張 亮 周全望 仝冰冰 陳應波

(云南昆鋼建設集團有限公司)

1 引言

隨著時代的進步，建筑業(yè)的發(fā)展方向逐漸從傳統(tǒng)的磚混結構施工模式轉變?yōu)椴捎镁G色建筑材料的裝配式施工模式。建筑鋼結構作為可裝配式施工的綠色建筑材料，發(fā)展建筑鋼結構制造，近年來得到了國家大力支持和推廣。然鋼結構制造屬于離散型制造業(yè)，現(xiàn)階段國內鋼結構制造廠仍停留在大規(guī)模依靠經(jīng)驗性技術工人采用自動化及半自動化設備來完成鋼結構制造的傳統(tǒng)加工模式，且大多中小型企業(yè)為小作坊式人工生產(chǎn)，僅有少部分大型企業(yè)制造廠達到一定規(guī)模的半自動化批量生產(chǎn)。在制造過程中，小件下料完成后的小件倉儲及物流作為鋼結構制造中的關鍵環(huán)節(jié)更是通過人工標記，紙質登記完成物料收發(fā)貨及人工配送，造成小件生產(chǎn)管理混亂，多批、缺件等問題時有發(fā)生，同時生產(chǎn)計劃難以細化，阻礙生產(chǎn)效率的提高。因此，改變傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，通過采用自動化數(shù)控設備基于物聯(lián)網(wǎng)信息技術完成小件信息標識及倉儲物流管理，打通其生產(chǎn)制造過程中的信息流和控制流，實現(xiàn)小件智能化倉儲物流管理。

2 鋼結構小件倉儲物流管理的現(xiàn)狀及發(fā)展分析

2.1 鋼結構制造中的小件倉儲物流現(xiàn)狀

2.1.1 現(xiàn)階段鋼結構制造中的小件倉儲物流形式、特點及難點

目前在國內外鋼結構制造技術存在一定的差異，受行業(yè)非標特點的限制，智能化研發(fā)和設計的時間成本和投入成本較高，大部分企業(yè)望而卻步，國外技術目前只達到制造過程中部分工序加工自動化，如焊接自動化和型材鉆鋸鎖自動化，對整體工序自動化銜接仍存在不足，尚未取得在小件倉儲物流這一關鍵性工序實現(xiàn)智能倉儲物流的技術突破和對工序裝備的全面整合，且缺乏一套信息化控制和管理系統(tǒng)對全局進行整合優(yōu)化。國內技術同樣存在此問題，且整體制造技術相對落后，僅在極少數(shù)企業(yè)實現(xiàn)了部分加工工序半自動化。

現(xiàn)階段在鋼結構制造過程中，小件倉儲物流的形式主要表現(xiàn)如圖1所示，板材在下料完成后通過人工按照下料清單在小件上編寫和標記小件編號，然后人工按規(guī)格類別分揀歸類，并在下料清單上做相應記錄，表示該小件下料完成；通過行車或人工運輸車將所歸類分揀的小件按規(guī)格統(tǒng)一運送至下道工序進行加工或在堆放區(qū)分類別堆放，并形成小件收發(fā)及倉儲紙質記錄。

圖1 小件倉儲物流形式

因鋼結構制造屬于離散型制造業(yè)，其特點難點表現(xiàn)為：

(1)產(chǎn)品生產(chǎn)屬于個性化訂單式生產(chǎn)，小件規(guī)格種類繁多、生產(chǎn)需求靈活、變化多樣且無重復性，難以形成批量化加工，導致小件歸集倉儲相對復雜。生產(chǎn)制造過程中需要對其進行信息標記，由于其制造環(huán)境相對惡劣，小件材質為鐵碳合金鋼，材料自身易銹蝕，在生產(chǎn)、存儲及物流過程中易受油污或油漆等其他雜質污染。目前國內多為人工采用石膏筆等容易識別的記號筆在小件上編寫小件編號信息，并根據(jù)下料任務清單及對小件人工清點歸集形成物料收發(fā)清單，后道工序對需要的小件根據(jù)任務清單到前道工序或小件歸集倉儲處參照清單查看實物相應編號完成人工清點配料及取料。對于小件的具體物流及所在工序狀態(tài)需要各個工序點人工逐個核查才能明確。由此造成的問題便是對小件進行人工編標記存在編號寫錯、中途損毀，物料數(shù)量清點記錄錯誤等問題，通過人工跟蹤及肉眼識別存在編號查看不準確、看不清，物料具體物流信息不明確等問題，從而導致對小件管理工作任務量大，出錯率高，生產(chǎn)效率低下。

