三工位智能穿梭車在滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)中的應(yīng)用

汪靈瑤，王 勇，徐子立，韓開放，岳偉森

（北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

滌綸長絲根據(jù)工藝流程大體分為預(yù)取向絲（POY）、全拉伸絲（FDY）、拉伸變形絲（DTY）。POY和FDY因其絲餅體積較大，一般采用大包裝分層碼垛方式，而DTY主流包裝方式為裝箱碼垛方式。近年來隨著用工成本增加，招人困難等因素，滌綸長絲包裝已逐漸引入自動(dòng)化、智能化包裝設(shè)備來替代人工。在“中國制造2025”戰(zhàn)略前提下，全自動(dòng)包裝系統(tǒng)已在化纖生產(chǎn)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。以自動(dòng)包裝系統(tǒng)為核心的相關(guān)物流設(shè)備愈加多元化，技術(shù)水平和性能也得到不斷提高。

1 滌綸長絲自動(dòng)包裝線現(xiàn)狀

其中工藝復(fù)雜度最高的是DTY自動(dòng)包裝系統(tǒng)，由于DTY批號及規(guī)格種類繁雜，同批號產(chǎn)品也需根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量區(qū)分成不同等級[1]。在經(jīng)過自動(dòng)稱重、外檢、套袋、裝箱等包裝工藝后，仍需進(jìn)行自動(dòng)碼垛及倉儲(chǔ)作業(yè)。由于同批號絲錠降等數(shù)量的不確定性，因此在碼垛作業(yè)過程中，會(huì)出現(xiàn)滿跺托盤與未滿垛托盤下線現(xiàn)象。通過設(shè)定多個(gè)碼垛工位，可實(shí)現(xiàn)同批號滌綸長絲上線后對不同質(zhì)量等級（AAA級、AA級、A級、B級）的差別化碼垛作業(yè)。碼垛結(jié)束后再將滿垛或未滿垛下線，重新上新托盤或者同批號的半板。而作為連接滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)與自動(dòng)化立體倉庫的關(guān)鍵橋梁，穿梭車已成為影響滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)整體物流輸送效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。而隨著自動(dòng)包裝系統(tǒng)碼垛效率的不斷提升及其實(shí)現(xiàn)功能的多樣化，對穿梭車輸送效率的要求也越來越高。

1.1 原有穿梭車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）單工位：機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，供電采用拖鏈方式，IO通訊采用遠(yuǎn)程站，成本較低。但是運(yùn)行效率較低，對于多站臺取送貨輸送系統(tǒng)無法高效滿足日益增長的產(chǎn)量要求。

2）雙工位：供電采用滑觸線方式，控制采用獨(dú)立PLC，運(yùn)行效率比單工位高，在碼垛種類和工位不多的應(yīng)用情景下可以滿足生產(chǎn)需求。但是針對碼垛工位增多，碼垛托盤種類增多，運(yùn)行效率不夠的問題就會(huì)顯現(xiàn)。

1.2 現(xiàn)有穿梭車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的單工位及雙工位穿梭車由于作業(yè)工位有限，難以適應(yīng)頻繁地?fù)Q批換板作業(yè)，使得物流輸送效率有所遲滯，已不能滿足當(dāng)前滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)的物流輸送需求。為滿足化纖生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求，研制并開發(fā)了三工位智能穿梭車，該智能穿梭車可實(shí)現(xiàn)不同類型的空托盤和半托自動(dòng)上線，提升了穿梭車整體物流輸送效率。

2 三種穿梭車功能應(yīng)用對比

化纖行業(yè)中，設(shè)備的結(jié)構(gòu)是由其功能所決定的，單工位、雙工位、三工位智能穿梭車工位數(shù)量不同，是由它們承擔(dān)任務(wù)不同決定的，針對不同的應(yīng)用環(huán)境，不同的作業(yè)要求，選擇不同類型的穿梭車，可以在實(shí)際應(yīng)用中取得事半功倍的效果。

智能穿梭車在化纖自動(dòng)化包裝線的應(yīng)用通常有以下幾種。一種是在出、入庫作業(yè)中，穿梭車在出入庫站臺間承擔(dān)單向輸送任務(wù)，即將貨物從庫端存儲(chǔ)端輸送至包裝線使用端。在這種任務(wù)條件下，穿梭車需要輸送的貨物通常只有一種，與穿梭車進(jìn)行作業(yè)對接的每個(gè)站臺工位也只需要進(jìn)行一種作業(yè)，一邊站臺為出庫工位，另一邊工位為入庫工位。穿梭車只需在一個(gè)站臺進(jìn)行先取貨再到另一個(gè)站臺進(jìn)行送貨的作業(yè)即可，在這種任務(wù)條件下，單工位穿梭車即可滿足輸送要求。

