W鋼廠厚板成品庫紙牌式堆垛的實現與優化

李紅偉，徐克林

（同濟大學 機械與能源工程學院 工業工程所，上海 200082）

1 引言

從對我國8家鋼鐵企業生產效率的Malmquist分析可以看出，生產效率的提高主要是依靠生產前沿技術向前推進，因此，進一步提高鋼鐵生產的技術水平尤為重要[1]。根據現有的裝備情況和組織方式進行生產計劃的改進，發揮現有設備的能力，是提高生產效率的一個非常關鍵的環節。濟鋼從生產計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計劃，不但能夠保證合同的兌現，同時也提高了作業效率和機時產量[2]。在信息化技術方面，舞鋼100 萬t 厚板新線采用了制造執行系統（MES），它以現代信息技術為支撐，按合同的訂單組織生產，實現了合同周期的全流程的動態管理。該系統的開發成功，降低了生產管理成本，提高了生產作業效率，保證了信息傳輸的及時性與準確性[3]。借鑒工業工程相關理論[4]，結合W 鋼廠厚板成品庫特點，開發了成品庫信息管理相關功能，結合W鋼廠厚板運輸方式及設備的特點，就W 鋼廠厚板成品庫紙牌式堆垛的現有技術進行了剖析，對減少鋼板發貨時的倒垛量，降低非增值作業，提升出庫效率等方面的措施進行了研究。

2 W鋼廠厚板系統功能介紹

W鋼廠厚板產線設置有四級計算機系統，即L1/L0基礎自動化，L2過程自動化，L3生產控制，L4生產信息綜合管理，各級系統架構如圖1所示。

W 鋼廠L4 系統串聯公司各部門，對公司整個流程信息進行管控；L4 系統傳遞相關產品信息至厚板L3系統，厚板L3編制作業計劃，形成現場作業指令，完成鋼板上、下線命令的生成、刪除，鋼板作業實績的保存和上傳，庫內鋼板信息的查詢、收發貨作業命令生成等；L3 系統將相應指令信息下傳到L2 系統，由L2 過程計算機對鋼板實物進行在線的生產跟蹤，并向其下達作業指令參數，L2 執行完成后將結果反饋到L3 系統，然后上傳L4 保存；四級計算機系統之間通過數據交換，得以保證厚板產線順利的生產、快捷入庫和出庫。

圖1 W鋼廠各級計算機系統架構

3 紙牌式堆垛相關概念及意義

3.1 垛位勾連及其意義

鋼板的入庫堆垛就是將鋼板通過行車吊運至成品庫垛位的過程，為順利實現紙牌式堆垛過程中鋼板有序、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的概念。通過堆垛指標作為橋梁，將具有不同堆垛記號特性的鋼板與垛位預先進行勾連，即在厚板L3 系統上通過堆垛指標將鋼板與垛位提前建立對應關系而維護進系統的相關參數，以保證鋼板按照一定規則有序入庫，而且出庫時能夠集批、快速出庫，提高出庫效率。

3.2 堆垛記號的概念及其意義

銷售人員在合同接入時，在上級L4 系統上對鋼板合同數據參數進行維護，系統則根據訂貨用戶合同數據中不同的地區，建立用戶地區代碼，生成材料的最終去向代碼。

國內合同的去向地代碼根據郵政編碼加分位碼決定；根據合同量大小可以實現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行細分。例如，同一個造船廠不同船塢造的船舶可以使用不同的分位碼進行區分，使之產生不同的去向地代碼，在堆垛時分開堆放；對于同一片區，但細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，實現小客戶歸并堆垛，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合約號決定，同一大合約產生同一去向地代碼。如果用戶要求不同的交貨期交貨，則系統按照不同的合約處理，產生不同的去向地代碼。

堆垛記號則是根據材料的用戶、去向、交貨期、運輸方式等指標組合維護而成的代碼指標；不同用戶的鋼板具有不同的堆垛記號特征。

4 紙牌式堆垛過程的實現

4.1 紙牌式堆垛垛位預規劃

充分做好紙牌式堆垛原則的規劃是確保鋼板快速提貨的前提。W鋼廠厚板在實踐摸索中，制定了以用戶為單位，結合鋼板堆垛記號所包含的用戶、去向、交貨期、運輸方式，同時區分尺寸規格等信息，提前進行庫區預規劃，在L3系統上實施垛位勾連。確保了出庫批量的最大化，減少鋼板倒垛量，并動態根據厚板合同結構提前進行庫區預計劃；合理安排不同用戶、不同交貨期、不同規格鋼板的堆放區域，見表1。

