家電行業智能制造園區物流系統的規劃與設計

文/李喬良 張志英

在《中國制造2025》戰略引領下，我國家電制造企業加速向數字化、信息化、智能化轉型，生產模式體現為大規模定制化生產。例如，過去消費者可選購的品類很少，而現在不僅各大品牌型號多樣化，更實質性的進步是消費者可對零部件種類做出更多選擇，尤其是當零部件數量增長后，各種配置呈指數級增長。此外，隨著我國商業模式持續升級，消費者購買行為和消費習慣發生轉變，全渠道銷售、新零售等趨勢明顯，促使家電行業供應鏈與物流集中呈現出小批量、多頻次及快速響應的特點。

我國家電制造行業經過多年發展，在生產設備自動化方面已經積淀了一定基礎，而物流環節普遍是短板，加上大規模定制生產、商業模式持續升級以及控制成本等因素，迫切需要物流系統發揮生產協同作用。因此，近年越來越多的制造企業開始或準備籌建智能物流建設項目，除在傳統的成品倉儲環節實現自動化物流外，在生產、制造環節中也在引進越來越多的自動化、智能化物流技術和設備。比如，以各種類型的自動化倉庫、工業機器人、AGV、空中運輸系統、自動分揀系統等代替傳統人工作業，以及應用大數據、云計算、數據采集與監視控制系統、數據挖掘等新一代信息技術和供應鏈管理方法，提高車間生產效率，降低生產物流成本。

家電行業物流是一個邏輯嚴密的系統工程，邊界起于原材料、外購件的投入，終止于成品出庫，連通供應商、生產計劃、工位物流、銷售、配送、維護等眾多環節，貫穿生產制造全過程，橫跨企業各職能部門。并且，對象物料隨生產進程不斷改變實物狀態，物料配送和搬運有明確的節拍，還包含及執行過程中的差異管理，還有過程中的故障告警及應急方案等；為此，家電企業在規劃生產園區時，要結合其特有的產品需求及工藝環節之間的邏輯關系，用智能物流理念再造流程、定義建筑功能、優化物流路徑，在預定的時間通過合理的方式，將適當數量和包裝的物料送到指定地點，實現滿足家電制造工藝流程要求的JIT配送。

家電行業智能制造園區的物流規劃，包含軟件信息和硬件設備兩部分，帶信息的物料（條碼或RFID）在智能化的信息平臺的調度下，通過智能物流設備在各工序間流轉，將供應鏈各環節整合起來，使采購、生產、銷售成為高效運轉的循環體系，以支持制造系統高效運行。本文基于家電制造業的產品生產流程，提出智能制造園區的規劃方案，重點結合行業實際情況提供了各類庫區采用的物流手段，介紹了園區物流系統的設備監控、信息管理措施，并對系統規劃的關鍵點進行了闡述。

一、家電生產物流流程

家電制造業的產品生產流程是，由原材料到生產制造，再到完整產品。其中，原材料一般有成套外購物資和基本材料。生產制造環節通常先進行自制注塑零件、自制鈑金零件和控制器件生產，再進行總裝配，最終形成產品。

要對家電制造產業園區進行規劃，就要對整個生產基本流程進行全面了解。家電行業制造園區物流的流程，如圖1所示。

圖1 生產物流的流程

二、生產園區規劃方案

家電制造企業生產制造環節中，通常有原材料庫、外購件庫、電子元器件庫、控制器庫、自制注塑件庫、成品庫等不同類型的倉庫，形成不同類型的物資聚散中心。某家電企業的園區規劃（如圖2所示），這些不同類型的倉庫布置要符合生產流程，并且在生產車間附近，減小物流路徑。