另一種是穿梭車在包裝線碼垛工位或上線工位上的作業(yè)情況，碼垛工位和上線工位通常是雙向工位，即需要雙向運(yùn)輸貨物。以碼垛工位為例，碼垛作業(yè)需要空托盤用以碼放絲箱，而在當(dāng)前批次絲餅已碼垛完成或者當(dāng)前托盤已經(jīng)碼滿之后，則需要穿梭車進(jìn)行下線作業(yè)，在一個(gè)工位上需要進(jìn)行兩種作業(yè)過程，需要輸送的貨物也不同。這種情況下如果仍然使用單工位穿梭車來進(jìn)行接送貨作業(yè)，則需要穿梭車先進(jìn)行從碼垛工位取滿托盤作業(yè)，再將滿托盤送往下線站臺，然后再取空托盤，最后將空托盤送至碼垛工位進(jìn)行碼垛作業(yè)。這種作業(yè)方式會(huì)導(dǎo)致碼垛工位作業(yè)時(shí)間間隔很大，進(jìn)而影響了包裝線的整體工作效率。采用雙工位穿梭車可以有效的提升雙向碼垛工位的作業(yè)效率。在一個(gè)作業(yè)過程中雙工位穿梭車可以提前將空托盤接到穿梭車1號工位上，在將碼垛工位的滿托盤接放到穿梭車2號工位上后，直接將1號工位上的空托盤輸送至碼垛工位上，這樣碼垛工位的工作間隔就會(huì)很小，保證了碼垛工位的工作效率。一臺雙工位穿梭車可以滿足一條包裝線的碼垛工位作業(yè)要求。

三工位穿梭車則通常應(yīng)用在兩條滌綸長絲包裝線共用半板庫和滿跺下線口的工作條件下。按照上文分析，要滿足兩條包裝線的碼垛作業(yè)要求需要兩臺雙工位穿梭車或者一臺四工位穿梭車，但一方面增加工位個(gè)數(shù)意味著增加穿梭車的尺寸，當(dāng)穿梭車的長度過長時(shí)，需要額外增加軌道的長度以使得所有工位都可以到達(dá)站臺作業(yè)，這樣包裝線系統(tǒng)對車間場地利用效率會(huì)下降很多；另一方面，由于兩條包裝線共用半板庫和上下線站臺，在對穿梭車的調(diào)度進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化后，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，也可以滿足包裝線的效率要求。

根據(jù)上文分析，將三種智能穿梭車按照可同時(shí)搭載貨物種類和一般應(yīng)用場景進(jìn)行，列表如表1所示。

表1 三種智能穿梭車功能和應(yīng)用場景對比

本文主要從結(jié)構(gòu)、功能方面分析三工位智能穿梭車與單工位和雙工位穿梭車的區(qū)別，從工藝流程和作業(yè)調(diào)度方面介紹了三工位穿梭車在雙線包裝線碼垛上的應(yīng)用。

3 三工位智能穿梭車簡介

三工位智能穿梭車采用地面輕軌的物流輸送方式，利用其專用固定軌道，往返于自動(dòng)包裝系統(tǒng)的碼垛工位及自動(dòng)化立體倉庫的出入庫端。將碼垛托盤輸送至碼垛工位，滿跺托盤輸送至成品庫，半滿跺托盤輸送至未滿板庫（半滿垛托盤暫存庫，以便再次碼垛時(shí)調(diào)出）。三工位智能穿梭車的實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 三工位智能穿梭車實(shí)物圖

3.1 三工位智能穿梭車系統(tǒng)配置

1）硬件配置：三工位智能穿梭車控制系統(tǒng)采用德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的PLC控制器，其硬件配置選用S7-1500系列的CPU。

2）速度控制方式：三工位輸送鏈?zhǔn)綑C(jī)采用變頻器控制，用以協(xié)調(diào)碼垛工位與庫端鏈?zhǔn)綑C(jī)的輸送速率。行走電機(jī)水平方向速度控制方式采用模擬量變頻控制，通過調(diào)節(jié)加減速時(shí)間及帶載加速度等內(nèi)部參數(shù)保證穿梭車的穩(wěn)定運(yùn)行。

3）定位方式：水平定位方式采用BPS定位裝置，即水平條碼定位，將帶有二維碼數(shù)據(jù)的條碼帶粘貼于固定輥道內(nèi)壁，利用激光測距儀掃描條碼帶上的二維碼讀取位置數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

