1.铝型材行业现状
我国“十二五”规划要求单位GDP能耗下降16%，二氧化碳排放降低17%，以及非化石能源占一次能源消费比重上升至11.4%的目标。
中国铝型材在工业领域的消费量仅在世界上占30%，随着经济发展和工业技术水平的提高，铝型材在工业领域的消费具有很大潜力。2009年中国铝型材产量的729万吨，其中建筑铝型材和工业铝型材产量分别是496万吨和233万吨。到2012年底，我国共有铝型材企业900多家，设备生产能力1300多万吨，挤压材实际产量1050多万吨。从产品结构看，铝合金管棒材有190万吨，铝型材860万吨。铝型材中，建筑型材有600万吨以上(约占70%)，工业型材为260万吨(约占30%)左右。产量主要分布在珠江三角洲、长江三角洲和环渤海湾工业发达区域。
未来10~15年中国仍将处于城镇化、工业化快速发展的阶段,预计在2015年前后,中国的城镇化水平将超过50%，加上从现在至2020年我国旧有建筑更新、改造对建筑铝型材的需求进入高速增长阶段,中国的铝型材产量有望达到1100万吨，铝合金建筑型材产量有望达到800万吨/年左右，工业铝型材达到300吨左右。
2.铝型材物料储存和存取现状
目前，国内企业普遍采用的是平面库、单层或双层库(见图1)，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。
近几年，国内少数同行业厂家(如坚美铝材厂)虽然学习国外技术开发采用了悬臂式货架存储，叉车搬运、存取的模式(见图2)，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，入出库频率低的缺陷。
国外的发展比国内领先一步，长直杆件的存储一般采用悬臂货架存储，桥式堆垛机存取的方式。意大利BONFANTI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。如图3，其堆垛机速度提升速度为20m/min，行驶速度为60 m/min，运行速度为30 m/min(本数据来源于意大利BONFANTI，该公司和太原高科锐志物流仓储设备有限公司为战略合作单位)。虽然技术有了长足的进步，但还是无法满足华昌公司≥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6500mm，重量在1000Kg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库在国际上还未发现。
国外的发展比国内领先一步，长直杆件的存储一般采用悬臂货架存储，桥式堆垛机存取的方式。意大利BONFANTI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。如图3，其堆垛机速度提升速度为20m/min，行驶速度为60 m/min，运行速度为30 m/min(本数据来源于意大利BONFANTI，该公司和太原高科锐志物流仓储设备有限公司为战略合作单位)。虽然技术有了长足的进步，但还是无法满足华昌公司≥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6500mm，重量在1000Kg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库在国际上还未发现。
3.旧的储存、存取方式及存在的问题
1) 旧的储存、存取方式：
地面堆放，部分料框存放，人工取货、叉车或吊机存取搬运。
2) 存在问题：
(1)占地面积大，土地利用率低，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)手工记账，效率低下，账目易出差错;
(7)无法推行现代管理，账目无法和公司的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。
以广东华昌为例，到2012年华昌铝厂的设备产能达到了13万吨以上，产量达到了10.50万吨/年，产品3000多个品种，产销两旺。但是，在土地日趋紧张、人员招聘越来越难招及人工费用越来越高的情况下，可华昌铝厂生产规模一直不断发展壮大，而用于储存铝型材产品的成品仓库(2层)，储存量最大也只有2500多吨。且储存期年平均为3-4个月，甚至更长。并且旧的成品仓库存在的占地面积大、用人多、出入库效率低、人工管理账目易出差错及仓储环节生产成本高的问题成了企业进一步发展的瓶颈。每天产品的分检、包装、运输、储存及出入库等工作十分繁忙，物流量特别大，老的储存和存取工艺及设备已经不能适应生产销售形势不断发展的需要，运行节奏和运行效率急需提高，故开发具有自主知识产权的长直杆件自动化立体仓库非常必要。
4.研发目标
