王 毅

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

在橡膠行業(yè)中，汽車油封生產(chǎn)特點以多品種小批量為主，生產(chǎn)中很多小料配方往往需要配有促進劑、防老劑等填充劑，這些小料成分盡管在配方中所占比份很小，但對膠料的質(zhì)量影響卻很大，因此小料的準確性及正確的配比決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

傳統(tǒng)企業(yè)的小料管理模式一般都采用開放式貨架管理。該傳統(tǒng)管理方式會對生產(chǎn)環(huán)境造成污染，小料種類、重量配置均依賴于人工，頻繁造成小料配比過程很多環(huán)節(jié)出錯；原材料缺少信息化管理，產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的小料信息無法追溯。通過智能立體小料存儲系統(tǒng)的應(yīng)用，以企業(yè)科學管理、環(huán)境保護、生產(chǎn)過程自動化和智能化為出發(fā)點，達到生產(chǎn)過程安全穩(wěn)定、節(jié)能降耗的目的，能夠很好地解決客戶在小料生產(chǎn)及配比管理等方面的諸多問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計及原理

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能立體小料存儲系統(tǒng)采用聯(lián)體式垂直升降系統(tǒng)設(shè)計[1]，如圖1所示。該系統(tǒng)內(nèi)部可以存放尺寸為：長600 mm×寬600 mm×高400 mm的料箱總計120個，根據(jù)客戶的實際需求，可存儲小料品種50余種。該系統(tǒng)外形長度為5.5 m，寬度為3 m，實際有效占地面積約為16 m2.該客戶原有場地采用貨架方式存放，貨架分上下兩層，貨架采用環(huán)式擺放形式，上下兩層分別擺放有料箱，120個料箱實際占用面積約為50 m2，智能立體小料存儲系統(tǒng)相比原擺放方式節(jié)省了近一半的面積。原有的小料采用塑料盒存放方式，現(xiàn)改進為不銹鋼料箱存放方式，不銹鋼頂部有合頁蓋，保證箱內(nèi)的物料跟外部的環(huán)境相對隔離，防止存儲過程中受到外部污染。

圖1 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)及實物外觀

1.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

1) 設(shè)備型材框架

設(shè)備所有立柱、橫梁均采用鋁合金型材，該框架潔凈度高，適合在凈房使用，加工采購貨期短，立柱橫梁采用模塊化設(shè)計，安裝方便、承載受力均勻,滿足該設(shè)備的整體要求[2]。

2) 料箱升降提取車結(jié)構(gòu)

料箱升降提取車系統(tǒng)采用四點懸掛方式，底部升降電機通過水平傳動軸帶動鏈條升降，整個提取車采用型材搭建[3]，伸縮貨叉通過導軌與型材連接，左右平移，提取車通過10個導向輪與軌道限位連接，運行平穩(wěn)，如圖2所示。

圖2 提取車結(jié)構(gòu)

1.3 系統(tǒng)原理

智能立體小料存儲系統(tǒng)采用全自動存放的形式，設(shè)備凈高6.8 m，可以最大限度利用廠房空間高度。整個設(shè)備中間通道是升降機運行通道，該升降機可以在X、Y、Z三軸進行聯(lián)動運動。

智能立體小料存儲系統(tǒng)以工控機為控制中心，主要由運動控制、條碼識別、監(jiān)控系統(tǒng)和存儲管理軟件系統(tǒng)等組成。運動系統(tǒng)控制伺服電機實現(xiàn)各運動部件的高速精確定位；條碼識別則是采集并校驗小料的基本信息；監(jiān)控系統(tǒng)實時顯示和記錄整個設(shè)備內(nèi)部動作情況，并具有回放功能；系統(tǒng)管理軟件系統(tǒng)與上位油封MES生產(chǎn)系統(tǒng)對接，使小料存儲系統(tǒng)能夠?qū)ξ锪线M行自動化存取管理，達到全自動的控制效果。由于小料存放對溫濕度有要求，故該設(shè)備配有恒溫恒濕系統(tǒng)，來達到系統(tǒng)內(nèi)溫濕度的要求。

2 主要功能介紹

2.1 電氣控制系統(tǒng)

智能立體小料存儲系統(tǒng)由可編程控制器(PLC)、I/O模塊、通訊模塊、人機界面(工控機)、傳感器、條碼識別系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換機等部分組成，如圖3所示。

2.2 出入口載貨臺及稱重系統(tǒng)

智能立體小料存儲系統(tǒng)柜體外部設(shè)置有三個出入口，分別為料箱入口、出口，以及補料口三部分。每個出入口都設(shè)置有自動稱重系統(tǒng)，當料箱進入系統(tǒng)內(nèi)部時要進行稱重，重量自動計入系統(tǒng)。稱重系統(tǒng)的設(shè)計采用梅特勒托利多稱重傳感器，該稱重系統(tǒng)的重量精度為±1 kg,當系統(tǒng)設(shè)置的某種小料重量低于生產(chǎn)值的下限時，系統(tǒng)自動報警，操作人員將存放該小料的料箱取出，進行補料處理。操作人員補料完成后，稱重系統(tǒng)再次執(zhí)行，將補好的小料送入系統(tǒng)柜體內(nèi)部，完成整個補料流程。

圖3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 除塵系統(tǒng)

