花季華，陸如泉，張幸幸，李雅，鄭成

（中天科技裝備電纜有限公司，江蘇 南通 226000）

混橡除廣泛應(yīng)用于輪胎生產(chǎn)行業(yè)之外，也廣泛應(yīng)用于電線電纜企業(yè)生產(chǎn)橡膠型原材料，其具有生產(chǎn)效率高、環(huán)保性好和自動化程度高等突出優(yōu)點(diǎn)?；煜鹕a(chǎn)由上料端、混煉端、開煉端、壓延端及冷卻輸送等部件構(gòu)成，整個生產(chǎn)過程除上料過程外，均處于自動化生產(chǎn)的運(yùn)作方式。而當(dāng)前混橡生產(chǎn)越來越趨于定制化生產(chǎn)，即物料的種類、配比、用量等均隨著橡膠料的特性在進(jìn)行不斷的更改，若采用集中供料的方式，往往難以滿足多種配料小批量投入的需求，而采用人工投料的方式經(jīng)過驗(yàn)證也存在著以下的不足：

（1）物料出入庫及投料過程無法監(jiān)控。人工投料往往根據(jù)派發(fā)的物料名稱進(jìn)行投料，投料的種類數(shù)量由人工投料完成后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，存在無法及時監(jiān)控物料投放的各項(xiàng)細(xì)節(jié)指標(biāo)，如物料的批次，過程的投放數(shù)量等；

（2）生產(chǎn)效率相對低下。為了減少產(chǎn)線投料人工配比，產(chǎn)線的投料工作一般由開機(jī)人員輔助進(jìn)行，因此，投料工作時，設(shè)備往往處于停機(jī)狀態(tài)，此種操作模式存在大量的工時浪費(fèi)；

（3）雜質(zhì)對橡膠成品的影響。人工投料方式需對物料包裝袋進(jìn)行手動破袋，此舉不可避免存在碎屑等雜質(zhì)的流入，進(jìn)而對橡膠成品的品質(zhì)存在較大的影響；

（4）粉塵對職業(yè)健康的影響。由于混橡的生產(chǎn)原材料基本為粉料，投料過程雖然配置防護(hù)口罩，并設(shè)置負(fù)壓系統(tǒng)，但其在破袋、搬運(yùn)過程中仍不可避免存在粉塵接觸，造成職業(yè)健康風(fēng)險。

綜上所述，采用信息化與自動化技術(shù)對混橡生產(chǎn)進(jìn)行升級改造，實(shí)現(xiàn)整個生產(chǎn)過程無人化管理，是解決當(dāng)前定制化要求和產(chǎn)能質(zhì)量相矛盾的有效方式之一。

1 總體方案

基于混橡的定制化生產(chǎn)模式，其投料階段主要有取料、破袋、投料、回收等動作。為實(shí)現(xiàn)上述階段的自動化，需要從設(shè)備層和系統(tǒng)層進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。首先，從設(shè)備層，可利用AGV 自動物流結(jié)合機(jī)械臂技術(shù)來解決人工取料、搬運(yùn)等過程的執(zhí)行；其次，根據(jù)自動化設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化要求，需對物料入庫方式及原有設(shè)備喂料口進(jìn)行自動化改造，包括入庫標(biāo)準(zhǔn)盤具的替換、喂料破袋裝置升級、負(fù)壓系統(tǒng)增設(shè)等等；最后，需要結(jié)合當(dāng)前MES 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)AGV 調(diào)度、現(xiàn)場倉儲系統(tǒng)等系統(tǒng)層的對接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、AGV 路徑任務(wù)、機(jī)械臂破袋執(zhí)行任務(wù)等系統(tǒng)層互聯(lián)互通。

基于上述自動化原則，以混橡投料區(qū)1～8 號儲罐為投料標(biāo)的，配置子母轉(zhuǎn)盤區(qū)、自動化倉儲區(qū)及自動化投料區(qū)，其整體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)方案

各區(qū)域功能如下：

（1）子母轉(zhuǎn)盤區(qū)：實(shí)現(xiàn)物料盤具由非標(biāo)準(zhǔn)盤具加載至標(biāo)準(zhǔn)盤具上，以便AGV 自動識別叉取物料；另對標(biāo)準(zhǔn)空托盤實(shí)現(xiàn)托盤分離及回收。

