智能自动化立体仓库在铝挤压材物流管理中的重要作用及推广前景

发布时间：2017-12-13 作者：刘静安唐性宇冯杨明李伟萍陈文泗罗铭强来源：西南铝业集团公司

关键字：智能自动化立体仓库立体仓库

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简介铝及铝合金加工工业特别铝挤压材加工工业的技术现状与发展趋势，着重分析长直杆铝挤压材的分检、包装、储存与运输的现状及存在的主要问题，智能型自动立体仓库的特点及其在长直杆铝挤压材物流和管理中的重要作用，国内外发展现状与趋势，以及智能型自动化立体仓库在长直杆铝挤压材产业及其他产业中的推广应用价值与前景。

1 铝加工工业快速发展对物流管理提出高要求，

1．1铝加工工业与技术现状与发展趋势

20世纪90年代以来，世界铝工业进入高速发展期，以节能减排为中心的轻量化材料的发展和应用是铝材工业发展的重要特点和趋势。目前，世界铝产能达7 500万t／a，铝材产能6 500万t／a，产量6 000万t／a。表l为国内外铝加工工业发展概况。到2020年，世界铝产能可达1亿t，产量可达8 000万t／a，铝加工材产能可达8 000万t／a，产量可达7000万t／a以上。我国目前铝产能达4 500万t／a，产量3 100万t／a，铝加工材产能3 800万t／a，产量3 500万t／a。到2020年我国铝产能可达6 000万t／a，铝加工材产能可达5 000万t／a(其中挤压材2 600万t／a，轧制材2 400万t／a)。2003—2015年我国铝挤压材年生产能力及产量见表2。

表l 2015年世界与中国铝加工材产量

Table 1 Wodd and Chinese output of aluminum fabrication products in 2015

表2 2003年～2015年我国铝挤压材年产能及产量

Table 2 Domestic yield and capacity of extruding products in the period of 2003-2015

我国已成为世界的铝业大国、铝挤压材生产大国、铝消费大国、铝出口大国，但不是铝业强国。

随着我国经济的持续发展，工业现代化和城镇化的加速，以及人民生活水平的提高，文明程度的进步，对铝合金材料提出了新的要求，特别是在国防现代化、现代交通轻量化、绿色建筑、美化城市、新能源和海洋工程等节能减排方面，以铝代木、以铝代钢、以铝代塑、以铝代铜等成为发展的趋势。在铝合金挤压材的市场方面主要有以下特点：

①民用建筑铝型材(门窗幕墙等装饰材料)将持续稳定的增长，以满足我国工业现代化、城镇化发展的要求，估计还有20年左右的增长期，平均每年增长6％～8％。

②绿色建筑用施工机械和结构材将迅速发展，铝合金模板、脚手架等普及到70％以上，每年平均需用35万t／a左右，绿色建筑结构材(包括大型公共建筑结构、人行天桥和桥梁结构、城市三杆等)每年需要40万t／a以上。

③工业铝挤压材将在工业现代化刺激下，高速持续发展，每年平均增速可达到10％一15％。

表3为2020年我国工业铝挤压材市场预测值。

1．2我国铝挤压材物料分检、包装、储存、运送的现状与存在的问题

1)铝长直杆挤压材生产工艺流程

铝长直杆挤压材的合金品种多，规格范围大，使用领域广泛，性能功能要求多样，因此生产技术难度大，有的要经过几十道工序才能生产出合格产品，特别是有的工艺材料，品种多批量少，性能要求特殊，技术难度更大。图1为典型的铝长直杆挤压材生产工艺流程。

2)传统的物料分检、包装、储存、运送方式

铝挤压材由于合金品种多、规格范围大、应用领域广泛，特别是有些工艺材料品种特别多而批量又很少，给分检、包装、储运造成很大困难。而目前我国大多数生产厂家仍然是地面堆放，部分料框存放，人工分检、包装，叉车或吊机存取搬运，机械化自动化程度低，造成物流、人流、信息流不畅。生产效率低下，给物流管理带来很大麻烦。

表3 2020年我国各行业对大中型铝挤压材的需求量预测

Table 3 Estimated amount of large and medium sized extruding products demanded by domestic industries in 2020

图1 铝合金长直杆挤压材典型生产工艺流程

Fig．1 Typical process flow of long straight bars of aluminum alloy extruding products

3)现有传统分检、包装、储运方式的主要问题现有储运方式的机械化自动化水平低，给铝挤压材的物流管理造成很大困难。特别是对铝长直杆件(如型材、管材和棒材)大部分为6 Ill一8 m长，小部分工业材例外，在年产量达10万t／a以上的大中型挤压生产厂会出现以下主要问题：

