基于制造物聯技術的輪胎物流管理研究與設計*

牛占文，高 賀，左 斌

(天津大學 管理與經濟學部，天津 300072)

基于制造物聯技術的輪胎物流管理研究與設計*

牛占文，高 賀，左 斌

(天津大學 管理與經濟學部，天津 300072)

制造企業庫存管理的水平對于保證生產過程平穩連續、控制企業制造成本具有重要意義。針對橡膠輪胎企業成型與硫化工序間的在制品庫存管理混亂、出入庫效率低和人工成本高等弊端，提出了基于精準物流模式的立體倉庫管理方法，基于RFID、CAN總線等制造物聯技術，設計開發了面向成型胎坯的在制品立體倉庫物流管理系統，通過輪胎企業的應用實施，證明系統對于提高出入庫效率，減少勞動力成本，有助于實現在制品庫存管理的精準化、智能化與柔性化。

精準物流；立體倉庫；無線射頻識別；自動導引裝置；現場總線

0 引言

中國橡膠輪胎工業處于轉型升級的關鍵時期，企業環境成本、用工成本、物流成本不斷攀升，企業亟待采用高端信息技術與裝備，提高勞動生產率、降低人工成本，促進橡膠輪胎生產過程精準化與智能化。按照橡膠輪胎生產的工藝要求，胎坯在成型后到硫化前需按照輪胎規格存放一定時間，并保證胎坯不變形、不污染。目前企業中這一階段的輸送及存儲大多通過存儲小車完成，占用廠房空間較大，自動化程度較低，操作人員的勞動強度高且存儲時間難以嚴格控制，同時由于人工搬運容易導致成型胎坯變形，影響硫化后成品輪胎質量。因此，在制品庫存管理直接影響橡膠輪胎制造企業的生產過程及生產成本，加強輪胎企業的庫存管理的精準化水平，將使企業在激烈的市場環境中具備更高的競爭能力。

精準物流模式以先進的信息與物聯網技術為基礎,注重服務、人員、技術、信息與管理的綜合集成,強調物流的標準化和高效化,以相對較低的成本提供較高的客戶服務水平。快速、實時、準確的信息采集和處理是實現物流標準化和高效化的重要基礎。本文將RFID、AGV、總線等先進物聯網技術應用在精準物流管理中，來構建柔性、敏捷、精益化的生產制造環境，作為企業管理層與車間層連接的信息交互站，幫助縮短企業制造周期，提高產品質量和降低運營成本[1]。

1 輪胎企業在制品庫存管理的瓶頸

輪胎企業在制品庫存管理主要面臨如下問題：

(1) 輪胎規格多樣化、需求量波動較大等情況，同時原材料價格不斷攀升、企業間競爭日益激烈，使企業難以制定精準的采購與生產計劃，導致庫存管理成本上漲；

(2) 輪胎較為沉重，出入庫搬運需要大量勞動力，同時倉庫面積大、庫位多，出入庫搬運路徑較長，也會影響搬運的效率，增加了物流成本；

(3) 成型胎坯出入庫間隔由輪胎規格決定，在庫存放時間差異大，人工控制難以滿足多品種、準時化的需求，若出庫不及時還會影響后續硫化工序的進行，造成生產過程不平衡。

針對上述問題，本文提出了基于精準物流思想，針對輪胎制品立體倉庫進行物流規劃，在此基礎上融合RFID、CAN總線和自動導引裝置等制造物聯先進技術的應用，開發立體倉庫物流管理系統，以期改善企業落后的庫存管理模式。

2 橡膠輪胎在制品立體倉庫物流規劃

本文針對某橡膠輪胎制造公司成型車間與硫化車間中間銜接區的立體倉庫展開物流規劃，前序輪胎成型毛坯經暫存動作后送往后序硫化加工。其中，成型加工車間班產100條/臺設備；立體倉庫區暫存4小時生產批量，要求先進先出，保證胎坯體位；硫化加工車間平均50-58分鐘/臺，設備總數6工段12排，每排18臺每臺2工位。根據企業的實際生產特點，立體倉庫容量應在2000-2200條輪胎左右。因此，根據以上分析，布置34排12列5層貨架的立體倉庫，其中，貨架采用桁架結構，可以根據產品來調節每一層的高度，單排每層存放15條輪胎，每層4排。

