探秘西門子開關全流程柔性自動化工廠

文/ 本刊記者 任 芳

近期，上海西門子開關有限公司與極智嘉攜手打造的全流程柔性自動化工廠成功落地，該工廠通過貨到人揀選機器人、貨箱到人揀選機器人、四向穿梭車、智能搬運機器人的無縫協作和AI智能調度，率先在業內實現了離散型工業物流從收貨到產線送料的全流程機器人作業和物料信息化管理，在出入庫效率、存儲能力、供料及時率以及人力節省等方面取得突出成效。

1993年，西門子（中國）有限公司和上海電氣集團共同投資建立上海西門子開關有限公司（以下簡稱“西門子開關”），致力于6～40.5kV中壓空氣絕緣開關設備的設計、生產、銷售和售后服務。目前，公司擁有員工500多人，年產超過35000臺真空斷路器和12000臺中壓開關柜，產品被應用于國家重點項目及各種橫跨中國的工業應用，例如數據中心，電子工廠，石油化工廠等。近期，本刊記者走進上海西門子開關有限公司，深度揭秘最新落地的全流程柔性自動化工廠。

物流升級是邁向工業4.0的重要一步

“西門子開關作為電氣產品的提供商，我們不僅要保證產品的可靠性和安全性，同時也需要滿足越來越多、操作越來越復雜的客戶定制化需求，這就需要我們在采購、物流、生產制造等全流程做出改變?！鄙虾Ｎ鏖T子開關有限公司總經理施威格博士坦言公司打造智慧工廠的初衷。在他看來，工業4.0意味著實現整個工廠的高度自動化、數字化，并通過全流程數字化，實現實時信息的全流程可視化。因此他強調，采用更加現代化、智能化的方式助力物流升級，打造自動化的高效智能物流管理體系是邁向工業4.0非常重要的一步。

但客戶定制化程度高這一特殊的離散型業務形態，使得西門子開關需要管理的物料批量小，規格多，產品混合生產度非常高，投資較大、靈活性相對較差的傳統自動化解決方案難以滿足西門子開關的需求。在經過全面細致的方案考察和驗證后，西門子開關最終選擇與極智嘉合作，引入智能機器人實現物流全流程柔性自動化。

項目概況及物流系統主要構成

為突破西門子開關原有的物料管理和物流作業效率瓶頸，改善送料流程過度依賴人工的狀況，極智嘉結合西門子開關的業務特點首先從揀貨環節開始優化，于2019年11月在揀選區上線運行“貨到人”機器人解決方案，隨后以模塊化柔性部署的方式逐步拓展至機器人收貨區、四向車立庫存儲區、質檢環節打通和自動化集貨區，于2020年10月完成了物流中心的全流程機器人覆蓋。

在極智嘉提供的整個智能倉組合方案中，共使用了4種不同類型和功能的機器人，包括貨到人揀選機器人P800、貨箱到人揀選機器人C200S、四向穿梭車和智能搬運機器人M1000，以及AI算法和智能系統。詳見表1。

主要作業流程

據項目現場物流管理人員介紹，整個作業流程主要分為6步：進料（收貨）-檢驗（質檢）-上架-存儲-揀選-集貨，每個環節通過不同類型機器人的分工協作解決了庫內超過20萬個存儲單元（SKU）原材料的收貨、分區存儲、齊套發運、產線領料等流程問題。

1.收貨

當物料送至倉庫月臺后，由叉車卸貨并送至收貨區的低位提升機，低位提升機安裝有稱重及三維檢測等功能模塊，一是確認貨物重量是否超過立庫托盤位承載標準；二是通過重量確認物料數量是否正確，可以提高工人的作業速度；三是檢測貨物有無超寬、超高等現象，避免在立庫存儲時發生危險。之后，低位提升機伸縮叉將貨物放置在機器人（無特殊注明，后文中機器人專指貨到人揀選機器人）托盤貨架上，WMS系統收到相關信息后調配機器人前來搬運，從而完成人工-自動化設備的交接。

2.檢驗

交接完成之后，WMS系統將與QMS系統進行自動交互以判斷該批次貨物是否需要檢驗，如需檢驗系統直接命令機器人將貨物送至檢驗站，檢驗站工作人員將待檢物料放入料箱中，系統隨即指派貨箱到人揀選機器人前來取貨并送至檢驗室。貨箱到人機器人主要往返于檢驗室和收貨區的檢驗站，實現“貨箱到人”作業。沒有質檢要求的貨物，則直接由機器人送至上架口。機器人完成一次送貨任務，等待系統下一個指令。

表1 西門子開關全流程柔性自動化工廠主要構成

立庫存儲區（左）與貨到人庫區（右）

圖1 項目主要作業環節及機器人應用情況

機器人根據系統指令將托盤貨物送至不同的庫區入口

3.上架

上架作業共設置有兩個工作站，分別對接四向穿梭車立庫和貨到人庫區。

四向穿梭車立庫為全自動交接。立庫入口的伸縮叉叉取托盤貨物進入立庫，入口的檢測設備再次掃描貨物條碼，核對重量、尺寸等信息，機器人在此稍作等待——若信息有誤，則繼續將貨物送回收貨區；如果貨物信息準確無誤，則機器人與立庫的交接完成，機器人開始等待執行下一個任務，同時系統指派立庫中的四向穿梭車前來取貨并送至系統指定貨位，托盤支架由其他機器人取走，從而最大化機器人使用率。

貨到人庫區為人工上架。機器人將貨物運送至人工上架（料）工作站（機器人等待信息確認后即可離開執行另外的搬運任務，無需等待工人上架完成，上架完成后的空料箱/筐由其他機器人取走），與此同時，系統會通知貨到人庫區的機器人搬運系統指定的貨架前來取貨，取貨完成后回到作業區。

