自動(dòng)包裝線在碳纖維行業(yè)的應(yīng)用

紀(jì)佳溥，岳秀江，趙劍道，蔡 苗，劉曉楠

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量的特種纖維，具有其他材料不可比擬的優(yōu)異性能，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)不可或缺的戰(zhàn)略性新材料，也是爭(zhēng)奪未來(lái)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)性材料。當(dāng)前全球碳纖維行業(yè)快速發(fā)展，市場(chǎng)需求與日俱增，預(yù)計(jì)到2026年全球碳纖維市場(chǎng)需求將達(dá)到80億美元，年復(fù)合增率將達(dá)到10.8%。因此，大力發(fā)展碳纖維行業(yè)具有極高的戰(zhàn)略意義。

傳統(tǒng)的碳纖維生產(chǎn)線采用人工作業(yè)模式，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)獨(dú)立運(yùn)行，需要投入大量人力來(lái)貫通整個(gè)流程。這種生產(chǎn)模式存在著生產(chǎn)效率低、作業(yè)強(qiáng)度大、人工錄入信息易出錯(cuò)等問(wèn)題，無(wú)法適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)需求，企業(yè)迫切需要改進(jìn)原有生產(chǎn)模式，進(jìn)而解放勞動(dòng)力、降低人工成本。

隨著各種新技術(shù)的應(yīng)用，自動(dòng)包裝系統(tǒng)日漸成熟，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，可為不同用戶提供定制化解決方案，在提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、提高生產(chǎn)效率、降低人工成本等方面起到了至關(guān)重要的作用。本文從實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題出發(fā)，介紹了一套成熟的自動(dòng)包裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的智能化、自動(dòng)化、信息化，通過(guò)與碳絲系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)集成，提高了企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化、集成化與數(shù)字化水平。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)概述

在傳統(tǒng)碳絲工藝流程中，工人利用電子秤獲取碳絲重量信息，記錄重量信息；隨后計(jì)算平均線密度，依據(jù)線密度判斷等級(jí)；外檢工通過(guò)觀察碳絲外觀情況，確定碳絲最終等級(jí)與毛絲等級(jí)；受生產(chǎn)環(huán)境因素影響，同一批碳絲的工藝信息也不盡相同，需逐一核對(duì)；工人根據(jù)強(qiáng)度、模量信息，確定碳絲牌號(hào)，至此，碳絲基礎(chǔ)信息與物料信息處理完成，工人將這些信息逐一錄入ERP系統(tǒng)。錄入信息結(jié)束，碳絲交給裝箱工，裝箱工將要裝箱的碳絲逐一掃碼，打印裝箱單，手動(dòng)裝箱、碼垛。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，這種模式已成為制約企業(yè)發(fā)展的重要因素。

本文介紹的自動(dòng)包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想為集中管理、分散控制，通過(guò)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從碳絲下線，到碳絲輸送轉(zhuǎn)運(yùn)、自動(dòng)稱重、人工外檢、貼內(nèi)標(biāo)、熱塑裹膜、回庫(kù)暫存、出庫(kù)包裝、絲錠裝箱、紙箱碼垛、大包裝直接碼垛、打帶與裹膜、入庫(kù)的全流程自動(dòng)化，解決了信息頻繁錄入、工人重復(fù)勞動(dòng)、生產(chǎn)效率低下的問(wèn)題。

在不改變傳統(tǒng)工藝流程的前提下，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的工藝流程如圖1、圖2所示。從現(xiàn)場(chǎng)分布上來(lái)看，大體可分為兩部分：外檢區(qū)域與包裝區(qū)域。

圖2 包裝區(qū)域流程

1）外檢區(qū)域：這一部分的目的是在包裝前確定碳絲的最終牌號(hào)、等級(jí)。這是由碳纖維的特殊性決定的，強(qiáng)度或者模量不同，同一種產(chǎn)品會(huì)有不同的牌號(hào)。

絲車上線：通過(guò)PDA將碳絲信息與絲車信息綁定在一起，以絲車為載體對(duì)碳絲進(jìn)行輸送轉(zhuǎn)運(yùn)。

碳絲抓取：通過(guò)機(jī)器人將碳絲從絲車抓取到置紗盤(pán)，碳絲信息轉(zhuǎn)移到置紗盤(pán)，后續(xù)環(huán)節(jié)以置紗盤(pán)為載體在線體上移動(dòng)。

