972-) 男 山西文水人 高級工程師 太原高科銳志物流倉儲設(shè)備有限公司總經(jīng)理
