王琦玲，袁紹彥，趙 勃

(上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海市工程塑料功能化工程技術(shù)研究中心，上海 201714)

0 前言

改性塑料是指以樹脂為基體，添加一定比例的助劑、填料、色粉等，通過混料、計(jì)量、熔融擠出、冷卻、風(fēng)干、切粒、混色等工序制備出滿足不同領(lǐng)域、不同產(chǎn)品性能要求以及顏色需求的產(chǎn)品。

改性塑料是化工新材料領(lǐng)域的重要組成部分，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)改性塑料生產(chǎn)車間各環(huán)節(jié)主要依靠人工作業(yè)，帶來了工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染、生產(chǎn)過程無追溯等一系列問題。較之大型的跨國(guó)公司，存在明顯差距。同時(shí)隨著下游公司對(duì)材料品質(zhì)要求越來越高和人工成本的不斷增加，已經(jīng)無法滿足競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)發(fā)展需要。因此，急需優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)制造過程，提高制造集成裝備水平，降低消耗，減少制造成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

1 改性塑料生產(chǎn)概要

改性塑料生產(chǎn)流程主要為混料工序、擠出工序及包裝工序，詳見圖1。

圖1 改性塑料生產(chǎn)流程圖

混料工序主要包含有以下各環(huán)節(jié)：配方原材料經(jīng)由倉(cāng)庫(kù)配送后按照配方比例進(jìn)行物料的混合；之后通過由電腦控制，根據(jù)質(zhì)量變化進(jìn)行精準(zhǔn)下料的計(jì)量稱進(jìn)行喂料；然后達(dá)到雙螺桿擠出機(jī)的螺筒中，經(jīng)各種不同功能的螺紋塊進(jìn)行充分的熔融塑化。

擠出工序主要包含以下各環(huán)節(jié)：塑化后的塑料熔體經(jīng)高壓擠出成非固定形狀的柔軟的料條；該料條需要進(jìn)行一種俗稱拉條的這一動(dòng)作，將料條經(jīng)過冷卻水槽，對(duì)料條進(jìn)行降溫、冷卻；冷卻后的料條經(jīng)過風(fēng)刀(一種可以將料條表面的水分吹干的設(shè)備)或吸水器(一種可以將料條表面的水分吸走的設(shè)備)將水分去除，加以干燥；之后料條經(jīng)過設(shè)定好轉(zhuǎn)速和刀間距的切粒機(jī)進(jìn)行造粒；在此過程中會(huì)因料條振動(dòng)較快或傾斜等原因，導(dǎo)致粒子存在及其少量的長(zhǎng)條，以及因料條沒有完全冷卻，導(dǎo)致粒子存在粘連等，為了獲得規(guī)整的粒子，需要經(jīng)過過篩這一環(huán)節(jié)，將不合格的粒子剔除；在粒子的生產(chǎn)過程中最后需要通過磁性過濾器，把帶鐵雜質(zhì)的粒子析出。

包裝工序主要包含有以下各環(huán)節(jié)：采用雙錐回轉(zhuǎn)混合機(jī)將粒子進(jìn)行混合，確保粒子的顏色和性能均勻；然后通過自動(dòng)稱重-封包-碼垛裝置，將物料按照設(shè)定的質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)裝包；最后通過無線射頻技術(shù)將物料入庫(kù)存放。

2 改性塑料發(fā)展現(xiàn)狀

改性塑料是國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的新材料行業(yè)，已成為先進(jìn)新型塑料產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，推動(dòng)了塑料加工業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了合成樹脂、助劑和塑料機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。我國(guó)改性塑料產(chǎn)業(yè)僅有20多年的歷史，目前有三千多家企業(yè)從事改性塑料生產(chǎn)，但規(guī)模以上企業(yè)較少，產(chǎn)能達(dá)萬(wàn)噸級(jí)的企業(yè)不足20家，企業(yè)水平參差不齊，自動(dòng)化程度整體偏低[1]。