設(shè)備外部出貨口設(shè)置有除塵系統(tǒng)，采用內(nèi)置軸流風機跟過濾袋結(jié)合的方式，該分系統(tǒng)由PLC控制，傳感器檢測到該位置有料箱的時候，除塵系統(tǒng)開始運行。該系統(tǒng)可以將料箱開啟后進行存取料操作，多余的粉末抽到過濾袋中，從而實現(xiàn)保護廠房的環(huán)境，防止小料散落造成的污染。過濾袋的設(shè)計采用塑料卡快拆環(huán)鎖緊形式，設(shè)備維護人員定期可以將收集滿的料袋進行傾倒清洗，過濾袋可反復使用。為延長內(nèi)置吸塵風機的使用壽命，程序進行了優(yōu)化設(shè)計，程序設(shè)置為料箱不在操作臺時該除塵系統(tǒng)不運行。

2.4 恒溫及除濕系統(tǒng)

小料在存放過程會產(chǎn)生吸潮、污染或者損耗。在儲存過程中能夠密閉防潮和防止環(huán)境粉塵的污染立體小料存儲系統(tǒng)是小料配比的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)由于在混煉車間前部設(shè)置，屬于獨立的系統(tǒng)。從經(jīng)濟性的角度考慮其設(shè)計，把該設(shè)備進行了獨立的溫濕度控制設(shè)計，設(shè)備的內(nèi)部跟廠房的環(huán)境獨立分隔開，系統(tǒng)增加了兩套空調(diào)系統(tǒng)及恒溫恒濕系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部溫度保證采用工業(yè)空調(diào)方式，恒濕系統(tǒng)采用進口恒濕主機一套，兩套系統(tǒng)分別裝在設(shè)備的兩邊，內(nèi)部風路采用上進下出方式，形成混合風路，保證了設(shè)備內(nèi)部料箱的環(huán)境溫濕度。設(shè)備內(nèi)部平面貼有防火材料保溫棉，降低了整個設(shè)備的能耗損失。

2.5 條碼信息系統(tǒng)

立體小料存儲系統(tǒng)跟油封制造MES對接，設(shè)備上位系統(tǒng)接收MES發(fā)來的生產(chǎn)物料訂單，對應(yīng)的物料通過提取系統(tǒng)送到對應(yīng)的取料口。在料箱頂部貼有對應(yīng)物料的二維碼編號，該功能主要是進行物料的二次校驗，防止MES訂單數(shù)據(jù)錯誤。自動掃碼校驗后反饋給MES，從而進行下一步操作。每一個出入料口設(shè)置有一臺電子秤，根據(jù)MES的生產(chǎn)訂單對應(yīng)的小料重量以及操作人員的每個環(huán)節(jié)工序都進行記錄，做到每個訂單的可追溯性。

2.6 語音播報及軟件管理系統(tǒng)

立體小料存儲系統(tǒng)的另一個亮點是采用了語音播放系統(tǒng)，在整個生產(chǎn)小料的配餐過程都有語音播放，操作人員根據(jù)語音播報的環(huán)節(jié)進行操作，方便快捷。整個流程由軟件系統(tǒng)生成，通過外置播放器播放。

軟件系統(tǒng)以工控機為硬件，數(shù)據(jù)庫軟件為操作界面，實現(xiàn)生產(chǎn)管理和人機交互。同時在生產(chǎn)現(xiàn)場配置HMI(觸摸屏)實現(xiàn)班組直接下達生產(chǎn)任務(wù)和操作。是整個系統(tǒng)的中樞控制大腦。下位機是設(shè)備控制柜級，運行于PLC上，根據(jù)用戶在上位管理計算機上所給的配方進行稱量。工控機跟自動秤數(shù)據(jù)通訊，并有自動校正功能，以達到最高的精確度。本系統(tǒng)采用安川PLC，具有較強功能，兼具兼容性和可擴展性。

圖4 軟件界面示例

3 效果提升

通過智能立體小料存儲系統(tǒng)的應(yīng)用，改進和優(yōu)化了客戶現(xiàn)場生產(chǎn)工作，提升了以下效果：

1) 小料管理區(qū)域存儲面積節(jié)省，原有環(huán)形存儲面積為50 m2，現(xiàn)縮減到16 m2；

2) 作業(yè)平均時間由人工90秒/次變?yōu)樵O(shè)備單次出入庫平均時間35秒/次；

3) 自動化程度提高，工人勞動強度降低，降低了人員成本；

4) 通過該設(shè)備節(jié)省了時間，物料配比的準確性得到提高，油封產(chǎn)品的品質(zhì)明顯提高；

5) 操作環(huán)境得到改善，大大減少了現(xiàn)場飛揚粉塵。

4 結(jié)束語

此行業(yè)首次采用自動化立體倉儲的方式管理及存放油封生產(chǎn)所需要的小料，通過智能化技術(shù)、信息化數(shù)據(jù)、溫濕度智能控制，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成功應(yīng)用，在實際系統(tǒng)使用過程中取得了理想的效果。智能立體小料存儲系統(tǒng)依靠高效性與穩(wěn)定性，將生產(chǎn)管理思路融入了設(shè)備與軟件中，使得機械替代了人工操作、計算機替代了人腦、初步實現(xiàn)了無人化，具有較高的借鑒和示范作用。