W鋼廠厚板成品庫(kù)紙牌式堆垛的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

李紅偉，徐克林

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院 工業(yè)工程所，上海 200082）

1 引言

從對(duì)我國(guó)8家鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)效率的Malmquist分析可以看出，生產(chǎn)效率的提高主要是依靠生產(chǎn)前沿技術(shù)向前推進(jìn)，因此，進(jìn)一步提高鋼鐵生產(chǎn)的技術(shù)水平尤為重要[1]。根據(jù)現(xiàn)有的裝備情況和組織方式進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃的改進(jìn)，發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的能力，是提高生產(chǎn)效率的一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。濟(jì)鋼從生產(chǎn)計(jì)劃與輥型的合理配置、與加熱爐能力的匹配、與冷床能力的匹配等方面改善生產(chǎn)計(jì)劃，不但能夠保證合同的兌現(xiàn)，同時(shí)也提高了作業(yè)效率和機(jī)時(shí)產(chǎn)量[2]。在信息化技術(shù)方面，舞鋼100 萬(wàn)t 厚板新線采用了制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），它以現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐，按合同的訂單組織生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了合同周期的全流程的動(dòng)態(tài)管理。該系統(tǒng)的開發(fā)成功，降低了生產(chǎn)管理成本，提高了生產(chǎn)作業(yè)效率，保證了信息傳輸?shù)募皶r(shí)性與準(zhǔn)確性[3]。借鑒工業(yè)工程相關(guān)理論[4]，結(jié)合W 鋼廠厚板成品庫(kù)特點(diǎn)，開發(fā)了成品庫(kù)信息管理相關(guān)功能，結(jié)合W鋼廠厚板運(yùn)輸方式及設(shè)備的特點(diǎn)，就W 鋼廠厚板成品庫(kù)紙牌式堆垛的現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了剖析，對(duì)減少鋼板發(fā)貨時(shí)的倒垛量，降低非增值作業(yè)，提升出庫(kù)效率等方面的措施進(jìn)行了研究。

2 W鋼廠厚板系統(tǒng)功能介紹

W鋼廠厚板產(chǎn)線設(shè)置有四級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即L1/L0基礎(chǔ)自動(dòng)化，L2過(guò)程自動(dòng)化，L3生產(chǎn)控制，L4生產(chǎn)信息綜合管理，各級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

W 鋼廠L4 系統(tǒng)串聯(lián)公司各部門，對(duì)公司整個(gè)流程信息進(jìn)行管控；L4 系統(tǒng)傳遞相關(guān)產(chǎn)品信息至厚板L3系統(tǒng)，厚板L3編制作業(yè)計(jì)劃，形成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指令，完成鋼板上、下線命令的生成、刪除，鋼板作業(yè)實(shí)績(jī)的保存和上傳，庫(kù)內(nèi)鋼板信息的查詢、收發(fā)貨作業(yè)命令生成等；L3 系統(tǒng)將相應(yīng)指令信息下傳到L2 系統(tǒng)，由L2 過(guò)程計(jì)算機(jī)對(duì)鋼板實(shí)物進(jìn)行在線的生產(chǎn)跟蹤，并向其下達(dá)作業(yè)指令參數(shù)，L2 執(zhí)行完成后將結(jié)果反饋到L3 系統(tǒng)，然后上傳L4 保存；四級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間通過(guò)數(shù)據(jù)交換，得以保證厚板產(chǎn)線順利的生產(chǎn)、快捷入庫(kù)和出庫(kù)。

圖1 W鋼廠各級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

3 紙牌式堆垛相關(guān)概念及意義

3.1 垛位勾連及其意義

鋼板的入庫(kù)堆垛就是將鋼板通過(guò)行車吊運(yùn)至成品庫(kù)垛位的過(guò)程，為順利實(shí)現(xiàn)紙牌式堆垛過(guò)程中鋼板有序、快速的找到合適的堆放垛位，W鋼廠厚板廠引入了堆垛指標(biāo)的概念。通過(guò)堆垛指標(biāo)作為橋梁，將具有不同堆垛記號(hào)特性的鋼板與垛位預(yù)先進(jìn)行勾連，即在厚板L3 系統(tǒng)上通過(guò)堆垛指標(biāo)將鋼板與垛位提前建立對(duì)應(yīng)關(guān)系而維護(hù)進(jìn)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，以保證鋼板按照一定規(guī)則有序入庫(kù)，而且出庫(kù)時(shí)能夠集批、快速出庫(kù)，提高出庫(kù)效率。