4）通信方式：與自動(dòng)包裝及倉儲(chǔ)系統(tǒng)的PLC控制器的通信方式為PROFINET協(xié)議（工業(yè)以太網(wǎng)），通過地面基站在三工位智能穿梭車周圍建立一個(gè)無線以太網(wǎng)覆蓋區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)穿梭車與地面站PLC控制器的信息互聯(lián)互通。

3.2 三工位智能穿梭車系統(tǒng)特點(diǎn)

1）水平電機(jī)空載、帶載輸送速率高

三工位智能穿梭車水平行走電機(jī)額定功率較大，較傳統(tǒng)單工位或雙工位水平電機(jī)動(dòng)力足，輸送效率高。

2）作業(yè)調(diào)度靈活性強(qiáng)

三工位智能穿梭車擁有機(jī)動(dòng)工位，對空閑作業(yè)工位可進(jìn)行靈活調(diào)度，極大地提高了工作效率。

3）與地面站實(shí)時(shí)信息交互

三工位智能穿梭車可根據(jù)自動(dòng)包裝系統(tǒng)在線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，設(shè)定碼垛工位的提前調(diào)度，增強(qiáng)了與地面站的實(shí)時(shí)信息交互。

4 智能穿梭車物流輸送工藝流程

三工位智能穿梭車物流輸送的工藝流程主要根據(jù)調(diào)度原則確定工作模式、判斷運(yùn)行目的站臺、取貨/存貨作業(yè)、清除取貨/存貨作業(yè)、空閑去指定站臺列。以此實(shí)現(xiàn)碼垛空托盤或半滿垛托盤上線、碼垛工位滿垛托盤或未滿垛托盤下線、以及滿跺托盤下線和半滿垛托盤的出入庫等功能[3]。并且作為滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)的重要物流輸送載體，在完成物流輸送的同時(shí)，也在進(jìn)行實(shí)時(shí)信息傳遞。其具體物流輸送工藝流程如圖2所示。

圖2 智能穿梭車物流輸送工藝流程圖

5 三工位智能穿梭車作業(yè)調(diào)度原則

如何調(diào)度穿梭車，達(dá)到既省時(shí)又均勻調(diào)用的目地，取決于穿梭車程序設(shè)計(jì)時(shí)采用的調(diào)度原則。出于提高工作效率的考慮，三工位智能穿梭車采用了根據(jù)穿梭車到站臺的距離以及該站臺的工作頻率來決定穿梭車到哪一個(gè)站臺作業(yè)的調(diào)度原則[4]。距離較近的站臺會(huì)優(yōu)先作業(yè)，穿梭車處于空閑狀態(tài)時(shí)會(huì)對遠(yuǎn)端作業(yè)工位作業(yè)進(jìn)行準(zhǔn)備。三工位智能穿梭車調(diào)度原則應(yīng)滿足以下要求：

1）最大能力要求，應(yīng)使穿梭車達(dá)到最大運(yùn)載能力，單位時(shí)間內(nèi)輸送量達(dá)到最大；

2）通暢要求，使作業(yè)等待時(shí)間最短，作業(yè)無明顯卡頓現(xiàn)象；

3）可靠要求，最大可能的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無故障運(yùn)行。

相比于單雙工位穿梭車，三工位穿梭車功能最大區(qū)別在于滿足兩條包裝線的作業(yè)調(diào)度要求。兩條包裝線的作業(yè)是獨(dú)立運(yùn)行的，因此在實(shí)際運(yùn)行過程中，會(huì)出現(xiàn)兩條包裝線工作調(diào)度重合的情況。設(shè)包裝線一個(gè)生產(chǎn)周期為T，穿梭車完成一條包裝線的作業(yè)任務(wù)時(shí)間為t，由于穿梭車的作業(yè)與包裝線的作業(yè)是相互獨(dú)立，互不干擾的，那么當(dāng)穿梭車進(jìn)行一條包裝線的作業(yè)情況下，另一條包裝線需要作業(yè)的概率p的計(jì)算公式為：

設(shè)包裝線需要等待的時(shí)間為，有：

即包裝線等待時(shí)間與穿梭車完成一個(gè)作業(yè)時(shí)間成正向相關(guān)，相同條件下，如果可以減少穿梭車一個(gè)作業(yè)的時(shí)間，可以有效減少單位時(shí)間內(nèi)包裝線等待穿梭車完成作業(yè)的時(shí)間，提高包裝線和穿梭車的工作效率。

