自動包裝線在碳纖維行業(yè)的應(yīng)用

紀(jì)佳溥，岳秀江，趙劍道，蔡 苗，劉曉楠

（1.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2.北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量的特種纖維，具有其他材料不可比擬的優(yōu)異性能，是國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)不可或缺的戰(zhàn)略性新材料，也是爭奪未來國際競爭優(yōu)勢的基礎(chǔ)性材料。當(dāng)前全球碳纖維行業(yè)快速發(fā)展，市場需求與日俱增，預(yù)計到2026年全球碳纖維市場需求將達(dá)到80億美元，年復(fù)合增率將達(dá)到10.8%。因此，大力發(fā)展碳纖維行業(yè)具有極高的戰(zhàn)略意義。

傳統(tǒng)的碳纖維生產(chǎn)線采用人工作業(yè)模式，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)獨立運行，需要投入大量人力來貫通整個流程。這種生產(chǎn)模式存在著生產(chǎn)效率低、作業(yè)強度大、人工錄入信息易出錯等問題，無法適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)需求，企業(yè)迫切需要改進(jìn)原有生產(chǎn)模式，進(jìn)而解放勞動力、降低人工成本。

隨著各種新技術(shù)的應(yīng)用，自動包裝系統(tǒng)日漸成熟，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，可為不同用戶提供定制化解決方案，在提高企業(yè)競爭力、提高生產(chǎn)效率、降低人工成本等方面起到了至關(guān)重要的作用。本文從實際生產(chǎn)中的問題出發(fā)，介紹了一套成熟的自動包裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了整個生產(chǎn)過程的智能化、自動化、信息化，通過與碳絲系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)集成，提高了企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化、集成化與數(shù)字化水平。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點

1.1 系統(tǒng)概述

在傳統(tǒng)碳絲工藝流程中，工人利用電子秤獲取碳絲重量信息，記錄重量信息；隨后計算平均線密度，依據(jù)線密度判斷等級；外檢工通過觀察碳絲外觀情況，確定碳絲最終等級與毛絲等級；受生產(chǎn)環(huán)境因素影響，同一批碳絲的工藝信息也不盡相同，需逐一核對；工人根據(jù)強度、模量信息，確定碳絲牌號，至此，碳絲基礎(chǔ)信息與物料信息處理完成，工人將這些信息逐一錄入ERP系統(tǒng)。錄入信息結(jié)束，碳絲交給裝箱工，裝箱工將要裝箱的碳絲逐一掃碼，打印裝箱單，手動裝箱、碼垛。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，這種模式已成為制約企業(yè)發(fā)展的重要因素。

本文介紹的自動包裝系統(tǒng)設(shè)計思想為集中管理、分散控制，通過硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)了從碳絲下線，到碳絲輸送轉(zhuǎn)運、自動稱重、人工外檢、貼內(nèi)標(biāo)、熱塑裹膜、回庫暫存、出庫包裝、絲錠裝箱、紙箱碼垛、大包裝直接碼垛、打帶與裹膜、入庫的全流程自動化，解決了信息頻繁錄入、工人重復(fù)勞動、生產(chǎn)效率低下的問題。

在不改變傳統(tǒng)工藝流程的前提下，系統(tǒng)實現(xiàn)的工藝流程如圖1、圖2所示。從現(xiàn)場分布上來看，大體可分為兩部分：外檢區(qū)域與包裝區(qū)域。

圖2 包裝區(qū)域流程

1）外檢區(qū)域：這一部分的目的是在包裝前確定碳絲的最終牌號、等級。這是由碳纖維的特殊性決定的，強度或者模量不同，同一種產(chǎn)品會有不同的牌號。

絲車上線：通過PDA將碳絲信息與絲車信息綁定在一起，以絲車為載體對碳絲進(jìn)行輸送轉(zhuǎn)運。

碳絲抓取：通過機器人將碳絲從絲車抓取到置紗盤，碳絲信息轉(zhuǎn)移到置紗盤，后續(xù)環(huán)節(jié)以置紗盤為載體在線體上移動。

碳絲稱重：稱重子系統(tǒng)將稱重量信息上傳至PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)在外檢處上傳給上位機，為計算線密度提供數(shù)據(jù)支持。

