文/張 俐

一、項(xiàng)目背景和需求

焊接材料的生產(chǎn)物料具有多品種、大批量等特點(diǎn)，原材料主要有盤條、粉料等，半成品有焊芯、濕粉等物料，物料特點(diǎn)是體積大、質(zhì)量重、轉(zhuǎn)運(yùn)頻次高、轉(zhuǎn)運(yùn)量大，因此要滿足大西洋焊接產(chǎn)業(yè)園生產(chǎn)需求，必須設(shè)計(jì)一套適用于實(shí)際生產(chǎn)的高效能自動(dòng)物流系統(tǒng)。本項(xiàng)目是焊條半成品（焊芯）的自動(dòng)物流輸送系統(tǒng)的集成和應(yīng)用。

焊芯的生產(chǎn)流轉(zhuǎn)工序要經(jīng)過(guò)切絲裝料、轉(zhuǎn)運(yùn)入庫(kù)、出庫(kù)、轉(zhuǎn)運(yùn)至用料生產(chǎn)線使用。

傳統(tǒng)物流存在的問(wèn)題：以前，焊芯的轉(zhuǎn)運(yùn)主要依賴人工，采用人工液壓車或帶輪子的焊芯裝料車搬運(yùn)，需要人工拖動(dòng)物料轉(zhuǎn)運(yùn)到各生產(chǎn)線在用工位，轉(zhuǎn)運(yùn)距離長(zhǎng)，加之物料體積重量大，因此人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，物流輸送效率極低。焊芯的存放方式只能在地面堆放，占地面積大，且無(wú)法規(guī)范管理，人工統(tǒng)計(jì)、物料盤點(diǎn)困難，耗時(shí)易出錯(cuò)。

新物流系統(tǒng)的需求：焊接產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃有17條焊芯生產(chǎn)線，日生產(chǎn)焊芯約500t，多品種規(guī)格且產(chǎn)地號(hào)不同的焊芯需要及時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)入庫(kù)暫存，等待涂壓生產(chǎn)線使用，從焊芯裝料位置到使用生產(chǎn)線工位，最長(zhǎng)距離達(dá)500m，并且拉切工序與涂壓工序廠房地面有2m高差，依靠人工轉(zhuǎn)運(yùn)、地面存儲(chǔ)的方式無(wú)法適應(yīng)產(chǎn)業(yè)園生產(chǎn)物料的高負(fù)荷轉(zhuǎn)運(yùn)及信息管理。

圖1：新設(shè)計(jì)料斗

圖2：原來(lái)的料斗

圖3：棒絲自動(dòng)物流輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

圖5：空料斗回庫(kù)前設(shè)置RFID讀頭

表1：物流設(shè)備主要架構(gòu)設(shè)計(jì)

因此，根據(jù)生產(chǎn)要求，需建立一套快速、準(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定的自動(dòng)化物流系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)運(yùn)焊芯，對(duì)焊芯的裝料、搬運(yùn)、入庫(kù)、存放、投料，以及搬運(yùn)工具、物流設(shè)備、搬運(yùn)方法、輸送節(jié)拍等進(jìn)行合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)、布局，實(shí)現(xiàn)焊芯轉(zhuǎn)運(yùn)的自動(dòng)物流模式。

二、技術(shù)難點(diǎn)

在該項(xiàng)目中，如何解決好裝料后快速轉(zhuǎn)換載具、物料暫存，如何實(shí)現(xiàn)物流與生產(chǎn)設(shè)備精準(zhǔn)高效協(xié)同工作方式，實(shí)現(xiàn)各物流系統(tǒng)之間有效兼容，是比較大的技術(shù)難點(diǎn)。

一是必須同時(shí)滿足自動(dòng)裝料、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)、卸料的不同需求。

二是物料品種信息多，生產(chǎn)需求復(fù)雜多樣，信息更新快速，信息量大。

三是物流設(shè)備為多個(gè)系統(tǒng)集成，管理控制系統(tǒng)的集成難度較大。

四是國(guó)內(nèi)外無(wú)實(shí)際案例和技術(shù)可學(xué)習(xí)借鑒，如何貫通整個(gè)物流流程、實(shí)現(xiàn)各個(gè)位置的功能，均需自主設(shè)計(jì)。

三、設(shè)計(jì)方案

1.設(shè)計(jì)思路和規(guī)劃

焊芯自動(dòng)物流系統(tǒng)主要完成焊芯從裝料、暫存到使用的全線自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)流程（見圖1、圖2、圖3），