未來幾年，全球改性塑料的市場(chǎng)需求進(jìn)一步擴(kuò)大，面對(duì)龐大的市場(chǎng)以及國(guó)外強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)，各企業(yè)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，在改性塑料傳統(tǒng)生產(chǎn)模式及生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)4.0，以自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)來取代人工作業(yè)。

3 本設(shè)計(jì)的目的和意義

傳統(tǒng)的改性塑料企業(yè)在配料環(huán)節(jié)、混料環(huán)節(jié)以及包裝環(huán)節(jié)依靠人工作業(yè)。人工作業(yè)不僅會(huì)帶來產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)、生產(chǎn)過程無法追溯等問題，且人工成本也在逐年增加。加之改性塑料上游企業(yè)所生產(chǎn)的原材料價(jià)格也呈現(xiàn)逐步上漲的趨勢(shì)，更增加了制造成本上升的幅度，也增加了企業(yè)控制成本的難度。

與此同時(shí)，依靠人工作業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品因質(zhì)量波動(dòng)，導(dǎo)致其選擇進(jìn)入門檻較低的行業(yè)，其產(chǎn)品主要集中在中低端，很難與外國(guó)企業(yè)抗衡。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是突破改性塑料企業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，采用全自動(dòng)智能化的生產(chǎn)設(shè)備，在提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，降低制造成本。

4 本設(shè)計(jì)主要解決的問題

(1)自動(dòng)配料。從人工找料、按配方比例分料到系統(tǒng)精確識(shí)別物料并按設(shè)定比例配料。

(2)自動(dòng)混料。從人工將物料投入高速混合機(jī)到系統(tǒng)按照設(shè)定工藝投放物料。

(3)自動(dòng)稱重-封包-碼垛。從人工稱重-封包-碼垛到機(jī)械手按照設(shè)定程序精準(zhǔn)稱重并準(zhǔn)確識(shí)別物料進(jìn)行碼垛。

5 本設(shè)計(jì)具體解決方案

(1)采用WMS系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物料的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新，并解決人工下單、人工在倉(cāng)庫(kù)尋找物料和倉(cāng)庫(kù)管理混亂等問題。

(2)集中供料系統(tǒng)采用預(yù)混合系統(tǒng)和稱重系統(tǒng)、管道輸送系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)物料的混合、自動(dòng)稱重、自動(dòng)輸送。

(3)自動(dòng)稱重-封包-碼垛系統(tǒng)對(duì)成品進(jìn)行自動(dòng)定量包裝，實(shí)現(xiàn)成品包裝環(huán)節(jié)的自動(dòng)化。其次在包裝袋表面進(jìn)行自動(dòng)噴碼、輸送整形。最后通過視覺識(shí)別，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的分揀碼垛。

6 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)施

6.1 WMS(倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng))

改性塑料行業(yè)在物料配送這一環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的模式是生產(chǎn)計(jì)劃部門手工下單到倉(cāng)庫(kù)，倉(cāng)庫(kù)管理人員按照訂單逐個(gè)去車間找尋物料，然后配送到車間指定機(jī)臺(tái)。在這個(gè)過程中會(huì)出現(xiàn)人為的物料尋找錯(cuò)誤、配送錯(cuò)誤等問題，而且工作效率較為低下，無形中增加了制造成本。WMS是一個(gè)分布式的倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)，可以與ERP進(jìn)行集成，它全面支持現(xiàn)代化的倉(cāng)儲(chǔ)管理。WMS的核心能力包括靈活的模塊化倉(cāng)儲(chǔ)和流程控制，庫(kù)存及過程的高度透明，優(yōu)化庫(kù)存計(jì)劃和操作執(zhí)行，支持倉(cāng)庫(kù)的現(xiàn)代增值服務(wù)，無縫的技術(shù)集成包括自動(dòng)化、RF、RFID等，改善了倉(cāng)庫(kù)的生產(chǎn)效率，提高了庫(kù)存的精準(zhǔn)度，削減了潛在的運(yùn)營(yíng)成本。與此同時(shí)，WMS具有無線化、批次化、條碼化、無紙化和庫(kù)位化的優(yōu)點(diǎn)。

