鋁板帶生產(chǎn)企業(yè)物流智能化改造淺析

張建輝

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

1 鋁板帶加工企業(yè)實現(xiàn)物流智能化的目的和意義

目前，在我國工業(yè)企業(yè)逐步向智能化生產(chǎn)模式轉變的大趨勢下，現(xiàn)有鋁板帶加工企業(yè)開展技術創(chuàng)新、進行智能化探索勢在必行，以逐步實現(xiàn)加工生產(chǎn)物流、裝備、控制及維保智能化，逐步實現(xiàn)生產(chǎn)設備網(wǎng)絡化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化、生產(chǎn)文檔無紙化、生產(chǎn)過程透明化、生產(chǎn)現(xiàn)場無人化，全方位提高企業(yè)管理水平、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益[1]。

物流智能化在鋁板帶加工企業(yè)智能工廠中占據(jù)十分重要的位置，實現(xiàn)物流智能化意義重大。鋁板帶產(chǎn)品的物流狀況和生產(chǎn)銜接順暢程度、生產(chǎn)效率以及全流程信息管控等直接相關。除此之外，合理的物流智能化方案，還可以大大降低企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的物流成本，減少工人的勞動強度。本研究結合筆者的實際工作，從改造的角度對鋁板帶加工工廠物流智能化設計方案進行分析、對比和研究,希望為我國鋁板帶行業(yè)智能轉型升級提供參考。

2 我國鋁板帶生產(chǎn)企業(yè)智能化物流發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)大多數(shù)鋁板帶生產(chǎn)企業(yè)的物流智能化發(fā)展滯后，僅有少量企業(yè)通過自動化集成，明顯縮短車間各工序周轉時間，減少操作工人數(shù)量，顯著提高生產(chǎn)的安全性和可靠性。另外通過一些管理系統(tǒng)的引入，實現(xiàn)物料的追蹤和庫存的智能管理，將人從體力勞動中解放出來。主要技術應用是采用各種自動化機械設備和自動化生產(chǎn)線大批量替換生產(chǎn)線上的工人，這表明鋁板帶生產(chǎn)企業(yè)設置智能物流是一個有潛力、有優(yōu)勢、可長期不斷深入的過程。

筆者曾經(jīng)對國內(nèi)多家鋁板帶生產(chǎn)企業(yè)進行調研走訪。少數(shù)幾家企業(yè)采用了高架倉庫或平面智能庫，再輔以AGV或ACT運輸車進行物流智能化管理，多數(shù)企業(yè)沒有建設智能化物流系統(tǒng)，其設備布置、物流、廠房、管理等未經(jīng)統(tǒng)一規(guī)劃, 主要體現(xiàn)在其物流比較分散，物流管理仍處于人工管理模式，如車間內(nèi)部或兩個車間之間的鋁卷運輸采用大卡車、大噸位叉車或平板車、天車等實現(xiàn)，車間組織生產(chǎn)需要設專門的車間調度人員。車間調度人員需要通過生產(chǎn)工藝卡片和管理經(jīng)驗進行產(chǎn)品生產(chǎn)調度，原料、在制品和成品當前位置和狀態(tài)等信息需要根據(jù)預估工序經(jīng)歷時間進行人工現(xiàn)場跟蹤。車間調度人員依據(jù)現(xiàn)場跟蹤情況決定是否調整計劃；車間生產(chǎn)操作人員需按照工藝卡片進行生產(chǎn), 本工序完成后,操作人員手工增加該工序的生產(chǎn)信息，然后進入下道工序，每道工序都會重復一遍，直至成品庫出庫。人工管理物流方式的生產(chǎn)效率和物料周轉效率低下，且錯誤頻出。

3 鋁板帶加工企業(yè)物流智能化改造方案研究

3.1 物流智能化改造主要內(nèi)容

鋁板帶生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)目標產(chǎn)品和細分市場的不同，需要選擇不同的生產(chǎn)工藝。目前主要的生產(chǎn)工藝有三種[2],分別為：(1)原料-立式半連續(xù)鑄造-熱軋-冷軋-精整及熱處理-板帶產(chǎn)品；(2)原料-鑄軋-冷軋-精整及熱處理-板帶產(chǎn)品；(3)原料-雙帶式連鑄連軋-冷軋-精整及熱處理-板帶產(chǎn)品。

