CC BY
95
О целесообразности разработки и создания роботизированного комплекса загрузки посылок в контейнеры
Приводится предыстория попыток создания автоматизированного комплекса загрузки посылок в контейнеры. Сформулированы недостатки известного способа загрузки контейнеров посылками с помощью погрузочных роботов, имитирующих процесс ручной загрузки. Рассмотрена схема, дано описание работы, приведены показатели назначения комплекса, в котором учтены эти недостатки. Предложена методика и выполнен расчет основных технико-экономических показателей роботизированного комплекса загрузки посылок в контейнеры при его включении в состав автоматизированной линии сортировки посылок. Характеристики процесса выгрузки посылок из накопителей сортировочной установки и перегрузки посылок в контейнеры автоматически и вручную определялись по формулам для многоканальной системы массового обслуживания. Для исключения потерь производительности сортировочной установки из-за блокировки разгружаемых накопителей на время ожидания разгрузки и укладки посылок в контейнеры вручную в установке необходимо Ключевые аюва: предусматривать резервные накопители, в которые должны направляться посылки во время блокировки
посьтка контейнер автоМагизация разгружаемых накопителей. При использовании рассмотренного роботизированного комплекса потребность
' в резервных накопителях отпадает. Результаты расчетов указывают на целесообразность создания и
уктадки, рооот-манипулятор, 1 г /гг I
эконошческая эффюктивюстъ использования роботизированного комплекса загрузки посылок в контейнеры. Ожидаемый срок
окупаемости капитальных вложений составляет 4,1 года.
Барсук И.В.,
Зам. директора по научной части — руководитель научно-исследовательского отдела ФГУП НИИПС, доцент кафедры ЗИТПС МТУСИ
Постановка задачи
Проблема создания автоматизированного комплекса загрузки посылок в контейнеры была обозначена еще в 80-х годах прошлого века, когда при разработке Системы автоматизированной обработки посылок (САОП) в Советском Союзе было принято решение об использовании такого комплекса в качестве оконечного устройства комплекса сортировки и накапливания посылок (КСНП) [1]. Попытка создания такого устройства на основе конструктивных схем пакетоформирующих машин и погрузочных автоматов [2] закончилась неудачей ввиду громоздкости и сложности конструкции и низким по сравнению с ручным способом загрузки коэффициентом объемного заполнения контейнера.
Однако, уже тогда финской фирмой «Яовеп^уу» был предложен способ загрузки контейнеров посылками с помощью погрузочных роботов, имитирующих процесс ручной загрузки [3], в котором посылки при поступлении на загрузку опознаются, ориентируются, определяются их размеры и размещаются на стеллажах; в запоминающем устройстве ЭВМ запоминают размеры посылок, затем ЭВМ на основе программы определяет последовательность загрузки контейнера для оптимальной укладки грузов и подает команды загрузочному роботу, который берет со стеллажей соответствующую посылку и помещает ее в контейнер по траектории, задаваемой ЭВМ. Недостатки этого способа заключаются в том, что, во-первых, осуществление роботом последовательных операций взятия посылки со стеллажа и последующего размещения ее в контейнере увеличивает цикл операции, производимой роботом, в результате чего снижается производительность системы, во-вторых, усложняется конструкция и увеличивается длина и количество звеньев робота, в-третьих, при измерении характеристик посылок не учитывается ее масса, вследствие чего невозможно обеспечить при загрузке соблюдение ограничения на грузоподъемность контейнера, а также, по возможности, минимизировать высоту центра тяжести загруженного контейнера.
В настоящее время в складском хозяйстве за рубежом и в России акцент смещается в сторону полной автоматизации
склада с использованием транспортных и роботизированных систем, включающих роботы-укладчики грузов (на поддоны, в коробки, в контейнеры), роботы-погрузчики и роботы-штабелеры [4]. Не минует эта тенденция и почтовую отрасль, являющуюся крупнейшим логистическим оператором. Возможности применения робототсхниче-ских комплексов на операциях обработки посылок в объектах почтовой связи показаны в [5].
