李紅偉，徐克林

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院 工業(yè)工程所，上海 200082）

1 引言

從對我國8家鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)效率的Malmquist分析可以看出，生產(chǎn)效率的提高主要是依靠生產(chǎn)前沿技術(shù)向前推進(jìn)，因此，進(jìn)一步提高鋼鐵生產(chǎn)的技術(shù)水平尤為重要[1]。根據(jù)現(xiàn)有的裝備情況和組織方式進(jìn)行生產(chǎn)計劃的改進(jìn)，發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的能力，是提高生產(chǎn)效率的一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。濟(jì)鋼從生產(chǎn)計劃與輥型的合理配置、與加熱爐能力的匹配、與冷床能力的匹配等方面改善生產(chǎn)計劃，不但能夠保證合同的兌現(xiàn)，同時也提高了作業(yè)效率和機(jī)時產(chǎn)量[2]。在信息化技術(shù)方面，舞鋼100 萬t 厚板新線采用了制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），它以現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐，按合同的訂單組織生產(chǎn)，實現(xiàn)了合同周期的全流程的動態(tài)管理。該系統(tǒng)的開發(fā)成功，降低了生產(chǎn)管理成本，提高了生產(chǎn)作業(yè)效率，保證了信息傳輸?shù)募皶r性與準(zhǔn)確性[3]。借鑒工業(yè)工程相關(guān)理論[4]，結(jié)合W 鋼廠厚板成品庫特點，開發(fā)了成品庫信息管理相關(guān)功能，結(jié)合W鋼廠厚板運(yùn)輸方式及設(shè)備的特點，就W 鋼廠厚板成品庫紙牌式堆垛的現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了剖析，對減少鋼板發(fā)貨時的倒垛量，降低非增值作業(yè)，提升出庫效率等方面的措施進(jìn)行了研究。

2 W鋼廠厚板系統(tǒng)功能介紹

W鋼廠厚板產(chǎn)線設(shè)置有四級計算機(jī)系統(tǒng)，即L1/L0基礎(chǔ)自動化，L2過程自動化，L3生產(chǎn)控制，L4生產(chǎn)信息綜合管理，各級系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

W 鋼廠L4 系統(tǒng)串聯(lián)公司各部門，對公司整個流程信息進(jìn)行管控；L4 系統(tǒng)傳遞相關(guān)產(chǎn)品信息至厚板L3系統(tǒng)，厚板L3編制作業(yè)計劃，形成現(xiàn)場作業(yè)指令，完成鋼板上、下線命令的生成、刪除，鋼板作業(yè)實績的保存和上傳，庫內(nèi)鋼板信息的查詢、收發(fā)貨作業(yè)命令生成等；L3 系統(tǒng)將相應(yīng)指令信息下傳到L2 系統(tǒng)，由L2 過程計算機(jī)對鋼板實物進(jìn)行在線的生產(chǎn)跟蹤，并向其下達(dá)作業(yè)指令參數(shù)，L2 執(zhí)行完成后將結(jié)果反饋到L3 系統(tǒng)，然后上傳L4 保存；四級計算機(jī)系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)交換，得以保證厚板產(chǎn)線順利的生產(chǎn)、快捷入庫和出庫。

圖1 W鋼廠各級計算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

3 紙牌式堆垛相關(guān)概念及意義

3.1 垛位勾連及其意義

鋼板的入庫堆垛就是將鋼板通過行車吊運(yùn)至成品庫垛位的過程，為順利實現(xiàn)紙牌式堆垛過程中鋼板有序、快速的找到合適的堆放垛位，W鋼廠厚板廠引入了堆垛指標(biāo)的概念。通過堆垛指標(biāo)作為橋梁，將具有不同堆垛記號特性的鋼板與垛位預(yù)先進(jìn)行勾連，即在厚板L3 系統(tǒng)上通過堆垛指標(biāo)將鋼板與垛位提前建立對應(yīng)關(guān)系而維護(hù)進(jìn)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，以保證鋼板按照一定規(guī)則有序入庫，而且出庫時能夠集批、快速出庫，提高出庫效率。

3.2 堆垛記號的概念及其意義

銷售人員在合同接入時，在上級L4 系統(tǒng)上對鋼板合同數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行維護(hù)，系統(tǒng)則根據(jù)訂貨用戶合同數(shù)據(jù)中不同的地區(qū)，建立用戶地區(qū)代碼，生成材料的最終去向代碼。

