家电行业智能制造园区物流系统的规划与设计

文/李乔良 张志英

在《中国制造2025》战略引领下，我国家电制造企业加速向数字化、信息化、智能化转型，生产模式体现为大规模定制化生产。例如，过去消费者可选购的品类很少，而现在不仅各大品牌型号多样化，更实质性的进步是消费者可对零部件种类做出更多选择，尤其是当零部件数量增长后，各种配置呈指数级增长。此外，随着我国商业模式持续升级，消费者购买行为和消费习惯发生转变，全渠道销售、新零售等趋势明显，促使家电行业供应链与物流集中呈现出小批量、多频次及快速响应的特点。

我国家电制造行业经过多年发展，在生产设备自动化方面已经积淀了一定基础，而物流环节普遍是短板，加上大规模定制生产、商业模式持续升级以及控制成本等因素，迫切需要物流系统发挥生产协同作用。因此，近年越来越多的制造企业开始或准备筹建智能物流建设项目，除在传统的成品仓储环节实现自动化物流外，在生产、制造环节中也在引进越来越多的自动化、智能化物流技术和设备。比如，以各种类型的自动化仓库、工业机器人、AGV、空中运输系统、自动分拣系统等代替传统人工作业，以及应用大数据、云计算、数据采集与监视控制系统、数据挖掘等新一代信息技术和供应链管理方法，提高车间生产效率，降低生产物流成本。

家电行业物流是一个逻辑严密的系统工程，边界起于原材料、外购件的投入，终止于成品出库，连通供应商、生产计划、工位物流、销售、配送、维护等众多环节，贯穿生产制造全过程，横跨企业各职能部门。并且，对象物料随生产进程不断改变实物状态，物料配送和搬运有明确的节拍，还包含及执行过程中的差异管理，还有过程中的故障告警及应急方案等；为此，家电企业在规划生产园区时，要结合其特有的产品需求及工艺环节之间的逻辑关系，用智能物流理念再造流程、定义建筑功能、优化物流路径，在预定的时间通过合理的方式，将适当数量和包装的物料送到指定地点，实现满足家电制造工艺流程要求的JIT配送。

家电行业智能制造园区的物流规划，包含软件信息和硬件设备两部分，带信息的物料（条码或RFID）在智能化的信息平台的调度下，通过智能物流设备在各工序间流转，将供应链各环节整合起来，使采购、生产、销售成为高效运转的循环体系，以支持制造系统高效运行。本文基于家电制造业的产品生产流程，提出智能制造园区的规划方案，重点结合行业实际情况提供了各类库区采用的物流手段，介绍了园区物流系统的设备监控、信息管理措施，并对系统规划的关键点进行了阐述。

一、家电生产物流流程

家电制造业的产品生产流程是，由原材料到生产制造，再到完整产品。其中，原材料一般有成套外购物资和基本材料。生产制造环节通常先进行自制注塑零件、自制钣金零件和控制器件生产，再进行总装配，最终形成产品。

要对家电制造产业园区进行规划，就要对整个生产基本流程进行全面了解。家电行业制造园区物流的流程，如图1所示。

图1 生产物流的流程

二、生产园区规划方案

家电制造企业生产制造环节中，通常有原材料库、外购件库、电子元器件库、控制器库、自制注塑件库、成品库等不同类型的仓库，形成不同类型的物资聚散中心。某家电企业的园区规划（如图2所示），这些不同类型的仓库布置要符合生产流程，并且在生产车间附近，减小物流路径。

图2 生产园区规划方案图

1.钣金原材料库

钣金原材料库存储物料以钢卷为主，单个物料较重，一般为3～8吨。通常以地面存放为主，为提高土地利用率及仓库的管理水平也可如图3所示用高架库存储。

图3 钢卷立库

2.外购件库

家电行业外购件可以分为两大类，一类是通常用的螺钉螺帽等标准件，另一类是下游厂家定制的零部件。通常体积大、消耗量大的物料以托盘为单元存储，品种多、体积小的物料就以件箱形式存储。一般入库物料都要进行严格检验合格后才能使用，出库时为了配合生产线节拍，通常需要进行拣选。由于种类繁多，要实现全自动拣选难度较大。为了尽量减轻人的劳动强度，可采用货到人的拣选方式。类似的外购件库规划案例，如图4所示。

图4 外购件配送中心库

3.自制注塑件库

家电企业生产的产品，需要自制一些自己特有的塑料零件，这些自制注塑件形状独特，有的需要特定的周转箱、托盘或者料架盛装。物料存储周期短，一般库存周期为两三天，最多不超过七天。物料出库一般都需要进行拣选，如图5中某家电企业自制注塑件库拣选出库示意图所示。

图5 自制注塑件拣选库出库示意图

4.电子库

电子元器件库的特点是物料种类多、体积小、重量轻，可以用周转箱或者托盘进行存储，在实际规划中可以考虑自动货柜、件箱库、托盘库等形式存储。下面以托盘库案例进行分析说明。

该案例是某家电企业电子元器件库，在一楼进行收货，收货时就把来料的纸箱更换成周转箱，然后摆放在空托盘上进行入库，在二楼进行分拣后出库，如图6所示拣出的物料用空中EMS配送至装配工位，空周转箱也是通过EMS回收入库。