Схема комплекса, в котором учтены недостатки известного способа автоматизации загрузки посылок в контейнеры с использованием робота, изображена на рис. 1 [6, 7]. Комплекс состоит из транспортера подачи посылок 1; измерительного комплекса 2 для определению реквизитов, габаритных размеров и массы посылок; загрузочного транспортера 3; правой 4 и левой 5 приводных шлюзовых дверок, расположенных в проеме бортового ограждения загрузочного гране портера 3 с возможностью поворота в положение поперек ленты загрузочного транспортера; правого 6 и левого 7 приводных цепных пластинчатых элеваторов-накопителей посылок. Комплекс содержит также выводной транспортер 8; толкатели 9 и 10, обеспечивающие перемещение посылки с пластины соответствующего элеватора-накопителя на выводной транспортер 8; направляющие салазки 11, в которых фиксируется порожний контейнер 12 с открытыми дверьми перед загрузкой; робот-манипулятор 13, обладающий «техническим зрением», осуществляющий взятие посылки с выводного транспортера 8 и перемещение ее в контейнер 12 с последующей послойной укладкой в заданное положение, накопитель «справка» 14, в который направляются загрузочным транспортером 3 посылки с неопознанными реквизитами и размерами, выходящими за допустимые пределы для возможности осуществления автоматической загрузки, а также оператором, вручную перемещающим посылку с выводного
Система управления 15 [7, 8] обеспечивает синхронную работу всех механизмов комплекса, а также послойную укладку посылок в контейнер с плотностью, близкой к наибольшей, с учетом соблюдения ограничения на грузоподъемность контейнера и требования минимизации высоты центра тяжести груженого контейнера [7-10]. При необходимости комплекс может содержать автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора 16.
Рис. 1. Схема роботизированного комплекса загрузки посылок в контейнер: а - общий вид комплекса (элеватор-накопитель, поз.6, условно не показан); б - вид в плане транспортера 8 при невозможности по той или иной причине ее захвата роботом-манипулятором 13, например. посылки в мягкой упаковке
За счет возможности старт-стопного независимого, одновременного и реверсивного движения обоих элеваторов-накопителей минимизируется время доставки выбранной посылки к месту захвата рукой робота-манипулятора, обеспечивая тем самым производительность укладки близкую к теоретически максимальной -470 посылок/ч. При норме выработки при укладке посылок из механизированного накопителя сортировочной установки в контейнер вручную Нр = 200 посылок/ч [11] применение роботизированного комплекса позволяет увеличить производительность труда на этой операции более чем в 2,3 раза. С учетом времени заполнения посылками элеваторов-накопителей пропускная способность комплекса составит Пц = 10 контейнеров/ч.
Использование на финальной стадии загрузки посылок в контейнер робота-манипулятора, имеющего 6 подвижных звеньев и 6 низших кинематических пар (степеней свободы) [6, 7] делает рассмотренный комплекс максимально универсальным: позволяет осуществлять укладку посылок не только в контейнер с открывающимися боковыми дверями и жесткой верхней крышей, но и в контейнер с откидывающейся верхней крышей, а также на поддоны и в тележки. Таким образом, процесс разгрузки накопителей сортировочной установки может быть полностью автоматизирован. В рассмогренном комплексе должны быть использованы новейшие достижения в области точной механики, оптики, электроники, программирования, поэтому стоимость комплекса и его разработки будет достаточно высокой. В связи с этим необходимо оценить, покроет ли эффект от повышения производительности труда на операции укладки посылок в контейнеры при внедрении комплекса затраты на его разработку и эксплуатацию.
Общие положения и исходные данные
Сравнение производится по трудовым затратам, капитальным вложениям, эксплуатационным расходам, приведенным затратам, сроку окупаемости капитальных вложений. В соответствии с [12] исчисление удельных затрат на НИОКР производится делением суммы затрат на разработку на количество
всех единиц новой техники, прогнозируемой к выпуску за первые пять лет, а при определении годового экономического эффекта за расчетный год принимается второй календарный год серийного выпуска новой продукции.
Принятые в расчете исходные данные приведены в табл. 1 (значения экономических показателей взяты по состоянию на начало 2011 года). Использование роботизированного комплекса загрузки посылок в контейнеры не приводит к значимому изменению производственной площади, занимаемой оборудованием, связанным с укладкой посылок в контейнеры (транспортерами, промежуточными накопителями), поэтому показатели, характеризующие затраты, связанные с изменением производственной площади, не рассматриваются.