國內(nèi)合同的去向地代碼根據(jù)郵政編碼加分位碼決定；根據(jù)合同量大小可以實現(xiàn)去向地的分散和歸并，如同一去向地合同量大，則可以使用分位碼進(jìn)行細(xì)分。例如，同一個造船廠不同船塢造的船舶可以使用不同的分位碼進(jìn)行區(qū)分，使之產(chǎn)生不同的去向地代碼，在堆垛時分開堆放；對于同一片區(qū)，但細(xì)分不同去向地的情況，且訂貨量都很小的不同用戶，可以使用去向地歸并郵政編碼范圍，實現(xiàn)小客戶歸并堆垛，提高垛位的利用效率。去向地代碼生成方式如圖2所示。

圖2 去向地代碼生成方式

出口合同的去向地代碼主要根據(jù)合約號決定，同一大合約產(chǎn)生同一去向地代碼。如果用戶要求不同的交貨期交貨，則系統(tǒng)按照不同的合約處理，產(chǎn)生不同的去向地代碼。

堆垛記號則是根據(jù)材料的用戶、去向、交貨期、運(yùn)輸方式等指標(biāo)組合維護(hù)而成的代碼指標(biāo)；不同用戶的鋼板具有不同的堆垛記號特征。

4 紙牌式堆垛過程的實現(xiàn)

4.1 紙牌式堆垛垛位預(yù)規(guī)劃

充分做好紙牌式堆垛原則的規(guī)劃是確保鋼板快速提貨的前提。W鋼廠厚板在實踐摸索中，制定了以用戶為單位，結(jié)合鋼板堆垛記號所包含的用戶、去向、交貨期、運(yùn)輸方式，同時區(qū)分尺寸規(guī)格等信息，提前進(jìn)行庫區(qū)預(yù)規(guī)劃，在L3系統(tǒng)上實施垛位勾連。確保了出庫批量的最大化，減少鋼板倒垛量，并動態(tài)根據(jù)厚板合同結(jié)構(gòu)提前進(jìn)行庫區(qū)預(yù)計劃；合理安排不同用戶、不同交貨期、不同規(guī)格鋼板的堆放區(qū)域，見表1。

根據(jù)厚板成品庫區(qū)布局特點和鋼板規(guī)格尺寸定義了垛位的概念，并區(qū)分長短垛位。

4.2 紙牌式堆疊作業(yè)過程

成品入庫作業(yè)直接影響著厚板出庫物流的順暢與否，做好入庫規(guī)劃是確保鋼板出廠物流暢通，減少鋼板紙牌式堆垛倒垛量的前提。

W 鋼廠厚板在成品入庫前，對入庫去向為同一堆垛庫位，長、寬尺寸相近或相同的鋼板進(jìn)行預(yù)堆垛，即多塊鋼板通過預(yù)堆垛機(jī)實現(xiàn)在線堆疊，堆疊后運(yùn)輸至相應(yīng)的入庫點，通過入庫行車一次性吊運(yùn)至成品庫垛位而完成三維紙牌式堆垛；通過鋼板的預(yù)先堆垛，加快了在線堆垛的物流速度，但如何在鋼板預(yù)堆垛前進(jìn)行鋼板預(yù)堆垛邏輯和成品庫垛位使用原則的提前規(guī)劃，極大地影響著成品庫垛位的使用率及后續(xù)出庫發(fā)貨效率。其入庫實現(xiàn)過程如圖3所示。

表1 庫區(qū)垛位使用預(yù)規(guī)劃

圖3 鋼板堆疊入庫過程

4.3 紙牌式堆垛的影響分析

對于同一垛鋼板，厚板成品庫發(fā)貨時，都是根據(jù)提單要求的品種規(guī)格一次性連續(xù)發(fā)貨，當(dāng)可發(fā)鋼板與不可發(fā)鋼板間隔堆放時，鋼板整垛不是從上而下按順序依次發(fā)貨，而要把位于垛位上方的鋼板吊運(yùn)至其它垛位時，這就是常說的倒垛，倒垛發(fā)生后，發(fā)貨能力就會受到影響。鋼板堆疊如圖4所示。

為了研究倒垛對發(fā)貨量的影響，假設(shè)每次只能發(fā)1 塊的情況，每吊僅吊運(yùn)一塊。因其具有普遍性，可以簡化分析問題的同時，不會造成大的分析結(jié)果偏差。