圖2 生產園區規劃方案圖

1.鈑金原材料庫

鈑金原材料庫存儲物料以鋼卷為主，單個物料較重，一般為3～8噸。通常以地面存放為主，為提高土地利用率及倉庫的管理水平也可如圖3所示用高架庫存儲。

圖3 鋼卷立庫

2.外購件庫

家電行業外購件可以分為兩大類，一類是通常用的螺釘螺帽等標準件，另一類是下游廠家定制的零部件。通常體積大、消耗量大的物料以托盤為單元存儲，品種多、體積小的物料就以件箱形式存儲。一般入庫物料都要進行嚴格檢驗合格后才能使用，出庫時為了配合生產線節拍，通常需要進行揀選。由于種類繁多，要實現全自動揀選難度較大。為了盡量減輕人的勞動強度，可采用貨到人的揀選方式。類似的外購件庫規劃案例，如圖4所示。

圖4 外購件配送中心庫

3.自制注塑件庫

家電企業生產的產品，需要自制一些自己特有的塑料零件，這些自制注塑件形狀獨特，有的需要特定的周轉箱、托盤或者料架盛裝。物料存儲周期短，一般庫存周期為兩三天，最多不超過七天。物料出庫一般都需要進行揀選，如圖5中某家電企業自制注塑件庫揀選出庫示意圖所示。

圖5 自制注塑件揀選庫出庫示意圖

4.電子庫

電子元器件庫的特點是物料種類多、體積小、重量輕，可以用周轉箱或者托盤進行存儲，在實際規劃中可以考慮自動貨柜、件箱庫、托盤庫等形式存儲。下面以托盤庫案例進行分析說明。

該案例是某家電企業電子元器件庫，在一樓進行收貨，收貨時就把來料的紙箱更換成周轉箱，然后擺放在空托盤上進行入庫，在二樓進行分揀后出庫，如圖6所示揀出的物料用空中EMS配送至裝配工位，空周轉箱也是通過EMS回收入庫。

圖6 EMS系統工藝路線

5.控制器件庫

在家電行業，控制器件庫存放的為成套的半成品部件，一般體積不大，重量輕，通常用周轉箱來存儲轉運。根據生產計劃生產后，如圖7所示，入庫后暫存在庫中，等待下游裝配線需要時如圖8所示，再進行出庫。因此，出庫不需要進行揀選，直接以整箱出庫配送至裝配線要料工位。

圖7 控制器成品入庫示意圖

圖8 控制器成品出庫示意圖

設備監控系統是一種具備實時展示設備運行狀態，能準確定位異常設備和故障信息，且能夠實現人工操作控制的人機媒介系統。設備運行狀態監測系統是目前工程項目中十分重要的智能檢測工具。

6.成品庫

通常小家電生產企業同時生產的產品種類較多，但是每條產線的產量不大。如某小家電企業的成品庫規劃方案（如圖9所示），要實現機器人自動碼垛，同時要考慮設備投資盡量少，碼垛機器人通用性要好，可以采用集中碼垛。但是為了解決多品種問題，在碼垛前增加成品件箱在線緩存。在緩存區積攢夠一托盤堆碼量后集中釋放，集中碼垛。

圖9 成品庫規劃方案圖

三、設備監控系統

設備監控系統是一種具備實時展示設備運行狀態，能準確定位異常設備和故障信息，且能夠實現人工操作控制的人機媒介系統。設備運行狀態監測系統是目前工程項目中十分重要的智能檢測工具，可省去許多不必要的繁雜檢修，使整個系統更智能、更全面，操作流程更簡單，從問題的發現、分析到解決，使這一流程的效率大大提高。隨著傳感技術發展、智能技術提升、計算機網絡技術不斷更新，將來會更多地運用于各類項目中，實現真正的智慧化監控和管理。

采用三維可視化調度監控系統，按照1:1等比例進行三維建模仿真3D圖形界面設計，實時線性直觀顯示物流流程及設備運行狀態、設備技術參數；可以在系統中進行場景漫游、視角切換、鏡頭追蹤、設備快速定位、樓層設備顯隱、設備參數設置、手動指令、自動任務、手動任務、遠程停機、故障復位等操作。

某項目的設備監控界面如圖10所示，通過三維可視化調度監控系統對企業智能工廠地形地貌、建筑、車間結構、設施設備等幾何建模，直觀、真實、精確地展示各種設施、設備形狀及生產工藝的組織關系，以及設施、設備的分布和拓撲情況。

