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“数字化双胞胎”优化设计工厂仓储物流系统

来源:控制工程网2021.09.13阅读 2248

  年底往往是令人头疼的时候,不仅是考核工作绩效的时候,也有节日带来的压力,因为临近假期,大家都突然意识到需要购买礼物了。每年这个时候,普通民众承受的每一份压力,都会加倍转嫁给配送和执行中心经理。
  这些管理者和工作人员不仅要承担艰巨的任务,还要应对企业内部的生产计划和外部客户交付期的压力。幸运的是,数字化正在不断为仓库环境的智能和高效运作提供新的方法。得益于先进的仿真软件,内部物流工作(内部生产和配送流程的管理和优化)正在不断发展和完善。
  任何稍微了解现代化订单执行中心的人都明白,它的管理人员必须有弹性,能够适应和扩展内部物流流程。要解决这些问题,需要细致的仓库设计和准备工作,而先进的仿真软件可以帮助执行和配送中心,使其在从设计到运营的各个阶段都保持竞争力。
  亟待解决的内部物流问题
  尽管消费者需求不断增长创造了可观的商机,但在配送和执行方面,还需要应对很多挑战。此外,COVID-19疫情的大流行引发了对工作场所安全方面的新需求,也增加了对低接触和无接触过程的需求。
  执行中心空间有限,因此需要智能技术以更有效地利用有限的空间(图1)。它还需要有效地规划布局,战略性地布置产品,并提高物流系统的可用性以及可维护性。

图1:高大的仓储和穿梭货架(采用先进的升降机和运输技术),充分利用配送和执行中心的可用空间。先进的仿真软件可以帮助配送和执行中心,保持从设计到运营各个阶段的竞争力。本文图片来源:西门子

  日益增长的全球生态意识和不断上涨的能源价格,正促使许多公司朝着碳中和的方向努力,从而影响了仓库的运营方式。与之配套,必须采取适当方法来监控能源消耗,并就如何进一步提高能源效率提供见解。增加透明度的举措还经常要求公开这些数据。
  除了这些与技术相关的困难外,还经常缺乏足够的、能跟上自动化技术发展的IT人员,因为数据太多,信息处理器也不够。为了克服这一障碍,仓库工作人员需要能够获得见解并以合适的形式显示系统状态,从而降低人与人、自动化和信息之间交互的复杂性。
  为了克服这些障碍以实现配送中心的成功运营,需要增加数字化和高效自动化概念的应用,尤其是在安装新的物料搬运设备时,要着眼于降低成本和风险。此外,为了保持对其它公司的竞争力以及维持执行新订单的能力,企业必须提高履行订单的速度。尽管挑战多种多样,但有一种方法可以优化效率并满足现代执行中心的诸多需求。
  通过数字化双胞胎优化设计
  先进的仿真软件可以通过整合软件和现场设备来解决各种问题。这使得仓库环境的优化首先在软件中实现,在软件中创建原型和修改流程相对便宜且简单,因此最终的实际部署可以高效地运行。尽管仿真需要付出时间、成本和精力,但收益往往大于成本。
  先进的仿真软件套件有助于仓库管理人员在概念设计、在仓库楼层调试期间以及部署之后对价值链进行数字化处理,以审查和分析提高运营效率的方法。
  设施仿真工具提供了仓库运营的虚拟视图。在设计阶段,软件工程师可以与设施设计人员一起创建多维仓库环境,从而对仓库的运行方式进行三维仿真。
  用户具有各种能力,包括仿真配送中心布局、可视化物料流、监视可编程逻辑控制器(PLC)、配置智能工业设备以及利用高级统计工具来分析过程。工程师可以运行并实时监控每个过程,对生产数据建模并优化设施配置,从而确定更有效的设计(图2)。监控包括根据程序逻辑可视化实时PLC输入/输出更新的能力。

图2:西门子工厂仿真工具可用于创建数字化双胞胎模型,以优化新设施的设计,或尝试改进现有仓库运营的方法。

  使用仿真软件分析物流应用
  对于物料处理应用,仿真软件可提供访问工作工况的功能。它还包括内置的人体工程学分析,可以对拾放机器、平台和其它机械设施进行最佳定位,从而为工作人员手动处理提供最佳的工作环境(图3)。