WMS其核心的倉(cāng)庫(kù)作業(yè)包括入庫(kù)管理、內(nèi)部作業(yè)管理、出庫(kù)管理，在此基礎(chǔ)上還有許多較高級(jí)的應(yīng)用。

入庫(kù)管理包括交貨通知單接受、確認(rèn)、收貨及上架貨位決策，內(nèi)部作業(yè)規(guī)劃以及卸載、拆包、入庫(kù)檢驗(yàn)、上架和逆向物流。內(nèi)部倉(cāng)儲(chǔ)及作業(yè)流程包括庫(kù)存的規(guī)劃整理，倉(cāng)庫(kù)判定以及差異分析，倉(cāng)庫(kù)的補(bǔ)貨和按庫(kù)存裝配以及倉(cāng)庫(kù)的監(jiān)控。出庫(kù)管理包括訂單的下達(dá)，發(fā)貨路由決策以及波次管理，揀貨區(qū)決策、任務(wù)分派、揀貨、包裝備貨以及裝車發(fā)貨。高級(jí)管理包括EHS集成和勞動(dòng)力管理，物流增值服務(wù)的支持，F(xiàn)IRD集成，圖形化數(shù)據(jù)分析和圖形化倉(cāng)庫(kù)布局以及決策支持集成。

WMS基于流程的作業(yè)控制，實(shí)現(xiàn)多元化業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程，根據(jù)流程需求靈活的定義不同的作業(yè)步驟，根據(jù)不同的商品的屬性或者訂單的屬性，自動(dòng)地選擇作業(yè)流程。自動(dòng)將單一任務(wù)拆分成多級(jí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)多資源、分區(qū)域的協(xié)同作業(yè)。依據(jù)需求，可以合理地提出貨物存儲(chǔ)建議。根據(jù)發(fā)貨量，將貨物移動(dòng)到快速揀貨區(qū)，縮短了揀貨的路線，提高了揀貨的速度。根據(jù)庫(kù)存狀況，減少零散貨物存儲(chǔ)，提高了庫(kù)位的使用率[2]。

6.2 集中供料系統(tǒng)

傳統(tǒng)的工作模式為人工按照配方的質(zhì)量對(duì)物料進(jìn)行分重，然后按照工藝表的要求對(duì)物料按順序投放。這樣的操作模式不僅車間粉塵飛揚(yáng)，生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境差，更重要的是可能存在人工操作失誤而引起物料質(zhì)量不準(zhǔn)確、投料順序與工藝要求不一致等，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量異常，且過程無法追溯。

集中供料系統(tǒng)是在程序的控制下，各種原材料進(jìn)入立式混色機(jī)，在罐內(nèi)均勻混合，按工藝要求精確放料，進(jìn)入稱重罐，最后通過負(fù)壓輸送的方式進(jìn)入緩沖罐。當(dāng)生產(chǎn)機(jī)臺(tái)需要原材料時(shí)，通過信號(hào)控制從緩沖罐進(jìn)入到高混機(jī)中。

圖2為起重能力1 t的行吊。①用于將噸袋包裝的物料提升至人工投料站②上方。人工投料站設(shè)置有小包裝投料口，用于小包裝物料的投料。由于所投物料有粉體，在投料站后方配置過濾精度為1 μm的過濾器連接中央除塵系統(tǒng)，防止在投料過程中粉塵飄揚(yáng)。投料站中的物料在壓力裝置④的負(fù)壓作用下通過管道③輸送至氣料分離器⑤中，連續(xù)拍料旋轉(zhuǎn)閥門⑦在輸送過程中連續(xù)不斷地將氣料分離器中物料加入集中儲(chǔ)料倉(cāng)⑧中。采用高真空式氣力輸送進(jìn)行物料輸送。根據(jù)物料粒子大小，氣料分離器⑤采用聚酯棉作為過濾材料，配備壓縮空氣反吹包⑥，每次加料結(jié)束后啟動(dòng)脈沖反吹閥對(duì)過濾棉進(jìn)行反吹，防止過濾棉發(fā)生堵塞。集中料倉(cāng)底部設(shè)計(jì)n根吸料管組成的輸送料斗⑨(可以分解不同的生產(chǎn)需求進(jìn)行不同吸料管的安裝)，實(shí)現(xiàn)一種物料同時(shí)向n條生產(chǎn)線的自動(dòng)粉料機(jī)輸送物料[3]。