圖10 三維設備監控界面

四、信息管理措施

在自動化物流系統中，信息管理系統是調度核心和信息存儲處理中心，它以集成技術為核心，運行于計算機網絡環境與數據庫系統之上。一方面實現物流指令快速、準確地下達，以及指令執行反饋的收集和處理，并做出正確的調度以協調各業務環節，保障各種物料準確調度、及時輸送，實現企業物料高效有序地流動和科學管理，以滿足企業物流自動化的需要。另一方面，對物料信息、位置信息、物流信息進行全面信息化管理，實現信息流與實物流的準確同步，提高作業速度和準確性，提高管理及服務水平。同時，為上層信息管理系統提供所需的物流信息，為各管理部門提供有價值的運行信息和輔助決策信息。

傳統自動化物流系統的信息管理，其范圍通常僅局限于某一個倉庫的入庫、出庫、庫存、盤點等關鍵業務，雖然已經很好地解決了物料存儲搬運的自動化、倉庫管理的信息化，使企業自動化水平提升了一個層次。但隨著智能制造興起和發展，倉庫管理的業務范圍已不再是單一的存儲功能，倉庫也不再是單個孤立的運行單元，倉庫信息管理系統的業務范圍隨之不斷擴大，結合家電行業的自身特點，新形式下的信息管理系統主要有以下發展趨勢。

1.與智能生產線全面對接

智能制造離不開生產自動化，生產自動化后隨之而來的是物流自動化，隨著自動化水平不斷提升，各系統之間的集成銜接也就成為順理成章的發展需求。尤其是家電行業，本身具有很高的生產自動化基礎，將物流自動化與生產自動化進行全面對接，同時實現物流與信息流的銜接和貫通，是智能制造的必備條件之一，主要體現在以下兩個層面：

物流層面，通過自動化輸送設備與自動化生產線相連，將生產線下線成品或半成品直接送至自動化倉庫進行存儲，省去中間人工搬運過程。

信息層面，每一件產品賦予并標識一個唯一的ID號，通過MES系統將每一件成品或半成品的生產信息與產品ID號進行關聯綁定，實現了產品信息與實物的關聯對應。物流自動化信息管理系統通過識別產品ID號并與MES系統進行集成，自動獲取并記錄每一件產品的相關信息，在物流自動化系統運行全過程中，產品信息自始至終與產品實物保持對應一致，在物流自動化系統的末端，信息管理系統還可將完整的產品信息向后傳遞，確保產品的信息鏈完整可追溯。

2.與電子商務全面對接

近些年，隨著電子商務發展，不少家電企業都搭建了自己的電商平臺，開展B2C業務，真正實現工廠發貨，將產品直接從工廠的倉庫發貨至最終消費者手中。

電子商務訂單最大的特點就是訂單數量大，但每一個訂單中所包含的產品，無論種類還是數量都較小。此外，電子商務所注重的另一個要點是及時性，要求訂單越快處理越好。還有一個特點是，電子商務的訂單需隨時面臨撤單等異常處理，要求系統具有較高的靈活性。

針對電子商務業務的上述特點，物流信息管理系統所面對的主要問題是海量訂單的獲取和處理，物流信息管理系統需要與電子商務系統進行頻繁的數據交互，傳遞大量的數據并組織發貨出庫操作。

物流信息管理系統可配置專用的接口服務器，通過標準的接口方式與電子商務系統進行訂單數據的獲取，也可以根據實際情況采用其它接口方式進行集成，以確保訂單數據獲取的高效性和及時性。

3.配送揀選業務管理

為了應對企業電商業務，自動化倉庫管理系統業務范圍必須提供揀選和配送管理業務，按照電商的訂單逐一揀選，揀選完成后再進行復核、包裝和發貨作業。

揀貨前，系統需要先對發貨訂單進行預處理。首先系統接收電商平臺系統傳入的訂單數據，由人工根據訂單客戶或地區進行波次劃分，考慮車輛容積、發車時間、作業效率、成品訂單和配件的組配關系等因素創建出發貨波次。

波次劃分確定后，即可對同一波次內的訂單數據進行分配，鎖定庫存。分配訂單時，系統提供靈活的可配置的分配策略，以滿足不同產品的需求：先進先出、先到期先出貨、效率優先、空間利用率優先等等。