由上文可知，穿梭車的工作過程可以分為兩部分，水平運(yùn)行到目標(biāo)站臺的工作過程所用時(shí)間為ts和鏈?zhǔn)綑C(jī)進(jìn)行接送貨的作業(yè)過程，所用時(shí)間為：

在考慮穿梭車兩個(gè)工作過程時(shí)，可以近似將穿梭車在作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)視為勻速運(yùn)動(dòng)，則有：

最后有：

其中，ls，ll分別指穿梭車在水平方向和鏈?zhǔn)綑C(jī)運(yùn)行方向的作業(yè)距離，vs，vl分別指穿梭車在水平方向和鏈?zhǔn)綑C(jī)運(yùn)行方向的作業(yè)速度。穿梭車在鏈?zhǔn)綑C(jī)方向的作業(yè)距離ll由輸送貨物的長度決定，屬于不可變量，在穿梭車作業(yè)速度提升到最大的情況下，如何最大程度的縮短穿梭車在水平方向的作業(yè)距離ls成為提高穿梭車工作效率的關(guān)鍵。

為了使智能穿梭車達(dá)到以上要求，從就近原則、工位分配原則和提前調(diào)度原則三個(gè)方面對智能穿梭車調(diào)度原則進(jìn)行了分析研究，以減小穿梭車的作業(yè)時(shí)間，提高工作效率。

5.1 就近原則

自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)的立體化結(jié)構(gòu)空間保證了系統(tǒng)緩存容量充足。出于生產(chǎn)成本考慮，滌綸長絲生產(chǎn)企業(yè)大多采用兩套自動(dòng)包裝系統(tǒng)共用一個(gè)未滿板暫存庫的模式，由此會(huì)出現(xiàn)“一車兩用”的現(xiàn)象[5]，即三工位智能穿梭車的作業(yè)調(diào)度需同時(shí)滿足兩條包裝系統(tǒng)的物流輸送需求。穿梭車輸送作業(yè)區(qū)域如圖3所示。

圖3 穿梭車輸送作業(yè)區(qū)域示意圖

作業(yè)調(diào)度原則決定了穿梭車的物流輸送路徑，傳統(tǒng)的穿梭車作業(yè)調(diào)度，其控制難點(diǎn)在于穿梭車取貨作業(yè)與存貨作業(yè)的優(yōu)先權(quán)及各個(gè)站臺列的取貨優(yōu)先級，三工位智能穿梭車汲取傳統(tǒng)穿梭車的作業(yè)調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，在未滿板庫端及空托盤站臺列給定取貨優(yōu)先級，在各碼垛工位擁有存貨優(yōu)先權(quán)并根據(jù)實(shí)際需求給定優(yōu)先級，并在其基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，增加了提前調(diào)度的優(yōu)化控制。

為了保證整體作業(yè)效率，防止兩條線的作業(yè)調(diào)度出現(xiàn)沖突，三工位智能穿梭車將靠近空托盤上線區(qū)和半滿庫出貨端的一條包裝線作業(yè)口設(shè)定為近端作業(yè)區(qū)，距離空托盤上線站臺較遠(yuǎn)的作業(yè)口設(shè)定為遠(yuǎn)端作業(yè)區(qū)。當(dāng)兩條包裝線都有作業(yè)請求時(shí)，三工位穿梭車會(huì)優(yōu)先完成近端作業(yè)區(qū)作業(yè)，這樣保證了整體作業(yè)效率的提升。

5.2 工位分配原則

靈活的工位分配策略可以減少接貨/送貨作業(yè)距離、縮短作業(yè)時(shí)間，且能夠充分利用智能穿梭車工位。智能穿梭車工位分配原則可分為兩種：一種是專用工位策略，另一種是共享工位策略[6]。三工位智能穿梭車有三個(gè)作業(yè)工位，要滿足兩條包裝線的作業(yè)調(diào)度要求，對一個(gè)工位采用了專用工位策略，另外兩個(gè)工位采用了兩條包裝線共用的共享工位策略。