图6 EMS系统工艺路线

5.控制器件库

在家电行业，控制器件库存放的为成套的半成品部件，一般体积不大，重量轻，通常用周转箱来存储转运。根据生产计划生产后，如图7所示，入库后暂存在库中，等待下游装配线需要时如图8所示，再进行出库。因此，出库不需要进行拣选，直接以整箱出库配送至装配线要料工位。

图7 控制器成品入库示意图

图8 控制器成品出库示意图

设备监控系统是一种具备实时展示设备运行状态，能准确定位异常设备和故障信息，且能够实现人工操作控制的人机媒介系统。设备运行状态监测系统是目前工程项目中十分重要的智能检测工具。

6.成品库

通常小家电生产企业同时生产的产品种类较多，但是每条产线的产量不大。如某小家电企业的成品库规划方案（如图9所示），要实现机器人自动码垛，同时要考虑设备投资尽量少，码垛机器人通用性要好，可以采用集中码垛。但是为了解决多品种问题，在码垛前增加成品件箱在线缓存。在缓存区积攒够一托盘堆码量后集中释放，集中码垛。

图9 成品库规划方案图

三、设备监控系统

设备监控系统是一种具备实时展示设备运行状态，能准确定位异常设备和故障信息，且能够实现人工操作控制的人机媒介系统。设备运行状态监测系统是目前工程项目中十分重要的智能检测工具，可省去许多不必要的繁杂检修，使整个系统更智能、更全面，操作流程更简单，从问题的发现、分析到解决，使这一流程的效率大大提高。随着传感技术发展、智能技术提升、计算机网络技术不断更新，将来会更多地运用于各类项目中，实现真正的智慧化监控和管理。

采用三维可视化调度监控系统，按照1:1等比例进行三维建模仿真3D图形界面设计，实时线性直观显示物流流程及设备运行状态、设备技术参数；可以在系统中进行场景漫游、视角切换、镜头追踪、设备快速定位、楼层设备显隐、设备参数设置、手动指令、自动任务、手动任务、远程停机、故障复位等操作。

某项目的设备监控界面如图10所示，通过三维可视化调度监控系统对企业智能工厂地形地貌、建筑、车间结构、设施设备等几何建模，直观、真实、精确地展示各种设施、设备形状及生产工艺的组织关系，以及设施、设备的分布和拓扑情况。

图10 三维设备监控界面

四、信息管理措施

在自动化物流系统中，信息管理系统是调度核心和信息存储处理中心，它以集成技术为核心，运行于计算机网络环境与数据库系统之上。一方面实现物流指令快速、准确地下达，以及指令执行反馈的收集和处理，并做出正确的调度以协调各业务环节，保障各种物料准确调度、及时输送，实现企业物料高效有序地流动和科学管理，以满足企业物流自动化的需要。另一方面，对物料信息、位置信息、物流信息进行全面信息化管理，实现信息流与实物流的准确同步，提高作业速度和准确性，提高管理及服务水平。同时，为上层信息管理系统提供所需的物流信息，为各管理部门提供有价值的运行信息和辅助决策信息。

传统自动化物流系统的信息管理，其范围通常仅局限于某一个仓库的入库、出库、库存、盘点等关键业务，虽然已经很好地解决了物料存储搬运的自动化、仓库管理的信息化，使企业自动化水平提升了一个层次。但随着智能制造兴起和发展，仓库管理的业务范围已不再是单一的存储功能，仓库也不再是单个孤立的运行单元，仓库信息管理系统的业务范围随之不断扩大，结合家电行业的自身特点，新形式下的信息管理系统主要有以下发展趋势。

1.与智能生产线全面对接

智能制造离不开生产自动化，生产自动化后随之而来的是物流自动化，随着自动化水平不断提升，各系统之间的集成衔接也就成为顺理成章的发展需求。尤其是家电行业，本身具有很高的生产自动化基础，将物流自动化与生产自动化进行全面对接，同时实现物流与信息流的衔接和贯通，是智能制造的必备条件之一，主要体现在以下两个层面：

物流层面，通过自动化输送设备与自动化生产线相连，将生产线下线成品或半成品直接送至自动化仓库进行存储，省去中间人工搬运过程。

信息层面，每一件产品赋予并标识一个唯一的ID号，通过MES系统将每一件成品或半成品的生产信息与产品ID号进行关联绑定，实现了产品信息与实物的关联对应。物流自动化信息管理系统通过识别产品ID号并与MES系统进行集成，自动获取并记录每一件产品的相关信息，在物流自动化系统运行全过程中，产品信息自始至终与产品实物保持对应一致，在物流自动化系统的末端，信息管理系统还可将完整的产品信息向后传递，确保产品的信息链完整可追溯。

2.与电子商务全面对接

近些年，随着电子商务发展，不少家电企业都搭建了自己的电商平台，开展B2C业务，真正实现工厂发货，将产品直接从工厂的仓库发货至最终消费者手中。

电子商务订单最大的特点就是订单数量大，但每一个订单中所包含的产品，无论种类还是数量都较小。此外，电子商务所注重的另一个要点是及时性，要求订单越快处理越好。还有一个特点是，电子商务的订单需随时面临撤单等异常处理，要求系统具有较高的灵活性。

