離散制造智能物流系統設計研究與應用

文/師清木

制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。2015年5月國務院印發了《中國制造2025》，其中的“智能制造工程”是要實施的五大工程之一；其核心內容是圍繞重點制造領域關鍵環節，開展新一代信息技術與制造裝備融合的集成創新和工程應用，到2025年，制造業重點領域全面實現智能化。

《智能制造發展規劃（2016-2020年）》（工信部聯規〔2016〕349號）指出，智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式。

隨著《中國制造2025》十年計劃的實施，我國已建成不少試點示范項目，也將制訂智能工廠相關國家標準，包括：智能工廠設計標準、智能工廠建造標準、智能工廠交付標準、智能設計標準、智能生產標準、智能管理標準、智能物流標準、集成優化標準（摘自《國家智能制造標準體系建設指南2018年版》）。

全廠智能化物流系統是智能制造的重要組成部分，沒有它，先進的制造單元或車間將會成為一個個孤島，無法實現全廠智能化制造。筆者在本文中將結合自身研究、實踐經驗，提出可行的離散制造工廠智能物流系統解決方案。

某原料生產物流系統局部

圖1：連續摩擦驅動懸掛輸送系統應用示例

圖2：連續摩擦驅動懸掛輸送系統主要組成部分

一、研究思路

智能物流系統作為智能制造的重要支撐，需確保物料儲存配送準確高效和運輸精益化管控，實現物料識別、地點跟蹤、物料溯源、物料監控、實時響應等，將正確的物料按正確時間運送到正確的地點。

實現物流系統智能化，需要從硬件和軟件兩方面入手。硬件指的是物流設備，如存儲設備、搬運設備、輸送設備等。軟件指的是建立一套物料流程控制系統（Material Flow Control，簡稱“MFC”），該系統向上能與生產管理系統連接，向下能控制物流設備系統自動運行，將生產系統與物流系統有機地結合起來。

二、智能物流系統解決方案

1．物流系統設備

要實現物流智能化，首先要根據物料特點及輸送要求選用適宜的自動化的物流設備。離散制造常用的自動化物流設備有自動導向車（AGV）、穿梭車（RGV）、自動化倉庫（AS/RS）、輸送機、升降機等，這些設備使用普遍，本文不做更多介紹，重點介紹一種目前在國內制造業應用較少、適用于智能制造的輸送設備—連續摩擦驅動懸掛輸送系統。

圖3：MFC與制造生產管理系統、物流設備系統之間的關系

該系統是一種連續輸送設備，可在工廠的各車間、工段、生產工序之間緩存、輸送各種物料。由軌道、小車組（每個輸送單元由多個小車組成）、掛具、驅動裝置、道岔、積放裝置、升降裝置、手動脫機/聯機裝置、支撐鋼結構、控制系統等構成。圖1為系統應用示例，圖2為系統主要組成部分。該系統具有以下主要特點：

（1）線體可以有動力、無動力混合配置；不同線體可在不同速度下混用；通過變頻調速，線體可變速運行。

（2）小車組可停在任意指定的位置。

（3）可進行上升/下降坡道輸送。

（4）通過道岔，小車組可以在不同的線路之間分流/匯流。

（5）通過升降機可以在多個標高間移動小車組及物料。

（6）具備積放功能可在線上實現緩存。

（7）每個小車組可配有脫機裝置，當需要時，可手動脫機，小車可人工移動，操作靈活。工作完成后可手動聯機，小車組再次被自動系統接管。

（8）系統可以實現聯機在線自動控制，按生產需求進行物料輸送。

基于上述特點，該系統將會越來越廣泛地應用于離散智能制造。

2．智能物料流程控制系統（MFC）

MFC系統集成自動識別技術、GIS技術、網絡技術、通訊技術、信息處理技術、數據挖掘技術、人工智能技術等，是智能物流系統的關鍵，需具備以下功能：

（1）接口功能。MFC需與制造生產管理系統及物流設備系統接口，接收來自生產管理系統的作業任務，調度各自動化物流設備完成物料輸送，使物流系統與生產系統形成有機整體。

目前制造業常用生產管理系統有ERP（企業資源計劃）、MES（制造執行系統）等。

ERP以經營管理為主，主要面向經營管理和決策人員，實現經營決策管理信息化以及管理組織的扁平化和集約化。主要功能包括：生產控制管理、物流管理、采購管理、分銷管理、庫存控制、財務管理、人力資源管理等。

MES主要面向生產管理人員，實現生產管理信息化以及管理組織的扁平化和緊密化。主要功能包括：生產資源分配與監控、作業計劃和排產、工藝規格標準管理、數據采集、作業員工管理、產品質量管理、過程管理、設備維護等。