物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)生產(chǎn)中央控制系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，接受MES指令調(diào)度RGV、立庫(kù)、AGV系統(tǒng)自動(dòng)完成焊芯運(yùn)送任務(wù)，利用RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，準(zhǔn)確讀取物料信息及生產(chǎn)物流過(guò)程中的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成焊芯裝料轉(zhuǎn)運(yùn)、入庫(kù)儲(chǔ)存、出庫(kù)轉(zhuǎn)運(yùn)至用料生產(chǎn)線的物流作業(yè)流程，采用輸送機(jī)、RGV、立庫(kù)、提升機(jī)與AGV聯(lián)合應(yīng)用方案，通過(guò)管理控制系統(tǒng)的集成，物料信息記錄和跟蹤，保證物料轉(zhuǎn)運(yùn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程自動(dòng)無(wú)縫對(duì)接。

2.物流布局方案（見圖4）

焊芯自動(dòng)物流系統(tǒng)布局，根據(jù)物料生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)需求，按照廠房的立體空間層次而設(shè)計(jì)，裝料區(qū)與用料區(qū)有2m高差，設(shè)計(jì)用提升機(jī)完成焊芯在6m地面與4m地面之間垂直方向的輸送，與立庫(kù)出口輸送設(shè)備相配合。該系統(tǒng)以自動(dòng)立庫(kù)為物流中心點(diǎn)，作為物流控制核心環(huán)節(jié)，集成前后工序的出入庫(kù)物流輸送設(shè)備，協(xié)同RGV、AGV物流系統(tǒng)作業(yè)，使輸送過(guò)程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。

裝料區(qū)：焊芯裝料入庫(kù)（空料斗出庫(kù)——裝料——滿料入庫(kù)）。

儲(chǔ)存區(qū)：立庫(kù)存儲(chǔ)，自動(dòng)完成焊芯存取、出入庫(kù)任務(wù)，利用RFID識(shí)別進(jìn)行物料信息和庫(kù)位管理。

用料區(qū)：焊芯出庫(kù)使用（滿料斗出庫(kù)——用料——空料斗回庫(kù)）。

3. 物料載具方案

裝料載具設(shè)計(jì)為焊芯料斗（見圖1），尺寸為680mm(L)×900mm(D)×950mm(H)，滿載重量1.2t，上部料斗寬度按照不同焊芯長(zhǎng)度規(guī)格設(shè)計(jì)，可裝載五種焊芯規(guī)格：φ2.0mm、φ2.5mm、φ3.2mm、φ4.0mm、φ5.0mm和長(zhǎng)度為300mm、350mm、400mm、500mm的焊芯；底托盤設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，可滿足輸送機(jī)、RGV、AGV、立庫(kù)不同物流轉(zhuǎn)運(yùn)方式的要求。

4. 信息流轉(zhuǎn)方案

利用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID），選用高頻RFID作為信息載體，在焊芯料斗上安裝兩個(gè)RFID載碼體TW-R50-B128（標(biāo)準(zhǔn)128bytes）（見圖2），同一個(gè)料斗上的兩個(gè)RFID載碼體綁定ID使用，用于物料信息識(shí)別。

圖6：牛腿焊接式立庫(kù)

圖7：RGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)方案

圖8：AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

表2：焊芯入庫(kù)

表3：焊芯出庫(kù)

（1）RFID選擇依據(jù)：

①RFID具有物流管理、物料資產(chǎn)信息管理、溯源等多方面的功能和優(yōu)勢(shì)，可滿足焊芯物流信息流轉(zhuǎn)追溯及庫(kù)存信息管理。

②RFID讀頭選用TNLR-Q80-H1147（長(zhǎng)距離），非接觸方式讀取，閱讀速度快。

③ 焊條生產(chǎn)過(guò)程中避免不了粉塵污染，因此選用高頻RFID對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，抗污染能力和耐久性強(qiáng)。

④可重復(fù)使用。由于焊芯出入庫(kù)頻次高，信息更新快，應(yīng)用RFID可以方便信息的更新。

（2）RFID識(shí)別位置設(shè)定：

滿料斗入庫(kù)前設(shè)置RFID讀頭——立庫(kù)執(zhí)行滿料斗入庫(kù)任務(wù)，識(shí)別料斗RFID號(hào)，將物料信息與料斗RFID綁定。

AGV設(shè)置車載RFID讀頭——識(shí)別料斗信息，核查MES任務(wù)指令及匹配目標(biāo)地址。

空料斗回庫(kù)前設(shè)置RFID讀頭——立庫(kù)執(zhí)行空料斗入庫(kù)任務(wù)，通過(guò)讀取RFID確定任務(wù)狀態(tài)、記錄信息、更新載具位置，如圖5。