4.存儲

貨物在上架前，所有信息經系統采集計算后，自動分配去向及儲位，充分利用不同儲位的效率。其中，四向穿梭車立庫存儲區主要存儲單重超過0.5kg以及長度超過40cm的貨物，可以存放兩種高度（900mm/450mm）的料箱。立庫前后兩端采用單深位，中間部分采用三深位設計，從而實現密集存儲，目前立庫存儲容量將近4000托盤位，還可以根據需要進一步擴展，提高存儲量。貨到人庫區可以存放超過18000個料箱。

5.揀選

分為人工揀選和整托自動化揀選。

機器人庫區為人工揀選，系統自動分配任務給機器人，機器人搬運貨架至揀選工作站，揀貨人員將貨物從貨架揀選至貨筐。同樣，為了極大化利用機器人，機器人搬運貨架至工作站后即可離開執行下一個任務，無需等待人工揀貨完成。

立庫設有1個整托自動化出貨口和3個人工拆零揀選站。其中，整托出貨口設置在貨到人區域，當有整托出貨任務時，機器人首先將托盤支架送至出貨口，立庫內的穿梭車將托盤貨物送至出貨口，并通過伸縮叉將貨物帶托放置在托盤支架上，隨后系統調度機器人前來搬運至集貨送料區。需要拆零揀選的貨物，則直接由穿梭車將托盤貨物送至人工拆零揀選站，揀貨員根據操作臺屏幕提示揀選貨物，揀選完成，原托盤貨物回到立庫存儲；揀貨筐被機器人送至集貨送料區。值得一提的是，人工揀選站臺增設有稱重設備，可以根據重量檢驗揀選貨物數量是否正確。

收貨入庫區

立體存儲區入口（左）與貨到人庫區入口（右）

貨到人庫區內，機器人根據系統分配的任務搬運貨架至揀選工作站

立體存儲區內四向穿梭車將托盤貨物送至拆零揀選工作站

立庫存儲區拆零揀選工作站，揀選站臺增設有稱重設備，可以根據重量檢驗揀選貨物數量是否正確

立庫存儲區整托出貨流程

6.集貨

揀選完成后，所有貨物在集貨區緩存等待，最終根據產線需要通過搬運機器人進行運送。

項目亮點及應用效果

基于機器人的全流程應用，該項目在出入庫效率、存儲能力、供料及時率以及人力節省等方面均取得突出成效，并呈現出諸多亮點。

一是全流程透明可視。通過數字化的智能平臺，可以實時查看揀貨效率、收/發貨（料）情況、機器人布局及路徑規劃，以及倉庫進出口流量、交付產線情況等，信息可視化幫助管理人員實時掌握庫區動態，實現了庫存精益化、智能化管理，增強了物料的可追溯性。

二是全天候智能理貨。借助極智嘉AI算法，貨到人庫區每天根據貨架的熱力值進行智能理貨；立庫區則按照生產計劃每天進行智能理貨，將高流動量貨物調整至離出貨口更近的位置。

三是為制造業需求量身定制反向揀選。在立庫拆零揀選作業中，當需要拆零的貨物數量占整托貨物的比例到達一定程度（例如：整托貨物共200個零件，揀選需求為190個），系統會提示揀貨員做反向揀選。該模式下，揀貨員將多余的貨物揀出（依照上例，揀出10個）放入反向揀選緩存筐中（筐內貨物到達一定數量或一定時間后由穿梭車送回立庫存儲，系統自動記錄相關信息），系統將余下的托盤貨物（依照上例，190個）視為整托出貨，按照整托出貨的流程通過機器人送往集貨區，從而大幅提高制造場景下的出庫揀選效率。

四是機器人串聯作業提高柔性，大幅降低勞動強度。在倉庫作業中，搬運和行走耗費著作業人員的大量體力，機器人代替人完成搬運，既降低了工人作業強度，供料及時率及準確率也得到有效保證。并且，機器人系統柔性很強，能夠快速部署實施。據介紹，貨到人庫區從部署到上線運行僅用時兩周。

收貨區的檢驗站

貨箱到人機器人往返于檢驗室和收貨區的檢驗站，實現“貨箱到人”作業

搬運機器人將物料按照生產節拍送至產線

通過全流程機器人作業和物料信息化管理，項目在出入庫效率、存儲能力、供料及時率以及人力節省等方面取得突出效果

此外，該項目在效率、倉庫利用率等方面也有突出表現。根據項目運行的數據，通過立庫的高密度存儲，存儲能力增加2～3倍，同樣數量的物料存儲，倉儲面積由1.5萬m2減少為5000m2。

值得一提的是，由于西門子開關非常重視安全，因此極智嘉在進行系統設計時，也進行了充分考慮，與西門子開關共同探討打磨出解決方案。如在立庫系統中增設安全門（消防門），平時處于關閉狀態，當有貨物上架時才自動打開；將機器人揀選站用醒目的黃色進行特別標注；設置各種急停、安全設置等。另外，由于機器人定位精度小于10mm，因此機械方面的對接非常準確，避免了因人工作業放置不整齊而造成的傾斜倒塌等危險。在布局上，該項目也十分緊湊，并且充分利用閑置場地設置機器人充電位，基于機器人充電5分鐘可運行2小時的良好表現，整個貨到人工作區僅安裝了4個充電位即可滿足該區域所有機器人的不間斷運行。

據悉，西門子開關還將進一步對車間進行自動化升級，包括部署機器人產線送料和成品收貨系統，以及升級MES系統等。未來，通過系統間的無縫對接，車間生產和倉庫供料節拍將更加高效、協調、流暢。