信息化与自动化技术在混橡生产中的实践应用

花季华，陆如泉，张幸幸，李雅，郑成

（中天科技装备电缆有限公司，江苏 南通 226000）

混橡除广泛应用于轮胎生产行业之外，也广泛应用于电线电缆企业生产橡胶型原材料，其具有生产效率高、环保性好和自动化程度高等突出优点。混橡生产由上料端、混炼端、开炼端、压延端及冷却输送等部件构成，整个生产过程除上料过程外，均处于自动化生产的运作方式。而当前混橡生产越来越趋于定制化生产，即物料的种类、配比、用量等均随着橡胶料的特性在进行不断的更改，若采用集中供料的方式，往往难以满足多种配料小批量投入的需求，而采用人工投料的方式经过验证也存在着以下的不足：

（1）物料出入库及投料过程无法监控。人工投料往往根据派发的物料名称进行投料，投料的种类数量由人工投料完成后进行统计，存在无法及时监控物料投放的各项细节指标，如物料的批次，过程的投放数量等；

（2）生产效率相对低下。为了减少产线投料人工配比，产线的投料工作一般由开机人员辅助进行，因此，投料工作时，设备往往处于停机状态，此种操作模式存在大量的工时浪费；

（3）杂质对橡胶成品的影响。人工投料方式需对物料包装袋进行手动破袋，此举不可避免存在碎屑等杂质的流入，进而对橡胶成品的品质存在较大的影响；

（4）粉尘对职业健康的影响。由于混橡的生产原材料基本为粉料，投料过程虽然配置防护口罩，并设置负压系统，但其在破袋、搬运过程中仍不可避免存在粉尘接触，造成职业健康风险。

综上所述，采用信息化与自动化技术对混橡生产进行升级改造，实现整个生产过程无人化管理，是解决当前定制化要求和产能质量相矛盾的有效方式之一。

1 总体方案

基于混橡的定制化生产模式，其投料阶段主要有取料、破袋、投料、回收等动作。为实现上述阶段的自动化，需要从设备层和系统层进行统筹考虑。首先，从设备层，可利用AGV 自动物流结合机械臂技术来解决人工取料、搬运等过程的执行；其次，根据自动化设备的标准化要求，需对物料入库方式及原有设备喂料口进行自动化改造，包括入库标准盘具的替换、喂料破袋装置升级、负压系统增设等等；最后，需要结合当前MES 系统，实现AGV 调度、现场仓储系统等系统层的对接，实现生产计划、AGV 路径任务、机械臂破袋执行任务等系统层互联互通。

基于上述自动化原则，以混橡投料区1～8 号储罐为投料标的，配置子母转盘区、自动化仓储区及自动化投料区，其整体方案设计如图1 所示。

图1 整体设计方案

各区域功能如下：

（1）子母转盘区：实现物料盘具由非标准盘具加载至标准盘具上，以便AGV 自动识别叉取物料；另对标准空托盘实现托盘分离及回收。

（2）自动化仓储区：配置WMS 系统，配合固定库位及库位标识，实现物料入库精准管控。

（3）自动化投料区：区域配置7 轴机械手，实现机械手对待投物料进行自动抓取，投料及料袋回收等动作；且区域进行设备自动化改造，配置料口旋转刀片破袋装置、振动筛及真空负压装置，实现破袋、投料动作。

方案中各区域物料流转采用AGV 进行自动流转，配置AGV 运行专用通道，实现物料入库、出库等精准运输。方案整体功能流程如图2 所示。

图2 功能流程图

2 集成总控系统

集成总控系统是将制造执行系统（MES 系统）、仓储管理系统（WMS 系统）、AGV 智能调度系统、机械手联动控制模块以及后台数据监控管理模块等串联起来的集成大脑，其实现了混橡生产整体投料过程中的配方管理、调度信息管理、仓储库位管理以及投料过程状态的管理。系统还通过数字化生产线的数据集成，实现产品生产全过程质量监控及生产记录、员工报表的自动填写等功能，系统各个模块及功能见表1。

表1 集成总控系统主要模块

2.1 MES 系统

MES 系统是面向车间业务过程层的管理信息系统[2]，其将订单转化为细化的生产数据，是生产精细化管控的集中管理平台。

图3 示意了该平台的层级架构，分为基础层、应用层、集成层，层级间底层为上层的基础。其中，基础层级为基础数据库，包括基础产品及物料标准库、工艺及资源标准库、成品标准库；该层级采用标准基础模块架构设计，以基础模块映射叠加的方式形成符合产品工艺数据、调度数据、成本数据等应用层架构，该层架构主要用于支撑企业生产和市场快速响应机制；集成层架构以第二层架构为基础，统筹业务模式的串联，实现企业“ 一单到底” 的业务模式。

总体来说，以混橡生产为例，MES 系统配置标准配方工艺，以工艺映射为基础实现原材料投料计划，计划以接口形式关联至集成总控系统，实现数据互联。

2.2 WMS 系统

WMS 系统是企业内部仓储管理的核心系统，着重用于管理仓储物料的仓位、批次、出入库、质量、预警等功能[3]，其典型管理功能架构如图4。

图4 WMS 系统架构图

本方案拟以WMS 系统实现待投物料的标签管理、入库管理、仓位管理、质量管理、移库管理、批次管理及预警管理等。其中各项功能指标如下：

（1）标签管理。人工校对物品信息，并打印张贴物料二维码信息，配合子母转盘机构，实现母盘RFID信息同步写入。

（2）入库管理。人工校验信息完后，配合实现子母盘装载。系统配置仓位信息并同步向AGV 调度系统下达入库指令，AGV 至指定库位叉取待入库物料并遵循指定路径实现指定库位入库。