碳絲稱重：稱重子系統(tǒng)將稱重量信息上傳至PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)在外檢處上傳給上位機(jī)，為計(jì)算線密度提供數(shù)據(jù)支持。

外檢：外檢電腦實(shí)時(shí)顯示碳絲的強(qiáng)度、線密度、等級(jí)等信息，供外檢人員查看，同時(shí)外檢人員檢查碳絲外觀情況，錄入碳絲毛絲等級(jí)、最終等級(jí)。

貼標(biāo)：根據(jù)PLC上傳的置紗盤(pán)號(hào)，系統(tǒng)查詢對(duì)應(yīng)碳絲信息并生成標(biāo)簽信息，發(fā)送給貼標(biāo)機(jī)，貼標(biāo)機(jī)自動(dòng)貼標(biāo)。

熱塑裹膜：在碳絲表面形成一個(gè)保護(hù)性的外表，達(dá)到防塵、防水、防撞的目的。碳絲從裹膜機(jī)出來(lái)后，PLC根據(jù)外檢時(shí)定下的等級(jí)信息，通過(guò)機(jī)器人將合格碳絲抓回絲車，抓滿后碳絲以絲車為載體入中間庫(kù)，等待訂單或者攢批；將降等碳絲抓取至降等線人工取下。

2）包裝區(qū)域：依據(jù)客戶訂單或庫(kù)存情況，生成包裝計(jì)劃。

下發(fā)包裝計(jì)劃：碳纖維管理系統(tǒng)下發(fā)包裝計(jì)劃，中間庫(kù)系統(tǒng)執(zhí)行出庫(kù)任務(wù)，將符合條件的碳絲輸送到包裝區(qū)域，系統(tǒng)開(kāi)始包裝。

空板上線：輸送機(jī)將木托盤(pán)輸?shù)酱a垛處，為碳絲碼垛做準(zhǔn)備。

紙箱輸送：自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)輸送紙箱到裝箱處，自動(dòng)包裝系統(tǒng)為每個(gè)紙箱分配唯一的箱號(hào)。

絲錠裝箱：機(jī)器人將碳絲從置紗盤(pán)抓取到紙箱，自動(dòng)包裝系統(tǒng)根據(jù)置紗盤(pán)信息生成裝箱信息，記錄碳絲所在箱號(hào)及位置信息。

紙箱碼垛：根據(jù)裝箱信息，自動(dòng)包裝系統(tǒng)匹配合適的碼垛方式，碼垛機(jī)器人對(duì)紙箱進(jìn)行碼放。

大包裝直接碼垛：機(jī)器人抓取碳絲，直接碼放在木托盤(pán)上，自動(dòng)包裝系統(tǒng)記錄碳絲所在托盤(pán)號(hào)及位置信息。

碼垛下線：碼垛結(jié)束，整垛產(chǎn)品入庫(kù)，自動(dòng)包裝系統(tǒng)將裝箱信息上傳給ERP系統(tǒng)。

1.2 硬件組成

從圖中可看出，硬件系統(tǒng)包括：碳絲輸送系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、外檢子系統(tǒng)、貼標(biāo)子系統(tǒng)、裝箱系統(tǒng)、碼垛系統(tǒng)、中間庫(kù)系統(tǒng)等，涉及到的設(shè)備有工業(yè)機(jī)器人、輸送設(shè)備、穿梭車、堆垛機(jī)、龍門、PDA等。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)備層是基礎(chǔ)，包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備與執(zhí)行設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行監(jiān)視控制層下發(fā)的命令。

傳輸層將設(shè)備層采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器，保障數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸與安全，實(shí)現(xiàn)不同終端、系統(tǒng)間的信息傳輸與交換。

監(jiān)視控制層是核心，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)的匯聚存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的分析處理與物流設(shè)備控制功能，支撐了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

信息管理層承擔(dān)了數(shù)據(jù)匯總功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集成與分析，是自動(dòng)包裝系統(tǒng)的價(jià)值體現(xiàn)。

圖3 自動(dòng)包裝系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組成

圖4 自動(dòng)包裝系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.4 系統(tǒng)目標(biāo)

根據(jù)碳纖維企業(yè)的需求，結(jié)合自動(dòng)包裝系統(tǒng)的實(shí)際情況，自動(dòng)包裝系統(tǒng)的目標(biāo)如下：