1.占地面积大，土地使用率低，空间利用率低；

2.搬运工作量大，使用人员多，费工费时，效率低下，人工成本高；

3.存在人身、产品安全隐患，人工搬运易造成人员、货物磕、碰、擦伤；

4.大量的货物堆放在一起，依靠人工管理，易出现发错货或找不到货的情况，库房管理困难；

5.重复劳动较多，常常需要倒货、倒库；

6.人工记账，效率低下，账目易出差错；

7.无法推行现代化管理，账目无法与公司的ERP系统无缝对接，出入库信息无法及时反馈到销售、财务、信息中枢等部门。

1．3铝长直杆挤压材对物流管理的新要求

随着经济的发展、对外贸易的增长和世界经济一体化的趋向，物流迅速上升为与高科技、金融业并驾齐驱的三大朝阳产业之一，被称为企业在降低物质消耗、提高劳动生产率以外的“第三利润源”。2009年，我国出台了《物流业调整和振兴规划》，其中重点提出了推动重点领域物流发展，包括石油、煤炭、粮食、棉花、汽车、烟草等10多个领域；优化物流发展的区域布局，加强物流基础设施建设的衔接与协调；提高物流信息化水平；加强物流新技术的开展和应用。多项政策的出台将大大推动物流和仓储的发展。

近些年来，铝加工业迅速发展，产、销量不断扩大，出口量不断增加，传统的储存、运输方式已不能满足生产发展的要求，铝加工材特别是长直杆铝挤压材对现代化物流管理提出了新要求：

①铝挤压材出入库自动化。自动化立体仓库运行时，只要发出入库或者出库指令，全部的入库、出库作业都由设备自动完成。

②仓储形式立体化。要求尽量提高仓库空间利用率，仓储层高要求为10层以上，靠近厂房屋顶方向的几列要求尽可能提高层数。以提高仓库的容积比例，节约土地资源，减少土建投资。

③挤压材搬运无人化。传统的物料搬运通常都是行车吊取、人工挂钩、人工搬运或叉车叉取。在作业过程中，不免存在人与设备安全、能源消耗、环境污染及劳动职业卫生方面的问题。因此，要求实现挤压材出入库、库内无人化自动搬运。

④仓储管理智能化。平面仓储管理都用人工记账，入库量、批号、客户信息、产品种类、数量、颜色、型号、米重、总重量等大量信息都需要人工统计记录。容易出现差错。现代化立体仓库要求实现仓储管理智能化，以避免库存数据、发货数据的差错和发错货等现象。

⑤信息传输网络化。挤压材成品仓储工作与厂内各部门联系较多，要求实现信息传输网络化，使各部门之间信息互通共享，减少或取消纸质文件信息交流方式。

⑥满足大批量生产要求，每座立体仓库库位应在5 000个以上，储存量达3000 t～3 500 t以上，每天出、入库铝挤压材不少于300 t。

2国内外智能自动立体仓库发展概况

2．1智能型自动立体仓库的工作原理与特点

自动化立体仓库是社会物流和企业物流的节点设施，一般由几层、十几层、几十层的货架存储货物，用相应的物料搬运设备进行货物的人出库作业，用自动化控制管理系统进行作业控制和管理，也称高架仓库。

常用的物料搬运设备有巷道式堆垛起重机、高位叉车、辊式输送机、链式输送机、升降机、自动导向车等等。其中，巷道式堆垛机(简称堆垛机)是应用最广泛的库内物料搬运设备，也是立体仓库设备技术含量较高的机械设备之一。

近些年来，随着科学技术的进步，国内的仓储及物流设备的技术水平和性能已经基本达到国际先进水平，自动化立体仓库已广泛用于军队后勤、物资、胶片、医药、电机、纺织、轻工、机床、乳制品、化纤、食品、家电、化工、工程机械、机场、配送中心、铁路动车检修、烟草等行业。

自动化立体仓库的广泛应用，较好地解决了单元货物的立体化存储，实现了设备运行自动化、智能化，进销存管理数字化，不仅提高了土地利用率、存取效率、配送精度；而且降低了货物损耗、劳动力成本。但长直杆件(6 m以上)、重载货物(单元货物3t以上)的立体存储仍旧发展缓慢，在我国更是很少。

