智能化自動(dòng)包裝系統(tǒng)在化纖在制品車間的應(yīng)用

王麗麗，徐 慧，程金海，邱 野，孫潔香

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120；2.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

0 引言

我國(guó)是目前全球最主要的紡織品輸出國(guó)，同時(shí)也是全球最主要的纖維產(chǎn)品消費(fèi)國(guó)家。隨著社會(huì)的發(fā)展，人口紅利的逐漸消失，招工難、用工貴成為困擾化纖生產(chǎn)企業(yè)的難題。因此，化纖企業(yè)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的需求不斷提高。自動(dòng)化系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的人工操作，在優(yōu)化資源配置、提高作業(yè)效率、降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，對(duì)企業(yè)的升級(jí)發(fā)揮了重要作用。

傳統(tǒng)的化纖絲餅生產(chǎn)企業(yè)在制品包裝車間采用人工作業(yè)模式，這種操作方式需要投入大量人力，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品的信息采集和數(shù)據(jù)追溯異常困難，數(shù)據(jù)滯后、人為偏差大等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，經(jīng)常因?yàn)楫a(chǎn)品信息錯(cuò)誤引起客戶投訴乃至索賠。因此，企業(yè)亟需通過(guò)一個(gè)自動(dòng)化、信息化、智能化的包裝系統(tǒng)來(lái)解放工人，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)管理水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息管理的數(shù)字化和智能化，從根本上提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。本文提出的智能化自動(dòng)包裝系統(tǒng)不僅緩解了勞動(dòng)力成本上漲帶來(lái)的壓力，而且可以提高生產(chǎn)效率，降低成本工人勞動(dòng)強(qiáng)度和產(chǎn)品損耗，從而為企業(yè)增大了盈利空間，使智能化自動(dòng)包裝系統(tǒng)在行業(yè)中得到了廣泛的推廣。

工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，科技的不斷進(jìn)步，包裝業(yè)也逐漸走向高端化、智能化，智能包裝已經(jīng)開始大量走進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)、消費(fèi)生活中。隨著各種新技術(shù)的應(yīng)用，智能化自動(dòng)包裝系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)日趨成熟，可以給不同用戶提供完整的定制化解決方案。集成各種創(chuàng)新技術(shù)手段的智能包裝正日益成為產(chǎn)品功能的延伸與必備，并不斷推動(dòng)工業(yè)水平不斷提高。未來(lái)幾年，智能化包裝具備良好的市場(chǎng)前景。

1 系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)的化纖包裝車間生產(chǎn)線主要有簡(jiǎn)易的包裝材料輸送線、電子秤、人工作業(yè)平臺(tái)、人工檢驗(yàn)分級(jí)、標(biāo)簽打印機(jī)、物料搬運(yùn)叉車等組成。存在人工作業(yè)強(qiáng)度高、用工數(shù)量大、生產(chǎn)效率低、質(zhì)量控制難、管理水平低、人工數(shù)據(jù)錄入、信息化程度低、生產(chǎn)過(guò)程的信息可追溯性差等諸多問(wèn)題。

本文提出的智能化自動(dòng)包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念是在不改變?cè)瓉?lái)包裝工藝的前提下，以自主研發(fā)的關(guān)鍵專機(jī)設(shè)備為核心，完全替代傳統(tǒng)的人工作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的高度自動(dòng)化，信息化、智能化。提高企業(yè)生產(chǎn)的柔性，從而增強(qiáng)企業(yè)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求快速變化的能力。

智能化自動(dòng)包裝系統(tǒng)涉及多道生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，從裝載絲餅的絲車自動(dòng)上線開始，系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)分揀、稱重、套袋、碼垛、整包打帶、整包纏膜、絲餅暫存自動(dòng)化立體庫(kù)等，實(shí)現(xiàn)了絲餅的轉(zhuǎn)運(yùn)、搬運(yùn)、分揀、碼垛全部機(jī)械化、自動(dòng)化。如圖1所示，該系統(tǒng)由設(shè)備層、控制層、車間管理層、信息化接口等四部分組成。其中，設(shè)備層包括工業(yè)機(jī)器人、倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)、自動(dòng)包裝設(shè)備、自動(dòng)輸送線、物料提升機(jī)、穿梭車以及多種自動(dòng)單機(jī)等各類物流設(shè)備；控制層是由PLC（可編程控制器）和現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的數(shù)字化控制網(wǎng)絡(luò)，控制層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和生產(chǎn)線的自動(dòng)控制，包括了化纖絲餅智能化輸送系統(tǒng)、化纖立體倉(cāng)庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、化纖絲餅自動(dòng)包裝系統(tǒng)、輸送線及設(shè)備控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、信息管理調(diào)度系統(tǒng)等；車間管理層主要實(shí)現(xiàn)全線設(shè)備監(jiān)控，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、外部數(shù)據(jù)錄入、當(dāng)日包裝作業(yè)指令的編制下達(dá)，作業(yè)的強(qiáng)制結(jié)批，生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)等。此外，系統(tǒng)還包括與多個(gè)信息系統(tǒng)的接口：與廠級(jí)ERP（企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)）的信息接口、與上游生產(chǎn)車間的信息接口、與中間庫(kù)WMS（倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)）的信息接口以及與成品庫(kù)WMS的信息接口等。