Таблица 1
Исходные данные, принятые при расчете
Показатель Размер- ность Обозна- чение Значе- ние
Затраты на проведение НИОКР по созданию комплекса тыс. руб. Ср 24000,0
Прогнозируемый объем производства за 5 лет сд. у, 60
Прогнозируемый объем производства на 2-й год внедрения ед. 12
Стоимость комплекса тыс. руб. ц 2000,0
Затраты на оплату труда и отчисления на социальные нужды (единый социальный налог - 26,2 % и налог на травматизм на производстве — 0,5 %) работника, осуществляющего укладку посылок в контейнер вручную руб. чел.ч Зо 150
Затраты на оплату труда и отчисления на социальные нужды (единый социальный налог - 26,2 % и налог на травматизм на производстве -0,5 %) техника по обслуживанию и ремонту комплекса руб. чел.ч 3, 170
Коэффициент, учитывающий увеличение затрат на монтаж и транспортирование оборудования сд. и 1.18
Норма амортизационных отчислений на почтообрабагсывающие машины ед. А„ 0,105
Норматив на текущее обслуживание, плановую профилактику и текущий ремонт комплекса чел.ч месяц н 60
Норма расхода материалов и запасных частей на текущий ремонт и техническое обслуживание комплекса ед. м 0,02
Коэффициент на прочие расходы (ад м и н истрати вно-у и ра в л е н чес ки е и оперативно-хозяйственные) ед. р 0,07
Потребляемая мощность комплекса всего вт.ч. транспортером подачи посылок измерителЫ1 ым комплексом загрузочным транспортером шлюзовой дверкой двумя элеваторами-накопителями толкателем выводным транспортером роботом-манипулятором кВт IV 9,45 0,75 0,55 0.75 0.6 4.4 0,55 0,75 1.1
Тариф на производственную электроэнергию с учетом НДС [13] руб. кВт-ч 7 1,45
Фонд рабочего времени работника в месяц ч ф 173
Коэффициент, учитывающий резерв на подмену во время отпусков при продолжительности отпуска 24 рабочих дня ед. £ 1,08
Нормативный коэффициент эффективности ед. £„ 0,15
Определение количества высвобождаемых работников одним комплексом
Расчет базируется на следующих положениях и исходных данных. Работники по укладке посылок в контейнеры обслуживают участок пространственного сортировочного конвейера (КПСМ) по формированию прямых групп посылок для их отправки в контейнерах. Производительность КПСМ Пм = 1100 посылок/ч; количество накопителей КПСМ п„ = 200; среднее количество посылок, накапливаемых в накопителях KI ICM Е = 36; число объектов, в которые составляются прямые группы посылок ик = 56 [1]; количество посылок в час, подлежащих загрузке в контейнеры на этом участке Пмк = 653 ед./ч; время работы оборудования в сутки при котором эффективно его использование, /м = 10 ч.
При заданных производительности и емкости накопителя стационарный режим работы КПСМ начинается через 1,8 ч после начала работы. С определенным приближением с наступлением этого периода в расчетах можно рассматривать поток требований на выгрузку накопителей КПСМ на этом участке как пуас-соновский с интенсивностью /мк = = Пм|/Е = 18 выгр./ч;
На процесс загрузки посылок в контейнер вручную оказывает влияние целый ряд факторов, в том числе человеческий: квалификация, усталость, отсутствие на рабочем месте в требуемый момент времени, различное время принятия решений при взятии посылок с транспортера-накопителя и укладки в контейнер и т.п., поэтому принимается, что время загрузки посылок в контейнер работником вручную подчиняется экспоненциальному закону. При этом интенсивность загрузки посылок в контейнер вручную составит //р = Нр / Е = 5,5 контейнеров/ч. При сделанных допущениях характеристики процесса выгрузки посылок из накопителей KI1CM и перегрузки посылок в контейнеры можно определить по формулам для многоканальной системы массового обслуживания с неограниченной очередью [14].
Среднее число работников, занятых укладкой посылок в контейнеры, Рр: Рр= = 3,3;
среднее число накопителей КГ1СМ, ожидающих выгрузки,
г„
ро
'ро =
K.+I
Рр -Ро
Кр' Кр!(1 -Л/К )"
/>р/К,.<1, Кр > 4,
Ро =
1 + ^ + ^ 1! 2!
V
лем КПСМ, f
ро
^ро ^ро^'^мк’
Я рс =
>6 ‘рб
п.