2．2 建立智能型自动立体仓库需要解决的技术关键

智能型自动立体仓库(高架仓库)的建立与运营是物流管理业上的一次大革命，对于提高整个社会与企业的物流水平，提高生产效率、节约土地和劳动力、节约成本乃至提高整个社会的文明程度，改善人民生活质量等都是有重大的经济效益和社会效益。但是，立体仓库的设计、设备配置选用与制造安装的技术含量很高，特别是长直杆挤压材的入出库作业流程也比较复杂(见图2)，同时要实现机械化，自动化、智能化管理的技术难度更大，需要解决一系列关键技术难题：

图2 入出库作业流程图(以广东华昌铝厂高架仓库为例)

Fig．2 Operation flow chart of entering and exiting storehouses(taking the hish rack storehouse of Guangdong Huachang Aluminum Co．，Ltd．as all example)

①货架承载能力计算、试验和货架定型。仓储货架是自动化立体仓库存储货物的基础设施，要求有良好的承载、抗震能力和结构稳定性。

②长直杆件堆垛起重机。堆垛机是自动化立体仓库中担负自动存取货物的起重运输设备，一般所使用的双立柱堆垛机在运行方向上尺寸是普通堆垛机的4～5倍。尺寸的加大对堆垛机的刚性、稳定性、同步性必然带来更高的要求；需要开发新型的载货台和货叉机构及提升机构。

③长直杆件料框。料框是铝型材的基本存储、搬运单元，它既要满足挤压型材的存储、搬运过程中不损坏、不变形，满足堆垛机、叉车在存取过程中的叉取，同时还要求空载时可以堆叠存放。

④开发专用的自动控制和管理系统。开发适合于各类自动化立体仓库要求的计算机自动控制系统和ERP管理系统改造，以实现各管理部门、生产现场与仓库的实时通讯和数据交换。

2．3国外智能型自动立体仓库的发展概况

现代化物流产业是世界公认的朝阳产业之一，对人类社会的进步有重大的经济效益和社会效益。先进的工业化国家在20世纪80年代开始研发智能型自动化立体仓库，并已在石油、煤炭、粮食、棉花、汽车、烟草、轻工、化工、医药、军队后勤、机场配送等行业中获得广泛应用。在铝加工方面，首先在铝板、带、箔材的生产中获得了应用。例如2010年由美国设计制造亚洲铝业公司建成的配备了热、冷轧卷立式11层的智能型综合高架储存仓库，实现1972卷全智能现代化物流系统，使大批量铝合金热、冷轧卷材实现了最便捷的输送和控制。该物流系统有超大型、智能型、温控型、高效型等特点，其主要优点是：①确保最佳的储存和流通量；②实现对有效空间的高效利用；③保护材料免受损伤；④降低管理和处置成本等。

在铝合金长直杆挤压材的存储方面一般采用悬臂货架存储，桥式堆垛机存取的方式。意大利BON-FANTI公司开发了较多的这种产品，多用于钢厂企业。应用特点是：长直杆件存储量不大，重量较大，出入库量和频率较低，所以库房比较低；堆垛机速度提升速度为20 m／min，行驶速度为60 m／min，运行速度为30 m／min。虽然该技术有了长足的进步，但还是无法满足华昌铝业公司的铝挤压材大于300t／d的出入库要求。而BONFANTI的竞争对手如德国沃尔特(Vollert)、德国迪森克虏伯、德国西马克、日本JFE等公司，目前还都没有相应项目的开发和应用。经过调研，目前长度达到6 500 mIn，重量在l 000 kg左右，出入库频率达到每小时上百件(框)流量的长直杆件立体仓库在国际上还正在研发中。

2．4我国智能自动立体仓库的发展概况及典型实例分析

1)我国智能自动立体仓库的发展概况

目前，国内企业普遍采用的是平面库、单层或双层库，占地面积大，库房低，空间利用率低；采用桥式起重机、叉车或人工搬运的方式；出入库频率低，未实现数字化管理。

随着经济的不断发展，物资运输节奏的不断加快，土地资源的日益紧缺，市场对长直杆件货物在物流节点的存储、存取效率、精度及土地的利用率提出了越来越高的要求，国内原有的储存、存取模式和设备已经不能满足发展的要求。

21世纪初，西南铝业(集团)公司为了缓解铝合金轧卷的堆放，储存与运输的矛盾，从德国引进了一座高lO多层的智能高架仓库，为我国铝加工材的现代化物流管理开了先河。

近几年，国内少数铝合金挤压厂家(如坚美铝材厂)，在学习国外技术基础上开发了悬臂式货架存储，叉车搬运、存取的模式。但受设计能力的限制，仍然存在着占地面积大、库房空间利用率低、未实现数字化管理，入出库频率低等缺点。