無論采用哪一種供坯方式，都需要設置原料庫、在制品庫和成品庫，這些庫房和生產(chǎn)設備之間、庫房相互之間都需要通過運輸系統(tǒng)進行關聯(lián)，原料庫、在制品庫、成品庫和運輸系統(tǒng)是物流的核心組成元素，對這些庫房管理和運輸系統(tǒng)的智能化升級改造是物流智能化改造的主要內(nèi)容，并形成一個有機的整體。

需要說明的是，在制品庫需要和生產(chǎn)設備、原料庫、成品庫及運輸系統(tǒng)發(fā)生關聯(lián)，物流關系非常復雜，進行智能化物流改造時考慮的因素也最多。因此，本文以在制品庫改造為例，對智能化物流改造方案進行研究。

3.2 在制品庫物流智能化改造方案研究

前些年，筆者有幸參與了某鋁板帶加工企業(yè)的設計工作。該企業(yè)熱軋開坯的產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模為15萬t/a，采用的生產(chǎn)工藝為原料-立式半連續(xù)鑄造-熱軋-冷軋-精整及熱處理-板帶產(chǎn)品，主要生產(chǎn)設施有熔鑄車間(含1個原料庫，為其中的1跨)和板帶車間(含2個在制品庫和1個成品庫，均各占1跨)組成，其中，在制品庫Ⅰ為熱軋卷庫，在制品Ⅱ為冷軋卷庫，原料庫、在制品庫及成品庫均未設置智能天車。

經(jīng)過近兩年的生產(chǎn)實踐，其在制品庫的庫房管理痛點比較突出，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：鋁卷堆放雜亂無章，人工找卷困難，出庫、盤庫工作效率低，現(xiàn)場操作工人勞動強度大；現(xiàn)場操作工人工作隨意性較大，同時也存在一定的安全隱患；曾經(jīng)出現(xiàn)過生產(chǎn)系統(tǒng)上的庫卷信息和實際庫房盤點信息不符，給庫房管理工作帶來一定的困難。

為了解決這些痛點，需要對在制品庫房進行智能化改造。雖然高架倉庫和平面智能庫兩種形式都可以考慮，但采用高架倉庫存在投資大、受廠房高度限制等諸多因素影響，與之相比，對現(xiàn)有庫房進行智能化改造是比較務實的做法。因此本文重點推薦庫房智能化改造，其主要內(nèi)容是為其庫房設智能天車(實現(xiàn)智能物流的載體)和增加智能庫管系統(tǒng)。下面以在制品庫Ⅰ為例說明改造方案。

3.2.1 在制品庫Ⅰ設智能天車方案

在制品庫Ⅰ為熱軋卷庫，此庫房原有兩臺A5工作制的普通天車。熱軋卷庫設智能天車有兩種方案，一是新增智能天車，二是改造普通天車為智能天車。經(jīng)過詢價，新增一臺智能天車和改造兩臺普通天車為智能天車的花費相當。究竟采取哪種方案，需要進行計算分析，按照計算分析的結果進行選擇。需要指出的是，在制品庫Ⅰ所在的廠房是按照天車A5工作制設計的，若新增智能天車，其工作級別需要和廠房相適應，即其工作級別不能高于A5工作制。

新增智能天車工作級別的確定。天車的工作級別是根據(jù)天車的利用等級和荷重狀態(tài)查表確定。天車的利用等級是用設計壽命期內(nèi)總的循環(huán)次數(shù)查表得知。按照既定的產(chǎn)品方案，全年生產(chǎn)熱軋卷共計13850個卷，需要完成進庫(從熱軋機上卸下來的熱軋卷進入本庫)和出庫(在本庫冷卻完成的熱軋卷運送至冷軋機)兩次工作循環(huán)(不考慮中間倒卷)，所以天車設計壽命期(20年)內(nèi)總的循環(huán)次數(shù)為，CT=13850×2×20=0.55×106次。根據(jù)GB/T 3811-2008起重機設計規(guī)范中起重機的使用等級，得知天車的利用等級為U6等級。