根據厚板成品庫區布局特點和鋼板規格尺寸定義了垛位的概念，并區分長短垛位。

4.2 紙牌式堆疊作業過程

成品入庫作業直接影響著厚板出庫物流的順暢與否，做好入庫規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前，對入庫去向為同一堆垛庫位，長、寬尺寸相近或相同的鋼板進行預堆垛，即多塊鋼板通過預堆垛機實現在線堆疊，堆疊后運輸至相應的入庫點，通過入庫行車一次性吊運至成品庫垛位而完成三維紙牌式堆垛；通過鋼板的預先堆垛，加快了在線堆垛的物流速度，但如何在鋼板預堆垛前進行鋼板預堆垛邏輯和成品庫垛位使用原則的提前規劃，極大地影響著成品庫垛位的使用率及后續出庫發貨效率。其入庫實現過程如圖3所示。

表1 庫區垛位使用預規劃

圖3 鋼板堆疊入庫過程

4.3 紙牌式堆垛的影響分析

對于同一垛鋼板，厚板成品庫發貨時，都是根據提單要求的品種規格一次性連續發貨，當可發鋼板與不可發鋼板間隔堆放時，鋼板整垛不是從上而下按順序依次發貨，而要把位于垛位上方的鋼板吊運至其它垛位時，這就是常說的倒垛，倒垛發生后，發貨能力就會受到影響。鋼板堆疊如圖4所示。

為了研究倒垛對發貨量的影響，假設每次只能發1 塊的情況，每吊僅吊運一塊。因其具有普遍性，可以簡化分析問題的同時，不會造成大的分析結果偏差。

圖4 鋼板堆疊示意圖

設某個垛位有n塊鋼板，發貨時每次只發其中的1塊，至于發哪一塊取決于提單要求的鋼板和產品的層次號i，層次號由下向上排序，依次增大，i的取值范圍為[1，n]。當發貨需要選取層次號i的鋼板時，則需要倒垛的吊次數m=n-i。提單提取貨物對于發每一個層次號的鋼板，概率p是相同的，因此p=1/n。于是，對于該垛鋼板發貨的平均倒垛次數為q，由計算可得：

從式（1）看，垛位的吊次數n 與平均倒垛次數q成正比關系。n越大，倒垛工作量越大。在發貨作業過程中，設直接裝車吊次的作業周期為t0，倒垛吊次的作業周期為t1。從式（1）可知，當發貨吊數為1時，需要倒垛的平均吊數為（n-1）/2，則有效作業效率為：

式中，t1/t0為每一吊次倒垛作業周期與每一吊次純裝車作業周期的比值，可以定義為倒垛裝車作業周期比例系數。當車輛在發貨垛位一側裝車時，直接裝車吊次的作業時間肯定小于每個倒垛吊次的作業時間，因此，α＞1。又取決于發貨垛位與倒放目標垛位的距離，距離越大也就越大。從式（2）可以看出：每垛的吊次數n 越大，有效作業效率越低。這也充分說明，就近倒垛很重要。為了直觀地說明上述兩個規律和影響程度，選用圖解法表達。分別取α為1、2、5，計算有效作業效率，得不同n值下的有效作業率計算值，根據計算值繪制了關系曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出，就近倒垛（α=t1/t0=1 時）最節省時間。每垛的平均吊次數若超過5，有效作業效率就低于30%，對于每垛平均吊次數n=11.5的情況，作業效率僅為16%。

圖5 不同α情況下的作業效率

4.4 紙牌式堆垛模式下的出庫效率的提升

通過對紙牌式堆垛方式和效率進行理論分析后，依據其自身特點因地制宜，制定了有效的提升出庫效率的措施，主要包括以下兩方面：

4.4.1 降低α和n，以縮減出庫無效作業時間。降低α=t1/t0、n，在純裝車作業周期基本固定的基礎上，縮減鋼板吊運過程中無效的作業時間，優化裝車距離，保持低庫存運轉。

（1）擴展出庫模式，多種出庫模式并存。W鋼廠厚板產線為了實現快速出庫，開發多種可并行的出廠方式，在傳統的汽車產成品發運基礎上，開辟了在線輥道直接在制品轉庫、轉碼頭形式，使得60%的鋼板可以在線生產后直接裝車轉庫，避免了鋼板入垛位及后續的倒垛、裝車等無效吊運作業，效率大大提升。出庫模式及相應流程如圖6所示。