2011年广东华昌铝厂与北京高科物流仓储设备技术研究所和太原高科锐志物流仓储设备有限公司合作，在消化吸收国外先进技术与设备的基础上，研发设计、制造、安装、投产了我国第一条直杆件智能型自动立体仓库，解决了铝合金长直杆挤压材的分检、包装、储存、运输中的诸多难题，实现了长直杆铝挤压材物流管理的自动化和智能化，在我国起到了示范作用。此后，很多同行业厂家(如伟业铝厂、兴发铝业、银一百铝业、南平铝业、力尔铝业、豪美铝业等公司)相继组建智能高架仓库，掀起了铝加工行业物流现代化建设的高潮。

2)我国已建智能自动立体仓库典型实例分析

广东华昌铝厂智能自动立体仓库是我国第一座自行设计制造的长直杆铝挤压材立体仓库，具有创新性、技术先进性、经济效益和社会效益明显，有示范作用。其主要结构设计特点及技术参数如下：

①自动化立体仓库主要技术参数见表4。

②巷道式堆垛机主要技术参数见表5。

③仓储周转期设定：采用平面仓库储存铝型材时产品的储存期平均为3个月一4个月，储存量最大时为2700 t以上，且占地面积大。自动化立体仓库(10层一11层)投入使用后，产品的储存期平均为1个月一2个月，储存量最大可达3 500 t，且占地面积小。

表4 华昌铝厂的自动化立体仓库主要技术参数

Table 4 Main parameters of the automatization tridimensional storehouse of guangdong huachang Aluminum Co．，Ltd．

表5 巷道式堆垛机主要技术参数

Table 5 Main parameters of the drift—type piler of Guangdong Huachang Aluminum Co．，Ltd．

3 智能自动立体仓库在长直杆铝挤压材物流管理中的重大作用及推广应用前景．

3．1智能自动立体仓库的技术先进性和经济社会效益性

1)技术先进性及创新特点(以华昌铝厂为例)

铝挤压材自动化立体仓库是采用计算机、自动控制、网络、信息、通讯、激光、红外等现代技术集成并相互渗透、有机结合形成的智能物流存取系统。该系统满足铝挤压材大型化、自动化、智能化、高效率、高精度、低损失、高管理的要求，实现了堆垛、出入库、分检拣、数据采集和管理等功能。填补了国内铝挤压材高层、高密度自动化立体仓库的空白，对加

速发展我国铝合金挤压工业和技术也有实际意义。其主要创新特点有：

①研究开发了适合于长直杆铝挤压材用的高层、高密度自动化立体仓库，解决了长直杆铝挤压材成品的仓储占地面积大和出人库效率低下的难题；推动了铝合金挤压材成品仓储自动化技术的进步，具有空间利用率高、节能降耗、仓储管理化等特点。

②设计、制造了组合式长直杆件高层货架，解决了自动化立体仓库存储货物的基础设施；组合式铝挤压材货架具有良好的承载、抗震能力和结构稳定性。

③设计、制造了铝型材堆垛机，解决了自动化立体仓库中长杆件物料起重运输问题；采用曳引机双动滑轮提升机构达到了快速提升、节能减排的目的，具有结构稳定刚性好等特点。

④建立了铝挤压材自动化立体仓库信息管理和自动控制系统，实现了智能化，大大提高了存储效率，缩短了存取时间。

2)经济性效益分析分析(以华昌铝厂为例)

①高架仓库占地面积小，投资少。如按lO层计算，可减少占地20000 m2～30 000 m2，并大大减少土建费用，据估计合计可达5 200万元～7 800万元。

②节省人工，降低人工成本。按华昌铝厂现有生产能力计算，如采用原出入库方式，每班需配备出入库信息员28人，入库工48人，出库工48人，共需124人。采用智能型自动化立体仓库后，需信息员9人，入库工9人，出库工36人，维护工1人，合计需62人，可减少62人，则每年可节约人工费用276万形a～372万形a。

③提高了入出库精度和效率。采用人工库时，每天平均最大出入库物料量合计为460 t，入库需要时间24 h，出库需要时间14 h，出入库合计耗时40h，则平均出入库物料量为460／(24+14)=12．1 t／d。

使用自动化立体仓库后，铝型材出入库及库内的搬运实现了机械化、自动化作业，每天平均最大出入库物料量合计为600 t，入库需要时间24 h，出库需要时间9 h，出入库合计耗时33 h，则平均出入库物料量为600／(24+9)=18．18 t／h。

