東風模具沖壓技術有限公司/劉壽明 戰衛紅 常偉

沈陽沈飛電子科技發展有限公司/梅林

摘要：本文針對東風模具沖壓技術有限公司新建二層焊接廠房生產、倉儲、物流的特殊需求，開發了由提升機、AGV、RFID等多種硬件設備和應用軟件系統組成的汽車零部件生產智能化物流系統——“倉儲物流管控一體化系統”。經過近兩年的生產檢驗，證明該系統運行安全可靠，準點高效，具有較大的推廣應用價值。

關鍵詞：汽車零部件、智能化、物流系統、管控一體化、設計及應用

     2013年東風模具沖壓技術有限公司為滿足生產經營啟動新建焊裝車間，廠房一樓為高位倉庫（標高8m），二樓為焊接生產陣地(標高6m)，總面積為9870m²，樓層間通過升降機運輸，物流系統納入同步工程設計。其中二樓焊接車間設計共有點焊機器人70臺，固定點焊機28臺，以及其它輔助設備，預計生產轎車零部件250多個品種。一樓高位倉庫有貨架59架，每列高6層，庫位6957個，主要用于轎車零部件成品、半成品的儲存及運輸�？紤]到零件品種繁多、承載和造價等因素，設計沒有采用立體倉庫方式，引入高位貨架配套高位叉車的智能貨位指示存取系統進行存取零件。

出入庫零部件品種預計有500余種/天，面對如此多的零件品種，如何對應上6957個庫位，并且要確保庫位利用率大、效率高？僅僅依靠人工管理顯然難度極大，需要借助智能化物流系統實現高效精準管理。

一、前提條件

1．工作班次：白班+夜班。

2．周轉方式：所有零件規定有一定規格的容器和數量裝箱后搬運周轉。

3．每天周轉需求：入庫≥500箱，出庫≥650箱。

4．容器規格有近140多個，從780mm×570mm×470mm至2300mm×1600mm×1050mm不等。材料為金屬瓦楞板或金屬網和型鋼構成，85%的容器為通用容器，零件箱粘貼有二維碼標簽。

5．生產品種主要為轎車汽車零部件，以轎車側圍類、地板類零件為主。

6．最長的梁類零件長度有2180mm，單件凈重20kg左右；最寬的后地板后部零件尺寸1100×900mm，單件凈重10kg左右；最小零件的尺寸為40×50mm。

該廠房的第一、二樓間的物流搬運采用7臺升降機完成，二樓生產陣地物流采用AGV完成。一般企業的AGV在固定的路徑、轉運固定的產品，而該項目現場一個AGV回路有近50多個工位，涉及到6個車型的成品、半成品近200多個品種。如何保證車間每一平米、每一個人、每一個物料都安全、精準，是需要重點考慮解決的問題。

通過調研國內先進的汽車零部件公司，發現尚未有類似倉庫的管理經驗可借鑒。目前國內類似倉庫的管理通常是：零件箱與庫位采用一一對應的固定式管理，在每個貨架前掛一對應的零件品種布置圖及相應的庫位零件品種、數量卡片，再配一個簡單的管理軟件，作業人員通過軟件查找，或通過記憶零件存放的具體位置，辦理物料出入庫，再將卡片放上或拿走。這樣的話，庫位利用率低，操作慢，適用于庫存量少、周轉量小的倉庫。

二、整體物流方案設計

1.方案總體思路

（1）整個物流路線上以料車作為運送單元，所有物料（白件、成品、空箱）放在料車上輸送，料車設四個萬向輪，規格一致（能夠用于AGV搬運）。

（2）以AGV、提升機、自動輸送裝置和叉車作為物流工具，除一層分揀料、備料需人工操作外，其他物流為無人作業。

（3）以生產計劃為導向建立物流配送系統，實現物流的自動配送和物料管理。

（4）按照最短物流路線原則，采用物料存放與生產相對應進行區域劃分。

 

圖1 智能物流系統總體設計思路

（5）白件半成品或成品空箱由叉車從相應存放點取下，放到A點料車上，依次推到提升機入口自動輸送線前，自動輸送線可預備5～6箱等待，貨物從入口自動進入提升機；到位后，提升機自動上行到二層，由AGV送到需求工位。

              

圖2 智能物流系統總體設計布局

（6）當某一個工位有成品或半成品空箱發送需求時，該工位操作人員先將貨物或空箱推送到AGV站點，由AGV將貨物運送到相對應提升機入口點；當貨物進入提升機到位后，提升機開始下行到一層，到位后提升機自動將貨物送到輸送鏈板上，約預備5、6箱等待自動前行、下貨、分揀；空箱由人工分配到相應空箱區，成品由叉車存放到成品區。