1）包裝能力提升

自動(dòng)包裝系統(tǒng)日均包裝11000軸碳絲，較手動(dòng)線每班次1000多軸，效率提高了三倍以上。

2）包裝品種多樣

碳纖維種類繁多，自動(dòng)包裝系統(tǒng)會(huì)根據(jù)產(chǎn)品信息匹配不同的包裝方式。裝箱碼垛，適用于4kg及以下碳絲，根據(jù)規(guī)格可分為2×3、3×4、3×5三種裝箱方式。大包裝直接碼垛，適用于6～8kg碳絲，可細(xì)分為：6×6、5×5等碼垛方式。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 生產(chǎn)調(diào)度

調(diào)度實(shí)現(xiàn)的功能有數(shù)據(jù)采集、信息傳遞、數(shù)據(jù)處理、下發(fā)指令。PLC采集各類傳感器的信息、RFID標(biāo)簽信息，將處理后的現(xiàn)場(chǎng)信息通過(guò)局域網(wǎng)傳送到服務(wù)器。服務(wù)器處理、解析上傳數(shù)據(jù)，一方面提供給監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，另一方面生成新的指令，并下發(fā)到設(shè)備層，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備執(zhí)行下發(fā)的指令，協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行。

2.2 監(jiān)控

為了保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、提高現(xiàn)場(chǎng)的安全性與可靠性，自動(dòng)包裝系統(tǒng)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，這一功能采用PC-PLC體系，通過(guò)上位機(jī)、下位機(jī)協(xié)同工作的整體模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在中控室設(shè)置上位機(jī)，通過(guò)WinCC組態(tài)軟件，獲取PLC信息，顯示在組態(tài)界面，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)自動(dòng)報(bào)警，加強(qiáng)了設(shè)備維護(hù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的及時(shí)性，提高了設(shè)備的工作效率。此外，還可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏近距離控制，方便管理人員與操作人員交流問(wèn)題。

2.3 信息管理

碳纖維工藝復(fù)雜，信息管理顯得尤為重要。隨著碳絲在生產(chǎn)過(guò)程的流轉(zhuǎn)，信息不斷變化，如何處理并跟蹤碳絲信息是本系統(tǒng)的難點(diǎn)，也是本系統(tǒng)的亮點(diǎn)。自動(dòng)包裝系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、碳纖維管理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)碳絲信息管理，數(shù)據(jù)統(tǒng)一存放在中央數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)以太網(wǎng)和接口程序?qū)崿F(xiàn)信息傳輸與共享。

圖5 自動(dòng)包裝系統(tǒng)信息流程

首先是碳絲基礎(chǔ)信息，如長(zhǎng)度、牌號(hào)、規(guī)格等，通過(guò)接口程序?qū)⑦@些信息獲取到自動(dòng)包裝系統(tǒng)，并通過(guò)PDA綁定絲車號(hào)、絲車位置等信息，集成了這些信息，碳絲入中間庫(kù)等待工藝信息。

其次是工藝信息，如強(qiáng)度、模量、工藝號(hào)、含膠情況等，需要到ERP系統(tǒng)獲取。碳絲下線后，需放置12小時(shí)，等待強(qiáng)度、模量檢測(cè)結(jié)果。利用測(cè)出的強(qiáng)度、模量信息與相應(yīng)的牌號(hào)范圍，系統(tǒng)決定碳絲最終牌號(hào)，此時(shí)才可將碳絲出庫(kù)包裝，這是對(duì)傳統(tǒng)流程的改革。手動(dòng)包裝時(shí)，碳絲下線后工人根據(jù)上個(gè)班次強(qiáng)度、模量信息進(jìn)行包裝、粘貼軸標(biāo)。等強(qiáng)度出來(lái)后，如果本班次與上班次強(qiáng)度信息不一致，需要返工，撕掉軸標(biāo)、重新貼標(biāo)，這無(wú)疑是對(duì)勞動(dòng)的浪費(fèi)。自動(dòng)包裝系統(tǒng)通過(guò)引入中間庫(kù)、與ERP系統(tǒng)的對(duì)接，優(yōu)化了這一環(huán)節(jié)，避免了重復(fù)勞作。