3.2 堆垛記號(hào)的概念及其意義

銷售人員在合同接入時(shí)，在上級(jí)L4 系統(tǒng)上對(duì)鋼板合同數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行維護(hù)，系統(tǒng)則根據(jù)訂貨用戶合同數(shù)據(jù)中不同的地區(qū)，建立用戶地區(qū)代碼，生成材料的最終去向代碼。

國(guó)內(nèi)合同的去向地代碼根據(jù)郵政編碼加分位碼決定；根據(jù)合同量大小可以實(shí)現(xiàn)去向地的分散和歸并，如同一去向地合同量大，則可以使用分位碼進(jìn)行細(xì)分。例如，同一個(gè)造船廠不同船塢造的船舶可以使用不同的分位碼進(jìn)行區(qū)分，使之產(chǎn)生不同的去向地代碼，在堆垛時(shí)分開堆放；對(duì)于同一片區(qū)，但細(xì)分不同去向地的情況，且訂貨量都很小的不同用戶，可以使用去向地歸并郵政編碼范圍，實(shí)現(xiàn)小客戶歸并堆垛，提高垛位的利用效率。去向地代碼生成方式如圖2所示。

圖2 去向地代碼生成方式

出口合同的去向地代碼主要根據(jù)合約號(hào)決定，同一大合約產(chǎn)生同一去向地代碼。如果用戶要求不同的交貨期交貨，則系統(tǒng)按照不同的合約處理，產(chǎn)生不同的去向地代碼。

堆垛記號(hào)則是根據(jù)材料的用戶、去向、交貨期、運(yùn)輸方式等指標(biāo)組合維護(hù)而成的代碼指標(biāo)；不同用戶的鋼板具有不同的堆垛記號(hào)特征。

4 紙牌式堆垛過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

4.1 紙牌式堆垛垛位預(yù)規(guī)劃

充分做好紙牌式堆垛原則的規(guī)劃是確保鋼板快速提貨的前提。W鋼廠厚板在實(shí)踐摸索中，制定了以用戶為單位，結(jié)合鋼板堆垛記號(hào)所包含的用戶、去向、交貨期、運(yùn)輸方式，同時(shí)區(qū)分尺寸規(guī)格等信息，提前進(jìn)行庫(kù)區(qū)預(yù)規(guī)劃，在L3系統(tǒng)上實(shí)施垛位勾連。確保了出庫(kù)批量的最大化，減少鋼板倒垛量，并動(dòng)態(tài)根據(jù)厚板合同結(jié)構(gòu)提前進(jìn)行庫(kù)區(qū)預(yù)計(jì)劃；合理安排不同用戶、不同交貨期、不同規(guī)格鋼板的堆放區(qū)域，見(jiàn)表1。

根據(jù)厚板成品庫(kù)區(qū)布局特點(diǎn)和鋼板規(guī)格尺寸定義了垛位的概念，并區(qū)分長(zhǎng)短垛位。

4.2 紙牌式堆疊作業(yè)過(guò)程

成品入庫(kù)作業(yè)直接影響著厚板出庫(kù)物流的順暢與否，做好入庫(kù)規(guī)劃是確保鋼板出廠物流暢通，減少鋼板紙牌式堆垛倒垛量的前提。

W 鋼廠厚板在成品入庫(kù)前，對(duì)入庫(kù)去向?yàn)橥欢讯鈳?kù)位，長(zhǎng)、寬尺寸相近或相同的鋼板進(jìn)行預(yù)堆垛，即多塊鋼板通過(guò)預(yù)堆垛機(jī)實(shí)現(xiàn)在線堆疊，堆疊后運(yùn)輸至相應(yīng)的入庫(kù)點(diǎn)，通過(guò)入庫(kù)行車一次性吊運(yùn)至成品庫(kù)垛位而完成三維紙牌式堆垛；通過(guò)鋼板的預(yù)先堆垛，加快了在線堆垛的物流速度，但如何在鋼板預(yù)堆垛前進(jìn)行鋼板預(yù)堆垛邏輯和成品庫(kù)垛位使用原則的提前規(guī)劃，極大地影響著成品庫(kù)垛位的使用率及后續(xù)出庫(kù)發(fā)貨效率。其入庫(kù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。

