文/張 俐

一、項目背景和需求

焊接材料的生產(chǎn)物料具有多品種、大批量等特點，原材料主要有盤條、粉料等，半成品有焊芯、濕粉等物料，物料特點是體積大、質量重、轉運頻次高、轉運量大，因此要滿足大西洋焊接產(chǎn)業(yè)園生產(chǎn)需求，必須設計一套適用于實際生產(chǎn)的高效能自動物流系統(tǒng)。本項目是焊條半成品（焊芯）的自動物流輸送系統(tǒng)的集成和應用。

焊芯的生產(chǎn)流轉工序要經(jīng)過切絲裝料、轉運入庫、出庫、轉運至用料生產(chǎn)線使用。

傳統(tǒng)物流存在的問題：以前，焊芯的轉運主要依賴人工，采用人工液壓車或帶輪子的焊芯裝料車搬運，需要人工拖動物料轉運到各生產(chǎn)線在用工位，轉運距離長，加之物料體積重量大，因此人工勞動強度大，物流輸送效率極低。焊芯的存放方式只能在地面堆放，占地面積大，且無法規(guī)范管理，人工統(tǒng)計、物料盤點困難，耗時易出錯。

新物流系統(tǒng)的需求：焊接產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃有17條焊芯生產(chǎn)線，日生產(chǎn)焊芯約500t，多品種規(guī)格且產(chǎn)地號不同的焊芯需要及時轉運入庫暫存，等待涂壓生產(chǎn)線使用，從焊芯裝料位置到使用生產(chǎn)線工位，最長距離達500m，并且拉切工序與涂壓工序廠房地面有2m高差，依靠人工轉運、地面存儲的方式無法適應產(chǎn)業(yè)園生產(chǎn)物料的高負荷轉運及信息管理。

圖1：新設計料斗

圖2：原來的料斗

圖3：棒絲自動物流輸送系統(tǒng)設計思路

圖5：空料斗回庫前設置RFID讀頭

表1：物流設備主要架構設計

因此，根據(jù)生產(chǎn)要求，需建立一套快速、準確、可靠、穩(wěn)定的自動化物流系統(tǒng)用于轉運焊芯，對焊芯的裝料、搬運、入庫、存放、投料，以及搬運工具、物流設備、搬運方法、輸送節(jié)拍等進行合理規(guī)劃、設計、布局，實現(xiàn)焊芯轉運的自動物流模式。

二、技術難點

在該項目中，如何解決好裝料后快速轉換載具、物料暫存，如何實現(xiàn)物流與生產(chǎn)設備精準高效協(xié)同工作方式，實現(xiàn)各物流系統(tǒng)之間有效兼容，是比較大的技術難點。

一是必須同時滿足自動裝料、存儲、轉運、卸料的不同需求。

二是物料品種信息多，生產(chǎn)需求復雜多樣，信息更新快速，信息量大。

三是物流設備為多個系統(tǒng)集成，管理控制系統(tǒng)的集成難度較大。

四是國內(nèi)外無實際案例和技術可學習借鑒，如何貫通整個物流流程、實現(xiàn)各個位置的功能，均需自主設計。

三、設計方案

1.設計思路和規(guī)劃

焊芯自動物流系統(tǒng)主要完成焊芯從裝料、暫存到使用的全線自動轉運流程（見圖1、圖2、圖3），

物流系統(tǒng)設計通過生產(chǎn)中央控制系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，接受MES指令調(diào)度RGV、立庫、AGV系統(tǒng)自動完成焊芯運送任務，利用RFID自動識別技術，準確讀取物料信息及生產(chǎn)物流過程中的各項信息數(shù)據(jù)，自動完成焊芯裝料轉運、入庫儲存、出庫轉運至用料生產(chǎn)線的物流作業(yè)流程，采用輸送機、RGV、立庫、提升機與AGV聯(lián)合應用方案，通過管理控制系統(tǒng)的集成，物料信息記錄和跟蹤，保證物料轉運，實現(xiàn)整個流程自動無縫對接。

2.物流布局方案（見圖4）

焊芯自動物流系統(tǒng)布局，根據(jù)物料生產(chǎn)轉運需求，按照廠房的立體空間層次而設計，裝料區(qū)與用料區(qū)有2m高差，設計用提升機完成焊芯在6m地面與4m地面之間垂直方向的輸送，與立庫出口輸送設備相配合。該系統(tǒng)以自動立庫為物流中心點，作為物流控制核心環(huán)節(jié)，集成前后工序的出入庫物流輸送設備，協(xié)同RGV、AGV物流系統(tǒng)作業(yè)，使輸送過程實現(xiàn)全自動化。

