基于制造物聯(lián)技術(shù)的輪胎物流管理研究與設(shè)計(jì)*

牛占文，高 賀，左 斌

(天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津 300072)

基于制造物聯(lián)技術(shù)的輪胎物流管理研究與設(shè)計(jì)*

牛占文，高 賀，左 斌

(天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津 300072)

制造企業(yè)庫(kù)存管理的水平對(duì)于保證生產(chǎn)過(guò)程平穩(wěn)連續(xù)、控制企業(yè)制造成本具有重要意義。針對(duì)橡膠輪胎企業(yè)成型與硫化工序間的在制品庫(kù)存管理混亂、出入庫(kù)效率低和人工成本高等弊端，提出了基于精準(zhǔn)物流模式的立體倉(cāng)庫(kù)管理方法，基于RFID、CAN總線等制造物聯(lián)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了面向成型胎坯的在制品立體倉(cāng)庫(kù)物流管理系統(tǒng)，通過(guò)輪胎企業(yè)的應(yīng)用實(shí)施，證明系統(tǒng)對(duì)于提高出入庫(kù)效率，減少勞動(dòng)力成本，有助于實(shí)現(xiàn)在制品庫(kù)存管理的精準(zhǔn)化、智能化與柔性化。

精準(zhǔn)物流；立體倉(cāng)庫(kù)；無(wú)線射頻識(shí)別；自動(dòng)導(dǎo)引裝置；現(xiàn)場(chǎng)總線

0 引言

中國(guó)橡膠輪胎工業(yè)處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，企業(yè)環(huán)境成本、用工成本、物流成本不斷攀升，企業(yè)亟待采用高端信息技術(shù)與裝備，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低人工成本，促進(jìn)橡膠輪胎生產(chǎn)過(guò)程精準(zhǔn)化與智能化。按照橡膠輪胎生產(chǎn)的工藝要求，胎坯在成型后到硫化前需按照輪胎規(guī)格存放一定時(shí)間，并保證胎坯不變形、不污染。目前企業(yè)中這一階段的輸送及存儲(chǔ)大多通過(guò)存儲(chǔ)小車完成，占用廠房空間較大，自動(dòng)化程度較低，操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度高且存儲(chǔ)時(shí)間難以嚴(yán)格控制，同時(shí)由于人工搬運(yùn)容易導(dǎo)致成型胎坯變形，影響硫化后成品輪胎質(zhì)量。因此，在制品庫(kù)存管理直接影響橡膠輪胎制造企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程及生產(chǎn)成本，加強(qiáng)輪胎企業(yè)的庫(kù)存管理的精準(zhǔn)化水平，將使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)環(huán)境中具備更高的競(jìng)爭(zhēng)能力。

精準(zhǔn)物流模式以先進(jìn)的信息與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ),注重服務(wù)、人員、技術(shù)、信息與管理的綜合集成,強(qiáng)調(diào)物流的標(biāo)準(zhǔn)化和高效化,以相對(duì)較低的成本提供較高的客戶服務(wù)水平?？焖佟?shí)時(shí)、準(zhǔn)確的信息采集和處理是實(shí)現(xiàn)物流標(biāo)準(zhǔn)化和高效化的重要基礎(chǔ)。本文將RFID、AGV、總線等先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在精準(zhǔn)物流管理中，來(lái)構(gòu)建柔性、敏捷、精益化的生產(chǎn)制造環(huán)境，作為企業(yè)管理層與車間層連接的信息交互站，幫助縮短企業(yè)制造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低運(yùn)營(yíng)成本[1]。

1 輪胎企業(yè)在制品庫(kù)存管理的瓶頸

輪胎企業(yè)在制品庫(kù)存管理主要面臨如下問(wèn)題：

(1) 輪胎規(guī)格多樣化、需求量波動(dòng)較大等情況，同時(shí)原材料價(jià)格不斷攀升、企業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，使企業(yè)難以制定精準(zhǔn)的采購(gòu)與生產(chǎn)計(jì)劃，導(dǎo)致庫(kù)存管理成本上漲；

