蒙牛乳业马鞍山低温自动化立体库

在蒙牛乳业的全国布局中，安徽马鞍山是其进军华东市场的重镇。

随着2005年7月投资3亿元，26条生产线，年生产各类冷饮8．5万吨的冰淇淋生产线的建成投产，蒙牛乳业在马鞍山经济技术开发区内建成了全国最大的冰淇淋生产基地。

为配合该基地巨量的冰品存储与配送，蒙牛乳业决定在其冰淇淋车间成品库房内建两个低温(—25℃)自动化立体库房。2004年10月，蒙牛乳业面向全国招标，最后中标的是太原刚玉物流工程有限公司。目前，马鞍山低温库南库去年12月建成，投入使用半年来运行顺利。与之对称建筑的北库正在建设之中，预计今年12月投入使用。北库与南库使用的是同一套管理系统，其设备的布局、标准、规模都与南库一样。

6月15日，记者专程前往安徽马鞍山经济技术开发区，在太原刚玉现场工程师田润葵和许军的带领下参观了这一国内目前最大的自动化程度最高的低温自动化立体库(南库)。

低温自动化立体库的特点

马鞍山自动化立体低温库是一个货架与建筑分离式的自动化立体冷库，一面与车间生产线衔接入库，另一面出库。该低温库为-25℃的托盘单元式自动冷库，由巷道堆垛起重机、高层货架、入出库输送机系统、穿梭车输送系统、自动控制系统、周边设备和计算机仓库管理系统等组成。-25℃冷库与0℃码盘区之间安装保温门，每个库房入库端设置两个保温门，两条输送机设置在这个位置作为过渡。

在0℃区码盘输送机与过渡输送机之间设置双工位穿梭车，双工位穿梭车上装载一个码放好的实托盘，同时装载的一摞空托盘被单个分拆传送到码盘输送机上。

在高架库巷道的两端设有入／出库输送机，用于高架库货物的出入库，并且与其他输送系统连接。输送系统将上游生产线、高架库、成品出库叉车连接起来，完成对托盘单元货物的输送(见下图)。

高架库、穿梭车输送系统及出入库输送机由仓储管理软件管理，以进行整个库区内的货位管理和控制托盘的输送作业。同时，RF系统与仓储管理软件连接以提供数据采集、入库、上架指令和订单拣选信息的功能。另外，仓储管理软件同时提供高架库和包材平置库的收货、入库上架、补货、货位和库存管理功能。

库房是大跨度的轻钢结构，82米x32米，抗震强度8级。该库采用立体高架托盘存储系统，12层货架，共5712个货位。托盘及货物重量为700公斤。针对库内低温的特点，在库区内的控制设备、控制元气件全部选用能够满足低温要求的产品，以保证自动化仓储作业的顺利进行。

为使冰激淋产品能迅速降温，要尽量减少产品在低温缓冲区域乃至常温区域的停留时间，所以在出入库时，作业的第一调度原则是入库优先；出库时，不预先出库，出库作业的执行依据装车速度控制调整冷库堆垛机的作业速度。

出入库流程

1．产品下线包装

2．进入0℃区域准备入库

在0℃区，码盘输送机与过渡输送机之间设置双工位穿梭车，双工位穿梭车上装载一个码放好的实托盘，同时装载的一摞空托盘被单个分拆传送到码盘输送机上。

共有14个入库点，分别对应14条输送带。托盘放在输送带上，人工将装有产品的纸箱整齐地堆放在托盘上。托盘经过码垛合格检测装置、条形码识别后通过输送系统及堆垛机进入由计算机系统指定的位置。产品从包装间入库量约为50托盘／小时。

3．进入低温库储存

低温库中设置过渡输送机，货物通过过渡输送机，经由库内穿梭车输送到自动化高架仓库入库端存储。如果出库，在出库指令的调度下，货物由巷道堆垛机取出并送到出库端，经由出库端输送系统转运出库。

5个巷道的高层货架和5台巷道堆垛机，配置一个穿梭车将入库的货物再分配给5个巷道入库输送机。

4．出库

出库分为两部分。首先，由堆垛机从货架上取出托盘后，通过输送系统送到库房外缓冲区(O℃区域)。然后，由叉车从输送带上将托盘直接送到运输车上。

出库量约为120托盘／小时。拣选回库?4托盘／小时；空托盘组入库8托盘／小时。

系统规划和设计思路

马鞍山低温自动化立体库是一个托盘单元式自动仓库，管理与控制系统从结构上可规划为三大部分：立体仓库管理系统(WMS)、自动化立体仓库监控系统(WCS)与物料搬运执行系统(SRS)。三大系统不仅可以相互协调运行，而且每个系统都是一个可独立运行的系统。自动化立体仓库的管理通过接口系统可实现与上层采购、销售、配送等业务系统的无缝连接。监控系统既可以在线方式与管理级联网，自动完成作业解析、设备调度的功能，实施无人值守的工作要求；又可以以离线方式，脱离管理系统，直接由操作者通过监控系统生成作业数据，进行设备调度；物料搬运执行系统也可以脱离管理系统与监控系统，直接生成设备调度指令。这三部分的框架结构如右图所示。