為防止三工位智能穿梭車在工作過程中出現(xiàn)由于工位混用出現(xiàn)的作業(yè)混亂，使作業(yè)流程規(guī)范化，三工位智能穿梭車的三個(gè)作業(yè)工位分別設(shè)定了其功能，三個(gè)工位分別為工位1碼垛上線工位、工位2碼垛下線工位以及工位3機(jī)動(dòng)工位。機(jī)動(dòng)工位，在三工位智能穿梭車處于空閑狀態(tài)時(shí)，若該工位上沒有托盤，智能穿梭車自動(dòng)前往空托盤上線站臺取一個(gè)空托盤放至該工位。機(jī)動(dòng)工位保證了每次作業(yè)前，智能穿梭車上都有一個(gè)空托盤，當(dāng)穿梭車前往遠(yuǎn)端作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，且遠(yuǎn)端碼垛工位需要空托盤時(shí)，穿梭車可以不進(jìn)行空托盤取貨作業(yè)，直接前往取送貨站臺進(jìn)行作業(yè)，這樣節(jié)約了取空托盤的時(shí)間，避免了因取空托盤而引起的遠(yuǎn)端碼垛工位的作業(yè)停頓，提高了作業(yè)效率；碼垛上線工位，當(dāng)包裝線碼垛工位需要從半滿庫出庫的半滿托盤時(shí)，穿梭車會(huì)將半滿托盤接到此工位上，或者當(dāng)近端包裝線碼垛工位需要空托盤時(shí)，由于作業(yè)距離較短，穿梭車也會(huì)將空托盤接放到此工位上；碼垛下線工位，穿梭車將從碼垛工位上下線的滿托盤或半滿托盤接放到此工位上，后續(xù)進(jìn)行滿跺下線或半滿板入庫作業(yè)[7]。

5.3 提前調(diào)度原則

相較于雙工位智能穿梭車，三工位智能穿梭車在從作業(yè)距離和工位分配原則上進(jìn)行了改進(jìn)。在作業(yè)距離方面，三工位穿梭車采取得近者優(yōu)先的原則，距離近的站臺有更高的作業(yè)優(yōu)先級；在工位分配原則上，三工位智能穿梭車新增加了一個(gè)用于存放空托盤的機(jī)動(dòng)工位，在碼垛調(diào)度上對兩條包裝線的作業(yè)優(yōu)先級進(jìn)行了設(shè)定。從實(shí)際生產(chǎn)效果來看，三工位穿梭車相較于雙工位穿梭車的作業(yè)效率有了很大提升，但是由于兩條包裝線相隔距離較遠(yuǎn)，包裝線往往出現(xiàn)等待穿梭車運(yùn)行到目標(biāo)站臺的作業(yè)卡頓狀況，為了避免這種情況，在穿梭車的程序中還增加了提前調(diào)度的功能。

三工位智能穿梭車的提前調(diào)度，即在碼垛作業(yè)未完成時(shí)提前判斷后續(xù)托盤的上線類型（空托盤或未滿板），并將上線類型下發(fā)穿梭車，穿梭車收到調(diào)度指令后提前動(dòng)作，到達(dá)指定作業(yè)站臺列等待碼垛作業(yè)完畢。提前預(yù)知后續(xù)托盤的上線類型，需準(zhǔn)確掌握自動(dòng)包裝系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)，不僅需關(guān)注碼垛工位上已碼垛箱數(shù)，還需結(jié)合裝箱作業(yè)，統(tǒng)計(jì)已在線上輸送，未執(zhí)行碼垛作業(yè)的同批號絲錠的滿箱箱數(shù)。箱數(shù)計(jì)算由包裝線系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行[8]，當(dāng)已碼垛和未碼垛箱數(shù)和達(dá)到一整跺或裝箱處換批時(shí)，穿梭車會(huì)提前到達(dá)相應(yīng)站臺將即將上線的托盤接到相應(yīng)工位上。這樣，智能穿梭車可以及時(shí)的完成碼垛工位的取貨送貨作業(yè)，最大限度的保證了包裝線的工作效率。

6 結(jié)語

三工位智能穿梭車在滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)中的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)單工位或雙工位穿梭車作業(yè)工位的局限性，相較于雙工位穿梭車，實(shí)現(xiàn)了“一車兩線”的作業(yè)功能，在提升了作業(yè)效率的同時(shí)，減小了包裝線系統(tǒng)的占地面積，是智能穿梭車系統(tǒng)的又一次技術(shù)革新，其新型提前調(diào)度的作業(yè)模式，加強(qiáng)了自動(dòng)包裝系統(tǒng)與智能穿梭車的互聯(lián)互通，提升了二者間的實(shí)時(shí)信息共享功能，極大提高了穿梭車物流輸送效率，進(jìn)而提高了滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)的整體輸送效率，保障滌綸長絲生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力。隨著三工位智能穿梭車自身的改進(jìn)與不斷發(fā)展，相信它將在未來滌綸長絲自動(dòng)包裝系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)滌綸長絲生產(chǎn)企業(yè)向自動(dòng)化、信息化、智能化的方向邁進(jìn)，助力化纖行業(yè)實(shí)現(xiàn)“智能智造”。