2 工藝流程

化纖制品車間智能自動(dòng)包裝系統(tǒng)的主要工藝流程包括：

1）化纖絲餅從落絲機(jī)上下線；

2）織襪打結(jié)檢測(cè)；

3）絲車上線；

4）工業(yè)視覺(jué)/人工外觀檢測(cè)、稱重；

5）化纖絲餅存入中間庫(kù)；

6）車間智能MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）執(zhí)行出庫(kù)作業(yè)；

7）出庫(kù)區(qū)將化纖絲餅分級(jí)揀選輸送；

8）裹膜、稱重；

9）裝箱機(jī)器人自動(dòng)裝箱；

10）自動(dòng)貼碼/激光噴碼；

11）碼垛機(jī)器人對(duì)紙箱按品種、等級(jí)、包裝方式分類碼垛。

系統(tǒng)對(duì)化纖絲餅信息進(jìn)行跟蹤記錄，實(shí)現(xiàn)化纖絲餅從落絲、上線、輸送、儲(chǔ)存、檢驗(yàn)分類、分級(jí)包裝、碼垛、成品入庫(kù)的全程智能化、自動(dòng)化、數(shù)字化記錄和管理。

核心設(shè)備包括：

1）上線機(jī)器人：一般是6軸的機(jī)器人，將化纖絲餅從絲車按順序抓取下來(lái)，放置到絲餅分揀輸送機(jī)。

2）絲餅分揀輸送機(jī)：一般由輥道、停止器、分道器、規(guī)整器組成，根據(jù)品種等級(jí)將化纖絲餅輸送分揀到指定位置。

3）套袋機(jī)：化纖絲餅套膜利用真空方式將絲餅吸入套膜，用超聲波將膠膜切斷，并保持切口平整度

4）碼垛機(jī)器人：由四軸機(jī)器人及紙箱輸送線組成，將紙箱按任務(wù)指示跺型碼放在托盤上，方便入庫(kù)。

5）絲餅暫存庫(kù)：由貨架及巷道堆垛機(jī)組成，主要是用來(lái)存放需要等待染色結(jié)果的化纖絲餅，減少庫(kù)外絲車的使用量。

3 信息系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)化纖絲餅的信息管理是智能自動(dòng)包裝系統(tǒng)在化纖制品車間的重要內(nèi)容。雖然在包裝線上化纖絲餅只有絲錠一種產(chǎn)品形式，但是，不同的絲錠品種、規(guī)格、等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的包裝工藝流程。隨著化纖絲餅形態(tài)的不斷變化，化纖絲餅信息也在不斷地在不同工位更新，因此，處理好化纖絲餅的信息管理是實(shí)現(xiàn)化纖絲餅全流程信息完整和準(zhǔn)確的關(guān)鍵。數(shù)字化包裝車間主要通過(guò)車間MES系統(tǒng)對(duì)化纖絲餅生產(chǎn)進(jìn)行管理，MES系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)服務(wù)器統(tǒng)一管理，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。MES系統(tǒng)具備生產(chǎn)計(jì)劃管理、包裝計(jì)劃管理、品級(jí)管理、產(chǎn)品質(zhì)量追溯及預(yù)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)參數(shù)維護(hù)、輸送設(shè)備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控等功能。

3.1 化纖絲餅信息的集成管理

智能自動(dòng)包裝系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的縱向集成，即保證包裝車間的信息與ERP及成品庫(kù)系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性。首先是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)，包裝車間MES系統(tǒng)通過(guò)與ERP接口，根據(jù)對(duì)應(yīng)的包裝線號(hào)，將批號(hào)維護(hù)信息、部門車間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、單據(jù)信息通過(guò)接口程序從ERP系統(tǒng)導(dǎo)入至本地MES。其次是生產(chǎn)機(jī)臺(tái)設(shè)置，根據(jù)不同生產(chǎn)機(jī)臺(tái)的生產(chǎn)要求，在車間MES系統(tǒng)設(shè)置各生產(chǎn)機(jī)臺(tái)的基本信息。車間MES系統(tǒng)通過(guò)與紡絲車間的設(shè)備信息接口獲得化纖絲餅的機(jī)臺(tái)生產(chǎn)信息。紡絲設(shè)備智能接口完成生產(chǎn)機(jī)臺(tái)信息導(dǎo)入。