1.铝型材出入库自动化
自动化立体仓库的运行时，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
要求尽最大可能提高仓库空间利用率，仓储层高要求为10层，靠近厂房屋顶的几列要求尽可能提高层数。以提高仓库的容积比例和，节约土地资源。
3.型材搬运无人化
传统的物料搬运，通常都是行车吊取，人工挂钩，人工搬运，或者叉车叉取。在作业过程中，不免存在无法统计的人与设备的安全，能源的消耗，环境的污染及劳动职业卫生方面的问题。
这次研发攻关的立体仓库要解决上述问题，实现型材出入库、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。
这次研发攻关的立体仓库要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的现象。
5. 信息传输网络化
型材成品仓储工作与厂内各部门联系较多，这次研发攻关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。
最终建成一座储存仓位约5000个，储存量达3000-3500吨，每天出、入库铝型材≥300吨的自动化立体仓库。
5.需要解决的技术关键
要完成上述工艺过程，满足入出库频率、保证设备的可靠性、稳定性和储存物资的质量，需要解决的技术关键为：
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研究。
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，本项目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)长直杆件料框研究。
料框是铝型材的基本存储、搬运单元，它既要满足铝型材在存储、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
开发适合于华昌铝厂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。
6.华昌成品型材库总体方案介绍
1)项目总体布局见总体布置图(见图4)
图为：华昌铝厂成品型材库总体方案平面布置图
(1) 横向布局
如图5所示，根据厂房的高度情况，靠厂房中间部分设置三个加高巷道，这样能充分利用现有空间，使现有空间储存最大化。
(2) 纵向布局
如图6所示，其中6排设置为11层，入库端列距6.4m，出库端列距6.9m，高度为13m。
图为：华昌铝材厂铝型材自动化立体仓库纵向布置图
如图7所示：其中8排设置为10层，全部高度为12.05m，另外6排为11层。列距分别为，前29列(入库端)6.4m，后6列(出库端)6.9m(见表1)。
7.华昌铝厂铝型材自动化立体仓库项目作业流程
根据产品库存要求和华昌铝厂实际，确定自动化立体仓库的作业流程(见图8)：
8.信息管理和自动控制系统
信息管理和自动控制是物流仓储设备系统中的精髓，其水平高低决定了物流仓储设备系统自动化水平的高低。完成物流系统中的各种特定的任务，依靠的是计算机信息管理和自动化控制技术与自动化物流仓储设备系统中各技术部件的有机组合。系统设计目标为：
(1)仓库管理系统与工厂ERP系统可无缝连接;
(2)通过简捷明了的人机操作界面，使操作员轻松完成货物的入库、出库操作;
(3)通过设备作业调度系统，调度输送机和堆垛机等设备自动运行，并动态跟踪货物的物流路线，自动更新库存帐目;
(4)可生成各种统计报表，满足各种查询要求;
(5)通过动态仿真，可实时监控到设备(堆垛机、输送机)的运行和故障情况，便于维护和检修;
经过研发，结果如下：
9.坚美立体库的应用介绍
佛山坚美铝业，在华昌的基础上又做了大量的改进，将高度提高到20米，层数增加到了16层。整个流程上实现了可直接从生产车间接货，然后提升到二楼以后再从天桥上搬运货物。并且给生产线预留了借口，以使将来可顺利实现和生产线的对接。
图为：坚美铝业成品铝材自动化立体仓库效果图
库房尺寸：140(长)×68宽)×20(屋架下弦高)m;
存放物品：铝型材等;
单元货物：6200/8000×1000×850 (长×宽×高)mm，1600Kg;
料框尺寸/重量：6200/8000×1000×850 (长×宽×高)mm，200Kg;
货架规模：
6200mm米货位数：32排x18列x16层-112=9104个货位
8000mm长货位：4排x14列x16层-21=875个货位
货位总计：9979货位
有轨巷道堆垛机18台; 提升机4台
入出库输送机系统1套(包括32台配合提升机的输送机，18台入库输送机，36台出库输送机，16台顶升机)：
双工位自动分配车2台;