圖4 鋼板堆疊示意圖

設(shè)某個垛位有n塊鋼板，發(fā)貨時每次只發(fā)其中的1塊，至于發(fā)哪一塊取決于提單要求的鋼板和產(chǎn)品的層次號i，層次號由下向上排序，依次增大，i的取值范圍為[1，n]。當(dāng)發(fā)貨需要選取層次號i的鋼板時，則需要倒垛的吊次數(shù)m=n-i。提單提取貨物對于發(fā)每一個層次號的鋼板，概率p是相同的，因此p=1/n。于是，對于該垛鋼板發(fā)貨的平均倒垛次數(shù)為q，由計算可得：

從式（1）看，垛位的吊次數(shù)n 與平均倒垛次數(shù)q成正比關(guān)系。n越大，倒垛工作量越大。在發(fā)貨作業(yè)過程中，設(shè)直接裝車吊次的作業(yè)周期為t0，倒垛吊次的作業(yè)周期為t1。從式（1）可知，當(dāng)發(fā)貨吊數(shù)為1時，需要倒垛的平均吊數(shù)為（n-1）/2，則有效作業(yè)效率為：

式中，t1/t0為每一吊次倒垛作業(yè)周期與每一吊次純裝車作業(yè)周期的比值，可以定義為倒垛裝車作業(yè)周期比例系數(shù)。當(dāng)車輛在發(fā)貨垛位一側(cè)裝車時，直接裝車吊次的作業(yè)時間肯定小于每個倒垛吊次的作業(yè)時間，因此，α＞1。又取決于發(fā)貨垛位與倒放目標(biāo)垛位的距離，距離越大也就越大。從式（2）可以看出：每垛的吊次數(shù)n 越大，有效作業(yè)效率越低。這也充分說明，就近倒垛很重要。為了直觀地說明上述兩個規(guī)律和影響程度，選用圖解法表達(dá)。分別取α為1、2、5，計算有效作業(yè)效率，得不同n值下的有效作業(yè)率計算值，根據(jù)計算值繪制了關(guān)系曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出，就近倒垛（α=t1/t0=1 時）最節(jié)省時間。每垛的平均吊次數(shù)若超過5，有效作業(yè)效率就低于30%，對于每垛平均吊次數(shù)n=11.5的情況，作業(yè)效率僅為16%。

圖5 不同α情況下的作業(yè)效率

4.4 紙牌式堆垛模式下的出庫效率的提升

通過對紙牌式堆垛方式和效率進(jìn)行理論分析后，依據(jù)其自身特點因地制宜，制定了有效的提升出庫效率的措施，主要包括以下兩方面：

4.4.1 降低α和n，以縮減出庫無效作業(yè)時間。降低α=t1/t0、n，在純裝車作業(yè)周期基本固定的基礎(chǔ)上，縮減鋼板吊運(yùn)過程中無效的作業(yè)時間，優(yōu)化裝車距離，保持低庫存運(yùn)轉(zhuǎn)。

（1）擴(kuò)展出庫模式，多種出庫模式并存。W鋼廠厚板產(chǎn)線為了實現(xiàn)快速出庫，開發(fā)多種可并行的出廠方式，在傳統(tǒng)的汽車產(chǎn)成品發(fā)運(yùn)基礎(chǔ)上，開辟了在線輥道直接在制品轉(zhuǎn)庫、轉(zhuǎn)碼頭形式，使得60%的鋼板可以在線生產(chǎn)后直接裝車轉(zhuǎn)庫，避免了鋼板入垛位及后續(xù)的倒垛、裝車等無效吊運(yùn)作業(yè)，效率大大提升。出庫模式及相應(yīng)流程如圖6所示。

圖6 出庫模式及相應(yīng)流程

（2）采用活動式平板車短駁。W 鋼廠厚板產(chǎn)線采用活動式平板車在成品庫與外倉庫間頻繁短駁，移動式平板車車頭和平板框架之間采用分離式設(shè)計，一個車頭可以對應(yīng)多個同類型的平板框架，可有效避免裝貨等待；裝車作業(yè)機(jī)動靈活，可靠近垛位車道進(jìn)行并排裝車，且易實現(xiàn)多車道并行發(fā)貨作業(yè)。

（3）控制庫存，降低垛位堆放塊數(shù)n 值。通過快速出庫，減少鋼板在成品庫的落地，避免二次無效吊運(yùn)，確保成品庫庫存處于較低水平，以利于成品庫垛位的快速周轉(zhuǎn)。

4.4.2 異常倒垛量相關(guān)因素的控制

（1）鋼板堆垛實物與信息位置一致性的保證。W鋼廠厚板L3系統(tǒng)開發(fā)了一系列對應(yīng)的成品庫管理畫面，實現(xiàn)了成品庫垛位編碼、垛位指派、垛位監(jiān)控、垛位使用情況統(tǒng)計等功能，進(jìn)行了垛位的平面管理，實現(xiàn)了電腦與行車系統(tǒng)連接，行車駕駛員根據(jù)系統(tǒng)指令順序?qū)γ繅K鋼板進(jìn)行有序的疊放和倒垛作業(yè)。