2.系統設計難點

現場物流管理的載體在于“物流”，如果無物可流的話，現場非常好管理，但最怕的是有物難流，這樣就容易產生“亂流”，進而出現各種無效的工作和救火式的管理，現場日漸混亂。因此，首先要理順現場的邏輯關系，做到“物道自然”，那么現場就不會有過多在制品、容器具，人員、物料也不會到處都是，因為每一平米、每一個人、每一個物料都在自然流淌。

通過對生產計劃、車間作業、升降機、AGV、叉車等各環節間的作業分析，一、二層焊接車間整體物流要順暢，存在難點如下：

（1）何時、送何種產品、到何工位？

（2）升降機與二樓AGV如何銜接？

（3）二樓AGV與生產工位如何銜接？

（4）升降機與叉車如何銜接？

（5）入庫零件信息的快速識別。

（6）出庫零件信息的快速傳遞。

（7）庫位的自動分配與防錯。

圖3 智能物流系統示意圖

3.方案分析及方案制定

整個焊接車間智能物流系統由高位叉車、升降機、AGV、高位貨架等設備以及協調控制各設備工作的物流控制系統組成，其功能如下：

 

  

圖4 升降機、高位叉車、高位貨架

圖5 智能物流AGV

a.物流環節包括：入庫、上貨架、出庫、上樓、到工位、工位發貨、下樓；

b.高位貨架：儲存放置物料箱，確保物、位一一對應，便于管理；

c.升降機：垂直輸送車間與倉庫物料；

d.高位叉車：升降機與高位貨架間的物料搬運；

e.AGV：焊接車間工位間物料搬運；

f.物流控制系統：精確指揮協調各設施間的工作和物料數據管理。

（1）物流控制系統方案設計（見圖6）

圖6 新型物流控制系統硬件配置

 

              

圖7 新型物流系統流程圖

 

（2）系統結構

整體物流系統是由多種硬件設備和多個應用軟件系統組成的一個協同工作的綜合系統。采用三層結構，即任務和數據管理(管理層)、集中監控和設備調度（監控調度層）、多種任務執行設備（設備控制層）。

其中管理層負責統一協調全系統的運行，是管理與指揮中心。通過接收并分解企業MES下達的作業計劃，將作業計劃分解為作業指令下達給調度監控層，實現作業管理與倉儲管理；

監控調度層，是連接物流管理層及設備執行層的樞紐。對上管理層，接收作業指令，優化調度分解作業指令，將執行命令下達給控制系統，實時監控設備運行狀況及故障信息，提供動態仿真畫面與人機交互界面。

設備執行層控制系統接收監控調度層下達的執行命令，主要由現場操作終端、變頻器以及AGV、升降裝置系統等設備組成。PLC基于工業以太網的總線方式控制設備運行。

（3）設施選型方案

要實現系統方案，必須對系統涉及的設備有一定的結構要求。選型原則：快速采集物料信息，快速信息傳遞；保證高位庫的利用率最大；保證出入庫效率最高。

  隨著技術的不斷進步，滿足各類工況使用的物流設備大量涌現，如何選擇適用我們現場物流方案的設備，是該項目實施前要考慮的一大問題。而整個物流系統的每個環節都與物料信息相關，系統如何快速獲得物料的信息是整個項目的關鍵。

①
 射頻識別技術開發應用

根據RFID(射頻識別技術)和二維碼的技術特點，考慮到現場的生產使用環境：a.電子標簽可重復使用，因為容器大部分是通用容器；b.可遠程識別，因為要快速識別信息就要做到叉車司機無需下車就可獲得零件信息；物料一上樓，系統就可獲得信息等一系列實際作業情況。

圖8 RFID電子標簽

 

鑒于RFID電子標簽具有諸多特點:a.抗金屬標簽能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離；b.標簽有不同的封裝形式；c.該頻率的磁場區域能夠產生相對均勻的讀寫區域；d.大容量存儲，可以把物品信息數據、重復寫入標簽中等優點，決定采用RFID電子標簽。這樣，每一個裝了電子標簽的物料在整個生產物流環節，在一定范圍內（約25m）信息都盡在掌握中。