天車的荷重狀態(tài)是用荷重譜系數(shù)查表得知。該天車整機的荷重譜系數(shù)為，

(1)

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品信息，產(chǎn)品1每卷重量14.3t(P1),工作循環(huán)次數(shù)4475(C1)；產(chǎn)品2每卷重量14.5t(P2),工作循環(huán)次數(shù)1566(C2)；產(chǎn)品3每卷重量11.2t(P3),工作循環(huán)次數(shù)7809(C3)；天車的安全工作荷重Pmax為20t,代入式(1)計算得出，天車荷重譜系數(shù)Kp=0.261。

根據(jù)GB/T 3811-2008起重機設計規(guī)范中起重機的荷重狀態(tài)及荷重譜系數(shù)，得知天車的荷重狀態(tài)為Q3。

按照天車利用等級U6和荷重狀態(tài)Q3，根據(jù)GB/T 3811-2008起重機設計規(guī)范中起重機整機工作級別，得知天車工作級別選擇A7工作制。

從上述計算結果得知，采用新增智能天車方案，在制品庫Ⅰ所在的廠房需要改造設計，需要重新報批報建，停工建設，因此不建議采用該方案。建議將原來的普通天車改造成智能天車(不改變其工作級別，無需改造廠房)。

3.2.2 在制品庫Ⅰ智能天車改造方案

普通天車改造成智能天車，其核心是三維精準定位，庫房管理系統(tǒng)可以根據(jù)天車在庫房內(nèi)的網(wǎng)格定位位置吊取卷材，實現(xiàn)卷材放在系統(tǒng)指定位置和從指定位置取卷，從而實現(xiàn)進庫和出庫的智能控制。

天車智能化改造進行三維精準定位，可采用激光導航技術、二維碼技術和編碼電纜技術，這三種技術各有優(yōu)缺點，本文以編碼電纜技術為例闡述實現(xiàn)天車的大車運行方向和小車運行方向上的精準定位。

編碼電纜內(nèi)部有若干對導線，按照特定的格雷碼規(guī)則編制，各對線在不同的位置交叉，將各對線重疊在一起壓制的護套內(nèi)。編碼電纜和天線箱之間是通過電磁耦合來進行通信，并在通信的同時檢測到天線箱在編碼電纜的具體位置。編碼電纜安裝在機車軌道旁，長度覆蓋移動機車的行走工作區(qū)域，即實現(xiàn)了大車方向(定義為X方向)和小車方向(定義成Y方向)的定位。

天車吊鉤在Z方向上的定位，采用常規(guī)的旋轉編碼器技術，即在鋼絲繩卷筒的連接軸上安裝旋轉編碼器，檢測鋼絲繩的收放長度，進而實現(xiàn)吊鉤在Z方向的定位。

3.2.3 增加智能庫管系統(tǒng)

智能天車改造完成后，需要考慮增加智能庫管系統(tǒng)，該系統(tǒng)也是智能化物流改造的一部分。智能庫管是智能天車的“大腦”，負責發(fā)出和接收出入庫計劃，并將計劃分解成具體的工單，高效管理庫區(qū)、調度庫區(qū)內(nèi)各種轉運設備協(xié)調作業(yè)，其主要功能模塊有，PDA移動辦公功能、數(shù)據(jù)的自動交換功能、自動配卷功能、智能調度功能、庫房智能化提示功能、射頻識別功能、庫房規(guī)劃功能。

3.3 原料庫智能化改造方案

鋁板帶加工企業(yè)的主要原料為重熔鑄錠、鋁液及中間合金等，其中運來的鋁液需要盡快倒入爐內(nèi)，不考慮存儲，原料庫的存儲主要考慮重熔鑄錠和中間合金。原料庫可以考慮新建高架倉庫，也可以考慮采用平面智能庫，建議在現(xiàn)有原料庫的基礎上進行智能化改造。由于重熔鑄錠和中間合金均是小體積物料，建議采用標準料框將重熔鑄錠和中間合金集中后放入原料庫，對料框進行編號后參與物流系統(tǒng)。其他改造內(nèi)容和在制品庫房相似，不再贅述。