化纖絲餅經(jīng)過(guò)織襪、打結(jié)、染色、外觀檢測(cè)、稱重、定等、分級(jí)揀選、包裝等環(huán)節(jié)后，獲得了完整生產(chǎn)信息（包含記錄化纖絲餅的完整的流程信息以及各節(jié)點(diǎn)的完成情況、操作時(shí)間、完成班組及個(gè)人），在機(jī)器人完成碼垛之后，化纖絲餅信息轉(zhuǎn)入（WMS）系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)。

3.2 化纖絲餅的移入移出管理

從紡絲設(shè)備智能接口引入生產(chǎn)機(jī)臺(tái)信息開始，標(biāo)志著化纖絲餅生命周期的開始，對(duì)整個(gè)包裝過(guò)程來(lái)說(shuō)是化纖絲餅的移入?；w絲餅包裝完成后，化纖絲餅信息轉(zhuǎn)入庫(kù)存系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)，標(biāo)志著化纖絲餅生命周期的結(jié)束，對(duì)整個(gè)包裝過(guò)程來(lái)說(shuō)是化纖絲餅的移出。在化纖絲餅的包裝過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)輥道輸送段、外觀檢測(cè)段、中間庫(kù)存儲(chǔ)、出庫(kù)揀選段、分類包裝段。由于化纖絲餅本身不帶有永久性信息標(biāo)識(shí)，信息是靠在不同工藝段化纖絲餅輸送工裝或包裝物的信息來(lái)傳遞的，所以在每個(gè)工藝段化纖絲餅的移入移出都存在信息流失、信息錯(cuò)位的風(fēng)險(xiǎn)，因此加強(qiáng)化纖絲餅移入移出的管理十分重要。當(dāng)化纖絲餅移入時(shí)，要通過(guò)人工信息錄入或條碼識(shí)別進(jìn)行信息錄入和綁定。

在輸送輥道上，機(jī)器人將化纖絲餅從絲車上抓取下來(lái)放到輸送線上，完成了化纖絲餅的轉(zhuǎn)移操作，經(jīng)過(guò)此過(guò)程，化纖絲餅的位置信息也隨之發(fā)生變化。此時(shí)，要通過(guò)RFID將絲餅信息傳遞到輸送線上，從而實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)追蹤化纖絲餅的信息及位置，并記錄化纖絲餅的包裝、重量、暫存信息等相關(guān)生產(chǎn)信息，以方便進(jìn)行化纖絲餅信息的查詢統(tǒng)計(jì)。

此外，化纖絲餅工裝的管理也是化纖絲餅管理的重要內(nèi)容，由于在不同工藝段的轉(zhuǎn)換中，化纖絲餅工裝在不斷變化，因此，化纖絲餅在其他工藝段移入移出時(shí)也需要進(jìn)行信息的傳遞。當(dāng)工裝空置時(shí)，MES系統(tǒng)要對(duì)它實(shí)行工裝管理，可以進(jìn)行增減，以及區(qū)域信息管理，防止不同區(qū)域的工裝混入。當(dāng)化纖絲餅放到工裝上之后，要進(jìn)行信息綁定，按化纖絲餅管理。當(dāng)化纖絲餅移出工裝后，需要進(jìn)行工裝信息的清除。

碼垛工段是對(duì)裝箱后的化纖絲餅成品進(jìn)行分類碼垛，批號(hào)、等級(jí)等屬性相同的化纖絲餅成品碼放在同一托盤上，嚴(yán)格要求不能混裝，并記錄成品箱信息，以方便成品入庫(kù)及后續(xù)管理。在包裝線的最后，包裝箱貼標(biāo)或激光噴碼后，車間智能MES將包裝信息按照ERP系統(tǒng)的要求定時(shí)上傳至ERP系統(tǒng)，以完成包裝車間化纖絲餅的移出。

4 信息跟蹤的實(shí)現(xiàn)

在智能自動(dòng)包裝系統(tǒng)中，對(duì)化纖絲餅的信息跟蹤主要通過(guò)RFID（射頻識(shí)別）標(biāo)簽管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同的工藝段不同的工裝都采用了RFID標(biāo)簽進(jìn)行信息跟蹤，如圖2所示。標(biāo)簽信息作為化纖絲餅的主索引，在入庫(kù)段通過(guò)RFID標(biāo)簽得到化纖絲餅的品種等級(jí)信息，在出庫(kù)段通過(guò)RFID標(biāo)簽獲得揀選分級(jí)包裝的信息依據(jù)。

