汪靈瑤，王 勇，徐子立，韓開放，岳偉森

（北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

滌綸長絲根據(jù)工藝流程大體分為預(yù)取向絲（POY）、全拉伸絲（FDY）、拉伸變形絲（DTY）。POY和FDY因其絲餅體積較大，一般采用大包裝分層碼垛方式，而DTY主流包裝方式為裝箱碼垛方式。近年來隨著用工成本增加，招人困難等因素，滌綸長絲包裝已逐漸引入自動化、智能化包裝設(shè)備來替代人工。在“中國制造2025”戰(zhàn)略前提下，全自動包裝系統(tǒng)已在化纖生產(chǎn)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。以自動包裝系統(tǒng)為核心的相關(guān)物流設(shè)備愈加多元化，技術(shù)水平和性能也得到不斷提高。

1 滌綸長絲自動包裝線現(xiàn)狀

其中工藝復(fù)雜度最高的是DTY自動包裝系統(tǒng)，由于DTY批號及規(guī)格種類繁雜，同批號產(chǎn)品也需根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量區(qū)分成不同等級[1]。在經(jīng)過自動稱重、外檢、套袋、裝箱等包裝工藝后，仍需進(jìn)行自動碼垛及倉儲作業(yè)。由于同批號絲錠降等數(shù)量的不確定性，因此在碼垛作業(yè)過程中，會出現(xiàn)滿跺托盤與未滿垛托盤下線現(xiàn)象。通過設(shè)定多個碼垛工位，可實(shí)現(xiàn)同批號滌綸長絲上線后對不同質(zhì)量等級（AAA級、AA級、A級、B級）的差別化碼垛作業(yè)。碼垛結(jié)束后再將滿垛或未滿垛下線，重新上新托盤或者同批號的半板。而作為連接滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)與自動化立體倉庫的關(guān)鍵橋梁，穿梭車已成為影響滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)整體物流輸送效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。而隨著自動包裝系統(tǒng)碼垛效率的不斷提升及其實(shí)現(xiàn)功能的多樣化，對穿梭車輸送效率的要求也越來越高。

1.1 原有穿梭車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）單工位：機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，供電采用拖鏈方式，IO通訊采用遠(yuǎn)程站，成本較低。但是運(yùn)行效率較低，對于多站臺取送貨輸送系統(tǒng)無法高效滿足日益增長的產(chǎn)量要求。

2）雙工位：供電采用滑觸線方式，控制采用獨(dú)立PLC，運(yùn)行效率比單工位高，在碼垛種類和工位不多的應(yīng)用情景下可以滿足生產(chǎn)需求。但是針對碼垛工位增多，碼垛托盤種類增多，運(yùn)行效率不夠的問題就會顯現(xiàn)。

1.2 現(xiàn)有穿梭車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的單工位及雙工位穿梭車由于作業(yè)工位有限，難以適應(yīng)頻繁地?fù)Q批換板作業(yè)，使得物流輸送效率有所遲滯，已不能滿足當(dāng)前滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)的物流輸送需求。為滿足化纖生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求，研制并開發(fā)了三工位智能穿梭車，該智能穿梭車可實(shí)現(xiàn)不同類型的空托盤和半托自動上線，提升了穿梭車整體物流輸送效率。

2 三種穿梭車功能應(yīng)用對比

化纖行業(yè)中，設(shè)備的結(jié)構(gòu)是由其功能所決定的，單工位、雙工位、三工位智能穿梭車工位數(shù)量不同，是由它們承擔(dān)任務(wù)不同決定的，針對不同的應(yīng)用環(huán)境，不同的作業(yè)要求，選擇不同類型的穿梭車，可以在實(shí)際應(yīng)用中取得事半功倍的效果。

智能穿梭車在化纖自動化包裝線的應(yīng)用通常有以下幾種。一種是在出、入庫作業(yè)中，穿梭車在出入庫站臺間承擔(dān)單向輸送任務(wù)，即將貨物從庫端存儲端輸送至包裝線使用端。在這種任務(wù)條件下，穿梭車需要輸送的貨物通常只有一種，與穿梭車進(jìn)行作業(yè)對接的每個站臺工位也只需要進(jìn)行一種作業(yè)，一邊站臺為出庫工位，另一邊工位為入庫工位。穿梭車只需在一個站臺進(jìn)行先取貨再到另一個站臺進(jìn)行送貨的作業(yè)即可，在這種任務(wù)條件下，單工位穿梭車即可滿足輸送要求。