②讀寫器的布置

閱讀器根據使用的結構和技術不同可以是讀或讀/寫裝置，是RFID系統信息控制和處理中心。閱讀器通常由耦合模塊、收發模塊、控制模塊和接口單元組成。閱讀器和應答器之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，同時閱讀器通過耦合給無源應答器提供能量和時序。 在實際應用中，可進一步通過Ethernet或WLAN等實現對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。

                                                                         

 

                                    

                  圖9 新型物流系統讀寫器布置

③RFID配置

將電子標簽通過紅色繩子固定在容器箱上，因入庫零件箱上已粘貼二維碼信息，所以系統將RFID與零件箱二維碼信息綁定就可。零件信息包含：零件號、零件名稱、零件數量、生產日期、生產批次。運行數據全程保存，可實現全過程信息采集、跟蹤，并保證可追溯。

為了能夠方便叉車人員迅速找到需要存取物料的貨位，在高位叉車上配置車載終端電腦、閱讀器、天線。車載終端系統與物流管理系統緊密連接，接收存取任務，合理調度各個叉車進行有序工作，為叉車操作人員進行路線導航。提高現場出入庫效率。

 

           

圖10 新型物流系統標簽信息讀取

 

在升降機出口處安裝天線、讀寫器。物料上樓、出升降機門，系統出口處的天線感應料箱電子標簽，讀寫器感將信息反饋給系統，系統將作業信息發送給AGV控制系統；作業信息指示最近AGV小車將料箱拉到相應物料需求工位。

④手持終端

                                         

 

圖11 新型物流系統用手持終端

 

采用具有數據存儲及計算能力的智能手持終端，根據業務需要進行二次編程開發，借助無線AP交換機聯接入局域網中，通過SOCKET方式或直接訪問數據庫的方式與條碼系統進行數據交換與業務流程銜接。

⑤工位呼叫裝置

在二樓焊接車間每個生產工位安裝有4個需求按鈕，分別代表為成品發交、空箱發交、半成品需求和空箱需求。工人每次按需求通過幾個按鈕來拉動生產。

                                               

圖12 新型物流系統流程圖

 

⑥貨位防錯功能設置

在每個貨位上安裝一電子標簽，貨位電子標簽與貨位零件箱信息綁定。這樣叉車放、取零件時可校驗零件箱的正確與否。

圖13 新型物流系統貨位防差錯

 

在位于高位庫巷道兩邊安裝貨架指示燈， 同時在每列貨架的立柱上也安裝指示燈。將入架的零件箱貨位與指示燈進行一一對應，根據所接信息，點亮貨架指示燈，直到操作者確認取出(送入)為止即結束（指示燈熄滅）。

通過專用控制器對貨架進行管理，可構筑獨立的系統。使用較少配線的機器，對貨架更改少，安裝更方便。在起到防錯功能的同時還為叉車操作人員進行路線導航。

4.升降機方案設計

升降機為鏈式四柱結構，減速電機帶動鏈傳動線體傳動。升降車載重1噸，設置有通過式對開門洞，即一邊進物料，另一邊出物料。升降機構分為三部分組成：往復式升降裝置、與往復式升降裝置對接的地面輸送裝置和安裝在往復式升降裝置內的接送料箱的雙向叉式移栽裝置（貨叉）。升降機一層進出口設置地面垂直鏈或鏈板式輸送鏈，可存放4個緩存料箱。料箱按“一”字型排列，自動依次往前行進，直至雙向貨叉將料箱叉入升降裝置。一層升降裝置物料出口亦如進口處，自動出一個，前進一個，按“一”字型排列存放4個料箱，直至人工轉移走。這樣可緩解進出口物料堆積。升降機控制系統具有與現場總線控制系統進行數據傳輸的能力。

   

圖14 新型物流系統升降機

 

5.AGV方案設計

為了提高自動化水平，減少用工及降低成本，近幾年來汽車廠普遍應用AGV物流技術。由于多品種生產的需要，現場使用零件箱種類較多，零件箱的結構受零件結構和客戶要求限制，難以做到規格大小標準化。此外，考慮到物流周轉的方向性、升降機進出口的定位等因素，決定采用單向、潛入拖拉型的潛伏式AGV。運行方式：將所有零件箱分別放置在一四輪托盤小車上，AGV從料車底部進入，檢測到位后，升起牽引銷，帶動料車行走。

(1）料箱托盤的結構設計

作為料箱與AGV之間的介子料箱托盤，既要滿足AGV牽引尺寸的要求，又要滿足升降機二樓進出口定位的要求，所以，還要設有兩個AGV嵌入口，因為只有這樣才可保證料車不受方向限制。而容器規格繁多，要適合所有料箱的尺寸要求，只有考慮單邊尺寸合適，另一邊的單向兩邊可超出托盤部分，小的按放2箱設計的原則。

