柔性自动化智能工厂之仓储物流系统 - 数控行业

导读

本文重点讨论仓储物流系统对柔性自动化工厂的支撑问题。

作者：佰思杰CTO 骆金松

仓储物流系统的柔性问题

随着个性化定制的需求越来越突出，多品种、小批量、短交期对生产管理造成了很大难度。许多企业意识到要解决柔性自动化，必须考虑建设柔性自动化和智能工厂。许多企业建设智能工厂，通常会选择建设柔性化自动化的生产线, 但是一些企业投入了很多资金，进行了柔性自动化改善，但没有发挥出应有的效益。

造成柔性产线不能发挥应有作用的原因很多，最典型的是柔性产线依然是一个自动化和信息孤岛，企业其他部门的工作没有跟上来，例如物料齐套率不高、缺少自动化配送，该自动化系统的作用不能充分发挥。造成这个问题的原因，是配套的工作没有同步进行，包括信息系统的建设，物流系统的建设、供应链系统的建设、设计工艺的模块化和结构化等。

本文重点讨论仓储物流系统对柔性自动化工厂的支撑问题，常见的问题包括：

（1）计划排程、物料齐套、提前备料做的不够好。

（2）仓储物流系统与MOM/MES系统的集成和协同不好。

（3）仓储物流系统自身的灵活性不够。

（4）容器的标准化不够。

（5）仓储物流系统的可靠性不好。

（6）对工装、空容器的自动配送和回收调度不好。

（7） ……

智能排程与齐套性检查

生产计划不仅用来指导生产，还用来帮助提前进行生产准备，这包括物料的备料、工具工装的准备。对于多品种、小批量、短交期、多变化的柔性自动化工厂，生产计划的制定、物料的齐套通常是非常困难的，尤其是经常插单、工艺经常变更、生产过程不稳定的情形，生产计划需要经常调整，备料计划也必须相应调整。

图计划智能排程与调度优化

生产计划是整个工厂运行的指挥棒，生产计划需要指导物料的备料、工具工装的准备、拉动物料的配送、驱动自动化设备自动生产、按顺序进行生产切换等。如果生产计划不合理，将导致产能的巨大损失，原材料和在制品积压、无法按期交货等许多的问题。

基于高级计划排程APS，建立拉动式的计划体系，不仅考虑单个设备、单条产线产能的约束，还需要考虑不同自动化产线之间的平衡，优化瓶颈，减少在制品。例如有些批量生产的工序(例如烘烤、老化、干燥)，或瓶颈工序需要拉动上游工序的生产，这样可以有效减少在制品的数量，自动化工厂在制品缓存都有一定的容量限制。

系统可以快速验证生产计划的合理性，例如检查物料的齐套性、工具工装的准备，提前驱动生产准备，并对异常进行及时的预警。过去要人工去了解和跟踪物料的齐套、工具工装的情况，无疑需要花费大量的时间，而且得到的信息时效性比较差，经常会造成计划不合理。

对于多品种、小批量、短交期、多变化的工厂，APS解决了过去常说的“计划没有变化快”的问题，排程模块可以根据收集的最新信息，设备的可用情况、订单的齐套性等，支持快速滚动重排，确保计划更新的合理性和及时性，同时针对一定周期内的生产计划进行锁定，保证生产计划的稳定性，这一点对于柔性自动化工厂无疑是非常重要的支撑。

物料和工装提前备料入库

对于自动化的工厂，越来越多的工厂建设了立体仓库，并配备了自动输送线、AGV等自动化物流设备。但是如果缺少根据生产计划的提前备料，以及生产执行过程中根据实时进度驱动自动出库和AGV提前准时配送，就无法支撑自动化产线的连续生产。

为了实现生产过程中的自动化物料、工装配送，一般需要事先将、工装入自动化立体库，为了加快自动化立体库的周转率，可以根据最近生产计划所需要的物料、工装先备料到立体库中，一旦生产计划即将被执行时，就可以提前拉动相关的物料、工装精准配送到工位。