针对电子商务业务的上述特点，物流信息管理系统所面对的主要问题是海量订单的获取和处理，物流信息管理系统需要与电子商务系统进行频繁的数据交互，传递大量的数据并组织发货出库操作。

物流信息管理系统可配置专用的接口服务器，通过标准的接口方式与电子商务系统进行订单数据的获取，也可以根据实际情况采用其它接口方式进行集成，以确保订单数据获取的高效性和及时性。

3.配送拣选业务管理

为了应对企业电商业务，自动化仓库管理系统业务范围必须提供拣选和配送管理业务，按照电商的订单逐一拣选，拣选完成后再进行复核、包装和发货作业。

拣货前，系统需要先对发货订单进行预处理。首先系统接收电商平台系统传入的订单数据，由人工根据订单客户或地区进行波次划分，考虑车辆容积、发车时间、作业效率、成品订单和配件的组配关系等因素创建出发货波次。

波次划分确定后，即可对同一波次内的订单数据进行分配，锁定库存。分配订单时，系统提供灵活的可配置的分配策略，以满足不同产品的需求：先进先出、先到期先出货、效率优先、空间利用率优先等等。

拣货依据出货分配的结果，拣货过程中可以采用多种拣货方式，比如RF拣货、推车拣货、纸单拣货、标签拣货等等。

复核是人工对拣选结果进行校对的过程，人工根据订单信息校核拣选实物，确保拣选结果的准确性，确认无误后进行包装处理。复核包装过程中，也可以对拣选商品进行额外的信息采集。

五、系统规划的关键点

1.提高系统的柔性化

家电行业已逐渐进入大规模定制时代，要求企业提高生产线的柔性化。在智能化的基础上，要求对应的物流系统具备更高的柔性。柔性化的物流系统，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.总体柔性化布置

为满足家电行业日新月异的发展变化，物流系统总体规划时为了便于后期发展变化的调整。在物流流程的设计中，尽量用“多对多”的方式来代替“一对一”的设计；在硬件和布局上，尽量考虑到未来根据生产需求进行布局调整以及系统调整的可能性。多采用AGV、RGV、EMS等设备，少采用刚性输送设备。

3.多应用智能化设备

结合射频识别（RFID）、光电感应、红外感应器、超声波感应、激光扫描器、机械视觉识别等技术和装备，按约定的协议，将它们加载到物流装备上（如搬运装卸、输送、分拣、货架等设备），并且通过数据共享让它们可以自主决策。近年来，自动化物流设备技术发展呈现出智能化、网络化、柔性化、轻型化、节能化和绿色环保等趋势。在产品设计方面强调模块化、系列化和通用化，以提高产品质量，降低制造成本，缩短生产时间。

随着电信技术发展，出现了诸如激光导航、GPS导航等新的导航技术，AGV的路径变得多样化，其路径重新规划可以通过在系统中设定参数或编程来解决，并且不再局限在某条特定的行进带上。AGV的控制系统也能做出简单的路径优化和避障，大大提高了物流系统的效率和柔性。以AGV为主的搬运系统，开始向着高柔性自动化的方向发展。

为了进一步提高其柔性，AGV开始从二维平面运动拓展到三维空间。也就是说，AGV将可以直接把货物从生产线送到货架上，并在货架中穿行；应用于多层货架时，高层货架可以横跨巷道布置，这样就使得仓库的空间利用率相比现有仓库系统进一步提升。这种两栖多功能的搬运系统，显然在柔性和自动化方面更上一层楼。

机器人增加视觉识别系统，可增强其适应能力，提高柔性化，解放人工的繁重劳动。

4.减少物料搬运量

在总体规划时，优化总体布局，合理布置各子系统的位置，尽量优化物流路径，避免做无用的物流输送，从而减少系统物流量，同时也实现节能环保的设计原则，节约时间。

六、结束语

家电生产企业要在生产过程中实现智能制造，就必须采用先进的智能物流系统。智能制造物流系统中可以采用的物流手段很多，关键是结合各企业自身实际情况，组织搭建好科学合理的物流系统。

智能制造是一个严密的系统工程，家电生产企业要在生产过程中实现智能制造，需要在整个生产产业园区规划时就考虑采用智能物流系统来联系各个生产环节。在系统规划时应用JIT的思想，即要达到均衡制造产品，使物流在各作业之间、生产线之间、工序之间、工厂之间实现均衡地流动。在这些物流过程中，应考虑如何应用高效物流系统使生产制造准备时间最短，使智能制造的生产提前期最短，并且思考如何减少物料搬运次数，使得搬运量最低。

经过系统研究发现，在家电行业的智能制造物流系统中，应采用自动化程度较高的搬运设备和输送设备来完成一些工作的工艺要求。在企业生产经营过程中，能配套自动化程度较高的设备，减小工作人员的劳动强度，可真正做到减员增效，也容易实现企业信息化建设，从而达到智能制造的目的。