物料通過車間負(fù)壓輸送管道，將集中料倉(cāng)中的物料輸送至各個(gè)機(jī)臺(tái)的自動(dòng)分料機(jī)，詳見圖3。自動(dòng)分料機(jī)主要是由負(fù)壓吸料罐、自動(dòng)分料稱和增重式稱重倉(cāng)⑩組成。打開插板閥并啟動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)，物料將在負(fù)壓作用下進(jìn)入負(fù)壓吸料罐。打開負(fù)壓吸料罐的閥門，物料將進(jìn)入自動(dòng)分料稱重。自動(dòng)分料稱的分料螺桿轉(zhuǎn)速與增重式稱重倉(cāng)的稱重儀表信號(hào)進(jìn)行連鎖控制，可實(shí)現(xiàn)按照配方比例將物料加入增重式料倉(cāng)。自動(dòng)分料稱配料完成后，根據(jù)增重式料倉(cāng)的稱重儀表讀數(shù)反饋，確認(rèn)物料添加質(zhì)量正確后，打開氣動(dòng)插板閥，將自動(dòng)分料稱重的物料加入高混機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)粉體物料的自動(dòng)加入[3]。集中供料系統(tǒng)的整體效果圖如圖4所示。

圖2 集中儲(chǔ)料罐系統(tǒng)圖[3]

圖3 自動(dòng)分料系統(tǒng)圖[3]

圖4 集中供料整體效果圖

6.3 自動(dòng)稱重-封包-碼垛系統(tǒng)

改性塑料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包裝質(zhì)量為25 kg，在人工作業(yè)中要求稱重為25.00～25.02 kg，但往往不能達(dá)到很好的效果，稱重或多或少常有發(fā)生。稱重多對(duì)公司來說是一種損失，稱重少則遭到客戶投訴，影響公司整體形象。此外，對(duì)于封包環(huán)節(jié)的人工封包，一方面精美度不足，另一方面效率也不高。在最后的碼垛環(huán)節(jié)，人工碼垛不僅勞動(dòng)強(qiáng)度特別大，而且會(huì)存在碼垛傾斜易倒、包裝袋標(biāo)識(shí)不能碼放在外部、碼垛數(shù)量或多或少等情況，造成二次返工作業(yè)，給銷售發(fā)貨環(huán)節(jié)造成了嚴(yán)重的影響。

6.3.1 自動(dòng)稱重-封包系統(tǒng)

自動(dòng)稱重系統(tǒng)采用的是在一定精度范圍內(nèi)(±2‰)的定量稱重。其核心部件為自動(dòng)給料裝置，常用的自動(dòng)給料方式有螺桿給料、振動(dòng)給料、定容積給料、旋轉(zhuǎn)閥給料、重力閥給料，本設(shè)備采用的是重力閥給料。采用剪切梁傳感器和自動(dòng)稱重控制儀表來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)去皮→高速補(bǔ)料→低速補(bǔ)料→閥門關(guān)閉的自動(dòng)稱重控制流程。采用自動(dòng)切紙高速縫包機(jī)進(jìn)行包裝袋的自動(dòng)縫包封口。整個(gè)自動(dòng)包裝流程圖如圖5所示，自動(dòng)裝包機(jī)的效果圖如圖6所示。