如圖1所示，完成成型工序后的輪胎，由AGV小車牽引到傳送帶的六個入口，經過改進后的基于現場總線的機械手將輪胎放到傳送帶上，通過安裝在傳送帶上方的RFID信息采集系統采集信息，指揮堆垛機把輪胎放到暫存倉庫的相應位置，放置一段時間后，根據硫化車間的需求，再將暫存在倉庫中的輪胎通過堆垛機取出，最后經過AGV小車運送至硫化車間，余下的空盤隨傳送帶運送到起點進行下一次循環。

圖1 立體倉庫物流方案簡圖

3 立體倉庫精準化物流管理系統框架

3.1 系統總體框架

依據人流、物流、信息流、整體布局調整等精準化物流規劃方案，構建立體倉庫物流管理系統框架。系統基于精準物流模式，由生產物流管理、機械手控制、信息采集、自動導引裝置和可視化管理這五方面組成，支撐技術包括RFID、現場總線、AGV小車以及面向胎坯的機械手臂裝置，如圖2所示。

圖2 立體倉庫物流管理系統技術框架

系統功能組成如圖3所示，系統由管理、物料管理、RFID信息采集、機械手控制以及成本控制5個功能模塊組成。

圖3 立體倉庫物流管理系統功能

(1) 系統管理

系統管理功能主要包括公共管理、用戶及權限管理，可以通過系統管理方便的設置系統業務編碼和軟件定義代碼，注冊用戶以及配置用戶的權限，實現統一的系統程序發布與更新。

(2) 物料管理

從原材料進入庫房開始，對質量、廠商、材料屬性等信息進行全方位采集管理，及時反饋給物流管理系統。采用RFID技術對車間內的物料及制成品進行物流跟蹤，在生產線上，通過AGV小車運輸配送，自動堆料系統中的機械手對胎坯進行抓取、堆料，實現生產線的全自動化倉儲。

(3) RFID信息采集

該模塊是本系統的核心部分，主要包括對胎坯的基本信息安裝、植入，同時利用讀寫裝置對其RFID標簽內所存儲的信息進行采集、流通，再通過數據接口層傳入整個物流信息系統數據庫中。

(4) 現場總線

本系統采用現場總線的一個分支——CAN總線作為生產現場中機械手的控制系統，使其實現設備與設備之間、設備與各種傳感器之間以及現場設備與控制室之間的數據通信。

(5) 成本控制

對工序成本形成過程的一切消耗，進行嚴格的計算、調節和監督，及時發現與預定的工序成本目標之間的差異，并采取有效措施糾正不利差異，是工序產品實際成本被限制在預定的目標范圍之內。

3.2 基于RFID的信息采集系統

RFID技術[2-4]所具有的自動對象識別和數據存儲功能能夠在生產管理中發揮重要作用。圖4為信息物流體系模型，輪胎加工自動化生產線物料的流通實現了無人監管，在生產車間加工后，由AGV小車[5]運送到倉庫區域，再由機械手將零件放到傳送帶上，通過采集條碼信息，指揮堆垛機將輪胎放到相應的位置，夾持輪胎時機械手能夠通過位置傳感器自動檢測工作臺信息進而準確的獲得材料位置。為保證物料在指定時間到達指定位置，堆垛機根據輪胎的尺寸、重量在倉庫區域可以快速尋找到合適的放置位置，直到硫化車間需要時，再根據RFID標簽準確找到所需物件放到傳送帶上由另一側的機械手夾取，再由AGV小車送入硫化車間。

圖4 基于RFID的信息采集模型

3.3 基于總線技術的機械手控制系統

如圖5所示，控制系統中上位機采用PC機，下位機采用若干CAN總線[6-7]智能節點。四個下位機智能節點各自獨立完成現場數據采集和運行控制任務，通過芯片實現與上位機之間的數據接收和發送，而上位機則是通過CAN適配卡和接口控制電路來訪問CAN控制器，從而實現與下位機之間的數據通信。