另一種是穿梭車在包裝線碼垛工位或上線工位上的作業(yè)情況，碼垛工位和上線工位通常是雙向工位，即需要雙向運(yùn)輸貨物。以碼垛工位為例，碼垛作業(yè)需要空托盤用以碼放絲箱，而在當(dāng)前批次絲餅已碼垛完成或者當(dāng)前托盤已經(jīng)碼滿之后，則需要穿梭車進(jìn)行下線作業(yè)，在一個工位上需要進(jìn)行兩種作業(yè)過程，需要輸送的貨物也不同。這種情況下如果仍然使用單工位穿梭車來進(jìn)行接送貨作業(yè)，則需要穿梭車先進(jìn)行從碼垛工位取滿托盤作業(yè)，再將滿托盤送往下線站臺，然后再取空托盤，最后將空托盤送至碼垛工位進(jìn)行碼垛作業(yè)。這種作業(yè)方式會導(dǎo)致碼垛工位作業(yè)時間間隔很大，進(jìn)而影響了包裝線的整體工作效率。采用雙工位穿梭車可以有效的提升雙向碼垛工位的作業(yè)效率。在一個作業(yè)過程中雙工位穿梭車可以提前將空托盤接到穿梭車1號工位上，在將碼垛工位的滿托盤接放到穿梭車2號工位上后，直接將1號工位上的空托盤輸送至碼垛工位上，這樣碼垛工位的工作間隔就會很小，保證了碼垛工位的工作效率。一臺雙工位穿梭車可以滿足一條包裝線的碼垛工位作業(yè)要求。

三工位穿梭車則通常應(yīng)用在兩條滌綸長絲包裝線共用半板庫和滿跺下線口的工作條件下。按照上文分析，要滿足兩條包裝線的碼垛作業(yè)要求需要兩臺雙工位穿梭車或者一臺四工位穿梭車，但一方面增加工位個數(shù)意味著增加穿梭車的尺寸，當(dāng)穿梭車的長度過長時，需要額外增加軌道的長度以使得所有工位都可以到達(dá)站臺作業(yè)，這樣包裝線系統(tǒng)對車間場地利用效率會下降很多；另一方面，由于兩條包裝線共用半板庫和上下線站臺，在對穿梭車的調(diào)度進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化后，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，也可以滿足包裝線的效率要求。

根據(jù)上文分析，將三種智能穿梭車按照可同時搭載貨物種類和一般應(yīng)用場景進(jìn)行，列表如表1所示。

表1 三種智能穿梭車功能和應(yīng)用場景對比

本文主要從結(jié)構(gòu)、功能方面分析三工位智能穿梭車與單工位和雙工位穿梭車的區(qū)別，從工藝流程和作業(yè)調(diào)度方面介紹了三工位穿梭車在雙線包裝線碼垛上的應(yīng)用。

3 三工位智能穿梭車簡介

三工位智能穿梭車采用地面輕軌的物流輸送方式，利用其專用固定軌道，往返于自動包裝系統(tǒng)的碼垛工位及自動化立體倉庫的出入庫端。將碼垛托盤輸送至碼垛工位，滿跺托盤輸送至成品庫，半滿跺托盤輸送至未滿板庫（半滿垛托盤暫存庫，以便再次碼垛時調(diào)出）。三工位智能穿梭車的實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 三工位智能穿梭車實(shí)物圖

3.1 三工位智能穿梭車系統(tǒng)配置

1）硬件配置：三工位智能穿梭車控制系統(tǒng)采用德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的PLC控制器，其硬件配置選用S7-1500系列的CPU。

2）速度控制方式：三工位輸送鏈?zhǔn)綑C(jī)采用變頻器控制，用以協(xié)調(diào)碼垛工位與庫端鏈?zhǔn)綑C(jī)的輸送速率。行走電機(jī)水平方向速度控制方式采用模擬量變頻控制，通過調(diào)節(jié)加減速時間及帶載加速度等內(nèi)部參數(shù)保證穿梭車的穩(wěn)定運(yùn)行。

3）定位方式：水平定位方式采用BPS定位裝置，即水平條碼定位，將帶有二維碼數(shù)據(jù)的條碼帶粘貼于固定輥道內(nèi)壁，利用激光測距儀掃描條碼帶上的二維碼讀取位置數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