外檢：外檢電腦實時顯示碳絲的強度、線密度、等級等信息，供外檢人員查看，同時外檢人員檢查碳絲外觀情況，錄入碳絲毛絲等級、最終等級。

貼標(biāo)：根據(jù)PLC上傳的置紗盤號，系統(tǒng)查詢對應(yīng)碳絲信息并生成標(biāo)簽信息，發(fā)送給貼標(biāo)機，貼標(biāo)機自動貼標(biāo)。

熱塑裹膜：在碳絲表面形成一個保護(hù)性的外表，達(dá)到防塵、防水、防撞的目的。碳絲從裹膜機出來后，PLC根據(jù)外檢時定下的等級信息，通過機器人將合格碳絲抓回絲車，抓滿后碳絲以絲車為載體入中間庫，等待訂單或者攢批；將降等碳絲抓取至降等線人工取下。

2）包裝區(qū)域：依據(jù)客戶訂單或庫存情況，生成包裝計劃。

下發(fā)包裝計劃：碳纖維管理系統(tǒng)下發(fā)包裝計劃，中間庫系統(tǒng)執(zhí)行出庫任務(wù)，將符合條件的碳絲輸送到包裝區(qū)域，系統(tǒng)開始包裝。

空板上線：輸送機將木托盤輸?shù)酱a垛處，為碳絲碼垛做準(zhǔn)備。

紙箱輸送：自動開箱機輸送紙箱到裝箱處，自動包裝系統(tǒng)為每個紙箱分配唯一的箱號。

絲錠裝箱：機器人將碳絲從置紗盤抓取到紙箱，自動包裝系統(tǒng)根據(jù)置紗盤信息生成裝箱信息，記錄碳絲所在箱號及位置信息。

紙箱碼垛：根據(jù)裝箱信息，自動包裝系統(tǒng)匹配合適的碼垛方式，碼垛機器人對紙箱進(jìn)行碼放。

大包裝直接碼垛：機器人抓取碳絲，直接碼放在木托盤上，自動包裝系統(tǒng)記錄碳絲所在托盤號及位置信息。

碼垛下線：碼垛結(jié)束，整垛產(chǎn)品入庫，自動包裝系統(tǒng)將裝箱信息上傳給ERP系統(tǒng)。

1.2 硬件組成

從圖中可看出，硬件系統(tǒng)包括：碳絲輸送系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、外檢子系統(tǒng)、貼標(biāo)子系統(tǒng)、裝箱系統(tǒng)、碼垛系統(tǒng)、中間庫系統(tǒng)等，涉及到的設(shè)備有工業(yè)機器人、輸送設(shè)備、穿梭車、堆垛機、龍門、PDA等。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)備層是基礎(chǔ)，包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備與執(zhí)行設(shè)備，主要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行監(jiān)視控制層下發(fā)的命令。

傳輸層將設(shè)備層采集到的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器，保障數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸與安全，實現(xiàn)不同終端、系統(tǒng)間的信息傳輸與交換。

監(jiān)視控制層是核心，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)的匯聚存儲、數(shù)據(jù)的分析處理與物流設(shè)備控制功能，支撐了整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。

信息管理層承擔(dān)了數(shù)據(jù)匯總功能，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集成與分析，是自動包裝系統(tǒng)的價值體現(xiàn)。

圖3 自動包裝系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組成

圖4 自動包裝系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.4 系統(tǒng)目標(biāo)