圖5 基于CAN總線的機械手控制系統

考慮到胎坯規格多樣性及胎坯變形的問題，出入口處夾持輪胎的機械手末端執行機構采用柔性化加持結構，如圖6所示，該結構采用液壓缸驅動，通過伸張半徑的調節來適應不同尺寸的輪胎，進而保證夾持的可靠性。

圖6 改進后的機械手裝置

4 系統實現

本文面向橡膠輪胎企業的胎坯在制品立體庫物流管理，開發了精準化立體倉庫物流管理系統，開發環境為Windows XP系統，使用JAVA、SQL sever等開發工具，系統界面如圖7、圖8所示。

圖7 立體倉庫管理系統

圖8 立體倉庫物料管理模塊

5 總結

本文引入精準化物流模式，采用先進的控制、總線、通訊和信息等技術，通過物流設備的協調運作，按照橡膠企業生產過程開展立體倉庫物流規劃，應用RFID技術并結合AGV小車和機械手等設備開發立體倉庫物流管理系統。企業應用表明，本系統能夠提高出入庫效率42.1%，倉庫全面采用電子標簽，減少了出庫前單據處理時間，降低庫存管理成本32.8%，實現了立體倉庫物流管理的精準化與智能化。

[1] 郟坤. RFID技術在倉儲管理中的應用研究[D].大連:大連海事大學, 2010.

[2] 白凱, 王華兵. RFID物流過程監控與可視化管理系統研究與設計[J]. 工業控制計算機, 2012, 25(1): 27-28.

[3] 杜曉明, 葛世倫.基于RFID和條形碼的中小企業倉庫管理系統研究[J]. 組合機床與自動化加工技術,2010(2):106-109,112.

[4] 李作海, 姚錫凡.基于RFID的信息集成柔性制造系統設計研究[J].組合機床與自動化加工技術,2011(4):14-18.

[5] 柳賽男, 柯映林.自動化倉庫系統AGV小車優化調度方法[J].組合機床與自動化加工技術,2008(6):23-25.

[6] 孫兵, 周建輝, 鄧海龍. 基于CAN總線的機械手控制系統[J]. 微計算機信息, 2003, 19(11): 14-16.

[7] 方力, 張建華, 劉漢忠.CAN雙通道冗余步進電機控制系統設計[J].組合機床與自動化加工技術,2013(7):62-64.

(編輯 李秀敏)

Research and Design for Tire Logistics Management Based on Manufacturing of Things

NIU Zhan-wen, GAO He, ZUO Bin

(Department of Management and Economics, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Manufacturing enterprises inventory management is very important to guarantee a smooth, continuous production process, and control manufacturing cost. For the in-process inventory management confusion, the low efficiency of storage and high cost of labor between molding and vulcanizing process of the rubber tire enterprises, propose tiered warehouse facility management method based on precise logistic. Based on RFID, CAN bus and other technologies of Manufacturing of Things, design and development in-process products tiered warehouse facility logistics management system which towards tire molding. Through implementation and application of the tire enterprise, the system can improve the storage efficiency, reduce labor costs and help achieving accurate, intelligent and flexible for in-process inventory management.

precision logistics; stereoscopic warehouse; RFID; AGV; fieldbus

1001-2265(2014)07-0151-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.044

2013-11-02；

2013-12-02

國家863計劃資助項目：面向裝備制造業的專業化PLM產品開發及應用(2012AA040910)；國家科技支撐計劃項目：濱海新區高端制造數字化集成技術攻關應用(2012BAF12B05)；國家853計劃資助項目：汽車及模具產業鏈設計制造協同服務平臺研發與應用(2013AA040605)

牛占文(1966—)，男，天津人，天津大學教授，博士生導師，主要從事現代工業工程理論方法及應用的研究，(E-mail)55883562@qq.com。

TH166;TG65

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