MFC與制造生產管理系統、物流設備系統之間的關系，如圖3所示。

（2）物流調度決策。根據MES下達的排產計劃，對物流作業任務進行分解，對多發并行的物流作業任務進行邏輯、路徑分析，對各任務的順序、執行時間、路徑做出統籌安排。

物流調度決策是一個復雜的處理過程，既要滿足MES生產節拍要求，還需根據生產設備、物流設備的運行情況、突發狀況，實時調整物流作業調度指令。

（3）物料信息全過程跟蹤。通過條碼、RFID等對物料進行識別及信息收集，跟蹤物料的位置等信息。

（4）對物流設備實時監控。主要監控物流設備的位置信息、狀態信息、作業信息、故障信息等。

（5）日志記錄功能。包括接口日志和操作日志。通過核對系統日志，可以追溯到某個時間點發生的動作。當異常發生時，檢索系統日志將是主要的檢查手段，日志也是系統狀態查詢和業務執行分析的重要輔助信息之一。

圖5：通過MFC系統控制穿梭車進行自動齊套定位作業

圖6：閥門控制器懸掛緩存及輸送

圖7：閥門控制器與閥體在線組裝

（6）MFC智能優化。由于生產工序的作業時間不完全確定性，MFC需具備自適應優化功能，通過對生產管理系統大數據進行分析，優化物流調度決策，實現物流控制的智能化。

（7）優化MES系統，實現智能排產。MFC可與在線仿真系統共同對MES排產計劃進行預驗證，并為MES排產計劃優化提出建議，即根據物流系統運行數據，優化生產管理系統，保證產品交付的準確性和設備資源產能的平衡。

三、應用案例

該案例是為某閥門制造企業設計、實施的智能物流系統項目。

1．項目概況

生產綱領：年設計產量為常規控制閥18萬臺、高端特種閥1萬臺、控制器件9萬臺。產品分為100多個系列、10萬個品規，零部件100多萬個。

生產模式：單件小批定制生產。

主要生產流程：如圖4。

生產組織：采用成組技術，零部件按殼、盤、軸等類別多組加工，閥體、控制器等組裝單元化布置。

生產管理目標：按訂單生產、裝配，嚴格控制在制品數量，關鍵零部件在線轉運，減少轉掛工作。

2．物流系統

本項目物流設施包括存儲設施、物料齊套系統、AGV搬運系統、懸掛輸送系統。存儲設施包括鑄件/鍛件毛坯庫、原材料庫、外購件/加工件庫、成品庫等。其中，外購件/加工件庫為自動化立體倉庫。

（1）存儲系統

本項目由WMS系統對所有存儲貨位、存儲物品、存取作業進行管理。MFC通過與WMS系統接口，實現出入庫作業按生產需要自動運行。

（2）齊套系統

齊套也稱為配餐。本項目齊套作業主要服務于閥體裝配，根據MES計劃以及各裝配工位狀態，通過MFC系統控制穿梭車進行自動齊套定位作業，如圖5。

配餐車采用自動化穿梭車，裝備有自動化條碼讀取設備。在齊套過程中對裝載裝零部件或半成品的容器條碼進行自動讀取。在零件向容器進行轉移（拿出或放入）的過程中通過掃描二者的條碼（手動或自動掃描），實現零件—容器對應關系的改變。

成品齊套并裝配完成后可跟蹤查詢到成該產品的所有零件及所有齊套過程。

該系統配餐位116個，配置穿梭車一臺，運行輸送速度120m/min。

（3）AGV系統

立體倉庫、加工島、檢測站、裝配單元之間的零部件輸送采用AGV系統。配置的AGV為激光導航，載重1.6t，運行速度1.2m/s，導航精度≤±10mm。AGV作業任務、運輸路徑由MFC系統自動調度。

（4）懸掛輸送系統

閥門控制器的輸送、緩存、涂裝、閥門總裝、附件組裝、調校等采用懸掛輸送系統，避免轉掛，以提高產品質量。圖6為閥門控制器懸掛緩存及輸送，圖7為閥門控制器與閥體在線組裝。

輸送單元載重量500kg，最大輸送速度30m/min。在主線、分叉點、操作位等關鍵部位設置了RFID讀寫器，帶RFID標簽的小車經過讀寫器時，可讀取RFID標簽內容，根據MFC的作業指令，將小車輸送到指定目的地，同時可寫入特定信息，如小車掛載零部件信息等。MFC系統可對整個輸送過程及線上作業信息進行跟蹤及追溯。

3.實施效果

該項目物流系統采用堆垛機、穿梭車、柔性懸掛輸送、AGV等多種自動化設備，分散布置在廠區的各倉庫、車間，通過MFC系統實現了物流設備的自動調度、協調運行，將多品規物料按照生產計劃及時、準確地運送到各生成環節，有效提升了整廠的生產效率。該項目已投入使用，并被工信部列入2016年智能制造試點示范項目。