裝料區(qū)：焊芯裝料入庫（空料斗出庫——裝料——滿料入庫）。

儲存區(qū)：立庫存儲，自動完成焊芯存取、出入庫任務，利用RFID識別進行物料信息和庫位管理。

用料區(qū)：焊芯出庫使用（滿料斗出庫——用料——空料斗回庫）。

3. 物料載具方案

裝料載具設計為焊芯料斗（見圖1），尺寸為680mm(L)×900mm(D)×950mm(H)，滿載重量1.2t，上部料斗寬度按照不同焊芯長度規(guī)格設計，可裝載五種焊芯規(guī)格：φ2.0mm、φ2.5mm、φ3.2mm、φ4.0mm、φ5.0mm和長度為300mm、350mm、400mm、500mm的焊芯；底托盤設計為標準尺寸，可滿足輸送機、RGV、AGV、立庫不同物流轉運方式的要求。

4. 信息流轉方案

利用射頻識別技術（RFID），選用高頻RFID作為信息載體，在焊芯料斗上安裝兩個RFID載碼體TW-R50-B128（標準128bytes）（見圖2），同一個料斗上的兩個RFID載碼體綁定ID使用，用于物料信息識別。

圖6：牛腿焊接式立庫

圖7：RGV轉運系統(tǒng)方案

圖8：AGV轉運系統(tǒng)設計方案

表2：焊芯入庫

表3：焊芯出庫

（1）RFID選擇依據(jù)：

①RFID具有物流管理、物料資產(chǎn)信息管理、溯源等多方面的功能和優(yōu)勢，可滿足焊芯物流信息流轉追溯及庫存信息管理。

②RFID讀頭選用TNLR-Q80-H1147（長距離），非接觸方式讀取，閱讀速度快。

③ 焊條生產(chǎn)過程中避免不了粉塵污染，因此選用高頻RFID對環(huán)境適應能力強，抗污染能力和耐久性強。

④可重復使用。由于焊芯出入庫頻次高，信息更新快，應用RFID可以方便信息的更新。

（2）RFID識別位置設定：

滿料斗入庫前設置RFID讀頭——立庫執(zhí)行滿料斗入庫任務，識別料斗RFID號，將物料信息與料斗RFID綁定。

AGV設置車載RFID讀頭——識別料斗信息，核查MES任務指令及匹配目標地址。

空料斗回庫前設置RFID讀頭——立庫執(zhí)行空料斗入庫任務，通過讀取RFID確定任務狀態(tài)、記錄信息、更新載具位置，如圖5。

5. 物流設備主要架構設計（如表1）

6．各分項系統(tǒng)方案

（1）焊芯自動化立體庫系統(tǒng)方案：

設備選型：

立庫形式為牛腿焊接式，貨架高度8.8m，4排貨架，520個庫位，2臺堆垛機（雙立柱地面支撐直道型）。自動輸送、存儲能力大于532t/日，出入庫能力≥120斗/小時，堆垛機水平運行認址方式采用激光認址，起升運行認址采用認址片+編碼器，堆垛機通訊方式為紅外通訊。如圖6。

立庫系統(tǒng)用于實現(xiàn)焊芯的出入庫及存儲，料斗通過RGV轉運至立體庫入庫點輸送線，入庫點實現(xiàn)物料自動稱重并將每斗焊芯重量信息自動錄入，立庫系統(tǒng)按照任務指令對料斗實現(xiàn)自動化存取，并對庫存物料進行自動控制和信息管理，可以按焊芯的信息（料斗編號、焊芯品名、規(guī)格、重量、生產(chǎn)日期、原材料產(chǎn)地、對應生產(chǎn)線等）分類查詢管理，根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度指令要求按照先進先出的原則進行自動輸送、存取焊芯，立庫控制系統(tǒng)與MES系統(tǒng)進行良好對接，自動接收指令，并生成倉儲相關報表。

①可同時實現(xiàn)滿料斗和空料斗的自動存儲和出入庫調(diào)度管理。

②實現(xiàn)焊芯入庫自動稱重，信息讀取、存儲、庫存信息管理。

③實現(xiàn)雙通道出庫（普焊/特焊）。

（2）RGV轉運系統(tǒng)方案：

設備選型：

RGV軌道式自動導引車設計為雙工位車型，直線往復式，移載方式為鏈條移載，總載重量3t，輸送單工位單元載荷為1.5t(max),最快運行速度為120m/min，軌道長度150m，滑觸線供電，行走定位方式采用條碼認址，通訊方式為無線通訊，運送能力設計為每小時輸送23個滿料斗和23個空料斗，如圖7 。

功能設計：

操作者通過MES終端界面發(fā)出運送料斗任務指令，RGV自動接收運輸任務，調(diào)度控制RGV車與裝料輸送線及立庫設備進行對接，輸送線可實現(xiàn)料斗在裝料工位的自動快速轉換，RGV可實現(xiàn)物料長距離直線輸送，與WMS系統(tǒng)進行通訊，具備車輛調(diào)度、全程自動跟蹤及動態(tài)查詢等功能。