6.3.2 輸送和整形

封包以后的包裝袋是站立的形式，之后通過皮帶進(jìn)入到倒包機(jī)(見圖7)。倒包機(jī)通過光電開關(guān)檢測(cè)袋子是否到位，同時(shí)通過下方水平輸送機(jī)的光電來檢測(cè)是否滿足有一個(gè)袋子推下的安全距離等條件。如果各方面都滿足，則會(huì)發(fā)生以下動(dòng)作：PLC(programmable logic controller，可編程序邏輯控制器)驅(qū)動(dòng)繼電器→電磁閥→氣缸動(dòng)作。將料包推倒成水平狀態(tài)進(jìn)入水平輸送機(jī)帶輸送。料包將在水平輸送機(jī)上匯合進(jìn)入復(fù)檢秤(見圖8)，進(jìn)行復(fù)檢，質(zhì)量不合格的包裝將被剔除。最后通過整形輸送帶(見圖9)的不斷振動(dòng)，使包裝袋中物料均勻分布，機(jī)器人抓取并碼垛[4]。

圖5 自動(dòng)裝包流程圖

圖6 自動(dòng)裝包機(jī)效果圖

圖7 倒包機(jī)

圖8 復(fù)檢稱

圖9 整形輸送帶

6.3.3 視覺識(shí)別

視覺識(shí)別系統(tǒng)由一張工業(yè)控制IO卡、一臺(tái)智能相機(jī)，一臺(tái)工控機(jī)組成。在整形輸送線起始位置，加裝了一臺(tái)智能相機(jī)及環(huán)形光源。在整形線起始端光電感應(yīng)到料包后，整形線停止輸送。輸送線PLC向智能相機(jī)發(fā)出檢測(cè)指令，智能相機(jī)進(jìn)行拍照，并將照片發(fā)至IBM工控通過視覺處理軟件IE vision 進(jìn)行比對(duì)。識(shí)別結(jié)果通過IO發(fā)至碼垛機(jī)器人作為分揀依據(jù)。出現(xiàn)不合格結(jié)果的料包將被自動(dòng)剔除機(jī)(見圖10)剔除出輸送線[4]。

圖10 剔除機(jī)

6.3.4 碼垛機(jī)器人

機(jī)器人會(huì)抓取帶有視覺檢測(cè)識(shí)別結(jié)果的料包。料包從整形輸送帶進(jìn)入上料輸送機(jī)，在上料輸送機(jī)末端光電感應(yīng)到料包時(shí)上料輸送機(jī)停止。碼垛機(jī)器人的剛性抓手從上料輸送機(jī)上抓取料包。依據(jù)視覺識(shí)別系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果，將料包碼放在相應(yīng)的地臺(tái)板上，完成碼垛作業(yè)，碼垛整體效果如圖11所示[4]。

圖11 碼垛整體效果圖

7 系統(tǒng)測(cè)試

CPK(complex process capability index)過程能力指數(shù)是指某一過程能力滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求(規(guī)格范圍等)的程度(見表1)。CPK又稱工序能力指數(shù)，它是工序保證質(zhì)量的能力，也是工序固有的能力，是工序在一定時(shí)間里，處于控制狀態(tài)(穩(wěn)定狀態(tài))下的實(shí)際加工能力。

表1 過程能力指數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)

采用集中供料系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)改善后)后，混合物料的熔融指數(shù)較之前采用人工分重+混料(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)改善前)的效果有較為明顯的變化。系統(tǒng)改善前混合料的熔融指數(shù)的CPK為0.73，系統(tǒng)改善后混合料的熔融指數(shù)的CPK為1.80，如表2和表3所示。

8 結(jié)論與展望

改性塑料全自動(dòng)智能化生產(chǎn)線的建設(shè)在實(shí)現(xiàn)了車間的定制化生產(chǎn)特色的前提下，減少了工人高強(qiáng)度勞動(dòng)作業(yè)，優(yōu)化了車間作業(yè)環(huán)境，提升了生產(chǎn)效率，降低了制造成本。該全自動(dòng)智能化生產(chǎn)線的建設(shè)未來將在整個(gè)行業(yè)內(nèi)進(jìn)行推廣，起到很好的示范作用，同時(shí)對(duì)提高國(guó)內(nèi)改性塑料行業(yè)的自動(dòng)化、智能化水平具有借鑒意義，將為“中國(guó)制造2025”添磚加瓦。

表2人工分重+混料SPC分析報(bào)告

表3 集中供料系統(tǒng)混合料SPC分析報(bào)告