4）通信方式：與自動包裝及倉儲系統(tǒng)的PLC控制器的通信方式為PROFINET協(xié)議（工業(yè)以太網(wǎng)），通過地面基站在三工位智能穿梭車周圍建立一個無線以太網(wǎng)覆蓋區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)穿梭車與地面站PLC控制器的信息互聯(lián)互通。

3.2 三工位智能穿梭車系統(tǒng)特點(diǎn)

1）水平電機(jī)空載、帶載輸送速率高

三工位智能穿梭車水平行走電機(jī)額定功率較大，較傳統(tǒng)單工位或雙工位水平電機(jī)動力足，輸送效率高。

2）作業(yè)調(diào)度靈活性強(qiáng)

三工位智能穿梭車擁有機(jī)動工位，對空閑作業(yè)工位可進(jìn)行靈活調(diào)度，極大地提高了工作效率。

3）與地面站實(shí)時信息交互

三工位智能穿梭車可根據(jù)自動包裝系統(tǒng)在線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)時更新，設(shè)定碼垛工位的提前調(diào)度，增強(qiáng)了與地面站的實(shí)時信息交互。

4 智能穿梭車物流輸送工藝流程

三工位智能穿梭車物流輸送的工藝流程主要根據(jù)調(diào)度原則確定工作模式、判斷運(yùn)行目的站臺、取貨/存貨作業(yè)、清除取貨/存貨作業(yè)、空閑去指定站臺列。以此實(shí)現(xiàn)碼垛空托盤或半滿垛托盤上線、碼垛工位滿垛托盤或未滿垛托盤下線、以及滿跺托盤下線和半滿垛托盤的出入庫等功能[3]。并且作為滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)的重要物流輸送載體，在完成物流輸送的同時，也在進(jìn)行實(shí)時信息傳遞。其具體物流輸送工藝流程如圖2所示。

圖2 智能穿梭車物流輸送工藝流程圖

5 三工位智能穿梭車作業(yè)調(diào)度原則

如何調(diào)度穿梭車，達(dá)到既省時又均勻調(diào)用的目地，取決于穿梭車程序設(shè)計(jì)時采用的調(diào)度原則。出于提高工作效率的考慮，三工位智能穿梭車采用了根據(jù)穿梭車到站臺的距離以及該站臺的工作頻率來決定穿梭車到哪一個站臺作業(yè)的調(diào)度原則[4]。距離較近的站臺會優(yōu)先作業(yè)，穿梭車處于空閑狀態(tài)時會對遠(yuǎn)端作業(yè)工位作業(yè)進(jìn)行準(zhǔn)備。三工位智能穿梭車調(diào)度原則應(yīng)滿足以下要求：

1）最大能力要求，應(yīng)使穿梭車達(dá)到最大運(yùn)載能力，單位時間內(nèi)輸送量達(dá)到最大；

2）通暢要求，使作業(yè)等待時間最短，作業(yè)無明顯卡頓現(xiàn)象；

3）可靠要求，最大可能的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無故障運(yùn)行。

相比于單雙工位穿梭車，三工位穿梭車功能最大區(qū)別在于滿足兩條包裝線的作業(yè)調(diào)度要求。兩條包裝線的作業(yè)是獨(dú)立運(yùn)行的，因此在實(shí)際運(yùn)行過程中，會出現(xiàn)兩條包裝線工作調(diào)度重合的情況。設(shè)包裝線一個生產(chǎn)周期為T，穿梭車完成一條包裝線的作業(yè)任務(wù)時間為t，由于穿梭車的作業(yè)與包裝線的作業(yè)是相互獨(dú)立，互不干擾的，那么當(dāng)穿梭車進(jìn)行一條包裝線的作業(yè)情況下，另一條包裝線需要作業(yè)的概率p的計(jì)算公式為：

設(shè)包裝線需要等待的時間為，有：

即包裝線等待時間與穿梭車完成一個作業(yè)時間成正向相關(guān)，相同條件下，如果可以減少穿梭車一個作業(yè)的時間，可以有效減少單位時間內(nèi)包裝線等待穿梭車完成作業(yè)的時間，提高包裝線和穿梭車的工作效率。

