药厂立体库仓储方案仿真研究

赵爽赵久龙 2024-04-24

本文以某制药车间的高速堆垛机立体库为研究对象，通过 Plant Simulation 软件验证仓储方案的可行性，并反向优化合理的仓储方案。首先根据规划设计的仓储方案，在 Plant Simulation 软件进行3D 等比例建模，写入立体库运输设备和巷道堆垛机的速度参数，以及入库单和出库作业逻辑程序。然后模拟仿真运行，利用软件遗传算法输出可行性结果。最终获得了优化的入库单，并综合提高了 7.5%的巷道堆垛机利用率和 13.5% 的立体库存储利用率，解决了原来无法用计算和经验去验证复杂的药厂立体库仓储方案的问题。

在各行各业都在实施数字化转型的背景之下，信息和通信技术正以前所未有的规模和深度渗透到医药行业^[1]。对于药企来说，数字化转型不再是一个创新的愿景，而是企业在市场上保持竞争力的一项战略任务。对于制药厂数字化转型，更多体现在数字化设备、数字化生产线、数字化车间、数字化工厂方面。制药企业通过数字化升级达到保证药品质量稳定、提高生产效率、降低人力成本的目的^[2]。

仓储也是生产的重要部分，优化的仓储方案对高效生产起到至关重要的作用。传统的仓储方案大多凭经验制定，而且非常复杂，无法通过计算形成清晰准确的结果，可行性也需要在实践中进行检验。企业想要获得优化的仓储方案需要在实践中不断进行摸索，而使用数字化仿真手段不仅可以提前验证仓储方案的可行性，还可以提前发现问题和提前优化方案，避免不必要的时间浪费和非必要的人力物力投入，从而大幅提高生产效率^[3]。因此，开展药厂仓储系统仿真验证研究非常必要。

研究目标

通过仿真手段获得一个优化的出入库仓储方案，实现立体库进出库节拍满足无堵塞要求，使得立体库存储利用率和巷道堆垛机的利用率均有所提高。

研究设计

2.1

方案设计

2.1.1 自动化立体库简述

自动化立体仓库是物流仓储中出现的新概念 ^[4]，它是当前技术水平较高的货仓形式。利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化、存取自动化、操作简便化。自动化立体仓库的主体由货架、巷道式堆垛起重机、入（出）库工作台和自动运进（出）及操作控制系统组成。货架是钢结构或钢筋混凝土结构的建筑物或结构体，货架内是标准尺寸的货位空间，巷道堆垛起重机穿行于货架之间的巷道中，完成存货、取货的工作^[2]。

2.1.2 仓储方案流程图

对车间的现有 5 条生产线进行研究，一共有 5 种品类 26 种批次的产品最终都要入立体库进行仓储，所有产品需先到检查工位进行检查，不合格产品需要统一返回处理间，合格产品进入立体库入库工位，然后通过高速堆垛起重机取货，扫取外包装条码后，根据入库存储逻辑送去对应的存储位。仓储方案流程图如图 1 所示。

图 1 仓储方案流程图

2.1.3 立体库方案图

利用CAD设计软件规划设计出立体库方案，规划 A 库和 B 库两个立体库并投入存储使用，单立体库长 42.5 m，宽8.3 m，高 19 m，共 2×6×7=84 个存储位。采用双叉高速变频巷道堆垛机的额定起升重量为 350 kg，最大承载尺寸是6×4×2.5=60 m，水平最大运输速度为360 m/min，升降最大速度为 80 m/min，采用无线通信方式，条码定位方式及挑拣式出入库方式^[5]。立体库方案图如图 2 所示。