在自动化立库仓储系统中主要活动为信息流及物料流两部分。信息流的层次可分为上层战略信息、中层经营管理信息、下层物料作业信息。中层经营管理信息又分为进货、存货、销货等三种物科流所构成的管理信息。下层物料作业管理，分为入库管理、库存管理、出库管理等。物料流方面分为物流作业与物流设备；物流作业主要为进货、验收、入库、货架管理、拣货、流通加工、包装、分类、出货检查、装货、配送等作业流程，而物流设备则是在各种物流作业中运行的各种装备的总和。在本系统中，仓储物流信息管理系统实现上层战略信息、中层管理信息流的管理；监控系统实现下层信息流与物流作业的管理；控制执行系统实现物流设备的运行控制管理。

以上的设计和规划完全可以满足一个常温的自动化立体库来的要求，但是，对于一个—25℃的低温库来说，则是远远不够的。低温库除了要考虑信息流、物流之外，还要考虑温度以及湿度问题。低温环境对机械、电器设备具有特殊要求。比如电气设备，在低温下由于功率器件的热效应问题，功率器件的工作状况(主要是工作温度)的变化将会很大。例如：电机在低温下的工作状况，直接导致变频器特别是矢量型变频器的电机模型严重失真。冷机时(即变频器、电机较长时间不工作时的状态)调试的参数，到了热机时(即变频器、电机连续工作一段时间的状态)不能正常工作；热机时调试的参数，冷机时不能用。

如何解决类似这样一系列的问题?当时太原刚玉有三种思路。其一，用常温最好的设备做低温设备；其二，用军工产品替代(因为军品通常在恶劣条件下使用，产品质量高)；其三，根据现场出现的具体问题自主研发，就地解决。

通常人们都会有这样的习惯性思维：用常温库中最好的设备作为低温设备。经验和事实证明，常温最好的设备并不一定能够正常工作在低温环境。经过恶劣条件验证的军工产品，尽管对温度有很强耐用能

力，适合在低温条件下使用，但其价格太高，根本不能为用户所接受。最后，项目组经过讨论，采用了一条依据仪器和设备发热量的不同对其进行不同处理的方法，来解决蒙牛马鞍山自动化立体冷冻仓库各种仪器设备的低温和高湿度问题。同时，在系统设计和软件设计上，充分考虑系统的自我恢复能力和冗余设计，确保系统强大的抗干扰能力。令人欣慰的是，通过近半年的使用，设备性能达到了预期的设想。这条道路不仅突破了技术瓶颈，也为用户找到了一个低温物流设备的性能与价格之间的平衡点。

低温库与常温库的区别

作为自动化立体仓库，在常温下与低温下的运作有其共同的地方，但差异点还是很多的。太原刚玉的现场工程师许军详细向记者介绍了其间的差别。

1．工艺设计区别

低温自动化立体仓库由于其系统及装备运行在不同的温度区，在设计不同温度区的物流工艺状态时，必然有所区别。在不同的温区内根据操作员／维护人员的工作条件，设计最适合的物流工艺。

2．管理系统区别

按照国际惯例，管理系统的设备调度管理，只需要把设备最大性能的90％发挥出来就可以。但是在低温自动化立体仓库中，由于设备性能每上一个台阶，造价就会翻一倍。为了提高系统性价比，最大效率地发挥设备性能，设备调度管理必须可以使设备满负荷工作。为了达到这个要求，项目组重新设计信息流程，从而达到信息一触即发、设备无间隔的执行作业能力。

3．控制系统区别

控制系统为物流工艺服务，不同的物流工艺决定了不同的过程控制。在低温冷库中，操作人员与维护人员不可能长时间地在冷库中工作。因此，对于低温冷库中的工艺设计应遵循：全自动化、无人值守的工作能力；设备故障自诊断，并可智能分类；冷库中的堆垛机、单工穿梭车、输送机作业无人监护。所以整个控制系统所要实现的过程控制必须满足以上工艺要求。

与常温自动化立体仓库相比，控制系统最大的区别就是，设备故障自诊断功能、自动恢复运行功能将不是可选功能，而是性能必须可靠、功能必须完善的必备功能。在对物料、设备的安全防护上，低温自动化立体仓库与常温相比需要更加智能、更加完善、更加可靠。

