制造业老旧工厂产业升级规划研究与实践

一、引言

随着工业自动化技术不断发展，近年来全球制造业由精益制造向智能制造转换，工业 4.0、智能制造、智能工厂等一些代表先进技术的概念开始被反复提出。特别是全球疫情发生以来，对制造业发展造成重大影响，越来越多的企业发现了智能制造的优势，开始将智能制造由理论探讨变为实际行动。基于该背景，一些新型产业开始投入新的智能工厂建设，但是更多的老旧工厂面临的是产业升级的问题，要在原有设备的基础上，提高自动化水平和智能管理系统能力。

二、项目背景

位于泰国东海岸罗勇工业区的老旧车间有两条车轴自动化加工产线，分别生产E和F两种类型车轴。车轴生产过程为全自动生产，但是产线的原料上料、成品转运、库存统计和订单排产等全部由人工操作。升级前工厂整体管理及运营效率低下，特别是疫情发生以来，由于车间管控，经常造成产线停产、库存混乱等问题。因此急需以最快的速度完成第一轮的产业升级，解决生产车间面临的痛点。

三、智能工厂规划过程与内容

3.1 智能工厂概念

智能工厂是现代工厂信息化发展的新阶段，是在数字化工厂的基础上，利用更加先进的技术与设备，实现工厂的智能化，包括加强信息管理和服务，合理地管控生产计划编排与生产进度；连通并掌握产销与库存，提高产品的运转流动性；提高生产过程的可控性和产品的数据追溯性，减少产线人工的干预。

3.2 痛点分析

1）存储痛点：客户没有单独的仓储车间，仅仅在生产车间角落有一个 35m×14m的两面临墙区域作为货物存储位置，货物存储量少，空间利用率低；由于存储区域小，货物存储密集，导致“找货”困难，“出货”困难，经常面临叉车路线干涉问题。

2）人工作业痛点：生产线端部上料为人工搬运上料，每个工件大约 9.5kg，生产节拍为每件24s，单班工作8h，每天双班，双人轮换工作；劳动强度非常大，对工人身体健康危害较大，而且在如此高强度的工作下，特别容易出现安全事故。

3）物流痛点：制造车间生产过程物流运转全部由人工操作叉车完成，原材料由人工叉车运转到产线上料处，并人工记录数据；加工完的成品由人工叉车转运至存储区域并人工记录数据。叉车运转混乱、不同产品容易出错、库存数据不明确、操作者换岗交代不清等问题比较严重。

4）管理系统痛点：工厂拥有SAP系统，但是没有管控到产线，目前仅仅属于一个顶层的统计系统，与生产管理脱节；订单由人工下达，产线按计划生产，生产完毕后，人工录入库存，统计物料信息。

3.3 规划内容与方案

根据该企业的痛点、产能及投资情况，以智能生产、智能物流及智能管理为目标，结合企业现有自动化设备及管理经验，为客户规划了智能制造升级方案，该方案包括一座立体化仓库，两台叉车式AGV，一个机器人自动上料工作站及一套软件管理系统，生产车间升级后规划方案如图 1 所示。

图 1 生产车间升级后规划图

（1）存储痛点解决方案存储方面最大的痛点就是存储区域有限及存储混乱，如何实现现有存储区域的最大化利用和高效管理是一个重要改造点。基于厂房高度及存储区域面积，在图1位置①区域，规划了一个立体仓库，用于存储原材料与成品，实现原材料、成品的存储与流通的智能化管理。

图 2 存储痛点解决方案对比图

为了充分利用有限的空间，设计更多存储货位，并且合理控制投资成本，将该立体仓库规划为如图2所示。采用两个巷道两台双伸堆垛机，减少巷道占用存储面积的同时可以降低成本；货位规划为7排×17列×7层的牛腿式货架，一共具备833个存储货位，满足客户存储要求。立体库及堆垛机主要技术参数见下表。

表立体库及堆垛机主要技术参数表

在货物出入库方面，设置两个入库通道和两个出库通道，保证两台堆垛机能够独立工作，提高堆垛机的工作效率。根据堆垛机循环时间计算方法标准 FEM-9.851 分析堆垛机工作效率，我们取图片和图片作为计算平均单周期时间的位置，如图3所示，根据计算模型模拟堆垛机平均工作效率，在综合考虑单循环及复合循环混合工况下，基于80%的效率系数，立体库整体出入库效率大概为94托/h，满足客户生产所需的不低于50托/h 要求，所以该立体库设计完全可以解决客户在存储与物流方面的痛点。