揀貨依據出貨分配的結果，揀貨過程中可以采用多種揀貨方式，比如RF揀貨、推車揀貨、紙單揀貨、標簽揀貨等等。

復核是人工對揀選結果進行校對的過程，人工根據訂單信息校核揀選實物，確保揀選結果的準確性，確認無誤后進行包裝處理。復核包裝過程中，也可以對揀選商品進行額外的信息采集。

五、系統規劃的關鍵點

1.提高系統的柔性化

家電行業已逐漸進入大規模定制時代，要求企業提高生產線的柔性化。在智能化的基礎上，要求對應的物流系統具備更高的柔性。柔性化的物流系統，既包括流程方面的要求，也包括硬件上、布局上的柔性化要求。

2.總體柔性化布置

為滿足家電行業日新月異的發展變化，物流系統總體規劃時為了便于后期發展變化的調整。在物流流程的設計中，盡量用“多對多”的方式來代替“一對一”的設計；在硬件和布局上，盡量考慮到未來根據生產需求進行布局調整以及系統調整的可能性。多采用AGV、RGV、EMS等設備，少采用剛性輸送設備。

3.多應用智能化設備

結合射頻識別（RFID）、光電感應、紅外感應器、超聲波感應、激光掃描器、機械視覺識別等技術和裝備，按約定的協議，將它們加載到物流裝備上（如搬運裝卸、輸送、分揀、貨架等設備），并且通過數據共享讓它們可以自主決策。近年來，自動化物流設備技術發展呈現出智能化、網絡化、柔性化、輕型化、節能化和綠色環保等趨勢。在產品設計方面強調模塊化、系列化和通用化，以提高產品質量，降低制造成本，縮短生產時間。

隨著電信技術發展，出現了諸如激光導航、GPS導航等新的導航技術，AGV的路徑變得多樣化，其路徑重新規劃可以通過在系統中設定參數或編程來解決，并且不再局限在某條特定的行進帶上。AGV的控制系統也能做出簡單的路徑優化和避障，大大提高了物流系統的效率和柔性。以AGV為主的搬運系統，開始向著高柔性自動化的方向發展。

為了進一步提高其柔性，AGV開始從二維平面運動拓展到三維空間。也就是說，AGV將可以直接把貨物從生產線送到貨架上，并在貨架中穿行；應用于多層貨架時，高層貨架可以橫跨巷道布置，這樣就使得倉庫的空間利用率相比現有倉庫系統進一步提升。這種兩棲多功能的搬運系統，顯然在柔性和自動化方面更上一層樓。

機器人增加視覺識別系統，可增強其適應能力，提高柔性化，解放人工的繁重勞動。

4.減少物料搬運量

在總體規劃時，優化總體布局，合理布置各子系統的位置，盡量優化物流路徑，避免做無用的物流輸送，從而減少系統物流量，同時也實現節能環保的設計原則，節約時間。

六、結束語

家電生產企業要在生產過程中實現智能制造，就必須采用先進的智能物流系統。智能制造物流系統中可以采用的物流手段很多，關鍵是結合各企業自身實際情況，組織搭建好科學合理的物流系統。

智能制造是一個嚴密的系統工程，家電生產企業要在生產過程中實現智能制造，需要在整個生產產業園區規劃時就考慮采用智能物流系統來聯系各個生產環節。在系統規劃時應用JIT的思想，即要達到均衡制造產品，使物流在各作業之間、生產線之間、工序之間、工廠之間實現均衡地流動。在這些物流過程中，應考慮如何應用高效物流系統使生產制造準備時間最短，使智能制造的生產提前期最短，并且思考如何減少物料搬運次數，使得搬運量最低。

經過系統研究發現，在家電行業的智能制造物流系統中，應采用自動化程度較高的搬運設備和輸送設備來完成一些工作的工藝要求。在企業生產經營過程中，能配套自動化程度較高的設備，減小工作人員的勞動強度，可真正做到減員增效，也容易實現企業信息化建設，從而達到智能制造的目的。