自动化立体仓库比人工库提高入出库效率=(18．18一12．1)／18．18 X100=33％。按铝材最大平均产量300 t／d，即自动仓库比人工仓库多出入库物料数量=300(1—1／1．33)一74．4 t／d。按年工作时间330 d、人工出入库物料平均费用64．3元/t计算，则：每年可降低出入库人工费用为74．4(t／d)×330(d)×64．3元／t=157．87万元。还解决了过去长期存在的库内有料、出库时找不到料，造成库存死料或错发货退赔等问题。以前平均每年因此类问题报废报废的型材有100 t～120 t，按平均每吨型材加工费2 500元计算，则每年造成的经济损失为(100 t一120t)×2500元t_／t=25万元～30万元。

④员工劳动强度小。采用自动化立体仓库后，铝型材出入库及库内的搬运实现了机械化、自动化作业，员工通过人机界面操作，从繁重的体力劳动解放出来。且每车型材的装车时间由原来的14 h缩短到10 h，减少装车时间4 h，即员工在不减少收入的情况下可以提前4 h下班休息。

⑤节能减排。巷道式堆垛机行走电机功率叼姜10kW，只有同类电机功率的四分之一，节约用电功率30 kW。本立体仓库共有7台堆垛机，如平均每台堆垛机一天工作12 h，则每节电83．16万kW，节约电费60万元。

通过以上分析可知，采用自动化立体仓库后，仓储环节可减少投资(2400～3600)+(2800—4200)=(5200～7800)万元。年提高经济效益为(276+157．87+25+60)～(372+157．87+30+60)=(518—620)万元。

3)社会效益分析

①自动化立体仓库占地面积小，空间利用率高。目前，我国共有铝型材企业900多家，如有十分之一左右的厂家使用这样的仓库，则：土地占用可减少费用为(20000～30000)X 100=200～300万in2，减少仓库土建投资为(20000～30000)in2×1400衫m2×100=28亿元一42亿元。

②节能减排效果显著。巷道式堆垛机行走电机功率卵≤10 kW，只有同类电机功率的四分之一，节约功率30 kW。本立体仓库共有7台堆垛机，如每年节约电费达30×7×12×330×0．73=60(万元)。按每度电减少二氧化碳排放0．997 kg计算，则：减少C02{jF放量为7(台)X30(kW)×12(h)×330(d)×0．997(kgC02／kWh)=829t／a。

3．2智能型自动化立体仓库的发展趋势及在我国推广应用前景

1)发展趋势

我国铝合金加工材是世界产销大国和出口大国，提高其储运、物流水平具有重大意义，特别是长直杆铝合金挤压材的分检、包装、储存、运输过程比较复杂，技术难度比较大，智能型自动立体仓库的研制成功，为现代化物流管理开辟了一条崭新的道路，华昌铝厂高架仓库的投产，经过一年的试运行，项目各项指标都达到了预期目标和要求，使用现场反映良好。说明项目的研发成果完全适用于铝型材行业的成品仓储作业。是今后同类产品物流管理的方向。

存在的不足是：由于运行方向型材尺寸长，在型材、堆垛机、地轨、天轨等因素综合作用下，运行初期堆垛机导轮有侧向力不平衡的现象，经改进明显好转，还需进一步长期观察运行效果。

2)推广应用前景

长直杆铝挤压材自动化仓库的成功研发应用，实现了真正意义上的铝挤压材人、出库自动化，仓储立体化、型材搬运无人化，仓储账目管理智能化，库存信息共享网络化。

由于长直杆铝挤压材自动化立体仓库是采用计算机、自动控制、网络、信息、通讯、激光、红外等现代化技术集成并互相渗透、有机结合形成的智能物流存取系统。该系统具有土地利用率高、出入库效率高、仓储高层立体化、型材搬运无人化，库存账目管理智能化、库存信息共享网络化、节能、用人少、劳动成本低等优点，具有良好的技术、经济效益和社会效益。智能高效仓库已在坚美铝业、新河铝业等企业推广使用，除了适合铝型材企业推广应外，对其他长直杆件生产、储存、流通的行业如钢铁、有色金属、非金属材料等行业均有重要的推广意义，前景十分宽广。

4 结束语

现代化物流管理对保持国民经济的高速持续发展、对外贸易的不断增长和世界经济一体化水平的提高具有重大作用，智能型自动化立体仓库(高架仓库)是长直杆铝合金挤压材的分检、包装、储存、分发、运输的最先进最有效的物流管理方式，可节省大量土地资源，节约大量土建投资，提高生产效率和储运精度，节省劳动力和劳动强度、节能减排、大幅度降低成本，具有显著的经济效益和社会效益，有广阔的推广应用价值和前景。

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