(2) 輪胎較為沉重，出入庫(kù)搬運(yùn)需要大量勞動(dòng)力，同時(shí)倉(cāng)庫(kù)面積大、庫(kù)位多，出入庫(kù)搬運(yùn)路徑較長(zhǎng)，也會(huì)影響搬運(yùn)的效率，增加了物流成本；

(3) 成型胎坯出入庫(kù)間隔由輪胎規(guī)格決定，在庫(kù)存放時(shí)間差異大，人工控制難以滿足多品種、準(zhǔn)時(shí)化的需求，若出庫(kù)不及時(shí)還會(huì)影響后續(xù)硫化工序的進(jìn)行，造成生產(chǎn)過(guò)程不平衡。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了基于精準(zhǔn)物流思想，針對(duì)輪胎制品立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行物流規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上融合RFID、CAN總線和自動(dòng)導(dǎo)引裝置等制造物聯(lián)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，開發(fā)立體倉(cāng)庫(kù)物流管理系統(tǒng)，以期改善企業(yè)落后的庫(kù)存管理模式。

2 橡膠輪胎在制品立體倉(cāng)庫(kù)物流規(guī)劃

本文針對(duì)某橡膠輪胎制造公司成型車間與硫化車間中間銜接區(qū)的立體倉(cāng)庫(kù)展開物流規(guī)劃，前序輪胎成型毛坯經(jīng)暫存動(dòng)作后送往后序硫化加工。其中，成型加工車間班產(chǎn)100條/臺(tái)設(shè)備；立體倉(cāng)庫(kù)區(qū)暫存4小時(shí)生產(chǎn)批量，要求先進(jìn)先出，保證胎坯體位；硫化加工車間平均50-58分鐘/臺(tái)，設(shè)備總數(shù)6工段12排，每排18臺(tái)每臺(tái)2工位。根據(jù)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)，立體倉(cāng)庫(kù)容量應(yīng)在2000-2200條輪胎左右。因此，根據(jù)以上分析，布置34排12列5層貨架的立體倉(cāng)庫(kù)，其中，貨架采用桁架結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)產(chǎn)品來(lái)調(diào)節(jié)每一層的高度，單排每層存放15條輪胎，每層4排。

如圖1所示，完成成型工序后的輪胎，由AGV小車牽引到傳送帶的六個(gè)入口，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的機(jī)械手將輪胎放到傳送帶上，通過(guò)安裝在傳送帶上方的RFID信息采集系統(tǒng)采集信息，指揮堆垛機(jī)把輪胎放到暫存?zhèn)}庫(kù)的相應(yīng)位置，放置一段時(shí)間后，根據(jù)硫化車間的需求，再將暫存在倉(cāng)庫(kù)中的輪胎通過(guò)堆垛機(jī)取出，最后經(jīng)過(guò)AGV小車運(yùn)送至硫化車間，余下的空盤隨傳送帶運(yùn)送到起點(diǎn)進(jìn)行下一次循環(huán)。

圖1 立體倉(cāng)庫(kù)物流方案簡(jiǎn)圖

3 立體倉(cāng)庫(kù)精準(zhǔn)化物流管理系統(tǒng)框架

3.1 系統(tǒng)總體框架

依據(jù)人流、物流、信息流、整體布局調(diào)整等精準(zhǔn)化物流規(guī)劃方案，構(gòu)建立體倉(cāng)庫(kù)物流管理系統(tǒng)框架。系統(tǒng)基于精準(zhǔn)物流模式，由生產(chǎn)物流管理、機(jī)械手控制、信息采集、自動(dòng)導(dǎo)引裝置和可視化管理這五方面組成，支撐技術(shù)包括RFID、現(xiàn)場(chǎng)總線、AGV小車以及面向胎坯的機(jī)械手臂裝置，如圖2所示。