（2）自動化倉儲區(qū)：配置WMS 系統(tǒng)，配合固定庫位及庫位標(biāo)識，實(shí)現(xiàn)物料入庫精準(zhǔn)管控。

（3）自動化投料區(qū)：區(qū)域配置7 軸機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對待投物料進(jìn)行自動抓取，投料及料袋回收等動作；且區(qū)域進(jìn)行設(shè)備自動化改造，配置料口旋轉(zhuǎn)刀片破袋裝置、振動篩及真空負(fù)壓裝置，實(shí)現(xiàn)破袋、投料動作。

方案中各區(qū)域物料流轉(zhuǎn)采用AGV 進(jìn)行自動流轉(zhuǎn)，配置AGV 運(yùn)行專用通道，實(shí)現(xiàn)物料入庫、出庫等精準(zhǔn)運(yùn)輸。方案整體功能流程如圖2 所示。

圖2 功能流程圖

2 集成總控系統(tǒng)

集成總控系統(tǒng)是將制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES 系統(tǒng)）、倉儲管理系統(tǒng)（WMS 系統(tǒng)）、AGV 智能調(diào)度系統(tǒng)、機(jī)械手聯(lián)動控制模塊以及后臺數(shù)據(jù)監(jiān)控管理模塊等串聯(lián)起來的集成大腦，其實(shí)現(xiàn)了混橡生產(chǎn)整體投料過程中的配方管理、調(diào)度信息管理、倉儲庫位管理以及投料過程狀態(tài)的管理。系統(tǒng)還通過數(shù)字化生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程質(zhì)量監(jiān)控及生產(chǎn)記錄、員工報(bào)表的自動填寫等功能，系統(tǒng)各個模塊及功能見表1。

表1 集成總控系統(tǒng)主要模塊

2.1 MES 系統(tǒng)

MES 系統(tǒng)是面向車間業(yè)務(wù)過程層的管理信息系統(tǒng)[2]，其將訂單轉(zhuǎn)化為細(xì)化的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，是生產(chǎn)精細(xì)化管控的集中管理平臺。

圖3 示意了該平臺的層級架構(gòu)，分為基礎(chǔ)層、應(yīng)用層、集成層，層級間底層為上層的基礎(chǔ)。其中，基礎(chǔ)層級為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，包括基礎(chǔ)產(chǎn)品及物料標(biāo)準(zhǔn)庫、工藝及資源標(biāo)準(zhǔn)庫、成品標(biāo)準(zhǔn)庫；該層級采用標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模塊架構(gòu)設(shè)計(jì)，以基礎(chǔ)模塊映射疊加的方式形成符合產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、調(diào)度數(shù)據(jù)、成本數(shù)據(jù)等應(yīng)用層架構(gòu)，該層架構(gòu)主要用于支撐企業(yè)生產(chǎn)和市場快速響應(yīng)機(jī)制；集成層架構(gòu)以第二層架構(gòu)為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌業(yè)務(wù)模式的串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)“ 一單到底” 的業(yè)務(wù)模式。

總體來說，以混橡生產(chǎn)為例，MES 系統(tǒng)配置標(biāo)準(zhǔn)配方工藝，以工藝映射為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)原材料投料計(jì)劃，計(jì)劃以接口形式關(guān)聯(lián)至集成總控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。

2.2 WMS 系統(tǒng)

WMS 系統(tǒng)是企業(yè)內(nèi)部倉儲管理的核心系統(tǒng)，著重用于管理倉儲物料的倉位、批次、出入庫、質(zhì)量、預(yù)警等功能[3]，其典型管理功能架構(gòu)如圖4。

圖4 WMS 系統(tǒng)架構(gòu)圖

本方案擬以WMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)待投物料的標(biāo)簽管理、入庫管理、倉位管理、質(zhì)量管理、移庫管理、批次管理及預(yù)警管理等。其中各項(xiàng)功能指標(biāo)如下：

（1）標(biāo)簽管理。人工校對物品信息，并打印張貼物料二維碼信息，配合子母轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)母盤RFID信息同步寫入。