图 3 堆垛机效率计算取点位置示意图

（2）人工作业痛点解决方案图1中区域②为生产线端部，升级前为人工搬运工件上料，为了解决劳动强度大和安全事故易发的痛点，在此规划了机器人自动上料工作站。由于物料来料为无序状态，需要视觉系统给予机器人引导定位，因此该站使用了一台FANUC工业六轴机器人R-2000ic/165F 并搭载两套 Mech-Mind 3D Laser L智能相机，实现原材料的无序状态自动上料，如图4所示，升级后经过生产测试平均生产节拍为每件20s，满足生产线效率要求。该站不但释放了操作工人数量、降低了生产安全事故风险，还通过增加传感器检测数量，实现了数据自动统计与系统防错，提高了产线智能化水平。

图 4 生产线上料工作站升级改造对比图

（3）物流痛点解决方案图1中区域③为产线下料工位，因为下料产品需要人工检测，所以该工位客户不计划增加检测设备，仍然由人工检测，检测完毕后人工将产品摆放到固定支撑的托盘内。图1中区域④为原材料来料区，原材料由其他车间运送到该车间，统一放置在该区域固定位置，根据生产需要做后续处理。图1中区域⑤为产品发货区，根据订单要求，需要发货的产品出货至该区域。

该车间改造前所有物流都是由人工操作叉车来流转，叉车内部行车混乱，叉车与人员存在碰撞等安全风险，物流信息传递不畅。为了实现整个工厂产品流通与设备连接，解决物流痛点，规划了两台叉车式AGV，替代所有的人工叉车，实现了立体仓库、机器人工作站、生产线下料端和原材料来料处的物流自动化流通，消除了安全隐患，并且满足目前生产车间物流运转效率。物流运转升级改造对比图如图 5 所示。

图 5 物流运转升级改造对比图

（4）管理系统痛点解决方案基于企业已经具备的SAP系统，充分分析客户管理系统方面的痛点，并结合物料存储、机器人作业和AGV运行等设备的控制要求，规划并搭建了实现仓储管理系统的WMS软件和实现仓储控制系统的WCS软件来串联、管理整个车间的自动化设备及数据信息。WMS与工厂SAP对接，实现信息系统的管控；WCS与AGV控制软件、立体库PLC系统、机器人PLC、产线PLC系统连接，实现自动化设备的控制与数据传递。

四、生产工艺控制流程

该制造车间工艺流程就是从原材料到成品的生产过程。其中原材料由其他车间运输到该车间后首先要入库存储，待产线得到生产任务后，在产线的呼叫下，原材料被送到机器人上料工作站，机器人抓取物料实现产线的自动上料。原材料流经生产线变为成品，检测合格后存储入库，最后根据销售订单情况被出库发货。通过分析整个工艺流程不难发现，对于该种制造车间，整个系统不会关注某一个产品的状态，而是以一个托盘为载体的工艺流程。某一个产品加工合格与否，会在产品下线处直接甄别，不合格件会被直接剔除，不会进入流转系统，仅会做数据上的统计。因为托盘是物料与产品流转的载体，整个管理系统是以托盘的“托”为单位来管控的，数据信息流也是通过托盘上的条形码来实现“整托”信息绑定与传递，因此整个系统产品的控制流程实际上就是托盘的管控。而托盘管控分为三种情况：空托盘的调度、原材料托盘的调度和成品托盘的调度。

4.1 空托盘调度流程

空托盘的调度流程包括空托盘出库进站和离站入库两种任务。

（1）空托盘出库进站生产线末端完成加工后的合格品需要按照一定的数量包装进托盘，在生产第一件产品之前及第一托满料后，产线需要新的空托盘来继续承载产品包装，该空托盘需要从立体库中调度，即从立体库中调出进入生产线末端，该调度流程如图6所示。

图 6 空托盘出库进站控制流程图

（2）空托盘离站入库机器人自动上料工作站的作用是将工件依次上料到产线，在完成一拖物料上料后，剩下的“载体”空托盘需要被转运回立体库存储，纳入管控，该过程调度流程如图7所示。空托盘的调度过程是为了满足生产过程中的物料流转畅通，仅作为一个类似“缓存位”的作用出现，而不会涉及SAP顶层的管控，因此空托盘的调度仅管控在WMS层级即可，所有数据不用上传到SAP系统。