表1 庫(kù)區(qū)垛位使用預(yù)規(guī)劃

圖3 鋼板堆疊入庫(kù)過(guò)程

4.3 紙牌式堆垛的影響分析

對(duì)于同一垛鋼板，厚板成品庫(kù)發(fā)貨時(shí)，都是根據(jù)提單要求的品種規(guī)格一次性連續(xù)發(fā)貨，當(dāng)可發(fā)鋼板與不可發(fā)鋼板間隔堆放時(shí)，鋼板整垛不是從上而下按順序依次發(fā)貨，而要把位于垛位上方的鋼板吊運(yùn)至其它垛位時(shí)，這就是常說(shuō)的倒垛，倒垛發(fā)生后，發(fā)貨能力就會(huì)受到影響。鋼板堆疊如圖4所示。

為了研究倒垛對(duì)發(fā)貨量的影響，假設(shè)每次只能發(fā)1 塊的情況，每吊僅吊運(yùn)一塊。因其具有普遍性，可以簡(jiǎn)化分析問(wèn)題的同時(shí)，不會(huì)造成大的分析結(jié)果偏差。

圖4 鋼板堆疊示意圖

設(shè)某個(gè)垛位有n塊鋼板，發(fā)貨時(shí)每次只發(fā)其中的1塊，至于發(fā)哪一塊取決于提單要求的鋼板和產(chǎn)品的層次號(hào)i，層次號(hào)由下向上排序，依次增大，i的取值范圍為[1，n]。當(dāng)發(fā)貨需要選取層次號(hào)i的鋼板時(shí)，則需要倒垛的吊次數(shù)m=n-i。提單提取貨物對(duì)于發(fā)每一個(gè)層次號(hào)的鋼板，概率p是相同的，因此p=1/n。于是，對(duì)于該垛鋼板發(fā)貨的平均倒垛次數(shù)為q，由計(jì)算可得：

從式（1）看，垛位的吊次數(shù)n 與平均倒垛次數(shù)q成正比關(guān)系。n越大，倒垛工作量越大。在發(fā)貨作業(yè)過(guò)程中，設(shè)直接裝車吊次的作業(yè)周期為t0，倒垛吊次的作業(yè)周期為t1。從式（1）可知，當(dāng)發(fā)貨吊數(shù)為1時(shí)，需要倒垛的平均吊數(shù)為（n-1）/2，則有效作業(yè)效率為：

式中，t1/t0為每一吊次倒垛作業(yè)周期與每一吊次純裝車作業(yè)周期的比值，可以定義為倒垛裝車作業(yè)周期比例系數(shù)。當(dāng)車輛在發(fā)貨垛位一側(cè)裝車時(shí)，直接裝車吊次的作業(yè)時(shí)間肯定小于每個(gè)倒垛吊次的作業(yè)時(shí)間，因此，α＞1。又取決于發(fā)貨垛位與倒放目標(biāo)垛位的距離，距離越大也就越大。從式（2）可以看出：每垛的吊次數(shù)n 越大，有效作業(yè)效率越低。這也充分說(shuō)明，就近倒垛很重要。為了直觀地說(shuō)明上述兩個(gè)規(guī)律和影響程度，選用圖解法表達(dá)。分別取α為1、2、5，計(jì)算有效作業(yè)效率，得不同n值下的有效作業(yè)率計(jì)算值，根據(jù)計(jì)算值繪制了關(guān)系曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出，就近倒垛（α=t1/t0=1 時(shí)）最節(jié)省時(shí)間。每垛的平均吊次數(shù)若超過(guò)5，有效作業(yè)效率就低于30%，對(duì)于每垛平均吊次數(shù)n=11.5的情況，作業(yè)效率僅為16%。