Результаты расчетов характеристик процесса выгрузки посылок из накопителей КПСМ и их ручной загрузки в контейнеры при различном количестве работников представлены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристики процесса выгрузки посылок из накопителей КПСМ и загрузки в контейнеры
к Ро Гро Г . ч РО 'рб г ро ІІОС./ч П„
4 0.0227 3,02 0,168 6,32 0,351 25,9 2.35
5 0,0330 0.61 0,034 3,91 0,217 9,9 0,9
6 0.0358 0,17 0.009 3,47 0,193 7.3 0,66
7 0.0366 0.05 0.003 3.35 0.186 7.3 0.66
8 0.0368 0.02 0.001 3.32 0.184 7,1 0,65
крККр-/Ч
Кр - число работников, занятых укладкой посылок в контейнеры; среднее время ожидания разгрузки одним накопите-
ч; среднее число заблокиро-
Данные табл. 2 показывают, что при ручной загрузке посылок в контейнеры на участке формирования прямых групп посылок необходимо иметь не менее шести работников. Последующее увеличение числа работников не приводит к значимому эффекту вследствие того, что из-за их сравнительно низкой производительности в среднем более трех накопителей КПСМ остаются заблокированными на достаточно продолжительное время, необходимое для перегрузки посылок из накопителя в контейнер. Поэтому, чтобы исключить потери производительности КПСМ из-за блокировки разгружаемых накопителей, в установке необходимо выделить не менее трех накопителей в качестве резервных, в которые будут направляться посылки во время блокировки разгружаемых накопителей, что сказывается на снижении эффективности производственного процесса обработки посылок в объекте почтовой связи в целом.
Аналогичные расчеты, проведенные для определения потребного количества роботизированных комплексов загрузки посылок в контейнеры на этом участке автоматизированной линии сортировки посылок, показывают, что для автоматизации загрузки прямых групп посылок в контейнеры достаточно трех загрузочных комплексов. В этом случае потери производительности из-за занятости комплексов будут сравнительно малы (0,11 %), а время ожидания разгрузки заблокированных накопителей составит 0,046 ч, поэтому отпадает необходимость наличия резервных накопителей в КПСМ.
С учетом того, что один роботизированный комплекс заменяет двух работников, количество высвобождаемых работников по укладке посылок в контейнеры в связи с внедрением одного комплекса составит:
2-30,4/м
Р =
Ф
■ F = 3,8 чел-<
ванных накопителей КПСМ, =гро + рр', среднее время
блокировки накопителя КПСМ, гр-'- /А^..
Кроме того, для определения потребного количества работников для укладки посылок в контейнеры рассчитываются следующие показатели.
Количество посылок, отправляемых на справку за время блокировки накопителей КПСМ в течение часа:
посылок/ч; потерн производительно-
сти КПСМ из-за занятости работников по укладке посылок в контейнеры:
^•100%.
П„
где 30,4 - среднее число дней в месяце.
Расчет экономической эффективности использования комплекса
Экономия трудовых затрат в год при использовании комплекса:
ЛГ = (365 • 2 • /„ - 12 Н) У2= 78960 чел. ч, где 365 - число дней в году.
Расчетная стоимость комплекса:
Ц, = Ц + Ср / У5 = 2400,0 тыс. руб.
Объем капитальных вложений расчетного года при использовании комплекса:
Сг = Цр ■ И2 = 28800,0 тыс. руб.
Общая сумма эксплуатационных расходов рассчитывается по следующим статьям затрат: заработная плата с начислениями, амортизационные отчисления, материалы, электроэнергия, прочие расходы.
задачи для почтовой отрасли может дать не только экономический, но и значительный социальный эффект.
Литература
1. Барсук И.В., Гиль Г.К., Воскресенский A.JI. и др
Организация автоматизированной обработки почтовых отправлений в крупных узлах связи. — М.: Радио и связь, 1985. -208 с.
2. Михайлов С.Д., Кабаллин М.С., Педяш В.А., Карпова М.В. Устройство для перегрузки штучных грузов. Авторское свидетельство СССР № 1111963. Бюллетень изобретений и открытий. 1986. №26.
3. Буланов Э.А., Трстенко Ю.И. Подъемнотранспортные и погрузочно-разгрузочные устройства почтовой связи: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб., доп. — М.; Радио и связь, 1990. - 232 с.
4. Меламедов Б. Роботы идут // Логистика. 2011. № 3. С. 28 - 29.
5. Длуголенскнн С. Это он. Это он - робот-почтальон! h Почта России. 2006. № 7. С. 38 - 40.
6. Барсук И.В., Денисов В.М., Попова F..C. Система загрузки штучных грузов в контейнер. Патент РФ № 2381166 // Бюллетень изобретений. 2010. Ха 4.
7. Барсук И.В. Теория, практика и технические средства почтовой логистики: Учебное пособие / Под ред. д.т.н., проф А.В. Петракова. - М.: РадиоСофг, 2010. -424 с.
8. Барсук И.В. Система управления загрузочным устройством для укладки штучных грузов в контейнер. Патент РФ № 2364565 // Бюллетень изобретений. 2009. № 23.