圖2 立體倉(cāng)庫(kù)物流管理系統(tǒng)技術(shù)框架

系統(tǒng)功能組成如圖3所示，系統(tǒng)由管理、物料管理、RFID信息采集、機(jī)械手控制以及成本控制5個(gè)功能模塊組成。

圖3 立體倉(cāng)庫(kù)物流管理系統(tǒng)功能

(1) 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理功能主要包括公共管理、用戶及權(quán)限管理，可以通過(guò)系統(tǒng)管理方便的設(shè)置系統(tǒng)業(yè)務(wù)編碼和軟件定義代碼，注冊(cè)用戶以及配置用戶的權(quán)限，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的系統(tǒng)程序發(fā)布與更新。

(2) 物料管理

從原材料進(jìn)入庫(kù)房開始，對(duì)質(zhì)量、廠商、材料屬性等信息進(jìn)行全方位采集管理，及時(shí)反饋給物流管理系統(tǒng)。采用RFID技術(shù)對(duì)車間內(nèi)的物料及制成品進(jìn)行物流跟蹤，在生產(chǎn)線上，通過(guò)AGV小車運(yùn)輸配送，自動(dòng)堆料系統(tǒng)中的機(jī)械手對(duì)胎坯進(jìn)行抓取、堆料，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的全自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)。

(3) RFID信息采集

該模塊是本系統(tǒng)的核心部分，主要包括對(duì)胎坯的基本信息安裝、植入，同時(shí)利用讀寫裝置對(duì)其RFID標(biāo)簽內(nèi)所存儲(chǔ)的信息進(jìn)行采集、流通，再通過(guò)數(shù)據(jù)接口層傳入整個(gè)物流信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(4) 現(xiàn)場(chǎng)總線

本系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)分支——CAN總線作為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中機(jī)械手的控制系統(tǒng)，使其實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與各種傳感器之間以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室之間的數(shù)據(jù)通信。

(5) 成本控制

對(duì)工序成本形成過(guò)程的一切消耗，進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算、調(diào)節(jié)和監(jiān)督，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與預(yù)定的工序成本目標(biāo)之間的差異，并采取有效措施糾正不利差異，是工序產(chǎn)品實(shí)際成本被限制在預(yù)定的目標(biāo)范圍之內(nèi)。

3.2 基于RFID的信息采集系統(tǒng)

RFID技術(shù)[2-4]所具有的自動(dòng)對(duì)象識(shí)別和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能能夠在生產(chǎn)管理中發(fā)揮重要作用。圖4為信息物流體系模型，輪胎加工自動(dòng)化生產(chǎn)線物料的流通實(shí)現(xiàn)了無(wú)人監(jiān)管，在生產(chǎn)車間加工后，由AGV小車[5]運(yùn)送到倉(cāng)庫(kù)區(qū)域，再由機(jī)械手將零件放到傳送帶上，通過(guò)采集條碼信息，指揮堆垛機(jī)將輪胎放到相應(yīng)的位置，夾持輪胎時(shí)機(jī)械手能夠通過(guò)位置傳感器自動(dòng)檢測(cè)工作臺(tái)信息進(jìn)而準(zhǔn)確的獲得材料位置。為保證物料在指定時(shí)間到達(dá)指定位置，堆垛機(jī)根據(jù)輪胎的尺寸、重量在倉(cāng)庫(kù)區(qū)域可以快速尋找到合適的放置位置，直到硫化車間需要時(shí)，再根據(jù)RFID標(biāo)簽準(zhǔn)確找到所需物件放到傳送帶上由另一側(cè)的機(jī)械手夾取，再由AGV小車送入硫化車間。

圖4 基于RFID的信息采集模型

3.3 基于總線技術(shù)的機(jī)械手控制系統(tǒng)

如圖5所示，控制系統(tǒng)中上位機(jī)采用PC機(jī)，下位機(jī)采用若干CAN總線[6-7]智能節(jié)點(diǎn)。四個(gè)下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)各自獨(dú)立完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行控制任務(wù)，通過(guò)芯片實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，而上位機(jī)則是通過(guò)CAN適配卡和接口控制電路來(lái)訪問(wèn)CAN控制器，從而實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