在常温下自动化立体仓库，为了确保作业和操作司机人身安全，巷道堆垛机设置有一系列机械及电气安全装置。在低温冷冻库中由于其工作状况同常温的差异，其设备保护功能需要由这种机电组合的保护模式转变为机、电、软三位一体的保护模式。在控制系统的构建上，对设备运行的速度、加速度、位置状况进行实时的监测、分析，进行预警式处理。并采用不同的控制策略对系统进行盲控运行、降效运行、测试性运行等，达到在保证绝对安全的前提下使系统可以不间断地运行。

在冷库中由于触摸屏、设备状态指示灯的工作状态不佳，同时人机界面(HMI)设备使用率低，在冷库中的堆垛机采用了没有人机交互的控制系统，这种控制系统的特点是：结合操作人员的操作控制在进行必须的安全保护的情况下，必须有所反应。如果用常温下带有触摸屏或状态指示与操作按钮的控制系统，设备将变得不可操作。为此，项目组设计出一套“忠实执行”控制系统，修改了堆垛机的传统操作工艺。在保证了正常使用的可操作性的同时，也增加了堆垛机的调试(机械调试、电气调试)可操作性。

4．电气设计区别

常温的自动化立体仓库的电气设计可以像搭积木一样组合各个电气部件。低温库的电气设计考虑最多的是，电气部件对其承载平台、工作环境适应能力，如何构造适应各种电气部件的承载平台、工作环境，各电气器件的组合问题放在了次要的位置。自动化物流设备在低温库中的应用

在低温冷冻库中，人们除了关心设备的使用寿命外，最关注的还是设备性能。对定位精度要求高的堆垛机，一般采用“变频调速+激光测距”。在控制上只要稍作处理就可满足客户的需求。但在低温库这一恶劣的环境要求下，“变频调速+激光测距”这种工作模式受到挑战。这种工作模式只有在驱动部件工作稳定的条件下，才能高效率的运转。在低温状况下，驱动部件工作稳定度较低，导致常规调试方法不能满足在不同温度状况下工作时堆垛机的定位精度。为提高设备定位精度，项目组通过对设备预热的技术，限制了驱动部件工作性能的波动范围，同时采用智能定位技术，动态的调整定为控制策略。通过两项技术的结合，使得设备在保持高效工作的前提下，其定位的精度达到了常温的定位精度(±3mm)。

目前，在马鞍山低温库(南库)运行的物流设备主要有堆垛机(单工4台、双工1台)、输送机(35台)、伸缩输送机(10台)、穿梭小车(单工2台、双工2台)、升降机(4台)、货架(5712个货位)。

堆垛机整个系统由任务规划生成、测量系统、控制器、运动控制执行驱动器、安全监视报警、管理系统和冷库堆垛机机械平台组成。其中，控制器的性能决定冷库堆垛机运行与停车的平稳性和停车精度，安全监视报警确保冷库堆垛机存取货物的安全和可靠，任务规划生成器为本次作业规划运行速度和路径。冷库堆垛机系统能力：满足最少每小时提供372个托盘的作业能力。

冷库堆垛机在-25％低温下系统运行可靠的保证，关键在于电气元件是否可以在低温下可靠运行。这里选用的元器件，如PLC、变频器、认址器、起升采用光电+编码器、通讯、低压电器、传感器、卡轨及接线端子等都是低温专用产品，能都保证在—25％温度下可靠连续运行。控制柜采用全密封结构，内部配置加热装置。冷库堆垛机采用变频调速技术，起停时速度以S形曲线运行，运行更加平稳。堆垛机运行速度：行走160米／分；升降60米／分；货叉20／40米／分；复合作业时间90秒。

穿梭车穿梭车输送系统是联结生产入库的运输中枢，入库作业都必须经过穿梭车输送系统。入库0℃区采用双工位穿梭车，车体上可以有两个托盘位，一个存放货物，一个用于托盘的拆分。-25℃区采用单工位穿梭车，用于货物的分配。穿梭车运行速度：行走120米／分；输送12．4米／分；复合作业时间60秒。

输送机输送机系统中的输送机采用辊式输送机与链式输送机配合使用。所有输送机设有安全防护装置，包括电机和端子箱的防护外壳，驱动输出部分和张紧架设防护罩以防输送机运转时造成意外伤害，对有些暴露在外面的部分增设防护设施，防止人员违章靠近。考虑到低温使用环境，选用低温专用电子元器件，控制柜采用全密封结构，内部配置加热装置。

货架采用双货位横梁式组合冷库货架。钢材采用的是适宜冷库的专用材料，可在低温环境长期使用。高层货架设置12层，总高20122mm。低温库对货架整体的强度和刚度要求非常高。由于需要和自动化存取设备——巷道堆垛机配合使用，因此，对货架制造安装精度的要求也非常高。这里充分考虑了低温条件下货架和其他设备的配合公差、立体库货架设备在地震等特殊工况下整体刚度和稳定性的指标要求。