9. Барсук И.В. Способ укладки штучных грузов в контейнер. Патент РФ № 2377174 // Бюллетень изобретений. 2009 № 36.
10. Барсук И.В. О проблеме укладки штучных грузов в контейнер // Почтовая связь. Техника и технологии. 2011. № 3. С. 12-17.
11. Ведомственные нормы технологического проектирования. Часть I «Предприятия почтовой связи и Роспечати», ВНТП 311 -92 Минсвязи РФ, - М.: Гипросвязь, 1992. - 74 с.
12. Инструкция по определению экономической эффективности использования новой техники, изобретений и рационализаторских предложений в отрасли «Связь». М-во связи СССР, Техн. упр. - М.: Связь, 1980. — 112с.
13. Об установлении тарифов на электрическую энергию, реализуемую ОАО «Мосэнергосбыт» потребителям города Москвы в 2010 году (Постановление Региональной энергетической комиссии города Москвы от 25.12.2009 г. № 121).
14. Вентцель Е.С. Исследование операций. Задачи, принципы, методология: Учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2004. - 208 с.
ABOUT EXPEDIENCY OF WORKING OUT AND CREATION OF THE ROBOTIZED COMPLEX OF LOADING PARCELS IN CONTAINERS
Barsuk I.V.
Abstract
The background of attempts of creation of the automated complex of loading of parcels in containers is resulted. Lacks of a known way of loading of containers by parcels by means of the loading robots simulating process of manual loading are formulated. The scheme is considered, the work description is given, indicators of appointment of a complex in which these lacks are considered are resulted. The technique is offered and calculation of the basic technical and economic indicators of the robotized complex of loading of parcels in containers is executed at its inclusion in structure of the automated line of sorting of parcels. Characteristics of process of an unloading of parcels from stores of sorting installation and an overload of parcels in containers automatically also were manually defined under formulas for multichannel system of mass service. For an exception of losses of productivity of sorting installation because of blocking of unloaded stores on a waiting time of unloading and packing of parcels in containers manually in installation it is necessary to provide reserve stores to which parcels should go during blocking of unloaded stores. At use of the considered robotized complex the requirement for reserve stores disappears. Results of calculations specify in expediency of creation and use of the robotized complex of loading of parcels in containers. The expected time of recovery of outlay of capital investments makes 4,1 years.
Keywords: Parcel, the container, packing automation, the robot-manipulator, economic efficiency.
Расходы на заработную плату в год работников, осуществляющих укладку посылок в контейнеры вручную:
Э, р= 365 • 2 • /м • 3„ • У2 / 1000 = 13140,0 тыс. руб.
Расходы на заработную плату в год работников, осуществляющих техническое обслуживание и текущий ремонт комплекса:
Эгто = 12 • Н • 3, • У2 / 1000= 1468,8 тыс. руб. Амортизационные отчисления в год рассчитываются на основании капитальных вложений и действующих норм амортизации:
Эг ам = Ач • Цр • У2 = 3024,0 тыс. руб.
Аналогично рассчитываются расходы на материалы и запасные части:
Эгм = М • Цр • У2 = 576,0 тыс. руб.
Расходы на оплату электроэнергии определяются исходя из установленной мощности комплекса, времени его работы и тарифа на электроэнергию [13]:
Эгм = 365 • и- • /м • у • У2 / 1000 = 600,2 тыс. руб.
Прочие расходы составляют:
Пр = р(Эгто + Эгш + Э, м + Эгг1) = 396,8 тыс. руб.
Общая сумма эксплуатационных расходов в год при использовании комплекса составит:
Эг = Эгто+ Э, ам + эгм + Эгэ + Пр= 6065,8 тыс. руб. Приведенные затраты составляют:
Г1 = Эг + Е„ • С, = 10385,8 тыс. руб.
Годовой экономический эффект составит:
ЭГ1ф = Эгр- П = 2754,2 тыс. руб.
Срок окупаемости капитальных вложений
Выводы
Результаты проведенных расчетов указывают на целесообразность создания и использования роботизированного комплекса загрузки посылок в контейнеры. Применение такого комплекса позволит сэкономить резервные накопители сортировочной установки и ликвидировать ручной груд на одной из самых тяжелых операций производственного процесса обработки посылок, ведь прн загрузке посылок в контейнер работнику приходится поднять, перекантовать и уложить в него до 360 кг груза. С учетом того, что в объектах почтовой связи на этой операции заняты в основном женщины, решение данной
10
T-Comm, #11-2012