入库条形码自动识别(含RF)和出库LED显示屏校验系统;
计算机管理信息系统(WMS);
10. 华昌项目的经济和社会效益性
1) 企业经济效益分析
(1)自动仓库占地面积小、投资少
本项目设计为10-11层，最大限度地利用厂房的空间，提高了空间利用率和单位空间的储存量。与平面仓库(含二层仓储)相比，占地面积大大减少。按10层常规仓库估算，考虑到库存密度，相同的库存量时，可节省长248m宽28m(6944m2)的库房约3-4栋,约合减少占地面积20000-30000m2。按2012年厂址每亩最低地价80万元计算，则：可减少购地费用=(20000-30000m2)/666.67x80= 2400-3600万元;
土建投资每平方米造价1400元计算，则：减少成品仓库土建投资=(20000-30000m2)x1400元/m2=2800-4200万元;故节约仓储用地及土建费用合计= (2400-3600)+ (2800-4200)=5200-7800万元。
(2)用人少，降低人工成本
按现有生产能力计算，如果采用原有的出入库方式，则每班需配备出入库信息员28名，入库工48人，出库工48人，合计需要124人。
采用自动化立体仓库后，需出入库信息员9人，入库工16人，出库工36人，维护工1人，合计需要62人，共减少62人。则：
年节约人工费用=62人x(4000-5000)元/月.人x12=276-372万元/年。
(3)提高了入出库精度与效率
采用人工库时，每天平均最大出入库量合计为460t，入库需要24h，出库需要14h，出入库合计耗时40h,则：平均出入库重量=460/(24+14)=12.1t/h;
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量合计为600t，入库需要24h，出库需要9h，出入库合计耗时33h,则：平均出入库重量=600/(24+9)=18.18t/h;
自动化立体仓库比人工库提高入出库效率=(18.18-12.1)/18.18x100=33%。按最大平均产量300t/d，即自动仓库比人工仓库多出入库数量=300(1-1/1.33)=74.4t/d.
按年工作时间330d，人工出入库平均费用64.3y/t计算，则：每年可降低出入库人工费用=74.4(t/d)x330(d)x64.3y/t=157.87万元。
还解决了过去长期存在的库内有料，出库时找不到造成库存死料或错发货退赔等问题。平均每年因此类问题报废的型材有100-120t,按平均每吨型材加工费2500元计算，则：每年造成的经济损失=(100-120t)x2500元/t=25-30万元
(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14h缩短到10h,减少装车时间4(h)，意即在不减少收入的情况下，员工可以提前4h下班休息。
通过以上分析可知，采用自动化立体仓库后，仓储环节可提高经济效益=(5200+276+157.87+25)~(7800+372+157.87+30)=5658.87~8359.87万元。
2) 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：仅土地占用可减少费用=(20000-30000)x100=200-300万m2，减少仓库土建投资=(20000-30000m2)x1400元/m2x100=28-42亿元。
(2)节能减排效果显著。巷道式堆垛机行走电机功率≤10kw，只有同类电机功率的四分之一，节约功率30Kw。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小时，按每度电减少二氧化碳排放0.997kg计算，则：减少C02排放量=7(台)x30(kw)x12(h)x365(d)x0.997(kgC02/kw.h)=917t/年。
11. 成果推广应用前景
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。
长直杆件类的铝型材自动化仓库的成功研发应用，首次实现了真正意义上的铝型材入、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。
由于长直杆件类的铝型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、劳动成本低等特点，具有良好的技术、经济效益和社会效益。填补了国内铝型材行业空白，具有国际先进水平。
作者简介：
唐性宇(1957-) 男 贵州贵阳人 高级工程师 广东华昌铝厂有限公司总工程师
马笑(1972-) 男 山西文水人 高级工程师 太原高科锐志物流仓储设备有限公司总经理