根據(jù)碳纖維企業(yè)的需求，結(jié)合自動包裝系統(tǒng)的實際情況，自動包裝系統(tǒng)的目標(biāo)如下：

1）包裝能力提升

自動包裝系統(tǒng)日均包裝11000軸碳絲，較手動線每班次1000多軸，效率提高了三倍以上。

2）包裝品種多樣

碳纖維種類繁多，自動包裝系統(tǒng)會根據(jù)產(chǎn)品信息匹配不同的包裝方式。裝箱碼垛，適用于4kg及以下碳絲，根據(jù)規(guī)格可分為2×3、3×4、3×5三種裝箱方式。大包裝直接碼垛，適用于6～8kg碳絲，可細(xì)分為：6×6、5×5等碼垛方式。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 生產(chǎn)調(diào)度

調(diào)度實現(xiàn)的功能有數(shù)據(jù)采集、信息傳遞、數(shù)據(jù)處理、下發(fā)指令。PLC采集各類傳感器的信息、RFID標(biāo)簽信息，將處理后的現(xiàn)場信息通過局域網(wǎng)傳送到服務(wù)器。服務(wù)器處理、解析上傳數(shù)據(jù)，一方面提供給監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)控，另一方面生成新的指令，并下發(fā)到設(shè)備層，現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行下發(fā)的指令，協(xié)調(diào)現(xiàn)場設(shè)備的運行。

2.2 監(jiān)控

為了保證現(xiàn)場設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)、提高現(xiàn)場的安全性與可靠性，自動包裝系統(tǒng)需要對現(xiàn)場進(jìn)行實時監(jiān)測，并實時反映設(shè)備運行狀態(tài)，這一功能采用PC-PLC體系，通過上位機、下位機協(xié)同工作的整體模式來實現(xiàn)。在中控室設(shè)置上位機，通過WinCC組態(tài)軟件，獲取PLC信息，顯示在組態(tài)界面，出現(xiàn)問題時自動報警，加強了設(shè)備維護(hù)人員對現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測的及時性，提高了設(shè)備的工作效率。此外，還可通過現(xiàn)場觸摸屏近距離控制，方便管理人員與操作人員交流問題。

2.3 信息管理

碳纖維工藝復(fù)雜，信息管理顯得尤為重要。隨著碳絲在生產(chǎn)過程的流轉(zhuǎn)，信息不斷變化，如何處理并跟蹤碳絲信息是本系統(tǒng)的難點，也是本系統(tǒng)的亮點。自動包裝系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、碳纖維管理系統(tǒng)來實現(xiàn)碳絲信息管理，數(shù)據(jù)統(tǒng)一存放在中央數(shù)據(jù)庫，通過以太網(wǎng)和接口程序?qū)崿F(xiàn)信息傳輸與共享。

圖5 自動包裝系統(tǒng)信息流程

首先是碳絲基礎(chǔ)信息，如長度、牌號、規(guī)格等，通過接口程序?qū)⑦@些信息獲取到自動包裝系統(tǒng)，并通過PDA綁定絲車號、絲車位置等信息，集成了這些信息，碳絲入中間庫等待工藝信息。

其次是工藝信息，如強度、模量、工藝號、含膠情況等，需要到ERP系統(tǒng)獲取。碳絲下線后，需放置12小時，等待強度、模量檢測結(jié)果。利用測出的強度、模量信息與相應(yīng)的牌號范圍，系統(tǒng)決定碳絲最終牌號，此時才可將碳絲出庫包裝，這是對傳統(tǒng)流程的改革。手動包裝時，碳絲下線后工人根據(jù)上個班次強度、模量信息進(jìn)行包裝、粘貼軸標(biāo)。等強度出來后，如果本班次與上班次強度信息不一致，需要返工，撕掉軸標(biāo)、重新貼標(biāo)，這無疑是對勞動的浪費。自動包裝系統(tǒng)通過引入中間庫、與ERP系統(tǒng)的對接，優(yōu)化了這一環(huán)節(jié)，避免了重復(fù)勞作。