5. 物流設(shè)備主要架構(gòu)設(shè)計(jì)（如表1）

6．各分項(xiàng)系統(tǒng)方案

（1）焊芯自動(dòng)化立體庫(kù)系統(tǒng)方案：

設(shè)備選型：

立庫(kù)形式為牛腿焊接式，貨架高度8.8m，4排貨架，520個(gè)庫(kù)位，2臺(tái)堆垛機(jī)（雙立柱地面支撐直道型）。自動(dòng)輸送、存儲(chǔ)能力大于532t/日，出入庫(kù)能力≥120斗/小時(shí)，堆垛機(jī)水平運(yùn)行認(rèn)址方式采用激光認(rèn)址，起升運(yùn)行認(rèn)址采用認(rèn)址片+編碼器，堆垛機(jī)通訊方式為紅外通訊。如圖6。

立庫(kù)系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)焊芯的出入庫(kù)及存儲(chǔ)，料斗通過(guò)RGV轉(zhuǎn)運(yùn)至立體庫(kù)入庫(kù)點(diǎn)輸送線，入庫(kù)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)稱重并將每斗焊芯重量信息自動(dòng)錄入，立庫(kù)系統(tǒng)按照任務(wù)指令對(duì)料斗實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化存取，并對(duì)庫(kù)存物料進(jìn)行自動(dòng)控制和信息管理，可以按焊芯的信息（料斗編號(hào)、焊芯品名、規(guī)格、重量、生產(chǎn)日期、原材料產(chǎn)地、對(duì)應(yīng)生產(chǎn)線等）分類查詢管理，根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度指令要求按照先進(jìn)先出的原則進(jìn)行自動(dòng)輸送、存取焊芯，立庫(kù)控制系統(tǒng)與MES系統(tǒng)進(jìn)行良好對(duì)接，自動(dòng)接收指令，并生成倉(cāng)儲(chǔ)相關(guān)報(bào)表。

①可同時(shí)實(shí)現(xiàn)滿料斗和空料斗的自動(dòng)存儲(chǔ)和出入庫(kù)調(diào)度管理。

②實(shí)現(xiàn)焊芯入庫(kù)自動(dòng)稱重，信息讀取、存儲(chǔ)、庫(kù)存信息管理。

③實(shí)現(xiàn)雙通道出庫(kù)（普焊/特焊）。

（2）RGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)方案：

設(shè)備選型：

RGV軌道式自動(dòng)導(dǎo)引車設(shè)計(jì)為雙工位車型，直線往復(fù)式，移載方式為鏈條移載，總載重量3t，輸送單工位單元載荷為1.5t(max),最快運(yùn)行速度為120m/min，軌道長(zhǎng)度150m，滑觸線供電，行走定位方式采用條碼認(rèn)址，通訊方式為無(wú)線通訊，運(yùn)送能力設(shè)計(jì)為每小時(shí)輸送23個(gè)滿料斗和23個(gè)空料斗，如圖7 。

功能設(shè)計(jì)：

操作者通過(guò)MES終端界面發(fā)出運(yùn)送料斗任務(wù)指令，RGV自動(dòng)接收運(yùn)輸任務(wù)，調(diào)度控制RGV車與裝料輸送線及立庫(kù)設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，輸送線可實(shí)現(xiàn)料斗在裝料工位的自動(dòng)快速轉(zhuǎn)換，RGV可實(shí)現(xiàn)物料長(zhǎng)距離直線輸送，與WMS系統(tǒng)進(jìn)行通訊，具備車輛調(diào)度、全程自動(dòng)跟蹤及動(dòng)態(tài)查詢等功能。

（3）AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：

設(shè)備選型：

AGV根據(jù)焊芯料斗和粉料斗尺寸設(shè)計(jì)，既可轉(zhuǎn)運(yùn)焊芯，又可轉(zhuǎn)運(yùn)粉料。AGV導(dǎo)航方式為磁條導(dǎo)航，鏈條移載方式，單舵輪驅(qū)動(dòng)，額定承載為1.8t，最大運(yùn)行速度為60m/min，在線充電方式，一期項(xiàng)目投入6臺(tái)車，用于運(yùn)送普通焊芯，輸送能力為每日340t、粉料每日150t，如圖8。

功能設(shè)計(jì)：

①AGV系統(tǒng)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)滿料斗至下料輸送線和轉(zhuǎn)運(yùn)空料斗回立庫(kù)，MES發(fā)出要料指令，AGV接收任務(wù)指令，調(diào)度AGV車與立庫(kù)系統(tǒng)對(duì)接，讀取料斗RFID號(hào)，核查物料輸送信息，綁定任務(wù)指令運(yùn)送焊芯到機(jī)臺(tái)。

②AGV與用料設(shè)備的對(duì)接設(shè)計(jì)為AGV與鏈條輸送機(jī)自動(dòng)對(duì)接的方式。

③AGV按照生產(chǎn)線工藝布局設(shè)計(jì)最佳運(yùn)行路徑及站點(diǎn)，線路擴(kuò)展靈活，6臺(tái)AGV根據(jù)任務(wù)合理調(diào)度車輛輸送，設(shè)計(jì)同時(shí)滿足了焊芯和粉料的輸送。