由上文可知，穿梭車的工作過程可以分為兩部分，水平運(yùn)行到目標(biāo)站臺的工作過程所用時間為ts和鏈?zhǔn)綑C(jī)進(jìn)行接送貨的作業(yè)過程，所用時間為：

在考慮穿梭車兩個工作過程時，可以近似將穿梭車在作業(yè)時的運(yùn)動視為勻速運(yùn)動，則有：

最后有：

其中，ls，ll分別指穿梭車在水平方向和鏈?zhǔn)綑C(jī)運(yùn)行方向的作業(yè)距離，vs，vl分別指穿梭車在水平方向和鏈?zhǔn)綑C(jī)運(yùn)行方向的作業(yè)速度。穿梭車在鏈?zhǔn)綑C(jī)方向的作業(yè)距離ll由輸送貨物的長度決定，屬于不可變量，在穿梭車作業(yè)速度提升到最大的情況下，如何最大程度的縮短穿梭車在水平方向的作業(yè)距離ls成為提高穿梭車工作效率的關(guān)鍵。

為了使智能穿梭車達(dá)到以上要求，從就近原則、工位分配原則和提前調(diào)度原則三個方面對智能穿梭車調(diào)度原則進(jìn)行了分析研究，以減小穿梭車的作業(yè)時間，提高工作效率。

5.1 就近原則

自動倉儲系統(tǒng)的立體化結(jié)構(gòu)空間保證了系統(tǒng)緩存容量充足。出于生產(chǎn)成本考慮，滌綸長絲生產(chǎn)企業(yè)大多采用兩套自動包裝系統(tǒng)共用一個未滿板暫存庫的模式，由此會出現(xiàn)“一車兩用”的現(xiàn)象[5]，即三工位智能穿梭車的作業(yè)調(diào)度需同時滿足兩條包裝系統(tǒng)的物流輸送需求。穿梭車輸送作業(yè)區(qū)域如圖3所示。

圖3 穿梭車輸送作業(yè)區(qū)域示意圖

作業(yè)調(diào)度原則決定了穿梭車的物流輸送路徑，傳統(tǒng)的穿梭車作業(yè)調(diào)度，其控制難點(diǎn)在于穿梭車取貨作業(yè)與存貨作業(yè)的優(yōu)先權(quán)及各個站臺列的取貨優(yōu)先級，三工位智能穿梭車汲取傳統(tǒng)穿梭車的作業(yè)調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，在未滿板庫端及空托盤站臺列給定取貨優(yōu)先級，在各碼垛工位擁有存貨優(yōu)先權(quán)并根據(jù)實(shí)際需求給定優(yōu)先級，并在其基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，增加了提前調(diào)度的優(yōu)化控制。

為了保證整體作業(yè)效率，防止兩條線的作業(yè)調(diào)度出現(xiàn)沖突，三工位智能穿梭車將靠近空托盤上線區(qū)和半滿庫出貨端的一條包裝線作業(yè)口設(shè)定為近端作業(yè)區(qū)，距離空托盤上線站臺較遠(yuǎn)的作業(yè)口設(shè)定為遠(yuǎn)端作業(yè)區(qū)。當(dāng)兩條包裝線都有作業(yè)請求時，三工位穿梭車會優(yōu)先完成近端作業(yè)區(qū)作業(yè)，這樣保證了整體作業(yè)效率的提升。

5.2 工位分配原則

靈活的工位分配策略可以減少接貨/送貨作業(yè)距離、縮短作業(yè)時間，且能夠充分利用智能穿梭車工位。智能穿梭車工位分配原則可分為兩種：一種是專用工位策略，另一種是共享工位策略[6]。三工位智能穿梭車有三個作業(yè)工位，要滿足兩條包裝線的作業(yè)調(diào)度要求，對一個工位采用了專用工位策略，另外兩個工位采用了兩條包裝線共用的共享工位策略。