图3:人体工程学分析有助于确定拾放机器、平台和其它机械的最佳位置。

  通过使用先进的软件进行迭代仿真,机器人可以学习最优路径和运动,无轨自动导引车(AGV)可以确定最佳路径。该软件可运行数千种可能的移动方案,考虑到所有建议的设备及其在仓库地板上的位置,并提供最有效的机器人移动和AGV路线。
  物理计算(包括重力、摩擦力和扭矩)被内置到软件中,增加了仿真的真实性,并建立了对机电模型的可信度。机械工程师可以负责确认运动学部件的最佳配置,一旦知道了机械部件和统计数据,设计者就可以正确确定电机、变频器和其他设备的规格。
  通过该工具套件,用户可以实现跨领域工程的自动化,从而使各工程领域之间的数据保持一致。该软件可以自动生成电气图纸和PLC项目,从而为工程实施做好铺垫,并减少总体设计时间。
  一旦生成了这些基本代码,程序员就可以进行调整,从而影响以后的仿真,并且他们可以根据需要对代码进行深入的更新。这使用户能够查看未来仓库的完整模型,包括输传送带、自动升降机和扫描仪、堆垛灯、AGV和物料流等,所有这些都是同步进行的。
  该软件还可以在仿真工作空间中模拟很多其它类型的设备,例如:
  1.食品、硬物品和消费品包装等高密度存储和检索系统;
  2.功能安全装置;
  3.先进的光学识别设备,用于追踪产品移动;
  4.可扩展且灵活的穿梭系统;
  5.板载和非板载的先进穿梭车辆的控制组件;
  6.与工业无线局域网实时、故障安全通信,以实现仓库设备之间的可靠、高速和安全的连接;
  7.用于产品目录跟踪的工业射频识别(RFID)系统;
  8.边缘计算设备;
  9.嵌入在其它设备中的紧凑型和移动控制器。
  在显示工厂车间流程的模拟视图时,用户可以在仿真软件中同时监视人机界面(HMI)和PLC梯形逻辑运行,虚拟调试机器。这些虚拟仿真是仓库和配送中心的数字化计划,有助于确保物理部署能够按预期进行。
  不久前,建模经历了从2D图纸到3D虚拟渲染的转变,现在已经可以实现实时反馈和运动。软件仿真使设计人员可以在实际调试之前,对设施的运行方式进行建模和可视化。因此,多学科设计团队可以在项目初期做调整,从而产生积极作用。
  改善物流效率
  一家大型家庭护理产品制造商,通过将4个配送中心合并为一个,可以简化运营并降低间接成本。使用先进的仿真软件套件,该制造商可以有效地为设施建模并付诸实施,其规模仅为设施合并前的一半,同时还提高了处理能力。
  物品存储密度提高了50%,现在体积存储容量利用率大约为90%。此外,与合并之前相比,在工厂内的运输需求减少了20%。通过先进仿真和尖端的内部物流技术可以改善效率,从而提升制造商的利润率并减少碳足迹。
  在另一个案例中,一家跨国航运公司最近在其所属的国际机场内,实施了现代化的分拣和运输系统(图4)。使用包括PLC和驱动器在内的组件,分拣机传输速度可达每秒8英尺,峰值时每小时可以分拣9,000个各种规格的包裹。

图4:一家跨国航运公司在其所属的国际机场内实施了现代化的分拣和运输系统。

  运行时的系统诊断
  设施启动并运行后,作为过程或程序调整的工具,仿真仍然具有较高的价值,而系统诊断软件功能,可为优化工作做出贡献。
  一旦在设施中检测出问题,诊断工具就可以在设备出现故障之前,提醒运行人员进行有针对性的预测性维护。在某些系统诊断配置中,某些事件(例如断线或电压低)已被嵌入到PLC中,以便与HMI通信。在这种情况下,维护技术人员可以通过HMI屏幕直接解决常见问题,而无需将便携式计算机连接至PLC(图5)。

图5:通过在Simatic WinCC HMI中嵌入ProDiag功能,运行人员可以从报警直接跳转到触发它的PLC代码,从而增强了故障排除能力并有助于更快恢复功能。

  而且,这些配置可以收集并存储实时数据,使运行人员能够在HMI上回放以前的数据,从而帮助他们确定触发报警条件的工况。在仓库中使用这些工具,可以减少停机时间并提高吞吐量。
  随着社会联系越来越紧密,仓库技术也在不断发展。客户和公司的期望值也在增加。如果使用过时的工具和方法,配送和执行中心也就无法跟上时代发展的步伐。
  如果利用先进的仿真软件和现代化物流技术实施搬运、分类、拣选和包装,仓库就可以更好地应对这些挑战。尽管仿真需要额外投入,但在时间节省和效率提升方面所带来的收益,通常远远超过付出的成本。
  在项目初期实施仿真,系统设计人员可以简化范围,减少实施所需的总时间和精力,并确保配送中心更高效的运营。(作者:Andrew Cureton)