集成了碳絲基礎(chǔ)信息、工藝信息、絲車信息等生產(chǎn)要素，自動(dòng)包裝系統(tǒng)方可正常運(yùn)行。自動(dòng)包裝系統(tǒng)信息流沿著工藝流程正向傳遞，并可以實(shí)現(xiàn)反向追溯。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)和對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理，建立了碳絲的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)在多個(gè)環(huán)節(jié)之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)便捷的追溯。

碳絲上線后，碳絲的載體為絲車、置紗盤(pán)，二者均綁定了RFID，保證可跟蹤至每一軸碳絲。包裝過(guò)程中，系統(tǒng)記錄每個(gè)環(huán)節(jié)的交互信息，如操作時(shí)間、操作人員、結(jié)果等。最重要的是外檢工位的信息，系統(tǒng)計(jì)算線密度，并自動(dòng)判等，顯示等級(jí)、強(qiáng)度等信息，供外檢人員參考。工人根據(jù)外觀進(jìn)行二次判等，確認(rèn)碳絲最終等級(jí)，為后續(xù)貼標(biāo)提供數(shù)據(jù)支持。包裝時(shí)，根據(jù)碳絲牌號(hào)、規(guī)格等信息，自動(dòng)匹配碼垛類型。裝箱時(shí)，生成裝箱信息，并更新碳絲的訂單號(hào)。至此，系統(tǒng)記錄了碳絲完整的生產(chǎn)信息，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的縱向集成。從碳絲上線到碼垛結(jié)束，是碳絲在自動(dòng)包裝系統(tǒng)的整個(gè)生命周期，整個(gè)周期結(jié)束后，碳絲信息同步到ERP系統(tǒng)，做到信息共享、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。

依托收集到的數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成各類報(bào)表，降低了管理人員以往手動(dòng)輸入報(bào)表的工作量，方便企業(yè)查看生產(chǎn)情況，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)策略。通過(guò)比較不同階段的A品率、不同生產(chǎn)線間的差異，企業(yè)可及時(shí)調(diào)整工藝，提高碳絲質(zhì)量。

2.4 與各系統(tǒng)接口

系統(tǒng)間常見(jiàn)接口方式有WebAPI、WebService、WCF、中間表等方式。其中，WebAPI是一種用來(lái)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)間接口、設(shè)備接口的API技術(shù)，它基于Http協(xié)議，請(qǐng)求和返回格式默認(rèn)是json格式，比WCF更簡(jiǎn)單、更通用，比WebService更節(jié)省流量、更簡(jiǎn)潔。因此，自動(dòng)包裝系統(tǒng)采用了WebAPI這種接口方式。

接口分為兩部分，分別是與碳絲系統(tǒng)的接口和ERP系統(tǒng)的接口。前者功能較為簡(jiǎn)單，主要用來(lái)獲取碳絲的基礎(chǔ)物料信息；后者功能完善，信息流雙向流動(dòng)。員工在ERP系統(tǒng)維護(hù)每批碳絲的工藝信息，供自動(dòng)包裝系統(tǒng)調(diào)用。包裝結(jié)束后，自動(dòng)包裝系統(tǒng)將每軸碳絲基礎(chǔ)信息、工藝信息、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)、訂單信息等數(shù)據(jù)集成，回傳到ERP系統(tǒng)。此外，上傳裝箱信息，方便統(tǒng)計(jì)庫(kù)存、產(chǎn)量。通過(guò)接口程序，實(shí)現(xiàn)了不同系統(tǒng)信息共享，為跨網(wǎng)業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。

3 結(jié)語(yǔ)

在某碳纖維生產(chǎn)企業(yè)的新建工業(yè)園中，自動(dòng)化包裝系統(tǒng)已經(jīng)成為生產(chǎn)過(guò)程中核心環(huán)節(jié)，推動(dòng)了企業(yè)生產(chǎn)模式從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了從碳絲下線到包裝、銷售的全過(guò)程的信息化、自動(dòng)化，使企業(yè)生產(chǎn)效率提高、工人工作強(qiáng)度降低、生產(chǎn)工藝改善、信息化管理水平提升。

本文討論了自動(dòng)包裝線在碳纖維行業(yè)的具體應(yīng)用，該系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率并保證了生產(chǎn)質(zhì)量，為企業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模提供了技術(shù)支撐，具有一定的推廣意義。但是智能化程度還有很大提升空間，未來(lái)可結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，研發(fā)更加智能的物流系統(tǒng)。