（2）入庫管理。人工校驗(yàn)信息完后，配合實(shí)現(xiàn)子母盤裝載。系統(tǒng)配置倉位信息并同步向AGV 調(diào)度系統(tǒng)下達(dá)入庫指令，AGV 至指定庫位叉取待入庫物料并遵循指定路徑實(shí)現(xiàn)指定庫位入庫。

（3）倉位管理。系統(tǒng)支持虛擬與實(shí)體倉位一一對應(yīng)管理，并實(shí)現(xiàn)貨物入庫倉位自動劃分，支持貨物出入庫自主反饋及確認(rèn)管理。

（4）批次管理。系統(tǒng)支持對物料批次進(jìn)行精確管控，以倉位配合物料名稱、批次、數(shù)量等信息實(shí)現(xiàn)一一對應(yīng)關(guān)聯(lián)，并默認(rèn)對物料的出庫實(shí)行“ 先進(jìn)先出”原則。

（5）質(zhì)量管理。系統(tǒng)對物料及對應(yīng)批次關(guān)聯(lián)MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)來料檢驗(yàn)信息精確管控。

（6）移庫管理。系統(tǒng)支持物料由倉位至待投料位、倉位手動變更以及重復(fù)入庫等功能。

（7）預(yù)警管理。系統(tǒng)對虛擬與實(shí)體庫位信息支持出入庫反饋預(yù)警管理（AGV 出入庫防呆），實(shí)現(xiàn)匹配性預(yù)警；并支持物料有效期預(yù)警管理等。

總體來講，WMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物料存儲標(biāo)識、狀態(tài)等管理，并配合接口向集成總控系統(tǒng)實(shí)時給出各項(xiàng)狀態(tài)信息以供給其他子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，避免“ 信息孤單” 的產(chǎn)生。

2.3 AGV 智能調(diào)度系統(tǒng)

AGV 智能調(diào)度系統(tǒng)以MES 系統(tǒng)原材料投料計(jì)劃為基礎(chǔ)，結(jié)合WMS 系統(tǒng)庫存配置，以先進(jìn)先出為原則實(shí)現(xiàn)AGV 任務(wù)派發(fā)。整體AGV 智能調(diào)度系統(tǒng)由執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層及控制層構(gòu)成[4]。其中執(zhí)行層包含充電樁、AGV 等執(zhí)行硬件；網(wǎng)絡(luò)層以WIFI、5G 等網(wǎng)絡(luò)形式實(shí)現(xiàn)控制層與執(zhí)行層互聯(lián)通訊；控制層包含任務(wù)分配控制、監(jiān)控執(zhí)行控制、輸出展示控制以及系統(tǒng)管理等模塊。

AGV 任務(wù)分配采用基于數(shù)學(xué)模型和基于時間優(yōu)先級的組合算法[5]。該算法根據(jù)投料計(jì)劃生成具備時間優(yōu)先級的任務(wù)序列。而實(shí)際運(yùn)行過程中，對多臺AGV需配置柔性防碰撞算法進(jìn)行輔助路徑規(guī)劃。整體架構(gòu)如圖5。

圖5 AGV 智能調(diào)度路徑規(guī)劃架構(gòu)

3 硬件配置

整體硬件配置應(yīng)以系統(tǒng)需求為基礎(chǔ)進(jìn)行配置，包含子母轉(zhuǎn)盤區(qū)域配置、AGV 硬件配置、機(jī)械臂（含夾爪）配置、料口破袋集成配置四大模塊。各模塊配置情況按運(yùn)行需求進(jìn)行，總結(jié)如下。

3.1 子母轉(zhuǎn)盤區(qū)域配置

子母轉(zhuǎn)盤區(qū)域?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)盤具裝載及后續(xù)空盤的子母盤具分離工作。區(qū)域配置包括母盤放置區(qū)、子盤放置區(qū)、母盤自動流轉(zhuǎn)導(dǎo)輥、母盤分離裝置（桁架機(jī)械手）及母盤裝載區(qū)。整體布局參考圖6。