圖5 基于CAN總線的機(jī)械手控制系統(tǒng)

考慮到胎坯規(guī)格多樣性及胎坯變形的問(wèn)題，出入口處夾持輪胎的機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用柔性化加持結(jié)構(gòu)，如圖6所示，該結(jié)構(gòu)采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，通過(guò)伸張半徑的調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)不同尺寸的輪胎，進(jìn)而保證夾持的可靠性。

圖6 改進(jìn)后的機(jī)械手裝置

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文面向橡膠輪胎企業(yè)的胎坯在制品立體庫(kù)物流管理，開發(fā)了精準(zhǔn)化立體倉(cāng)庫(kù)物流管理系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境為Windows XP系統(tǒng)，使用JAVA、SQL sever等開發(fā)工具，系統(tǒng)界面如圖7、圖8所示。

圖7 立體倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)

圖8 立體倉(cāng)庫(kù)物料管理模塊

5 總結(jié)

本文引入精準(zhǔn)化物流模式，采用先進(jìn)的控制、總線、通訊和信息等技術(shù)，通過(guò)物流設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)作，按照橡膠企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程開展立體倉(cāng)庫(kù)物流規(guī)劃，應(yīng)用RFID技術(shù)并結(jié)合AGV小車和機(jī)械手等設(shè)備開發(fā)立體倉(cāng)庫(kù)物流管理系統(tǒng)。企業(yè)應(yīng)用表明，本系統(tǒng)能夠提高出入庫(kù)效率42.1%，倉(cāng)庫(kù)全面采用電子標(biāo)簽，減少了出庫(kù)前單據(jù)處理時(shí)間，降低庫(kù)存管理成本32.8%，實(shí)現(xiàn)了立體倉(cāng)庫(kù)物流管理的精準(zhǔn)化與智能化。

[1] 郟坤. RFID技術(shù)在倉(cāng)儲(chǔ)管理中的應(yīng)用研究[D].大連:大連海事大學(xué), 2010.

[2] 白凱, 王華兵. RFID物流過(guò)程監(jiān)控與可視化管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2012, 25(1): 27-28.

[3] 杜曉明, 葛世倫.基于RFID和條形碼的中小企業(yè)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2010(2):106-109,112.

[4] 李作海, 姚錫凡.基于RFID的信息集成柔性制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2011(4):14-18.

[5] 柳賽男, 柯映林.自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)AGV小車優(yōu)化調(diào)度方法[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2008(6):23-25.

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(編輯 李秀敏)

Research and Design for Tire Logistics Management Based on Manufacturing of Things

NIU Zhan-wen, GAO He, ZUO Bin

(Department of Management and Economics, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Manufacturing enterprises inventory management is very important to guarantee a smooth, continuous production process, and control manufacturing cost. For the in-process inventory management confusion, the low efficiency of storage and high cost of labor between molding and vulcanizing process of the rubber tire enterprises, propose tiered warehouse facility management method based on precise logistic. Based on RFID, CAN bus and other technologies of Manufacturing of Things, design and development in-process products tiered warehouse facility logistics management system which towards tire molding. Through implementation and application of the tire enterprise, the system can improve the storage efficiency, reduce labor costs and help achieving accurate, intelligent and flexible for in-process inventory management.

precision logistics; stereoscopic warehouse; RFID; AGV; fieldbus

1001-2265(2014)07-0151-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.044

2013-11-02；

2013-12-02

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目：面向裝備制造業(yè)的專業(yè)化PLM產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用(2012AA040910)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目：濱海新區(qū)高端制造數(shù)字化集成技術(shù)攻關(guān)應(yīng)用(2012BAF12B05)；國(guó)家853計(jì)劃資助項(xiàng)目：汽車及模具產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計(jì)制造協(xié)同服務(wù)平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用(2013AA040605)

牛占文(1966—)，男，天津人，天津大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代工業(yè)工程理論方法及應(yīng)用的研究，(E-mail)55883562@qq.com。

TH166;TG65

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