作者：張衛國

隨著物流產業的迅猛發展，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勢、運作成本優勢與系統化智能化管理優勢，已發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概述 | 連載1-1|1-2》，系統介紹四向穿梭式自動化密集倉儲系統的規劃。

四向穿梭式自動化密集倉儲系統的規劃

托盤四向穿梭式自動化密集倉儲系統的規劃涉及倉儲設施布局、貨架配置或設備數量優化，及其對企業投資建設過程中的影響，盡可能在保證系統吞吐效率的前提下，降低投資成本，且應考慮后續運行過程中的運營成本。目前規劃設計從業人員多集中于儲位分區和調度路徑優化問題，而對于系統資源配置方面的優化還缺乏。

1)輸送機與消防系統配合：主要涉及各庫區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備影響；消防與設備聯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。

2)托盤四向穿梭車與輸送機的接駁動作與機構匹配性設計，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構的選材校核與結構設計，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)電氣控制系統規劃、強弱電的布局規劃與施工評估；電氣系統設備主要由配電柜、主控制柜、現場控制箱、現場操作員終端、條碼識別器、變頻器、現場總線組件、控制接口組件等組成；系統采用遞階式多層結構，分別為系統監控層、車間控制層、設備執行層。采用工業以太網及PROFINET/PROFIBUS-DP現場總線技術將物流控制系統連接起來，構成了一個穩定，可靠的系統環境。

系統監控層：倉儲監控管理系統，根據WMS系統下達出入庫計劃進行計算機管理，WMS物流管理系統通過（切換和全雙工）工業以太網與控制系統相連，接受WMS管理系統的指令，執行叉車任務、托盤四向穿梭車、托盤貨物提升機、地面AGV、輸送等設備作業監控，上報現場設備運行狀態數據，存儲工藝流程參數及生產歷史數據，完成整個自動化物流系統的運行。上位PC機作為監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），操作人員通過設置及監視系統運行參數。計算機之間采用工業以太網連接，形成一個物流系統數據共享的統一解決方案。系統運行的軟件平臺采用Windows 系統+WCS軟件，運用圖形化的方式提供強大的控制功能，具有統一的操作、運行中文界面。目前公司的應用系統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，具有統一的操作、運行中文界面，同時便于系統的再開發與維護。

車間控制層：中央控制器有（切換和全雙工）100M帶寬聯網功能及PROFIBUS-DP現場總線接口，既能滿足與上位機（監控站）聯網通訊，實現監控的功能，又能實現上位機與自動化系統（控制單元）間的通訊，適合于自動化系統與現場信號單元的通訊，滿足現場智能化儀器儀表及數字控制系統的需求。具有高可靠性、安全性、開放性、高速性和易于擴展等優點，信號遠程采集方式為就近信號采集，節省空間布線簡單，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、傳感器和其它現場電器與儀表，節省了施工調試以及今后系統運行的維護費用，并為今后擴展和更新設備預留了足夠的空間。PROFINET / PROFIBUS-DP現場總線是一種開放式的現場總線標準，其中DP是為自動化系統與分布式的外圍設備或現場設備而設計的。傳輸介質采用專用屏蔽DP電纜線，系統采用總線式的拓撲結構，各設備采用總線接插件連入總線，數據傳輸速率為最高12MBbps。

設備執行層：各子站系統、分揀車間的托盤四向穿梭車、自動備貨與自動分揀的生產工藝設備的運行、停機、故障報警等各種過程控制。通過現場操作員終端可以對每臺設備實現手動/自動切換，單機/聯機運行及狀態指示與反饋等功能。通過上位監控系統可以監控整個自動化物流系統所有設備的運行狀況、貨物的所在位置及相關運行數據等。行程開關、接近開關、電磁閥等開關量進入遠程I/O控制箱，通過現場總線電纜傳遞至主控機。這樣可以降低電纜成本，使系統具有靈活的可擴展性。

4)系統規劃與流程設計：系統整體技術架構圖、系統概要、軟件設計、數據庫架構、B/S架構體系及系統測試報告完整；WCS系統上層通過以太網與物流管理系統聯接，接收WMS系統的指令，能與上位WMS/ERP系統進行無縫連接，接收WMS/ERP系統的生產任務指令，分解下達給執行設備，接受執行設備的運行數據，并反饋作業狀態及作業任務執行結果。可通過監控計算機遠程設置、控制執行設備（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，執行設備能夠根據指令執行相應動作。服務器采用雙機冗余熱備設計，下層通過工業總線、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備控制系統通訊，下達設備運行指令并采集/接收設備運轉狀態及作業任務執行狀態；系統具有良好的擴展性，支持系統物流設備的改造、增加等。設備控制系統采用三層或多層架構設計，負責接收作業指令，必須保證可靠性和響應速度，當上位機系統異常時，保證單個設備能夠獨立運行，能夠實時監控設備參數、運行情況，能夠及時、準備反饋異常原因并產生異常記錄；WMS和WCS系統是兩個相對獨立的系統，通過接口實現數據通信。WMS和WCS系統之間實現托盤信息的交換，托盤信息主要包含托盤編號、商品品種和數量等；發生設備異常時，WCS系統及時將設備異常信息告知WMS系統，便于WMS對即將下發的作業任務進行調度，自行負責托盤進出路徑優化和存儲位置調整，系統數據自動備份存檔。