圖6 子母轉(zhuǎn)盤區(qū)布局

其中，子母盤分離由AGV 將空托盤運(yùn)輸至待分離區(qū)，由桁架機(jī)械手進(jìn)行子母盤分離，并放置子盤與母盤對應(yīng)放置區(qū)；而母盤裝載區(qū)針對于待入庫的新物料進(jìn)行，其流程由手動叉車將子盤叉入母盤裝載區(qū)，母盤裝載區(qū)的母盤由桁架機(jī)械手進(jìn)行拾取，并由自動流轉(zhuǎn)導(dǎo)輥?zhàn)詣优渌椭聊副P裝載區(qū)指定位置等待裝載，裝載區(qū)采用下沉機(jī)構(gòu)，待人工錄入待入庫母盤信息后，裝載區(qū)會自動加載（提升），以保證AGV 可順利叉取母盤。

3.2 AGV 硬件配置

AGV 硬件配置主要針對上料頻次及物料載荷進(jìn)行配置，考慮到現(xiàn)場粉塵及原材料托盤的重量問題，AGV 采用激光制導(dǎo)方式進(jìn)行，其配置參數(shù)見表2。

表2 AGV 主要配置參數(shù)

3.3 機(jī)械臂（含夾爪）配置

機(jī)械臂為投料動作的執(zhí)行部件，其執(zhí)行步驟是自動識別物料位置如圖7，根據(jù)識別位置進(jìn)行物料抓取，并投放至指定料口，完成投料及料袋回收動作。為此，根據(jù)其步驟功能項(xiàng)，其配置如表3。

表3 機(jī)械臂（含夾爪）配置

圖7 物料定位識別原理圖（左）復(fù)合夾爪（右）

3.4 料口破袋集成配置

料口破袋集成裝置是將由機(jī)械臂抓取的物料進(jìn)行破袋、過濾及粉塵回收的集成裝置。其包括旋轉(zhuǎn)刀片破袋裝置、振動篩以及粉塵回收裝置組成，其整體架構(gòu)如圖8 所示。

圖8 料口破袋集成裝置

其工作原理是配合機(jī)械臂抓取物料并移動至旋轉(zhuǎn)刀片處，刀片自動旋轉(zhuǎn)啟動劃破料袋，再由振動篩對物料進(jìn)行過濾并收集料袋雜質(zhì)碎屑，完成投料。

4 實(shí)施效果

本次實(shí)踐應(yīng)用采用集成總控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)MES、WMS、以及調(diào)度控制系統(tǒng)的有效整合?？傮w以MES工藝配方為基礎(chǔ)配置下發(fā)物料計(jì)劃，以WMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物料庫位的精準(zhǔn)控制，以調(diào)度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)AGV、機(jī)械手、破袋裝置等設(shè)備的精確流轉(zhuǎn)及控制。方案通過信息化與自動化結(jié)合的方式，真正意義上實(shí)現(xiàn)了從原材料入庫到投料的全過程的無人化。對比人工上料流程與自動上料流程（如圖9），本方案的研究實(shí)現(xiàn)了投料過程的實(shí)時監(jiān)控，提高了投料過程的生產(chǎn)效率，且大大減少了生產(chǎn)人員的職業(yè)健康風(fēng)險。

圖9 人工上料流程與自動上料流程對比圖

5 結(jié)論

基于信息化與自動化技術(shù)的整體應(yīng)用采用“ 單平臺，多系統(tǒng)” 的方式，以集成總控系統(tǒng)為中心，集成MES 系統(tǒng)、WMS 系統(tǒng)、AGV 調(diào)度管理系統(tǒng)以及各硬件控制模塊為一體，實(shí)現(xiàn)混橡生產(chǎn)可定制無人化的目標(biāo)。本應(yīng)用方案對硬件配置類型、參數(shù)提出明確要求，對非標(biāo)托盤、碼垛形式等提出完整解決方案，真正意義上從底層至系統(tǒng)給出了完整的應(yīng)用方案。對比傳統(tǒng)投料方式，本應(yīng)用方案可減少每班次1 h 的投料時間，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能提升約10%，減少產(chǎn)品因雜質(zhì)問題導(dǎo)致的質(zhì)量問題1.4%，并可大大減少員工的職業(yè)健康風(fēng)險，效益顯著。