劉 偉,劉 珂,趙 云
(1. 科大智能物聯(lián)技術(shù)股份有限公司,上海 201601;2. 達(dá)力普控股有限公司,河北 滄州 061000)
石油管是被用于石油挖掘、石油精煉及石油運(yùn)輸?shù)臒o縫鋼管。石油管的生產(chǎn)制造與倉儲物流,是石油能源產(chǎn)業(yè)的“生命線”。我國提出中國制造2025 宏大規(guī)劃,傳統(tǒng)石油管制造行業(yè)逐漸展開了工廠智能化與信息化的改革。其目標(biāo)是建立一個(gè)高度靈活的柔性化和數(shù)字化的生產(chǎn)與倉儲模式,從根本上實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)質(zhì)量,提升生產(chǎn)效率。達(dá)力普控股有限公司(簡稱達(dá)力普公司)構(gòu)建了一套“石油管智能倉儲與制造系統(tǒng)”,在行業(yè)內(nèi)率先建立了基于智能化立體庫房的石油管智能周轉(zhuǎn)庫,實(shí)現(xiàn)管材制造與倉儲的智能化管控。
周轉(zhuǎn)庫是承載物資存儲,銜接區(qū)域庫和車間班組庫配送活動的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),倉庫布局是否科學(xué)合理直接影響整個(gè)倉儲配送管理系統(tǒng)的高效運(yùn)行[1-3]。同時(shí),融入智能化算法技術(shù),可以有效地提升周轉(zhuǎn)庫的物流績效[4]。其中,智能化計(jì)量周轉(zhuǎn)庫房是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和物流倉儲技術(shù)建成的智能化倉儲設(shè)施,對計(jì)量管理工作的開展具有重要意義[5]?,F(xiàn)代周轉(zhuǎn)庫技術(shù)特點(diǎn)包括三方面:①沒有任何定式,滿足實(shí)際需求是周轉(zhuǎn)庫建設(shè)根本;②周轉(zhuǎn)庫物流創(chuàng)新力度大于其他物流技術(shù);③系統(tǒng)化標(biāo)準(zhǔn)化是周轉(zhuǎn)庫基本特征。
達(dá)力普公司設(shè)計(jì)了一種覆蓋10000 m2的智能化周轉(zhuǎn)庫,是國內(nèi)第一個(gè)應(yīng)用于石油管道倉儲物流的周轉(zhuǎn)庫[6]。該智能周轉(zhuǎn)庫最大小時(shí)吞吐量1090支石油管,實(shí)現(xiàn)了物料管理、設(shè)備管理、物流成本管理等多種實(shí)用功能,極大地增加了石油管的物流效率。
達(dá)力普公司于2017年開始實(shí)施石油管退城搬遷技改項(xiàng)目。項(xiàng)目一期搬遷技改建設(shè)一條Φ73~159 mm(27/8~61/4 in)石油管智能生產(chǎn)線[7]。其中智能周轉(zhuǎn)庫為生產(chǎn)線的重要組成部分,它是軋管線連接熱處理線、管加工線、加厚線重要周轉(zhuǎn)庫,解決了鋼管進(jìn)入下工序人工吊運(yùn)問題。項(xiàng)目占地面積約10000 m2,長約270 m,寬36 m。要求庫區(qū)最高點(diǎn)為16.5 m。庫區(qū)設(shè)置4 條巷道,布置8 排×26層×18 列,整個(gè)智能周轉(zhuǎn)庫的最大小時(shí)吞吐量為1090 支,要求各設(shè)備工作效率負(fù)荷不大于額定的80%。項(xiàng)目地震烈度按7 級設(shè)計(jì)。
智能周轉(zhuǎn)庫工程包括智能周轉(zhuǎn)庫所轄區(qū)域內(nèi)所有的設(shè)備設(shè)施(工藝、設(shè)備、基礎(chǔ)、庫管系統(tǒng)、三電、流體、各種管線等)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、該區(qū)域的地坪及地坪刷漆、自動化與信息化及智能化管理的軟硬件系統(tǒng),以及庫區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等。
智能周轉(zhuǎn)庫作為Φ73~159 mm 石油管智能生產(chǎn)線中各車間物流轉(zhuǎn)移的樞紐,分別為工廠中的4個(gè)車間進(jìn)行接收和派送鋼管,完成出、入庫任務(wù)。
(1) Φ73~159 mm 石油管智能軋制車間。
該車間含3 條預(yù)精整線,對應(yīng)的有3 個(gè)下料臺架,位置在智能庫的東北角,其中一臺架與智能周轉(zhuǎn)庫出入口對齊,另外兩個(gè)臺架上鋼管由周轉(zhuǎn)庫輸送設(shè)備取走完成入庫;同時(shí)設(shè)有兩個(gè)入一般管成品庫下料臺架和收集框,位置在Φ73~89 mm 油管加厚車間北側(cè),直接入一般管成品庫的鋼管通過智能周轉(zhuǎn)庫輸送設(shè)備將鋼管運(yùn)送至這兩個(gè)臺架入一般管成品庫。智能庫在此處的出入庫口最大周轉(zhuǎn)量達(dá)440 支/h。