(2)單臺切割機完成一個下料任務只能對同一種板厚和材質的不同外形尺寸的小件下料，所加工完成的小件為多種規(guī)格，需要對其歸集整理統(tǒng)一運輸?shù)较乱坏拦ば?。在小件歸集過程中需要完成小件識別、分揀、歸類放置幾項任務，對于小件識別已在上一點說明；對于小件分揀，由于小件規(guī)格復雜多樣，變化范圍較大，目前國內外還未實現(xiàn)通過機器設備分揀，須人工識別分揀，導致人工勞動強度大，易出錯等問題；同時對小件歸類放置，由于小件種類多，批量小，同一規(guī)格的小件可能在多個下料任務中完成，導致小件放置任務繁瑣。由于以上問題，小件物流只能通過人工倒運完成，管理低效混亂。同時小件信息標識缺陷，導致無法完成自動化識別倉儲管理。

2.1.2 鋼結構制造中的小件管理對后續(xù)加工工序的影響

在鋼結構制造過程中，小件管理主要為下料完成后的鉆孔、坡口、倉儲及物流管理，完成上述工序后，按照生產(chǎn)清單將小件配套倒運至裝配焊接工位或待料發(fā)貨，因所需裝配焊接的小件涉及多批次不同規(guī)格、不同數(shù)量的小件，要求小件能夠按照所需規(guī)格和數(shù)量及時準確的配套送至指定工位。小件數(shù)量或規(guī)格不準確以及配送時間延后，出現(xiàn)其中任何一項問題都將影響后道工序的正常開展。

2.2 鋼結構小件倉儲物流管理的發(fā)展方向

由于鋼結構制造業(yè)技術裝備落后，小件倉儲物流管理長期以來一直采用人為管控，管理效益低下。隨著我國制造業(yè)的不斷發(fā)展，于2015年我國提出“中國制造2025”實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領，此后鋼結構行業(yè)也提出“2025”規(guī)劃，指出緊密圍繞鋼結構制造領域關鍵環(huán)節(jié)，開展新一代信息技術與制造裝備融合的集成創(chuàng)新和工程應用，要求鋼結構行業(yè)的制造技術逐漸向信息化、智能化轉型升級［1］。小件的倉儲物流管理作為鋼結構領域的關鍵環(huán)節(jié)，努力探索研究出智能化的小件倉儲物流管理體系，實現(xiàn)鋼結構小件通過采用“WMS+RFID技術+AGV”自動化設備及系統(tǒng)，并對其進行整體信息系統(tǒng)集成，完成在上層控制系統(tǒng)的管控下智能化進行倉儲物流管理［2］。以此推動鋼結構制造技術轉型升級。

3 鋼結構小件智能倉儲物流管理的實現(xiàn)

3.1 現(xiàn)階段倉儲物流技術

倉儲作業(yè)作為在物流業(yè)中承接上下游的核心環(huán)節(jié)，目前我國已在逐步實現(xiàn)信息化。基于互聯(lián)網(wǎng)平臺，通過使用自動化設備采用條形碼或RFID射頻識別、可視化跟蹤系統(tǒng)、自動化分揀、自動運輸?shù)燃夹g實現(xiàn)物料的自動化信息標識和倉儲物流作業(yè)。由于不同行業(yè)的物料倉儲物流管理難易程度及作業(yè)環(huán)境不同，對不同行業(yè)實現(xiàn)倉儲物流的方式和技術程度有所差異。在快遞物流業(yè)中，因其產(chǎn)品包裝相對統(tǒng)一，物料倉儲物流形式相對固定，采用條形碼、自動化運輸車、可視化跟蹤系統(tǒng)、自動化立體庫及倉管系統(tǒng)等技術，其倉儲物流作業(yè)已達到一定的程度智能化；在制造業(yè)，由于產(chǎn)品零配件復雜多樣，對零配件信息標識受限，且物流倉儲形式不固定，目前還未實現(xiàn)信息化倉儲物流管理。通過對制造業(yè)自身產(chǎn)品特點及倉儲物流形式深入研究，尋求有利的決解途徑實現(xiàn)信息化管理勢在必行。

3.2 小件倉儲物流方式及技術設備

3.2.1 實現(xiàn)小件信息化倉儲物流管理技術要點

鋼結構小件實現(xiàn)信息化倉儲物流管理需要具備以下幾點：其一，實現(xiàn)對小件信息讀取自動信息化，同時相關數(shù)據(jù)可通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞；其二，小件分揀可自動化完成；其三，物流方式自動化，同時具備物流狀態(tài)實時跟蹤監(jiān)控技術，并結合小件特點設計適合小件能按規(guī)格批次標記信息，能夠隨物流倒運更改編輯信息的貨物托盤及相應工序的托盤固定取放點；其四，具備小件自動化倉管系統(tǒng)及設備；最后對各設備控制系統(tǒng)完成信息集成實現(xiàn)相關聯(lián)的設備之間能夠達到數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。