     

 

圖15 新型物流系統料箱圖

 

鑒于零件箱最大尺寸(長×寬×高)：2300mm×1600mm×1500mm，到800mm×600mm×640mm規格不等，確定料箱托盤尺寸(長×寬)：1600mm×1200mm，考慮AGV的穿入高度（高度應≤340mm）；料車托盤的4個輪子均采用萬向輪，這樣可不受方向限制�？紤]定位牽引方式及升降裝置中叉子的位置，料車運行方向兩端均可以作為牽引方向，即兩端各有一套定位牽引裝置；適用所有零件箱運輸。

（2）AGV路徑設計

根據二樓焊接車間生產工位（A01….A11，B01….B11）的布置，設計了AGV運行環線及�？空军c的位置。圍繞2臺升降機，分別設計2個回路，左邊為一號升降機回路，右邊為二號升降機回路，參見圖16。

                    

圖16 新型物流系統AGV路徑設計

 

6.高位庫區域設計

   根據二樓焊接車間生產陣地布置情況，以及升降機周轉就近原則，將一樓高位貨架存放零件品種與二樓生產車型一一對應。這樣可確保物流周轉路徑最短。

根據容器型號大小和數量，同時盡量減少貨架類型，增加容器通用性，容器按尺寸大小進行分類：1000mm以下的為一類；1000mm至1400mm為一類；1400mm以上為一類。

貨位的分配原則：

（1）大件容器、托盤容器放在貨架的低層，如第一、二層；

（2）中型容器、小型容器、好操作的容器放在貨架的高層；

（3）周轉頻次高的貨物放在距離升降機最近的位置；

（4）同區域、同類容器零件共用同一類貨位，同類貨位通用。

這樣基于成本和效率的貨位分配策略，使得貨位的利用率最大，物流的路徑最短。

三、方案實施

焊接車間物流管控一體化項目，硬件部分包含：一套升降機系統、一套AGV輸送系統、高位貨架庫、一套指示燈庫房揀選系統、一套無線呼叫系統、一套高位叉車系統（高位叉車與車載智能設備）；軟件部分包含：一套自主研發的物流管理系統、一套條碼規范、一套WMCS物流管控系統（包含運行于PC系統的物流管控軟件WMCS、手持終端及手持系統、車載終端及車載系統、LED任務指示系統），以及用于PC-PLC、PC-設備間通訊的若干網絡設備，RFID標簽與制簽設備等。

1.新型物流系統構成

（1）存儲系統

貨架、指示燈系統與叉車系統，輔以若干手持設備，組成了本系統的核心物流存儲體系。該系統使用的條碼規則，為東風模具沖壓技術有限公司唯一條碼規則，規定了貨架存儲區域內（也包括部分平面堆場）的所有物料、物資均符合該條碼規則。貨架區使用RFID技術進行貨位認址。高位叉車系統接收任務指令，同時指示燈系統與叉車車載終端均對任務位置與任務類型等信息做出指示，使用高位叉車上的RFID設備進行貨物、貨位識別，即可進行倉儲業務。整個任務執行過程，均由系統發出指令，無需人工判斷。

圖17 新型物流系統指令設計

 

（2）物流調度系統

升降機、AGV、呼叫系統組成了物流調度系統：焊接工位的操作人，使用手持終端進行半成品要貨，該信息由WMCS系統處理后，分發到庫房倉儲系統執行，所需物料到達升降機入口后，由控制系統接管，通過物料容器上的RFID標簽，系統判斷調度路徑，經由升降機、AGV運輸，到達指定工位卸貨處（貨到人運輸）任務完成。整體調度過程，除手持掃碼外，無其他人工操作，主要依靠系統對設備的啟動、停止、運輸路徑進行操控。同時為保證運輸的效率，系統對AGV、升降機進行了交通管控，保障了運輸路徑的暢通與物流現場的安全。

圖18 新型物流調度系統指令

 

2.物流管控系統功能

（1）軟件系統具有角色、用戶權限分配管理功能，定義不同角色和權限，并對系統的操作進行動態日志跟蹤管理；

（2）系統可提供多種報表，包含日報表、月報表，提供靈活的報表平臺，作業人員可以通過設置工具進行報表的自動調整，報表數據可導出為常用的電子表格形式。

3.物流管控

（1）半成品入庫

半成品掛簽——先入高位庫規定的所屬暫存區，由保管員通過手持終端掃零件箱二維碼與電子標簽綁定（見圖19）。

圖19 新型物流系統半成品入庫掃碼

 