(2) Φ73~89 mm 油管加厚車間。
智能周轉(zhuǎn)庫在此處任務(wù)是為加厚車間輸送原料同時(shí)取走下料臺架上已經(jīng)加工完成的鋼管,車間設(shè)有1 個(gè)上料臺架和1 個(gè)下料臺架,位置在智能庫西北角。原料由智能庫送至該車間上料臺架上,加工完畢后,鋼管符合要求則由智能周轉(zhuǎn)庫輸送設(shè)備運(yùn)回智能周轉(zhuǎn)庫,智能周轉(zhuǎn)庫為該車間小時(shí)最大出庫量55 支/h、最大入庫量55 支/h,合計(jì)最大周轉(zhuǎn)量110 支/h。
(3) Φ73~159 mm 石油管熱處理智能生產(chǎn)車間。
智能周轉(zhuǎn)庫在此處主要任務(wù)是為該車間提供熱處理原料并將完成熱處理的鋼管取走入庫,車間設(shè)有1 個(gè)上料臺架和1 個(gè)下料臺架,位置在智能庫東南角。智能庫出入口與上料臺架對齊,熱處理完畢后,鋼管由周轉(zhuǎn)庫輸送設(shè)備于下料臺架將鋼管取走。智能周轉(zhuǎn)庫在此處最大出庫量140 支/h、入庫量140 支/h,合計(jì)最大周轉(zhuǎn)量280 支/h。
(4) Φ73~177.8 mm 耐蝕耐壓耐溫油井管加工車間。
智能周轉(zhuǎn)庫在此處主要任務(wù)是出庫為車間輸送原料。每條線設(shè)有1 個(gè)上料臺架,位置在智能庫西側(cè),兩條線上料臺架與智能周轉(zhuǎn)庫出入口對齊。該車間設(shè)備生產(chǎn)能力按每條線130 支/h 設(shè)計(jì)。兩條線分別對應(yīng)1 個(gè)智能庫的出入庫口,智能庫對應(yīng)的每個(gè)出入庫口在該車間的最大周轉(zhuǎn)量130 支/h。需要注意的是,智能庫西北角出入庫口要同時(shí)為1 條管加工線和加厚線提供原料鋼管,此出入庫口最大周轉(zhuǎn)量240 支/h。
(5) 智能周轉(zhuǎn)庫效率需求分析。
智能周轉(zhuǎn)庫物流效率分析如圖1 所示。
圖1 石油管線智能周轉(zhuǎn)庫物流效率分析
管加工只出庫26 次/h,加厚出入庫3 次/h+3次/h=6 次/h,熱處理出入庫15 次/h+15 次/h=30 次/h,預(yù)精整線入庫38 次/h。總效率值為100 次/h,是按照4 大工藝最高效率峰值且同一時(shí)間段出現(xiàn)計(jì)算得出。從效率計(jì)算表中可以得出管加工和熱處理為同一管徑的139 mm,而精整的管徑為114.3 mm。加厚工藝處于單獨(dú)工藝,而且效率值為固定值。
智能周轉(zhuǎn)庫由貨架、穿梭車、分配小車、堆垛機(jī)、提升機(jī)、滾筒輸送機(jī)等設(shè)備組成,鋼管成排存放在貨架的貨格上,由智能周轉(zhuǎn)庫管倉庫管理系統(tǒng)按生產(chǎn)計(jì)劃程序發(fā)出指令控制操作以上設(shè)備達(dá)到自動存取、運(yùn)送和裝卸的目的。
本項(xiàng)目存儲物料為石油管,同時(shí)考慮空間利用率最大化,因此采用懸臂式貨架存儲方式(圖2)。單個(gè)貨格為4 t 載重,貨架按地震等級7 級設(shè)防,安全系數(shù)2 倍設(shè)計(jì)。貨格數(shù)量總計(jì)為3456 個(gè)。
圖2 智能周轉(zhuǎn)庫貨架示意
為了滿足物流設(shè)備應(yīng)用,對各設(shè)備進(jìn)行效率與負(fù)荷計(jì)算。
(1) 堆垛機(jī)。
根據(jù)計(jì)算,智能周轉(zhuǎn)庫1 臺堆垛機(jī)的單循環(huán)效率為24.6 次/h,復(fù)合循環(huán)效率為18.7 次/h。共計(jì)4臺。
以上效率值已經(jīng)考慮負(fù)荷80%前提下:單循環(huán)效率為24.6 次/h,4×24.6=98.4 次/h,基本滿足100 次需求值。
(2) 分配小車。
分配小車最大行走速度按60 m/min 計(jì),即最大行走速度為1 m/s。單車最大運(yùn)行距離31 m。分配小車循環(huán)時(shí)間為154.4 s,即設(shè)備效率為23 次/h。精整工藝所需效率值為35 次/h,即35/23=1.5 輛車既可以滿足。精整工藝和管加工工藝總需求54 次/h,54/23=2.3 輛車即可滿足。目前兩端出入口庫各配備3 臺,共6 臺。按最大需求54 次/h 計(jì),總負(fù)荷率為54/(3×23)=78%,滿足設(shè)計(jì)需求。
(3) 提升機(jī)。
按預(yù)精整線最大需求值為38 次/h 計(jì)算,提升機(jī)效率值59 次/h,負(fù)荷為64.4%,滿足設(shè)計(jì)需求。
(4) 配送穿梭車。
左下(熱處理):需求值為30 次/h,穿梭車提供效率值56 次/h,負(fù)荷值為53.5%。