（3）仓位管理。系统支持虚拟与实体仓位一一对应管理，并实现货物入库仓位自动划分，支持货物出入库自主反馈及确认管理。

（4）批次管理。系统支持对物料批次进行精确管控，以仓位配合物料名称、批次、数量等信息实现一一对应关联，并默认对物料的出库实行“ 先进先出”原则。

（5）质量管理。系统对物料及对应批次关联MES系统实现来料检验信息精确管控。

（6）移库管理。系统支持物料由仓位至待投料位、仓位手动变更以及重复入库等功能。

（7）预警管理。系统对虚拟与实体库位信息支持出入库反馈预警管理（AGV 出入库防呆），实现匹配性预警；并支持物料有效期预警管理等。

总体来讲，WMS 系统实现物料存储标识、状态等管理，并配合接口向集成总控系统实时给出各项状态信息以供给其他子系统进行调用，避免“ 信息孤单” 的产生。

2.3 AGV 智能调度系统

AGV 智能调度系统以MES 系统原材料投料计划为基础，结合WMS 系统库存配置，以先进先出为原则实现AGV 任务派发。整体AGV 智能调度系统由执行层、网络层及控制层构成[4]。其中执行层包含充电桩、AGV 等执行硬件；网络层以WIFI、5G 等网络形式实现控制层与执行层互联通讯；控制层包含任务分配控制、监控执行控制、输出展示控制以及系统管理等模块。

AGV 任务分配采用基于数学模型和基于时间优先级的组合算法[5]。该算法根据投料计划生成具备时间优先级的任务序列。而实际运行过程中，对多台AGV需配置柔性防碰撞算法进行辅助路径规划。整体架构如图5。

图5 AGV 智能调度路径规划架构

3 硬件配置

整体硬件配置应以系统需求为基础进行配置，包含子母转盘区域配置、AGV 硬件配置、机械臂（含夹爪）配置、料口破袋集成配置四大模块。各模块配置情况按运行需求进行，总结如下。

3.1 子母转盘区域配置

子母转盘区域实现标准盘具装载及后续空盘的子母盘具分离工作。区域配置包括母盘放置区、子盘放置区、母盘自动流转导辊、母盘分离装置（桁架机械手）及母盘装载区。整体布局参考图6。

图6 子母转盘区布局

其中，子母盘分离由AGV 将空托盘运输至待分离区，由桁架机械手进行子母盘分离，并放置子盘与母盘对应放置区；而母盘装载区针对于待入库的新物料进行，其流程由手动叉车将子盘叉入母盘装载区，母盘装载区的母盘由桁架机械手进行拾取，并由自动流转导辊自动配送至母盘装载区指定位置等待装载，装载区采用下沉机构，待人工录入待入库母盘信息后，装载区会自动加载（提升），以保证AGV 可顺利叉取母盘。

3.2 AGV 硬件配置

AGV 硬件配置主要针对上料频次及物料载荷进行配置，考虑到现场粉尘及原材料托盘的重量问题，AGV 采用激光制导方式进行，其配置参数见表2。

表2 AGV 主要配置参数

3.3 机械臂（含夹爪）配置

机械臂为投料动作的执行部件，其执行步骤是自动识别物料位置如图7，根据识别位置进行物料抓取，并投放至指定料口，完成投料及料袋回收动作。为此，根据其步骤功能项，其配置如表3。

表3 机械臂（含夹爪）配置

图7 物料定位识别原理图（左）复合夹爪（右）

3.4 料口破袋集成配置

料口破袋集成装置是将由机械臂抓取的物料进行破袋、过滤及粉尘回收的集成装置。其包括旋转刀片破袋装置、振动筛以及粉尘回收装置组成，其整体架构如图8 所示。

图8 料口破袋集成装置

其工作原理是配合机械臂抓取物料并移动至旋转刀片处，刀片自动旋转启动划破料袋，再由振动筛对物料进行过滤并收集料袋杂质碎屑，完成投料。

4 实施效果

本次实践应用采用集成总控系统，实现MES、WMS、以及调度控制系统的有效整合。总体以MES工艺配方为基础配置下发物料计划，以WMS 系统实现物料库位的精准控制，以调度控制系统实现AGV、机械手、破袋装置等设备的精确流转及控制。方案通过信息化与自动化结合的方式，真正意义上实现了从原材料入库到投料的全过程的无人化。对比人工上料流程与自动上料流程（如图9），本方案的研究实现了投料过程的实时监控，提高了投料过程的生产效率，且大大减少了生产人员的职业健康风险。

图9 人工上料流程与自动上料流程对比图

5 结论

基于信息化与自动化技术的整体应用采用“ 单平台，多系统” 的方式，以集成总控系统为中心，集成MES 系统、WMS 系统、AGV 调度管理系统以及各硬件控制模块为一体，实现混橡生产可定制无人化的目标。本应用方案对硬件配置类型、参数提出明确要求，对非标托盘、码垛形式等提出完整解决方案，真正意义上从底层至系统给出了完整的应用方案。对比传统投料方式，本应用方案可减少每班次1 h 的投料时间，实现产能提升约10%，减少产品因杂质问题导致的质量问题1.4%，并可大大减少员工的职业健康风险，效益显著。