7. 控制系統(tǒng)集成方案

焊芯自動(dòng)物流系統(tǒng)中，MES、AGV、RGV、立庫(kù)自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)與接口部分采用數(shù)據(jù)庫(kù)表交互形式，AGV、RGV自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)對(duì)MES和立體庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)表具有一定的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)權(quán)限，MES和立體庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)表有互訪權(quán)限；AGV、RGV系統(tǒng)所有作業(yè)任務(wù)內(nèi)容（包括作業(yè)類型、起始站點(diǎn)、目的站點(diǎn)等）由MES、立庫(kù)系統(tǒng)協(xié)同下發(fā)。

焊芯入庫(kù)：MES系統(tǒng)將入庫(kù)信息發(fā)送給立體庫(kù)，立體庫(kù)接收到入庫(kù)信息后完善RGV系統(tǒng)取貨站點(diǎn)及放貨站點(diǎn)任務(wù)，RGV自動(dòng)獲取運(yùn)輸任務(wù)，并啟動(dòng)運(yùn)輸，RGV取貨運(yùn)行到立體庫(kù)入口位置反饋到位信息給立庫(kù)，立體庫(kù)處于接收狀態(tài)后RGV進(jìn)行放貨，放貨完成后，立體庫(kù)稱重并入庫(kù)，更新庫(kù)存信息與MES庫(kù)存保持一致（物料位置、信息、貨位一致），如表2。

表4：應(yīng)用比較

焊芯出庫(kù)：MES發(fā)出要料出庫(kù)指令（包括用料機(jī)臺(tái)地址、料斗號(hào)、RFID），由MES、立庫(kù)協(xié)同生成AGV的運(yùn)輸指令，立庫(kù)系統(tǒng)確定出庫(kù)口位置，AGV自動(dòng)獲取運(yùn)輸任務(wù)，取貨、讀取料斗RFID信息，綁定任務(wù)指令運(yùn)送物料到用料機(jī)臺(tái)，如表3。

四、應(yīng)用效果

焊芯自動(dòng)物流系統(tǒng)自2017年開始投入生產(chǎn)運(yùn)行，每天連續(xù)生產(chǎn)24小時(shí)，配合生產(chǎn)線轉(zhuǎn)運(yùn)物料，經(jīng)檢驗(yàn)?zāi)軡M足生產(chǎn)要求，實(shí)現(xiàn)了如下功能：

1.焊芯轉(zhuǎn)運(yùn)全過(guò)程自動(dòng)化，有效貫通了上下工序間的自動(dòng)物流流程，使工序間的物流快速、自動(dòng)、方便。

2.MES與立庫(kù)、AGV、RGV系統(tǒng)的集成控制管理，實(shí)現(xiàn)了焊芯輸送全程自動(dòng)跟蹤及動(dòng)態(tài)查詢功能，接收各生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)，實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前物流動(dòng)態(tài)和作業(yè)情況等諸多信息，自動(dòng)完成輸送焊芯信息的識(shí)別、流轉(zhuǎn)。

3.焊芯的生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存入庫(kù)、出庫(kù)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了資源合理科學(xué)分配，存儲(chǔ)合理集中規(guī)劃；可根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和特殊情況合理調(diào)配物料輸送，可按要求執(zhí)行各種查詢與統(tǒng)計(jì)。

該項(xiàng)目應(yīng)用自動(dòng)化物流系統(tǒng)前后比較情況見表4。

五、結(jié)論

該系統(tǒng)是工業(yè)制造自動(dòng)物流實(shí)際案例應(yīng)用中的一個(gè)多類型、較復(fù)雜的集成典型。大西洋焊接產(chǎn)業(yè)園物流系統(tǒng)已全面發(fā)揮出自動(dòng)化、智能化的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，全程無(wú)需人工干預(yù)，高效率、高質(zhì)量、自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)物料，實(shí)現(xiàn)了物流與生產(chǎn)設(shè)備的精準(zhǔn)協(xié)同和匹配，實(shí)現(xiàn)了各工序間的無(wú)縫對(duì)接，運(yùn)輸效率較以前提高10倍，對(duì)焊接材料傳統(tǒng)的生產(chǎn)物流環(huán)節(jié)進(jìn)行了顛覆性的創(chuàng)新和改革。大西洋焊接產(chǎn)業(yè)園在全球同行業(yè)中率先開啟了焊接材料的自動(dòng)化生產(chǎn)物流模式，成為全國(guó)工業(yè)物流成功轉(zhuǎn)型升級(jí)的典范。