（3）AGV轉運系統(tǒng)設計方案：

設備選型：

AGV根據(jù)焊芯料斗和粉料斗尺寸設計，既可轉運焊芯，又可轉運粉料。AGV導航方式為磁條導航，鏈條移載方式，單舵輪驅動，額定承載為1.8t，最大運行速度為60m/min，在線充電方式，一期項目投入6臺車，用于運送普通焊芯，輸送能力為每日340t、粉料每日150t，如圖8。

功能設計：

①AGV系統(tǒng)負責轉運滿料斗至下料輸送線和轉運空料斗回立庫，MES發(fā)出要料指令，AGV接收任務指令，調(diào)度AGV車與立庫系統(tǒng)對接，讀取料斗RFID號，核查物料輸送信息，綁定任務指令運送焊芯到機臺。

②AGV與用料設備的對接設計為AGV與鏈條輸送機自動對接的方式。

③AGV按照生產(chǎn)線工藝布局設計最佳運行路徑及站點，線路擴展靈活，6臺AGV根據(jù)任務合理調(diào)度車輛輸送，設計同時滿足了焊芯和粉料的輸送。

7. 控制系統(tǒng)集成方案

焊芯自動物流系統(tǒng)中，MES、AGV、RGV、立庫自動調(diào)度系統(tǒng)與接口部分采用數(shù)據(jù)庫表交互形式，AGV、RGV自動調(diào)度系統(tǒng)對MES和立體庫數(shù)據(jù)庫表具有一定的數(shù)據(jù)庫訪問權限，MES和立體庫數(shù)據(jù)庫表有互訪權限；AGV、RGV系統(tǒng)所有作業(yè)任務內(nèi)容（包括作業(yè)類型、起始站點、目的站點等）由MES、立庫系統(tǒng)協(xié)同下發(fā)。

焊芯入庫：MES系統(tǒng)將入庫信息發(fā)送給立體庫，立體庫接收到入庫信息后完善RGV系統(tǒng)取貨站點及放貨站點任務，RGV自動獲取運輸任務，并啟動運輸，RGV取貨運行到立體庫入口位置反饋到位信息給立庫，立體庫處于接收狀態(tài)后RGV進行放貨，放貨完成后，立體庫稱重并入庫，更新庫存信息與MES庫存保持一致（物料位置、信息、貨位一致），如表2。

表4：應用比較

焊芯出庫：MES發(fā)出要料出庫指令（包括用料機臺地址、料斗號、RFID），由MES、立庫協(xié)同生成AGV的運輸指令，立庫系統(tǒng)確定出庫口位置，AGV自動獲取運輸任務，取貨、讀取料斗RFID信息，綁定任務指令運送物料到用料機臺，如表3。

四、應用效果

焊芯自動物流系統(tǒng)自2017年開始投入生產(chǎn)運行，每天連續(xù)生產(chǎn)24小時，配合生產(chǎn)線轉運物料，經(jīng)檢驗能滿足生產(chǎn)要求，實現(xiàn)了如下功能：

1.焊芯轉運全過程自動化，有效貫通了上下工序間的自動物流流程，使工序間的物流快速、自動、方便。

2.MES與立庫、AGV、RGV系統(tǒng)的集成控制管理，實現(xiàn)了焊芯輸送全程自動跟蹤及動態(tài)查詢功能，接收各生產(chǎn)作業(yè)任務，實時反饋當前物流動態(tài)和作業(yè)情況等諸多信息，自動完成輸送焊芯信息的識別、流轉。

3.焊芯的生產(chǎn)轉運、儲存入庫、出庫過程實現(xiàn)了資源合理科學分配，存儲合理集中規(guī)劃；可根據(jù)生產(chǎn)計劃和特殊情況合理調(diào)配物料輸送，可按要求執(zhí)行各種查詢與統(tǒng)計。

該項目應用自動化物流系統(tǒng)前后比較情況見表4。

五、結論

該系統(tǒng)是工業(yè)制造自動物流實際案例應用中的一個多類型、較復雜的集成典型。大西洋焊接產(chǎn)業(yè)園物流系統(tǒng)已全面發(fā)揮出自動化、智能化的絕對優(yōu)勢，全程無需人工干預，高效率、高質量、自動轉運物料，實現(xiàn)了物流與生產(chǎn)設備的精準協(xié)同和匹配，實現(xiàn)了各工序間的無縫對接，運輸效率較以前提高10倍，對焊接材料傳統(tǒng)的生產(chǎn)物流環(huán)節(jié)進行了顛覆性的創(chuàng)新和改革。大西洋焊接產(chǎn)業(yè)園在全球同行業(yè)中率先開啟了焊接材料的自動化生產(chǎn)物流模式，成為全國工業(yè)物流成功轉型升級的典范。