3.4 成品庫智能化改造方案

成品庫同樣可以考慮新建高架倉庫，也可以考慮采用平面智能庫，同樣建議在現(xiàn)有成品庫的基礎上進行智能化改造。鋁板帶加工企業(yè)的成品規(guī)格較多，建議分類后按照客戶和規(guī)格進行分類裝箱，然后將裝成品的箱子放在托盤上，對托盤進行編號后參與物流系統(tǒng)。其他改造內(nèi)容和在制品庫房相似，不再贅述。

3.5 運輸系統(tǒng)智能化改造方案

根據(jù)多數(shù)鋁板帶加工企業(yè)的現(xiàn)有情況，絕大多數(shù)企業(yè)采用平板車、汽車和天車作為不同跨間、設備之間的物料流轉。因此，本次研究主要考慮有軌平板車智能化改造和新增智能運輸車。

(1)過跨車智能化改造。有軌平板車主要用于庫與庫之間、跨與跨之間轉運物料，通過對過跨車的改造，實現(xiàn)自動轉運，其智能化改造可以采用編碼電纜技術，當然也可以采取激光導航、磁釘導航、磁條導航等，此技術相對比較成熟，這里不再贅述。改造后的過跨車服從智能庫管系統(tǒng)的調度和管理。

(2)新增智能運輸車(AGV)。目前已用的智能運輸車是插桿式的，生產(chǎn)設備的開卷和卷取滿足要求的企業(yè)可以采用這種智能運輸車。有些企業(yè)生產(chǎn)設備的開卷和卷取均無法用插桿的智能運輸車上料、卸料，需考慮采用無人駕駛的無軌平車實現(xiàn)鋁卷的轉運，再借助智能天車吊裝實現(xiàn)上料、卸料。

4 物流智能化改造完成后的效果

物流智能化改造完成后，全廠的物流系統(tǒng)形成一個有機的整體，可以達到以下效果：

(1)提高生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)物流的各個環(huán)節(jié)，均采用人工，生產(chǎn)效率低。最直接反應生產(chǎn)效率的指標是產(chǎn)品的平均交貨期，正常情況下，物流智能化改造完成后，產(chǎn)品的交貨期可以縮短至3d～5d。

(2)減少操作人員。物流智能化改造完成后，在庫房管理、天車駕駛和料卷運輸?shù)确矫婢梢詼p少操作人員，按照15萬t熱軋開坯的鋁板帶加工企業(yè)考慮，可以減少操作人員30人左右。

(3)可以提高生產(chǎn)的安全性、可靠性。傳統(tǒng)的物料周轉時，操作人員操作時必須小心謹慎，防止意外事故發(fā)生。物流智能化改造完成后，可以減少人工操作，智能化物流系統(tǒng)指揮物流設備完成程序化操作，生產(chǎn)的安全性、可靠性得以提高。

(4)可以實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)收集與反饋。智能物流

系統(tǒng)可實現(xiàn)對訂單信息、產(chǎn)品信息、工藝參數(shù)、車輛信息、裝車信息的收集，通過與車間的生產(chǎn)管理系統(tǒng)對接，將數(shù)據(jù)反饋到車間的整體信息采集與監(jiān)控中。

5 結論

綜上所述，鋁板帶加工企業(yè)進行物流智能化改造是企業(yè)應盡快策劃和組織實施的課題，也是行業(yè)發(fā)展的需要，大勢所趨。高效、智能化的物流管理系統(tǒng)可提高企業(yè)物料周轉效率，可大幅降低企業(yè)物流成本,降低人工成本。但需要特別指出的是，目前，庫房管理系統(tǒng)雖然設置了數(shù)據(jù)的自動交換功能，但以國產(chǎn)設備為主的鋁板帶生產(chǎn)企業(yè)，配置二級系統(tǒng)的不多，有的甚至連基本的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)都未配置，設備電氣系統(tǒng)需要先行改造，實現(xiàn)鋁板帶加工企業(yè)的物流智能化仍然任重而道遠。