备料过程通常需要考虑：

（1）按生产计划生成备料计划，计划调整需要联动更改备料计划

（2）按生产订单精准备料，使用RFID、条码对备料的容器进行标识

（3）备料好的容器可能需要组托，方便运输到立体库上料口、入库时拆托

（4）根据策略自动分配立体库货位，驱动立体库自动入库

（5）系统记录每个备料容器的货位，以便需要时精准拉动配送

（6）相同生产计划的物料入库尽量集中存放，便于生产执行时快速协同出库配送

某企业应用场景：系统自动根据备料计划自动生成备料计划，备料员按备料计划借助PDA进行备料，并将备料信息写入容器的RFID标签中，容器组托为托盘，物流员使用叉车运输到自动化立体库上料口，自动拆托装置自动拆托，识别RFID中的备料信息，系统分配货位，并驱动容器自动入立体库等待生产配送指令出库。

图自动分配货位入自动化立体库

自动拉动物料配送

对于自动化设备，上料点一般只能储存非常有限的物料，配送太多物料到配送点导致上料点无法接收，甚至占用AGV设备，或导致自动化输送线的拥堵。如果配送不及时会导致生产线停工待料。所以必须确定合理的配送策略，实时监控上料点的物料消耗，及时进行补充配送。

图柔性自动线的物料输送系统

例如，MOM/MES调度平台，可以根据各个上料点配送物料的周期及上料点可缓存的容量，设置物料任务下发的数量，以此来控制物料在途数以及下发节奏，从而保证物料的及时供应，也不至于造成物流的阻塞。

并非所有配送点都可以基于自动输送线，必要时可以使用AGV进行接力配送。

图双工位AGV执行配送任务

拉动物料的精准配送通常需要考虑：

（1）建立物流配送的相关模型

（2）定义配送策略

（3）根据生产计划建立配送队列

（4）根据生产实际进度拉动配送

（5）创建物料、工装配送指令

（6）驱动立体库、输送线、AGV的物流执行

（7）避免工位物料缺料

（8）避免堵塞主输送线

（9）配送过程中的优化，例如双工位AGV、堆垛机成组

（10）确保物料正确的配送顺序

（11）要考虑空容器的自动回收

（12）监控物流的执行过程

（13）处理物流过程中的异常

（14） ……

工装的配送和回收

除了物料以外，还需要进行工具工装的准备，根据生产计划，系统可以自动检查工具工装的齐套情况，不齐套的工具工装需要事先入库到立体库，并实时监控工具工装的齐套情况。生产过程中，根据生产的实时进度，驱动立体库自动出库，AGV自动将工具工装配送到工位，工装使用完毕需要并对拆卸下来的工装及时回收。

例如某企业热压工序需要进行粉末冶金成型，模具是重要的工具工装，不同产品的形状、尺寸不同，需要使用不同的模具，因为涉及到数以百计的热压机，每天有大量的模具出库、预热、配送任务，这些工作必须合理的安排，否则会影响到热压工序的连续生产。

图拉动模具的配送、驱动模具的回收

上图展示了模具的出库、配送、预热、更换、模具回收的全过程。其中只有更换过程需要人工参与，其他所有工作包括模具的自动出库、模具输送线AGV自动配送到预热箱、模具在预热箱自动预热、预热好的模具AGV配送到工位、AGV将回收的模具配送到立库、立库堆垛机自动入库全过程都自动实现。

图使用无人叉车AGV配送或回收模具

基于这种方法，即使还没有到上班时间，MOM/MES系统根据当日生产计划，可以调度立体库模具提前出库，通知AGV将模具配送到指定的预热箱进行预热，这样员工上班之后就可以立刻进行模具安装或换模，最大限度减少热压设备等待时间。这样人和机器和谐交互，充分发挥各自的优势。