图2 立体库方案图

2.1.4 入库策略

当前入库策略：Z、G、A 三种品种共 14 批次入 A 库；J、S 二种品种共 12批次入 B 库，具体如表 1 和表 2 所示。

表 1 入 A 库清单	表 2 入 B 库清单

2.1.5 出库策略

A 库出库逻辑：Z 品不分批次出→G 品不分批次出→ A 品不分批次出。

B 库出库逻辑：J 品不分批次出→S 品不分批次出。

2.1.6 立体库方案中的运输设备参数

立体库前后运输滚床运输参数及巷道堆垛机运输参数分别如表 3 和表 4 所示。

表 3 滚床运输速度参数表

表4 巷道堆垛机速度参数表

2.2

仿真设计

2.2.1 仿真建模

根据规划设计的立体库方案在Plant Simulation 软件中等比例建立真实仿真模型，再把各项设备参数输入到模型中，同时导入出入库策略并制定入库单，生成 3D 仿真模型。如图 3 所示。

图 3 仿真 3D 立体库模型

2.2.2 仿真验证

通过建立的仿真模型对立体库方案进行详细验证，确定当下进出 A 库和 B 库策略的排位是否合理，立体库巷道堆垛机进出库运输节拍是否满足要求，以及立体库存储利用率是否合理。

2.2.2.1 出入库策略验证

通过软件中的遗传算法模块设定世代数为 10，世代大小为 20，对现排的入库单和出库逻辑进行多次反复验证 ^[6]，得出一个新的优化入库单。具体如图 4、图 5 和图 6 所示。

图4 遗传算法使用与设定


图 5 原入库单	图 6 优化的新入库单

2.2.2.2 巷道堆垛机运输节拍验证

通过仿真软件对 A 库和 B 库中的运输巷道堆垛机的工作状态进行监测，发现在原出入库策略下 A 库的运输巷道堆垛机利用率为 95%，5% 节拍不足；B 库的运输巷道堆垛机利用率为 92%，8% 节拍不足；而使用新的验证后的优化入库单后，A 库的运输巷道堆垛机利用率和 B 库的运输巷道堆垛机利用率均为 100%，具体如图 7 和图 8 所示。

图 7 A 库和 B 库原利用率

图 8 A 库和 B 库新利用率

2.2.2.3 立体库存储利用率

通过仿真软件对 A 库在存量和 B库在存量进行 1 h 的监控，得出在原规划立体库方案下，A 库在存量为平均35 在库，存储率为 83% ；B 库在存量为平均 30 在库，存储率为 71%，具体如图 9 和图 10 所示；而使用新的验证后的优化入库单后，A 库在存量为平均39 在库，存储率为 93% ；B 库在存量为平均 37 在库，存储率为 88%，具体如图 11 和图 12 所示：

图 9 原 A 库在存量

图10 原 B 库在存量

图 11 新 A 库在存量

图 12 新 B 库在存量

研究结论

通过 Plant Simulation 仿真软件最终获得优化的入库单，并综合提高了7.5% 的巷道堆垛机利用率和 13.5% 的立体库存储利用率，解决了原来无法用计算和经验去验证复杂药厂立体库仓储方案的问题。结果说明在制药车间运用仿真软件手段是切实可行的，运用仿真软件可为制药车间在生产仓储管理方面做出有效的决策提供支持，而且这种尝试也可以推广到制药车间产线其他需要仿真验证的地方。

参考文献

[1] 李元媛 . 生物制药产业现状分析及我国企业的发展战略 [J]. 南昌：生物化工，2017,1:73-74+84.

[2] 张欢欢 . 自动化立体仓库的若干关键技术与仿真 [D]. 杭州：浙江大学机械与能源工程学院，2008.

[3] 张晓萍 . 物流系统仿真原理与应用 [M]. 北京：中国物资出版社，2000:15-18.

[4] 王书琴 . 立体仓库设计与控制优化方法研究 [D]. 南京：东南大学，2011.91.

[5] 郑单单 . 立体仓库货位分配及拣选算法的研究 [D]. 南京：南京理工大学，2012.

[6] 施於人，邓易元，蒋维 .eM- Plant仿真技术教程 [M]. 北京：北京科学出版社，2009.

撰稿人 | 赵爽赵久龙

责任编辑 | 邵丽竹

审核人 | 何发