圖6 出庫模式及相應流程

（2）采用活動式平板車短駁。W 鋼廠厚板產線采用活動式平板車在成品庫與外倉庫間頻繁短駁，移動式平板車車頭和平板框架之間采用分離式設計，一個車頭可以對應多個同類型的平板框架，可有效避免裝貨等待；裝車作業機動靈活，可靠近垛位車道進行并排裝車，且易實現多車道并行發貨作業。

（3）控制庫存，降低垛位堆放塊數n 值。通過快速出庫，減少鋼板在成品庫的落地，避免二次無效吊運，確保成品庫庫存處于較低水平，以利于成品庫垛位的快速周轉。

4.4.2 異常倒垛量相關因素的控制

（1）鋼板堆垛實物與信息位置一致性的保證。W鋼廠厚板L3系統開發了一系列對應的成品庫管理畫面，實現了成品庫垛位編碼、垛位指派、垛位監控、垛位使用情況統計等功能，進行了垛位的平面管理，實現了電腦與行車系統連接，行車駕駛員根據系統指令順序對每塊鋼板進行有序的疊放和倒垛作業。

（2）W 鋼廠厚板盤庫模式的建立。不斷完善信息系統，通過對日常作業過程中對成品庫垛位信息與實物的監控，信息實物定期盤點，信息實物不一致情況的及時盤查追溯等手段確保了鋼板信息與實物的一致。

（3）尾單鋼板的跟蹤和清理。對發貨后，少量掉隊的部分鋼板，日常重點安排清理和歸并，避免掉隊鋼板壓在某些垛位下方，造成后續發貨時大量的倒垛。

5 紙牌式堆垛方式的優化

目前厚板紙牌式堆垛模式下，最常見的實物與信息錯位就是鋼板入庫或倒垛過程中實物放錯，而造成無法根據系統信息準確找到鋼板的垛位，為此W鋼廠厚板也進行了一系列優化措施。引入了射頻識別技術（Radio Frequency Identification 技術，簡稱RFID）。

5.1 RFID新技術的應用

射頻識別技術在鋼鐵制造業已經廣泛應用于物流與車輛管控[5]，該系統由電子標簽、讀寫器、天線以及上位控制計算機所組成。電子標簽由芯片和標簽天線組成，標簽芯片中有數據存儲區，用來存儲被識別物體的數據信息。電子標簽以讀寫器發射出的無線電電波為能源，在接收到讀寫器的指令后，對數據存儲區進行數據的存儲或讀取操作，并通過標簽天線將載波信號發送出去。并可以與上位控制計算機通信。上位控制計算機對數據進行處理和控制，并與上位信息系統進行信息交互。圖7所示的是工廠應用的一種典型的RFID系統簡圖。

圖7 RFID典型系統組成

將超高射頻識別電子標簽技術應用于厚板紙牌式堆垛管理，可以實現對厚板入庫、盤庫、出庫全程跟蹤，相當于給每塊厚板提供了一個電子身份證，發展到比較成熟的階段可以實現鋼板超市化管理，在成品庫的堆垛、發貨及清盤庫等時都可以根據電子標簽的信息進行跟蹤、校核，同時電子標簽可以跟隨厚板流轉到下游工序，為下游工序提供數據源，也為厚板的全流程跟蹤提供數據支撐。

5.2 行車自動定位系統實施

目前厚板嘗試進行的RFID 系統主要在行車定位方面取得了很大改進，通過射頻識別電子標簽在行車定位系統上的應用，結合成品庫區垛位物理坐標，預計可以更好地輔助完成鋼板的入庫，從而避免鋼板的入庫錯位問題，進一步彌補行車在入庫過程中人為確認帶來的信息與實物位置不一致的差錯。

5.3 清盤庫系統的優化和改進

通過手持式移動終端系統與RFID系統連接，對鋼板標簽進行識別和判斷，從而實現垛位動態盤庫，對異常進行判斷和調整，并將盤庫信息形成數據報告形式存檔，提高庫區信息管理自動化程度。

6 結語

在多年的生產實踐中，W鋼廠總結和完善了厚板紙牌式堆垛技術方法，但對入庫行車吊運過程中實物位置放錯，行車吊運時一次多塊疊吊帶來的信息實物位置不一致的問題，還沒有得到根本解決，為此W鋼廠也嘗試引入了RFID射頻識別技術，希望能進一步優化厚板紙牌式堆垛，但對RFID標簽的粘貼防脫落和標簽的讀取技術難題還有待進一步攻克。