入庫——高位叉車叉取貨物 ，系統通過車載讀寫器讀取該零件箱，并在叉車顯示屏上提醒所對應的庫位編碼，同時相應貨架信號燈、庫位信號燈亮起提醒。將零件箱對號入座至相應庫位，核對庫位標簽與系統顯示庫位一致時，放下零件、確認、系統自動入庫、上賬，庫位信號燈、巷道信號燈熄滅。

圖20 新型物流系統半成品入庫

 

（2）半成品出庫

車間半成品需求——車間生產線班長根據生產作業計劃需求，通過手持掃二維碼冊、輸入出庫數量（系統自動折算零件箱數量）、輸入零件�？空军c號、確認所有零件品種。

     

圖21 新型物流系統半成品出庫

 

叉車出庫——系統通過車載顯示屏通知高位叉車具體庫位，同時相應庫位貨架信號燈、庫位信號燈亮起提醒。高位叉車取下貨物放到規定的升降機入庫備貨區后確認，系統自動出庫下賬。

（3）半成品上樓

物料放進升降機進口輸送鏈上自動前行，到入口位置升降機貨叉自動取貨上升；當物料由升降機輸送到二層出口時，貨叉自動送出口，出口處讀寫器可獲取料箱電子標簽信息，將信息反饋給AGV控制系統；AGV控制系統接到信息后，調度最近AGV小車將料箱運送到相應物料需求工位。

      

圖22 新型物流系統半成品上樓

 

（4）空箱上樓

焊接車間生產線班長根據生產作業計劃需求，掃空箱二維碼，系統將信息傳輸到升降機口LED屏顯示通知（容器型號、站點編號），由升降機口作業人員將寫有相應站點信息的標簽掛到所要零件箱上，送進升降機進口輸送鏈上自動前行，到入口位置升降機貨叉自動取貨上升；當物料由升降機輸送到二層出口時，貨叉自動送出口，出口處讀寫器可獲取料箱電子標簽信息，將信息反饋給AGV控制系統；AGV控制系統接到信息調度最近AGV小車將料箱運送到相應物料需求工位。

（5）物料下樓

焊接車間工位成品完工需要下樓時，工位操作工將物料到線邊物料站點，啟動發貨按鈕，系統指示最近AGV小車將物料送到升降機入口處時，觸碰控制開關；AGV離開，升降機貨叉取料箱進入、下一樓，系統通知相應庫位區域高位叉車取成品入庫�？障湎聵桥c此相同。

（6）與現行物流系統接口

物料下樓向物流系統反饋半成品出庫、半成品入庫數據。

①半成品入庫反饋（給物流系統）：每小時或每2小時一次，定期按單位編碼、零件號、批次匯總半成品入庫數據后，通過鏈接服務器反饋給物流系統。

②半成品出庫反饋（給物流系統）：每小時或每2小時一次，定期按單位編碼、零件號、批次匯總半成品出庫數據后，通過鏈接服務器反饋給物流系統。這樣使高位庫的信息始終與公司現用物流系統信息保持一致。

  

圖23 新型物流系統與現行物流的銜接

 

四、項目實施成果

該項目與新廠房建設同步，廠房建設、產品工藝布局、流程的建立、物流的規劃、物流設備選型等同步實施，涉及技術部、物流部、生產車間、設備部、規劃部、采購部等多個部門，相互關聯大，影響大，由于在實施過程中各團隊的及時溝通，保持了信息的透明與流暢，使得整個項目分批實施，不斷完善，把人員、物料、設備、能源、場地和信息等生產要素組成了一個富有生產力和有效運行的整體系統。

該項目針對新建二層樓焊接車間生產、倉儲、物流的特殊性，建立了“倉儲物流管控一體化系統”。該系統采用信息集成技術，結合先進的RFID、指示燈揀選技術設施，按生產作業順序計劃，實現AGV系統、升降機系統、工位呼叫系統等多個物流輸送設備的智能化協同調配，使整個焊接生產、倉儲、物流管控自動化。將信息網絡技術與傳統制造業相互滲透、深度融合，將現有物流設施資源效率發揮到最大化。通過RFID使得物料信息在整個物流系統的各個環節快速識別、快速傳遞；解決了升降機與AGV、AGV與工位的銜接問題；并通過采用工位呼叫與系統結合，解決工位實時需求問題；同時，實現了庫位的自動分配和防錯功能。