集成了碳絲基礎(chǔ)信息、工藝信息、絲車信息等生產(chǎn)要素，自動包裝系統(tǒng)方可正常運行。自動包裝系統(tǒng)信息流沿著工藝流程正向傳遞，并可以實現(xiàn)反向追溯。系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和對數(shù)據(jù)的存儲、處理，建立了碳絲的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)在多個環(huán)節(jié)之間的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了對生產(chǎn)數(shù)據(jù)便捷的追溯。

碳絲上線后，碳絲的載體為絲車、置紗盤，二者均綁定了RFID，保證可跟蹤至每一軸碳絲。包裝過程中，系統(tǒng)記錄每個環(huán)節(jié)的交互信息，如操作時間、操作人員、結(jié)果等。最重要的是外檢工位的信息，系統(tǒng)計算線密度，并自動判等，顯示等級、強度等信息，供外檢人員參考。工人根據(jù)外觀進(jìn)行二次判等，確認(rèn)碳絲最終等級，為后續(xù)貼標(biāo)提供數(shù)據(jù)支持。包裝時，根據(jù)碳絲牌號、規(guī)格等信息，自動匹配碼垛類型。裝箱時，生成裝箱信息，并更新碳絲的訂單號。至此，系統(tǒng)記錄了碳絲完整的生產(chǎn)信息，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的縱向集成。從碳絲上線到碼垛結(jié)束，是碳絲在自動包裝系統(tǒng)的整個生命周期，整個周期結(jié)束后，碳絲信息同步到ERP系統(tǒng)，做到信息共享、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。

依托收集到的數(shù)據(jù)，自動生成各類報表，降低了管理人員以往手動輸入報表的工作量，方便企業(yè)查看生產(chǎn)情況，及時調(diào)整生產(chǎn)策略。通過比較不同階段的A品率、不同生產(chǎn)線間的差異，企業(yè)可及時調(diào)整工藝，提高碳絲質(zhì)量。

2.4 與各系統(tǒng)接口

系統(tǒng)間常見接口方式有WebAPI、WebService、WCF、中間表等方式。其中，WebAPI是一種用來開發(fā)系統(tǒng)間接口、設(shè)備接口的API技術(shù)，它基于Http協(xié)議，請求和返回格式默認(rèn)是json格式，比WCF更簡單、更通用，比WebService更節(jié)省流量、更簡潔。因此，自動包裝系統(tǒng)采用了WebAPI這種接口方式。

接口分為兩部分，分別是與碳絲系統(tǒng)的接口和ERP系統(tǒng)的接口。前者功能較為簡單，主要用來獲取碳絲的基礎(chǔ)物料信息；后者功能完善，信息流雙向流動。員工在ERP系統(tǒng)維護(hù)每批碳絲的工藝信息，供自動包裝系統(tǒng)調(diào)用。包裝結(jié)束后，自動包裝系統(tǒng)將每軸碳絲基礎(chǔ)信息、工藝信息、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、訂單信息等數(shù)據(jù)集成，回傳到ERP系統(tǒng)。此外，上傳裝箱信息，方便統(tǒng)計庫存、產(chǎn)量。通過接口程序，實現(xiàn)了不同系統(tǒng)信息共享，為跨網(wǎng)業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。

3 結(jié)語

在某碳纖維生產(chǎn)企業(yè)的新建工業(yè)園中，自動化包裝系統(tǒng)已經(jīng)成為生產(chǎn)過程中核心環(huán)節(jié)，推動了企業(yè)生產(chǎn)模式從勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了從碳絲下線到包裝、銷售的全過程的信息化、自動化，使企業(yè)生產(chǎn)效率提高、工人工作強度降低、生產(chǎn)工藝改善、信息化管理水平提升。

本文討論了自動包裝線在碳纖維行業(yè)的具體應(yīng)用，該系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率并保證了生產(chǎn)質(zhì)量，為企業(yè)擴大生產(chǎn)規(guī)模提供了技術(shù)支撐，具有一定的推廣意義。但是智能化程度還有很大提升空間，未來可結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，研發(fā)更加智能的物流系統(tǒng)。