圖5   系統整體框架圖

托盤四向穿梭式立體庫貨架鋼結構的設計與規劃

托盤四向穿梭式立體庫鋼貨架結構的設計與規劃的難點主要集中在倉庫內托盤四向穿梭式鋼貨架結構與建筑結構的匹配設計和優化，托盤四向穿梭式立體庫多在已有建筑的基礎上進行改造、設計與規劃，在考慮倉儲功能區域規劃、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、規劃、設計與校核；

托盤四向穿梭式立體庫的規劃設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格尺寸、庫區建筑樓層高度、建筑地面的承重與地面不均勻沉降要求、建設與運營成本、存儲搬運設備運行效率及其可靠性配置等因素，并以此構建托盤四向穿梭式高位鋼貨架結構的結構模型和力系分析因子，托盤四向穿梭式鋼貨架結構采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，用分項系數設計表達式進行設計與計算，其中承重構件按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別設計；

并根據結構的重要性、荷載特性、結構形式、應力狀態、連接方法、鋼材材性與厚度、工作環境等因素綜合考慮，非承重構件主要按鋼貨架結構構造要求設置；

其中：托盤四向穿梭式立體庫貨架立柱按照雙向壓彎構件進行校核，需要考慮立柱正面或側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的強度設計值的計算方法等，驗算內容包括貨架立柱片及其構件的強度、剛度與穩定性計算與校核，穩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人員容易忽視或不作驗證的地方，也容易誤認為穩定性校核就是整體穩定性校核，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件校核，在地震荷載工況組合下梁構件校核，均需驗算變形與強度兩方面的內容，并需要校核梁端節點的強度與扭轉剛度，一般可以依照簡支梁做構件校核，節點校核則需要一定的試驗數據做支撐，尤其是當閉口截面長寬比超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定性與整體穩定性要求，或試驗校核與驗證承載能力的削弱局部穩定系數；橫斜補受壓時按照兩端鉸接的受壓構件進行校核，受拉時除按照受拉構件校核外尚需校核橫斜補節點的抗拉強度；柱間支撐用拉桿包括背拉桿與水平拉桿，均按照受拉構件校核，同時需校核連接節點的抗拉強度，通過加強柱間支撐體系可提高托盤四向穿梭式立體庫結構的抗側移剛度；考慮貨架在各種荷載組合下的最不利效應進行結構驗算或部件校核；確保托盤四向穿梭式立體庫鋼貨架結構能滿足強度、穩定性及變形要求。

托盤四向穿梭式鋼貨架結構的設計與規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，有效評價整體系統的運營成本與投資性價比，有效評價結構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備或系統之間的對接精度與匹配控制、構件幾何制造安裝精度或初始缺陷等構造影響；根據《鋼貨架結構設計規范》和《建筑抗震設計規范》等相關規定，貨架設計時可僅考慮水平地震作用的影響，不計豎向地震作用，作用于貨架結構的地震作用宜采用振型分解反應譜計算，以便考慮結構的扭轉耦聯效應。

托盤四向穿梭式鋼貨架結構的設計與規劃需要詳細分析客戶物流工藝要求、倉庫建筑結構及其形式、基礎承載能力等基礎資料，研究客戶的物流運作模式和基本成本構成、物流單元化標準制定和驗證、物流效率分析與比較、消防、照明等附屬設施的配置、人員構成等，形成合理的物流解決方案，確定基本合理的平面布局規劃或空間模擬，根據具體項目規劃信息，確定結構特征單元與結構模型，手工計算獲取托盤四向穿梭式鋼貨架結構的基本結構選材、節點設計與優化、構件內力及變形控制限值等設計計算信息，再通過有限元參數化建模及其分析，進一步分析特定構件的受力與變形，獲取整體結構模型的模態分析結果，查詢各工況下構件的應力、變形等分析結果，針對模型中各構件長度及長細比進行設計校核，獲得有效壓彎應力比、剪切應力比等構件信息，對比基本構件的內力與變形模擬計算，再與手工計算條件進行對比、優化、校核或試驗驗證，在確保各構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定性與承載能效比，確保托盤四向穿梭式立體庫鋼貨架結構滿足設計要求。