為防止三工位智能穿梭車在工作過程中出現(xiàn)由于工位混用出現(xiàn)的作業(yè)混亂，使作業(yè)流程規(guī)范化，三工位智能穿梭車的三個作業(yè)工位分別設(shè)定了其功能，三個工位分別為工位1碼垛上線工位、工位2碼垛下線工位以及工位3機(jī)動工位。機(jī)動工位，在三工位智能穿梭車處于空閑狀態(tài)時，若該工位上沒有托盤，智能穿梭車自動前往空托盤上線站臺取一個空托盤放至該工位。機(jī)動工位保證了每次作業(yè)前，智能穿梭車上都有一個空托盤，當(dāng)穿梭車前往遠(yuǎn)端作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，且遠(yuǎn)端碼垛工位需要空托盤時，穿梭車可以不進(jìn)行空托盤取貨作業(yè)，直接前往取送貨站臺進(jìn)行作業(yè)，這樣節(jié)約了取空托盤的時間，避免了因取空托盤而引起的遠(yuǎn)端碼垛工位的作業(yè)停頓，提高了作業(yè)效率；碼垛上線工位，當(dāng)包裝線碼垛工位需要從半滿庫出庫的半滿托盤時，穿梭車會將半滿托盤接到此工位上，或者當(dāng)近端包裝線碼垛工位需要空托盤時，由于作業(yè)距離較短，穿梭車也會將空托盤接放到此工位上；碼垛下線工位，穿梭車將從碼垛工位上下線的滿托盤或半滿托盤接放到此工位上，后續(xù)進(jìn)行滿跺下線或半滿板入庫作業(yè)[7]。

5.3 提前調(diào)度原則

相較于雙工位智能穿梭車，三工位智能穿梭車在從作業(yè)距離和工位分配原則上進(jìn)行了改進(jìn)。在作業(yè)距離方面，三工位穿梭車采取得近者優(yōu)先的原則，距離近的站臺有更高的作業(yè)優(yōu)先級；在工位分配原則上，三工位智能穿梭車新增加了一個用于存放空托盤的機(jī)動工位，在碼垛調(diào)度上對兩條包裝線的作業(yè)優(yōu)先級進(jìn)行了設(shè)定。從實(shí)際生產(chǎn)效果來看，三工位穿梭車相較于雙工位穿梭車的作業(yè)效率有了很大提升，但是由于兩條包裝線相隔距離較遠(yuǎn)，包裝線往往出現(xiàn)等待穿梭車運(yùn)行到目標(biāo)站臺的作業(yè)卡頓狀況，為了避免這種情況，在穿梭車的程序中還增加了提前調(diào)度的功能。

三工位智能穿梭車的提前調(diào)度，即在碼垛作業(yè)未完成時提前判斷后續(xù)托盤的上線類型（空托盤或未滿板），并將上線類型下發(fā)穿梭車，穿梭車收到調(diào)度指令后提前動作，到達(dá)指定作業(yè)站臺列等待碼垛作業(yè)完畢。提前預(yù)知后續(xù)托盤的上線類型，需準(zhǔn)確掌握自動包裝系統(tǒng)的實(shí)時在線數(shù)據(jù)，不僅需關(guān)注碼垛工位上已碼垛箱數(shù)，還需結(jié)合裝箱作業(yè)，統(tǒng)計(jì)已在線上輸送，未執(zhí)行碼垛作業(yè)的同批號絲錠的滿箱箱數(shù)。箱數(shù)計(jì)算由包裝線系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行[8]，當(dāng)已碼垛和未碼垛箱數(shù)和達(dá)到一整跺或裝箱處換批時，穿梭車會提前到達(dá)相應(yīng)站臺將即將上線的托盤接到相應(yīng)工位上。這樣，智能穿梭車可以及時的完成碼垛工位的取貨送貨作業(yè)，最大限度的保證了包裝線的工作效率。

6 結(jié)語

三工位智能穿梭車在滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)中的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)單工位或雙工位穿梭車作業(yè)工位的局限性，相較于雙工位穿梭車，實(shí)現(xiàn)了“一車兩線”的作業(yè)功能，在提升了作業(yè)效率的同時，減小了包裝線系統(tǒng)的占地面積，是智能穿梭車系統(tǒng)的又一次技術(shù)革新，其新型提前調(diào)度的作業(yè)模式，加強(qiáng)了自動包裝系統(tǒng)與智能穿梭車的互聯(lián)互通，提升了二者間的實(shí)時信息共享功能，極大提高了穿梭車物流輸送效率，進(jìn)而提高了滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)的整體輸送效率，保障滌綸長絲生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力。隨著三工位智能穿梭車自身的改進(jìn)與不斷發(fā)展，相信它將在未來滌綸長絲自動包裝系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用，推動滌綸長絲生產(chǎn)企業(yè)向自動化、信息化、智能化的方向邁進(jìn)，助力化纖行業(yè)實(shí)現(xiàn)“智能智造”。