智能立体小料存储系统在汽车油封生产行业的应用

王 毅

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

在橡胶行业中，汽车油封生产特点以多品种小批量为主，生产中很多小料配方往往需要配有促进剂、防老剂等填充剂，这些小料成分尽管在配方中所占比份很小，但对胶料的质量影响却很大，因此小料的准确性及正确的配比决定了最终产品的质量。

传统企业的小料管理模式一般都采用开放式货架管理。该传统管理方式会对生产环境造成污染，小料种类、重量配置均依赖于人工，频繁造成小料配比过程很多环节出错；原材料缺少信息化管理，产品生产环节中的小料信息无法追溯。通过智能立体小料存储系统的应用，以企业科学管理、环境保护、生产过程自动化和智能化为出发点，达到生产过程安全稳定、节能降耗的目的，能够很好地解决客户在小料生产及配比管理等方面的诸多问题。

1 系统设计及原理

1.1 系统总体设计

智能立体小料存储系统采用联体式垂直升降系统设计[1]，如图1所示。该系统内部可以存放尺寸为：长600 mm×宽600 mm×高400 mm的料箱总计120个，根据客户的实际需求，可存储小料品种50余种。该系统外形长度为5.5 m，宽度为3 m，实际有效占地面积约为16 m2.该客户原有场地采用货架方式存放，货架分上下两层，货架采用环式摆放形式，上下两层分别摆放有料箱，120个料箱实际占用面积约为50 m2，智能立体小料存储系统相比原摆放方式节省了近一半的面积。原有的小料采用塑料盒存放方式，现改进为不锈钢料箱存放方式，不锈钢顶部有合页盖，保证箱内的物料跟外部的环境相对隔离，防止存储过程中受到外部污染。

图1 设备总体结构及实物外观

1.2 关键结构设计

1) 设备型材框架

设备所有立柱、横梁均采用铝合金型材，该框架洁净度高，适合在净房使用，加工采购货期短，立柱横梁采用模块化设计，安装方便、承载受力均匀,满足该设备的整体要求[2]。

2) 料箱升降提取车结构

料箱升降提取车系统采用四点悬挂方式，底部升降电机通过水平传动轴带动链条升降，整个提取车采用型材搭建[3]，伸缩货叉通过导轨与型材连接，左右平移，提取车通过10个导向轮与轨道限位连接，运行平稳，如图2所示。

图2 提取车结构

1.3 系统原理

智能立体小料存储系统采用全自动存放的形式，设备净高6.8 m，可以最大限度利用厂房空间高度。整个设备中间通道是升降机运行通道，该升降机可以在X、Y、Z三轴进行联动运动。

智能立体小料存储系统以工控机为控制中心，主要由运动控制、条码识别、监控系统和存储管理软件系统等组成。运动系统控制伺服电机实现各运动部件的高速精确定位；条码识别则是采集并校验小料的基本信息；监控系统实时显示和记录整个设备内部动作情况，并具有回放功能；系统管理软件系统与上位油封MES生产系统对接，使小料存储系统能够对物料进行自动化存取管理，达到全自动的控制效果。由于小料存放对温湿度有要求，故该设备配有恒温恒湿系统，来达到系统内温湿度的要求。

2 主要功能介绍

2.1 电气控制系统

智能立体小料存储系统由可编程控制器(PLC)、I/O模块、通讯模块、人机界面(工控机)、传感器、条码识别系统、监控系统、网络交换机等部分组成，如图3所示。

2.2 出入口载货台及称重系统

智能立体小料存储系统柜体外部设置有三个出入口，分别为料箱入口、出口，以及补料口三部分。每个出入口都设置有自动称重系统，当料箱进入系统内部时要进行称重，重量自动计入系统。称重系统的设计采用梅特勒托利多称重传感器，该称重系统的重量精度为±1 kg,当系统设置的某种小料重量低于生产值的下限时，系统自动报警，操作人员将存放该小料的料箱取出，进行补料处理。操作人员补料完成后，称重系统再次执行，将补好的小料送入系统柜体内部，完成整个补料流程。