3.2.2 小件標識

實現(xiàn)鋼結構小件的倉儲過程中，有多種信息標識形式，包括條形碼識別、小件表面物理加鋼印識別、采用RFID技術識別。對所有小件單件或單個批次采用噴或貼條形碼存在工作量大、效率低、成本高、易損毀等問題，且小件身份信息無法更改或刪除；采用物理加鋼印技術存在工作量大、字跡不清、難識別等問題；采用RFID技術對單個批次小件進行貼電子標簽，可實現(xiàn)小件信息標識、更改、跟蹤，且可重復使用、可存儲信息量大、自動識別、不易損毀等優(yōu)點，三者優(yōu)勢比較如表1所示：

表1 RFID技術與條形碼技術、打鋼印技術對比分析表

RFID技術通稱為電子標簽技術，是由計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、射頻標簽、天線以及讀寫器組成的非接觸式自動識別數(shù)據(jù)采集技術，其特點是通過磁場或電磁場利用無線射頻方式進行的非接觸雙向通信，以達到識別目標并交換數(shù)據(jù)，可識別高速運動物體并可同時識別多個目標［3］。具體原理為通過計算機來控制讀寫器，并通過自動識別技術來識別各種信號，而天線發(fā)出電磁波，并輻射一定的范圍的電子標簽，之后傳輸信號，通過中間件編輯信號信息將有效、正確的信息傳輸給計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)更新數(shù)據(jù)庫信息，倉儲管理系統(tǒng)可連接計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫更新庫存數(shù)據(jù)、優(yōu)化出入庫流程，實現(xiàn)自動化存取管理［4］。如圖2所示：

圖2 RFID構成要素組成

在小件管理過程中，把同一種規(guī)格小件歸集到一個標準貨物托盤，對小件相關規(guī)格和類別等信息及該托盤信息通過計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)編輯至一個電子標簽中，并將標簽固定設置在該托盤規(guī)定位置處，實現(xiàn)小件信息隨托盤物流運轉固定不變，在換盤時能實時編輯更改，達到小件信息實時跟蹤，且在物流運轉過程中能自動化讀取小件信息。

3.2.3 小件分揀

鋼結構小件規(guī)格種類變化多樣，尺寸及重量變化范圍大。小件分揀國內外一直以來均采用人工肉眼識別分揀歸集，為實現(xiàn)自動化，需要對小件識別、抓取、按規(guī)格入盤均能自動信息化操作。在割床切割平臺上對小件切割下料完成后，需進行識別分揀；可通過切割機下料排版軟件中的排版信息［5］，明確小件在切割平臺上的坐標位置，結合小件下料清單形成小件分揀信息，通過分揀機器人控制系統(tǒng)讀取相關信息控制機器人按照小件位置識別抓取小件，放入指定托盤，實現(xiàn)自動化分揀。在此過程中需要完成切割機控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集上傳及設備狀態(tài)指令信號的上傳下達、小件排版軟件排版數(shù)據(jù)上傳、分揀機器人控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集上傳及設備狀態(tài)指令信號的上傳下達、RFID計算機互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，因此對所有設備均需完成實時信號監(jiān)控及信息傳遞，通過在上位工控系統(tǒng)的統(tǒng)一控制下，完成相關數(shù)據(jù)的傳遞、轉換、讀取，實現(xiàn)自動化分揀。集成方式如圖3所示。

圖3 小件分揀集成網(wǎng)絡圖

3.2.4 小件倉儲

小件倉儲技術現(xiàn)階段已技術成熟，采用自動化立體倉庫［6-7］通過WMS自動化倉管系統(tǒng)管理，小件以托盤裝載出入庫，由于在托盤上采用RFID技術電子標簽標記小件信息，可通過立體庫讀寫器讀取托盤上的小件信息，對倉管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫庫存數(shù)據(jù)信息更新，實現(xiàn)自動化物料出入庫管理。

3.2.5 小件物流

物流作業(yè)作為貫穿整個生產(chǎn)制造過程中各個工序的核心環(huán)節(jié)，把各個分散的制造工序聯(lián)系起來形成一個整體制造體系。實現(xiàn)小件自動化物流運輸要求采用自動化物流運輸車對小件托盤倒運，并實現(xiàn)物流運輸車控制系統(tǒng)均能與各相關工序設備實現(xiàn)信息交互。目前國內外均采用AGV自動導引運輸車完成自動化物流運輸。在AGV上安裝電子標簽讀寫器，對小件托盤識別并運輸至所需工序指定地點。AGV［8-9］的導引方式分為激光導引、磁條導引、二維碼坐標導引三種，因磁條導引對地面環(huán)境要求較高且不易更改，已被逐漸取消，采用二維碼坐標導引同樣對地面環(huán)境要求高，采用激光導引式對地面環(huán)境要求相對較低且辨識度、準確率高。然針對鋼結構制造業(yè)，制造環(huán)境相對惡劣，采用激光導引式AGV作為自動化物流設備成為首選。