圖2 RFID及條碼分布圖

車間MES系統(tǒng)每天需要處理大量化纖絲餅，信息量非常龐大。為保證信息零錯(cuò)誤率，在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置了多個(gè)校驗(yàn)程序，其中包括復(fù)檢絲車信息、入庫(kù)化纖絲餅信息校驗(yàn)、化纖絲餅重量信息的核對(duì)、外檢工位化纖絲餅信息的核對(duì)、中間庫(kù)托盤信息的核對(duì)、人工等級(jí)信息的核對(duì)、出庫(kù)區(qū)化纖絲餅信息的核對(duì)等。由于化纖絲餅的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程被實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保化纖絲餅信息的準(zhǔn)確無(wú)誤，杜絕因化纖絲餅的信息混亂而導(dǎo)致的客戶投訴，方便化纖絲餅的信息追溯，并對(duì)化纖絲餅的質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)追蹤，提示連續(xù)質(zhì)量問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)，減少不必要的損失。

化纖絲餅的信息可以在整個(gè)包裝過(guò)程中不斷地進(jìn)行更新、補(bǔ)充。在外觀檢測(cè)工位，將化纖絲餅外檢信息錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)之前的化纖絲餅信息以及新加入的外檢信息對(duì)化纖絲餅自動(dòng)判等，更新等級(jí)信息，以方便后續(xù)的分級(jí)、揀選、包裝操作。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)降等情況進(jìn)行預(yù)判，提示工人檢查設(shè)備。

化纖絲餅入庫(kù)信息是在化纖絲餅入庫(kù)工位，對(duì)中間庫(kù)暫存托盤的信息綁定。通過(guò)輸入染色結(jié)果，判色人員根據(jù)染色結(jié)果，輸入判色結(jié)果，以待最后判定等級(jí)。包裝信息記錄了每一箱化纖絲餅的所有信息，通過(guò)箱號(hào)和化纖絲餅的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以進(jìn)行信息查詢，既可以方便的進(jìn)行出庫(kù)信息追溯，也可以追查化纖絲餅的生產(chǎn)包裝過(guò)程及時(shí)間節(jié)點(diǎn)，以方便進(jìn)行質(zhì)量管理。

由于在數(shù)字化包裝系統(tǒng)中，也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)人為干預(yù)的情況，如何實(shí)現(xiàn)在特殊情況下的數(shù)據(jù)維護(hù)方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和更新，對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。因此，該系統(tǒng)還提供了很多人工信息維護(hù)的功能，以方便有權(quán)限的管理人員在異常情況下，進(jìn)行必要的信息維護(hù)，以進(jìn)一步保證系統(tǒng)信息的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

化纖制品車間的智能化自動(dòng)包裝系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多個(gè)化纖核心生產(chǎn)企業(yè)得到應(yīng)用，使用效果得到廣泛的認(rèn)可，徹底改變了完全依賴人工作業(yè)的勞動(dòng)密集型模式。智能化自動(dòng)包裝系統(tǒng)取代了人工分級(jí)、揀選、包裝等作業(yè)，不僅可以大幅度減少車間工人數(shù)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，增加產(chǎn)量，提高產(chǎn)品的優(yōu)等品率，還節(jié)省了廠房使用面積，節(jié)能效果顯著，從而創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。此外，智能化自動(dòng)包裝系統(tǒng)配備自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的可監(jiān)控、可視化以及信息的可追溯性，有利于企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化生產(chǎn)，綜合效益明顯。

智能化自動(dòng)包裝系統(tǒng)的推出一方面滿足了化纖生產(chǎn)企業(yè)對(duì)價(jià)格合適、符合國(guó)情的高端物流裝備的急迫需求；另一方面也證明了我國(guó)紡機(jī)行業(yè)完全有能力開發(fā)出具有世界先進(jìn)水平的高端自動(dòng)化、智能化裝備和系統(tǒng)，打破進(jìn)口產(chǎn)品在高端物流設(shè)備領(lǐng)域的壟斷。這將引領(lǐng)國(guó)內(nèi)紡機(jī)企業(yè)加快技術(shù)創(chuàng)新，強(qiáng)化數(shù)字化、自動(dòng)化、信息化和智能化技術(shù)在物流等裝備產(chǎn)品上的綜合應(yīng)用，加快推出受紡織企業(yè)歡迎的高端物流裝備，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級(jí)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，助推我國(guó)紡織行業(yè)由大到強(qiáng)。