图3 控制系统架构

2.3 除尘系统

设备外部出货口设置有除尘系统，采用内置轴流风机跟过滤袋结合的方式，该分系统由PLC控制，传感器检测到该位置有料箱的时候，除尘系统开始运行。该系统可以将料箱开启后进行存取料操作，多余的粉末抽到过滤袋中，从而实现保护厂房的环境，防止小料散落造成的污染。过滤袋的设计采用塑料卡快拆环锁紧形式，设备维护人员定期可以将收集满的料袋进行倾倒清洗，过滤袋可反复使用。为延长内置吸尘风机的使用寿命，程序进行了优化设计，程序设置为料箱不在操作台时该除尘系统不运行。

2.4 恒温及除湿系统

小料在存放过程会产生吸潮、污染或者损耗。在储存过程中能够密闭防潮和防止环境粉尘的污染立体小料存储系统是小料配比的关键环节。该系统由于在混炼车间前部设置，属于独立的系统。从经济性的角度考虑其设计，把该设备进行了独立的温湿度控制设计，设备的内部跟厂房的环境独立分隔开，系统增加了两套空调系统及恒温恒湿系统。系统内部温度保证采用工业空调方式，恒湿系统采用进口恒湿主机一套，两套系统分别装在设备的两边，内部风路采用上进下出方式，形成混合风路，保证了设备内部料箱的环境温湿度。设备内部平面贴有防火材料保温棉，降低了整个设备的能耗损失。

2.5 条码信息系统

立体小料存储系统跟油封制造MES对接，设备上位系统接收MES发来的生产物料订单，对应的物料通过提取系统送到对应的取料口。在料箱顶部贴有对应物料的二维码编号，该功能主要是进行物料的二次校验，防止MES订单数据错误。自动扫码校验后反馈给MES，从而进行下一步操作。每一个出入料口设置有一台电子秤，根据MES的生产订单对应的小料重量以及操作人员的每个环节工序都进行记录，做到每个订单的可追溯性。

2.6 语音播报及软件管理系统

立体小料存储系统的另一个亮点是采用了语音播放系统，在整个生产小料的配餐过程都有语音播放，操作人员根据语音播报的环节进行操作，方便快捷。整个流程由软件系统生成，通过外置播放器播放。

软件系统以工控机为硬件，数据库软件为操作界面，实现生产管理和人机交互。同时在生产现场配置HMI(触摸屏)实现班组直接下达生产任务和操作。是整个系统的中枢控制大脑。下位机是设备控制柜级，运行于PLC上，根据用户在上位管理计算机上所给的配方进行称量。工控机跟自动秤数据通讯，并有自动校正功能，以达到最高的精确度。本系统采用安川PLC，具有较强功能，兼具兼容性和可扩展性。

图4 软件界面示例

3 效果提升

通过智能立体小料存储系统的应用，改进和优化了客户现场生产工作，提升了以下效果：

1) 小料管理区域存储面积节省，原有环形存储面积为50 m2，现缩减到16 m2；

2) 作业平均时间由人工90秒/次变为设备单次出入库平均时间35秒/次；

3) 自动化程度提高，工人劳动强度降低，降低了人员成本；

4) 通过该设备节省了时间，物料配比的准确性得到提高，油封产品的品质明显提高；

5) 操作环境得到改善，大大减少了现场飞扬粉尘。

4 结束语

此行业首次采用自动化立体仓储的方式管理及存放油封生产所需要的小料，通过智能化技术、信息化数据、温湿度智能控制，以及物联网技术的成功应用，在实际系统使用过程中取得了理想的效果。智能立体小料存储系统依靠高效性与稳定性，将生产管理思路融入了设备与软件中，使得机械替代了人工操作、计算机替代了人脑、初步实现了无人化，具有较高的借鉴和示范作用。