圖5 不同α情況下的作業(yè)效率

4.4 紙牌式堆垛模式下的出庫(kù)效率的提升

通過(guò)對(duì)紙牌式堆垛方式和效率進(jìn)行理論分析后，依據(jù)其自身特點(diǎn)因地制宜，制定了有效的提升出庫(kù)效率的措施，主要包括以下兩方面：

4.4.1 降低α和n，以縮減出庫(kù)無(wú)效作業(yè)時(shí)間。降低α=t1/t0、n，在純裝車作業(yè)周期基本固定的基礎(chǔ)上，縮減鋼板吊運(yùn)過(guò)程中無(wú)效的作業(yè)時(shí)間，優(yōu)化裝車距離，保持低庫(kù)存運(yùn)轉(zhuǎn)。

（1）擴(kuò)展出庫(kù)模式，多種出庫(kù)模式并存。W鋼廠厚板產(chǎn)線為了實(shí)現(xiàn)快速出庫(kù)，開發(fā)多種可并行的出廠方式，在傳統(tǒng)的汽車產(chǎn)成品發(fā)運(yùn)基礎(chǔ)上，開辟了在線輥道直接在制品轉(zhuǎn)庫(kù)、轉(zhuǎn)碼頭形式，使得60%的鋼板可以在線生產(chǎn)后直接裝車轉(zhuǎn)庫(kù)，避免了鋼板入垛位及后續(xù)的倒垛、裝車等無(wú)效吊運(yùn)作業(yè)，效率大大提升。出庫(kù)模式及相應(yīng)流程如圖6所示。

圖6 出庫(kù)模式及相應(yīng)流程

（2）采用活動(dòng)式平板車短駁。W 鋼廠厚板產(chǎn)線采用活動(dòng)式平板車在成品庫(kù)與外倉(cāng)庫(kù)間頻繁短駁，移動(dòng)式平板車車頭和平板框架之間采用分離式設(shè)計(jì)，一個(gè)車頭可以對(duì)應(yīng)多個(gè)同類型的平板框架，可有效避免裝貨等待；裝車作業(yè)機(jī)動(dòng)靈活，可靠近垛位車道進(jìn)行并排裝車，且易實(shí)現(xiàn)多車道并行發(fā)貨作業(yè)。

（3）控制庫(kù)存，降低垛位堆放塊數(shù)n 值。通過(guò)快速出庫(kù)，減少鋼板在成品庫(kù)的落地，避免二次無(wú)效吊運(yùn)，確保成品庫(kù)庫(kù)存處于較低水平，以利于成品庫(kù)垛位的快速周轉(zhuǎn)。

4.4.2 異常倒垛量相關(guān)因素的控制

（1）鋼板堆垛實(shí)物與信息位置一致性的保證。W鋼廠厚板L3系統(tǒng)開發(fā)了一系列對(duì)應(yīng)的成品庫(kù)管理畫面，實(shí)現(xiàn)了成品庫(kù)垛位編碼、垛位指派、垛位監(jiān)控、垛位使用情況統(tǒng)計(jì)等功能，進(jìn)行了垛位的平面管理，實(shí)現(xiàn)了電腦與行車系統(tǒng)連接，行車駕駛員根據(jù)系統(tǒng)指令順序?qū)γ繅K鋼板進(jìn)行有序的疊放和倒垛作業(yè)。

（2）W 鋼廠厚板盤庫(kù)模式的建立。不斷完善信息系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)日常作業(yè)過(guò)程中對(duì)成品庫(kù)垛位信息與實(shí)物的監(jiān)控，信息實(shí)物定期盤點(diǎn)，信息實(shí)物不一致情況的及時(shí)盤查追溯等手段確保了鋼板信息與實(shí)物的一致。

（3）尾單鋼板的跟蹤和清理。對(duì)發(fā)貨后，少量掉隊(duì)的部分鋼板，日常重點(diǎn)安排清理和歸并，避免掉隊(duì)鋼板壓在某些垛位下方，造成后續(xù)發(fā)貨時(shí)大量的倒垛。