右上(管加工和加厚):需求值為19 次/h,穿梭車提供效率值47 次/h,負(fù)荷值為40%。
右下(精整):需求值為38 次/h,穿梭車提供效率值38 次/h,負(fù)荷為100%。
右下(精整):需求值為38 次/h,穿梭車提供效率值43 次/h,負(fù)荷為88%。
堆垛機(jī)能量反饋系統(tǒng)是通過MDR 能量回饋模塊將處于發(fā)電狀態(tài)的軸的能量收集起來,反饋用戶電網(wǎng),由電網(wǎng)內(nèi)的其他設(shè)備消耗,從而達(dá)到堆垛機(jī)運(yùn)行節(jié)能的目的。根據(jù)初步方案,堆垛機(jī)水平運(yùn)行為60 kW,升降運(yùn)行為100 kW,貨叉為3 kW。堆垛機(jī)能量反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3 所示。
圖3 堆垛機(jī)能量反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)以上參數(shù),采用能量回饋系統(tǒng)后,堆垛機(jī)僅升降運(yùn)行單次最高回收能量約0.2388 kW·h,但堆垛機(jī)不太可能每次都是運(yùn)行最大距離,按平均0.5 倍最大距離計(jì)算,堆垛機(jī)每小時(shí)運(yùn)行40 次,每天運(yùn)行20 h,全年運(yùn)行340 d 計(jì)算,單臺堆垛機(jī)全年節(jié)約電量為:0.2388×0.5×20×340=32476.8 kW·h。如果按照工業(yè)用電1 元/(kW·h)計(jì)算,1年單臺可節(jié)約費(fèi)用32000 元,4 臺總節(jié)約費(fèi)用128000 元。
在日常出入庫作業(yè)過程中為倉庫管理系統(tǒng)(Warehouse Management System,WMS)增加了貨位承重均衡算法,如圖4 所示。
圖4 貨位稱重均衡算法示意
(1) 系統(tǒng)中建立受力分析模型,在第一次入庫完成后,通過當(dāng)前石油管的屬性(質(zhì)量),可以統(tǒng)計(jì)當(dāng)前石油管總質(zhì)量,記錄到模型中。
(2) 再次入庫作業(yè)時(shí),需通過受力分析算法得到當(dāng)前入庫石油管的最佳貨格位置。系統(tǒng)生成入庫任務(wù)下發(fā)給倉庫控制系統(tǒng)(Warehouse Control System,WCS)。
(3) 出庫完成后即石油管從貨架取貨到出庫輸送線端,算法需將當(dāng)前石油管質(zhì)量從模型中去除掉。
智能送料系統(tǒng)流程設(shè)計(jì):
(1) WMS 系統(tǒng)和各分系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)分系統(tǒng)對接;
(2) WMS 通過同步各個(gè)工藝生產(chǎn)訂單數(shù)據(jù)即轉(zhuǎn)換成WMS 出庫訂單數(shù)據(jù);
(3) WMS 通過當(dāng)前生產(chǎn)訂單的油管屬性獲取工藝生產(chǎn)的節(jié)拍自動生成送料節(jié)拍;
(4) 通過在各工藝接料點(diǎn)加裝對射光電以確認(rèn)緩存點(diǎn)是否缺料作為二次送料核實(shí);
(5) WMS 鎖定庫存,下架作業(yè),通過WCS 調(diào)度設(shè)備完成石油管自動送料到各工藝接料點(diǎn);
(6) 各車間完成加工后,如果WMS 檢測到當(dāng)前訂單未做更新處理,同時(shí)接料點(diǎn)的石油管未達(dá)到入庫數(shù)量時(shí),繼續(xù)等待中,如果檢測到當(dāng)前訂單發(fā)生插單/更新訂單時(shí),則接料點(diǎn)向WMS 做入庫申請;
(7) WMS 下發(fā)入庫命令,通過WCS 調(diào)度設(shè)備完成石油管自動入庫動作;
(8) 完成入庫后WMS 更新庫存數(shù)據(jù)。
智能送料系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5 所示。
圖5 智能送料系統(tǒng)設(shè)計(jì)
介紹了智能倉儲于制造系統(tǒng)構(gòu)建中最具代表性的智能化周轉(zhuǎn)庫倉儲系統(tǒng),通過運(yùn)用人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù),結(jié)合算法設(shè)計(jì)與系統(tǒng)工程,構(gòu)建了智能工廠物料智能周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),從根本上實(shí)現(xiàn)了石油管生產(chǎn)制造與倉儲物流的減人、提質(zhì)與增效,對企業(yè)效益提升起到了至關(guān)重要的作用。