对于工装的配送和回收，此过程通常需要考虑：

（1）根据生产计划自动生成工装准备计划

（2）按工装准备计划准备工装入立体库

（3）按需提前拉动工装的自动配送，必要时进行预处理，例如预热

（4）自动创建任务指导工装的安装

（5）驱动拆卸下来的工装的自动回收入库

（6） ……

产线柔性自动化生产

对于自动化的生产，MOM/MES需要建立一套可自动执行的闭环控制流程，包括设备的唤醒、拉动物料配送、工艺参数下发、自动上料、启动设备生产、采集与自动报工、任务完工、生产切换控制等。

生产线按一定的速率生产产品/半成品，同时消耗零部件和原材料，MOM/MES需要监控上料点的消耗情况，提前拉动物料的配送，维持生产的持续性，同时确保生产物料的持续供应。

当某自动化设备生产完一个订单时，按计划排程的顺序要自动切换到下一订单继续生产。前一个订单生产完成之前，下一个订单的物料可能已经开始配送，以便可以确保产线的连续生产。

在制品自动转序和成品入库

对于自动化产线产出的半成品，应该及时装盒（或其他容器、托盘等），MOM/MES应实时掌控产线产出半成品的情况，并及时驱动AGV将半成品配送到下一自动化产线和设备的上料点。同时在在制品到达下个工序前，下达工艺参数、检验参数等加工信息，保证设备加工时有对应的工艺控制信息。

对于后工序有较长等待时间的情况，例如产品需要静置若干小时、或者后工序是批量生产方式（例如烘烤、老化、干燥），需要积累一定量的半成品，此时可能需要驱动AGV临时入缓冲区，甚至驱动入自动化立体库暂存。

MOM/MES需要掌握在制品流转的实施情况，包括监控在制品缓冲区、立体库的货位使用情况、并调度空容器，以确保自动化产线产出产品时不会因为空容器不足而停止生产。对于已消耗的物料产生的空容器，MOM/MES应该驱动物流系统及时回收。

图在制品自动转序和成品入库

MOM/MES必须实时掌握工厂的运行情况，实物流和数据流必须保持一致。原材料的配送、在制品的周转、成品的入库、工具工装的配送都离不开容器和托盘。一般需要采用RFID和条码技术。

对于柔性自动化的工厂，RFID的识别一般是自动进行的，例如堆垛机、输送线、AGV、机器人手臂、自动化设备、PDA通常都具有RFID和条码识别装置。

图机械手臂自带RFID识别功能

WMS、LES、MES的关系

如下图分析了支撑柔性自动化生产的相关要素，相关的每个业务都在制造过程中发挥着各自的支撑作用。柔性自动化生产线能否高效运转的最大挑战不是来自柔性单元和柔性生产线本身，而是来自于对生产支撑相关要素的统一调度和优化。只有如下这些业务紧密的协同，才能完成高效自动化柔性生产。

生产环节从来就是各种信息和各种业务的汇集地，工厂几乎其他所有的业务环节都是为生产产品服务的，这一点本质上决定了核心是支撑生产的MES系统与其他业务板块存在复杂的协作。如下图，从产品生命周期维度、价值链维度、信息化层次等维度来看，生产都是信息和业务汇聚的核心。

图生产是各信息和业务的汇聚点

分别实施MES（制造执行系统）、WMS（仓库管理系统）、LES（物流执行系统）等系统，从原理和实现上都是可行的，虽然这些系统可能实现了局部的优化，却容易忽视了全局的优化，事实上导致了严重的信息碎片化。小系统之间的无缝集成做到并不容易，不同应用之间的边界不够清晰，存在重叠和交叉，要进行这样的集成，需要供应商做让步和修改，这经常会触及到某些供应商的利益。你的宝贵时间可能浪费在不同供应商的争吵之中。

控制复杂性，避免碎片化是信息系统建设的基本思想。一个更好的方案是选择成熟的包含了MES、WMS、LES等模块MOM平台， MOM已经实现了这些模块之间的协同。包含这些模块成熟的MOM平台通过一体化的平台和良好的设计，对外屏蔽了内部的复杂性，这避免了碎片化、降低了集成的风险。分别实施MES、WMS、LES等系统，等于将MOM内部的复杂度暴露了出来，这对于客户的能力方面也提出了很高的要求。