5 紙牌式堆垛方式的優(yōu)化

目前厚板紙牌式堆垛模式下，最常見(jiàn)的實(shí)物與信息錯(cuò)位就是鋼板入庫(kù)或倒垛過(guò)程中實(shí)物放錯(cuò)，而造成無(wú)法根據(jù)系統(tǒng)信息準(zhǔn)確找到鋼板的垛位，為此W鋼廠厚板也進(jìn)行了一系列優(yōu)化措施。引入了射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification 技術(shù)，簡(jiǎn)稱RFID）。

5.1 RFID新技術(shù)的應(yīng)用

射頻識(shí)別技術(shù)在鋼鐵制造業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于物流與車輛管控[5]，該系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器、天線以及上位控制計(jì)算機(jī)所組成。電子標(biāo)簽由芯片和標(biāo)簽天線組成，標(biāo)簽芯片中有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，用來(lái)存儲(chǔ)被識(shí)別物體的數(shù)據(jù)信息。電子標(biāo)簽以讀寫器發(fā)射出的無(wú)線電電波為能源，在接收到讀寫器的指令后，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)或讀取操作，并通過(guò)標(biāo)簽天線將載波信號(hào)發(fā)送出去。并可以與上位控制計(jì)算機(jī)通信。上位控制計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和控制，并與上位信息系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。圖7所示的是工廠應(yīng)用的一種典型的RFID系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

圖7 RFID典型系統(tǒng)組成

將超高射頻識(shí)別電子標(biāo)簽技術(shù)應(yīng)用于厚板紙牌式堆垛管理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)厚板入庫(kù)、盤庫(kù)、出庫(kù)全程跟蹤，相當(dāng)于給每塊厚板提供了一個(gè)電子身份證，發(fā)展到比較成熟的階段可以實(shí)現(xiàn)鋼板超市化管理，在成品庫(kù)的堆垛、發(fā)貨及清盤庫(kù)等時(shí)都可以根據(jù)電子標(biāo)簽的信息進(jìn)行跟蹤、校核，同時(shí)電子標(biāo)簽可以跟隨厚板流轉(zhuǎn)到下游工序，為下游工序提供數(shù)據(jù)源，也為厚板的全流程跟蹤提供數(shù)據(jù)支撐。

5.2 行車自動(dòng)定位系統(tǒng)實(shí)施

目前厚板嘗試進(jìn)行的RFID 系統(tǒng)主要在行車定位方面取得了很大改進(jìn)，通過(guò)射頻識(shí)別電子標(biāo)簽在行車定位系統(tǒng)上的應(yīng)用，結(jié)合成品庫(kù)區(qū)垛位物理坐標(biāo)，預(yù)計(jì)可以更好地輔助完成鋼板的入庫(kù)，從而避免鋼板的入庫(kù)錯(cuò)位問(wèn)題，進(jìn)一步彌補(bǔ)行車在入庫(kù)過(guò)程中人為確認(rèn)帶來(lái)的信息與實(shí)物位置不一致的差錯(cuò)。

5.3 清盤庫(kù)系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)

通過(guò)手持式移動(dòng)終端系統(tǒng)與RFID系統(tǒng)連接，對(duì)鋼板標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別和判斷，從而實(shí)現(xiàn)垛位動(dòng)態(tài)盤庫(kù)，對(duì)異常進(jìn)行判斷和調(diào)整，并將盤庫(kù)信息形成數(shù)據(jù)報(bào)告形式存檔，提高庫(kù)區(qū)信息管理自動(dòng)化程度。

6 結(jié)語(yǔ)

在多年的生產(chǎn)實(shí)踐中，W鋼廠總結(jié)和完善了厚板紙牌式堆垛技術(shù)方法，但對(duì)入庫(kù)行車吊運(yùn)過(guò)程中實(shí)物位置放錯(cuò)，行車吊運(yùn)時(shí)一次多塊疊吊帶來(lái)的信息實(shí)物位置不一致的問(wèn)題，還沒(méi)有得到根本解決，為此W鋼廠也嘗試引入了RFID射頻識(shí)別技術(shù)，希望能進(jìn)一步優(yōu)化厚板紙牌式堆垛，但對(duì)RFID標(biāo)簽的粘貼防脫落和標(biāo)簽的讀取技術(shù)難題還有待進(jìn)一步攻克。