（2）W 鋼廠厚板盤庫模式的建立。不斷完善信息系統(tǒng)，通過對日常作業(yè)過程中對成品庫垛位信息與實物的監(jiān)控，信息實物定期盤點，信息實物不一致情況的及時盤查追溯等手段確保了鋼板信息與實物的一致。

（3）尾單鋼板的跟蹤和清理。對發(fā)貨后，少量掉隊的部分鋼板，日常重點安排清理和歸并，避免掉隊鋼板壓在某些垛位下方，造成后續(xù)發(fā)貨時大量的倒垛。

5 紙牌式堆垛方式的優(yōu)化

目前厚板紙牌式堆垛模式下，最常見的實物與信息錯位就是鋼板入庫或倒垛過程中實物放錯，而造成無法根據(jù)系統(tǒng)信息準(zhǔn)確找到鋼板的垛位，為此W鋼廠厚板也進(jìn)行了一系列優(yōu)化措施。引入了射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification 技術(shù)，簡稱RFID）。

5.1 RFID新技術(shù)的應(yīng)用

射頻識別技術(shù)在鋼鐵制造業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于物流與車輛管控[5]，該系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器、天線以及上位控制計算機(jī)所組成。電子標(biāo)簽由芯片和標(biāo)簽天線組成，標(biāo)簽芯片中有數(shù)據(jù)存儲區(qū)，用來存儲被識別物體的數(shù)據(jù)信息。電子標(biāo)簽以讀寫器發(fā)射出的無線電電波為能源，在接收到讀寫器的指令后，對數(shù)據(jù)存儲區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲或讀取操作，并通過標(biāo)簽天線將載波信號發(fā)送出去。并可以與上位控制計算機(jī)通信。上位控制計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和控制，并與上位信息系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。圖7所示的是工廠應(yīng)用的一種典型的RFID系統(tǒng)簡圖。

圖7 RFID典型系統(tǒng)組成

將超高射頻識別電子標(biāo)簽技術(shù)應(yīng)用于厚板紙牌式堆垛管理，可以實現(xiàn)對厚板入庫、盤庫、出庫全程跟蹤，相當(dāng)于給每塊厚板提供了一個電子身份證，發(fā)展到比較成熟的階段可以實現(xiàn)鋼板超市化管理，在成品庫的堆垛、發(fā)貨及清盤庫等時都可以根據(jù)電子標(biāo)簽的信息進(jìn)行跟蹤、校核，同時電子標(biāo)簽可以跟隨厚板流轉(zhuǎn)到下游工序，為下游工序提供數(shù)據(jù)源，也為厚板的全流程跟蹤提供數(shù)據(jù)支撐。

5.2 行車自動定位系統(tǒng)實施

目前厚板嘗試進(jìn)行的RFID 系統(tǒng)主要在行車定位方面取得了很大改進(jìn)，通過射頻識別電子標(biāo)簽在行車定位系統(tǒng)上的應(yīng)用，結(jié)合成品庫區(qū)垛位物理坐標(biāo)，預(yù)計可以更好地輔助完成鋼板的入庫，從而避免鋼板的入庫錯位問題，進(jìn)一步彌補(bǔ)行車在入庫過程中人為確認(rèn)帶來的信息與實物位置不一致的差錯。

5.3 清盤庫系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)

通過手持式移動終端系統(tǒng)與RFID系統(tǒng)連接，對鋼板標(biāo)簽進(jìn)行識別和判斷，從而實現(xiàn)垛位動態(tài)盤庫，對異常進(jìn)行判斷和調(diào)整，并將盤庫信息形成數(shù)據(jù)報告形式存檔，提高庫區(qū)信息管理自動化程度。

6 結(jié)語

在多年的生產(chǎn)實踐中，W鋼廠總結(jié)和完善了厚板紙牌式堆垛技術(shù)方法，但對入庫行車吊運(yùn)過程中實物位置放錯，行車吊運(yùn)時一次多塊疊吊帶來的信息實物位置不一致的問題，還沒有得到根本解決，為此W鋼廠也嘗試引入了RFID射頻識別技術(shù)，希望能進(jìn)一步優(yōu)化厚板紙牌式堆垛，但對RFID標(biāo)簽的粘貼防脫落和標(biāo)簽的讀取技術(shù)難題還有待進(jìn)一步攻克。