MOM通过状态感知实现了信息流与实物流的一致性，一体化平台内部多个模块，更容易实现深度、更大范围内的优化，这是通过多个系统集成难以做到的。这包括生产计划、生产准备、生产执行、仓储管理、物流执行、设备状态、质量控制等各个方面，并通过工业智能、自主控制实现对工厂的动态调度和优化，基于智能化的精准预测和即时行动为柔性自动化工厂赋能。

平台必须是柔性可配置的

现在，与人力、设备、资本、物料、技术等生产要素一起， MOM已经成为柔性自动化工厂所必备的新生产要素。柔性自动化工厂比其他工厂更关注企业信息系统的柔性。

选择成熟的MOM产品平台，可以大幅度实施柔性自动化工厂项目的风险，实现合适成本、更高质量、更快地交付。选择MOM平台是很容易关注功能符合性，而忽略产品的平台化、扩展性与灵活性，这是要吃大亏的。

产品支持采用模型驱动、动态可配置的低代码开发方式进行个性化定制开发。柔性可配置包括两个方面，一个方面是面向业务人员的，包括集成服务商、用户方业务人员。业务人员通过系统提供的工具可以快速建立和修改业务模型，从而实现业务调整快速适配。

建模包括两个方面：静态的部分和动态的部分。

（1）结构建模通常是静态的，用于映射工厂的对象和结构关系，例如组织结构、车间布局、工位和连接关系、仓库、存储分区、货位结构、车间缓存区、物流配送点、物流设备/容器、配送路线等。

（2）行为建模通常是动态的，用于定义系统的行为，包括数据处理、分析、预测、优化和控制等，例如：用户权限规则、仓储上/下架策略、物流拉动/配送规则、物流拥塞控制规则等。

当工厂的生产布局、组织架构、物流路线等发生变化时，主要由这些业务工程师负责对相关的模型进行调整，调整之后不需要生成代码立刻生效，不需要交给程序员去修改代码。

另一个方面是面向IT工程师提供的低代码开发工具，通常包括：数据库结构建模、用户界面表单设计、菜单结构设计、报表看板设计、工作流设计、基于脚本的插件开发、组织结构建模、权限建模等方面工具。这些建模工具应该针对特定的用途分别设计，低门槛，易于使用，便于集成服务商或用户对系统进行持续快速、低成本地维护，满足客户的个性化需求，以及需求的快速变化。

总结

柔性自动化生产线能否高效运转的最大挑战不是来自柔性单元和柔性生产线本身，而是来自于对生产支撑相关要素的统一调度和优化，这其中就包括计划排程、生产准备、仓储管理、物流执行、生产执行、质量控制、资源维护等。只有这些业务紧密的协同，才能完成高效自动化柔性生产。

分别实施MES（制造执行系统）、WMS（仓库管理系统）、LES（物流执行系统）等系统，从原理和实现上都是可行的，虽然这些系统可能实现了局部的优化，却容易忽视了全局的优化，事实上导致了严重的信息碎片化。小系统之间的无缝集成做到并不容易，不同应用之间的边界不够清晰，存在重叠和交叉，要进行这样的集成，需要供应商做让步和修改，这经常会触及到某些供应商的利益。你的宝贵时间可能浪费在不同供应商的争吵之中。

控制复杂性，避免碎片化是信息系统建设的基本思想。选择成熟的MOM产品平台，可以大幅度实施柔性自动化工厂项目的风险，实现合适成本、更高质量、更快地交付。MOM已经实现了APS、MES、WMS、LES等这些模块之间的协同。包含这些模块成熟的MOM平台通过一体化的平台和良好的设计，对外屏蔽了内部的复杂性，这避免了碎片化，降低了集成的风险。

现在，与人力、设备、资本、物料、技术等生产要素一起， MOM已经成为柔性自动化工厂所必备的新生产要素。柔性自动化工厂比其他工厂更关注企业信息系统的柔性。选择MOM平台是很容易关注功能符合性，而忽略产品的平台化、扩展性与灵活性，这是要吃大亏的。