3.3 小件智能倉儲物流管理系統(tǒng)的集成

小件實現(xiàn)智能倉儲物流管理，須將其物流所涉及的各工序環(huán)節(jié)工藝設備串聯(lián)起來，打通整體數(shù)據(jù)信息流，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)小件身份定義、識別、歸集、物流、倉儲所有環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息互聯(lián)互通共享，因此需要對各參與自動化數(shù)控設備完成信息集成。所需的集成設備主要包括自動化切割機(含小件排版軟件)、分揀機器人、物流設備(AGV)、小件自動化倉儲立體庫四類，對各設備終端控制系統(tǒng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)網(wǎng)絡接口，結合各設備情況開發(fā)SCADA數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)對相關數(shù)據(jù)進行實時采集、整合集成處理后上傳至上位控制系統(tǒng)(MES系統(tǒng))，實現(xiàn)單體設備與上位機之間的通信，由上位控制系統(tǒng)按照生產(chǎn)計劃發(fā)送任務指令控制各設備運作。在小件下料各生產(chǎn)工序，通過MES系統(tǒng)(帶有常規(guī)MES系統(tǒng)功能)+SCADA系統(tǒng)以實現(xiàn)生產(chǎn)管理及設備數(shù)據(jù)集成及控制，具體集成設備范圍及集成方式如表2所示：

表2 小件自動化倉儲物流管理集成設備范圍及集成方式

集成工作含以下幾點：

(1)通過集成和軟件開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)出生產(chǎn)管控系統(tǒng)，其可手動輸入任務計劃或以EXCEL形式導入計劃，與整廠的生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)對接實現(xiàn)自動下發(fā)任務。

(2)生產(chǎn)管控系統(tǒng)完成對小件下料車間的整個生產(chǎn)過程進行管理，包括提出物料需求，管理材料庫存，管理任務隊列，安排零件分揀入托盤，生成物流指令，采集生產(chǎn)過程信息等主要功能。

(3)對于切割下料完成后需要的人工分揀的情況，生產(chǎn)管控系統(tǒng)要給出分揀工作隊列，工人操作完成后，可以通過終端設備的形式向系統(tǒng)報完工信息。完成立體庫的WMS系統(tǒng)［10］的開發(fā)，建立現(xiàn)代化倉儲WMS管理體系，實現(xiàn)倉儲資源共享［11-12］，完成管控系統(tǒng)向切割機、分揀機器人、分揀輥道、AGV系統(tǒng)發(fā)送任務信息，向切割機、數(shù)控平面鉆，自動坡口機提供程序指令文件，向分揀機器人發(fā)送零件圖形文件。

(4)硬件連接：所有設備的網(wǎng)絡接口接到集成的交換機上，且設備通信接口與交換機的接口須統(tǒng)一為相同網(wǎng)絡接口(RJ45)。

(5)自動化功能：相關設備需具備自動化功能，且具有上位機或PLC，能通過集成后任務推送到上位機上或PLC。

(6)設備廠商的自動化設備和管控系統(tǒng)需要具備能夠實現(xiàn)信系握手的通訊協(xié)議內容，管控系統(tǒng)提供的指令信息格式，能夠被執(zhí)行設備所識別。

(7)所有設備與SCADA系統(tǒng)對接的數(shù)據(jù)格式(數(shù)據(jù)格式信息包括數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)精度等)須為通用型，以便完成數(shù)據(jù)采集和信號監(jiān)控。

小件智能倉儲物流管理系統(tǒng)集成工作如圖4所示：

圖4 實現(xiàn)小件自動化倉儲物流管理設備集成網(wǎng)絡圖

5 結束語

鋼結構小件的倉儲物流管理是鋼結構制造中的瓶頸環(huán)節(jié)，改變傳統(tǒng)的人工作業(yè)模式，通過使用自動化數(shù)控設備，完成設備的信息化集成，打通整體工藝數(shù)據(jù)流，開發(fā)上層控制系統(tǒng)完成集成統(tǒng)一管控，實現(xiàn)小件歸集、倉儲及物流自動信息化管理，將整體提升企業(yè)小件物料管理效率，節(jié)省大量人工勞動力，推動鋼結構制造向智能化制造方向邁進。