燈光指引揀配技術在智能制造中的應用分析

范曉燁 王慶晟

(1.安吉汽車物流(上海)有限公司，上海 200082；2.上汽通用汽車有限公司，上海 200120)

0 前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，為適應市場需求，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加強產(chǎn)品成本控制，大多數(shù)汽車制造企業(yè)總裝車間的裝配生產(chǎn)線開始采用多車型混線生產(chǎn)模式。由于該生產(chǎn)模式加大了整車裝配難度，增加了揀配人員勞動強度，對工人的專業(yè)技術要求更高。為優(yōu)化裝配工藝，提升裝配效率，對汽車零部件的揀配環(huán)節(jié)進行全面的數(shù)字化改革迫在眉睫。

在傳統(tǒng)的汽車總裝生產(chǎn)線上，零部件的揀配通常采用人工分揀方式進行。隨著現(xiàn)代汽車制造企業(yè)車型的增多和產(chǎn)能的擴大，對生產(chǎn)節(jié)拍的要求在不斷提升。當車型種類和生產(chǎn)節(jié)拍提高到一定程度后，企業(yè)的生產(chǎn)就會出現(xiàn)效率瓶頸，對有限的生產(chǎn)線配套物料庫位造成一定壓力；生產(chǎn)線操作人員和物流配送人員的工作量和工作強度增加，會導致相關人員產(chǎn)生疲勞，工作效率下降，容錯率降低，間接增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本[1]。運用高效的信息處理系統(tǒng)和燈光指引揀配(PTL)技術，能夠?qū)ξ锪系倪M出、庫存、分揀、配送等環(huán)節(jié)進行有計劃執(zhí)行與控制，能夠有效提高物料的識別效率。

1 概念

1.1 技術原理及操作流程

PTL技術是采用現(xiàn)代先進的嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)通信技術組成的一套電子設備。該設備作為一種生產(chǎn)輔助工具，可安裝在汽車制造企業(yè)需要揀配的物料儲位上，配合倉儲管理系統(tǒng)(WMS)和其他物流管理系統(tǒng)，通過軟件控制燈光信號和數(shù)字顯示，將揀配物料信息推送到電子設備上，引導揀配人員正確、快速、便捷地完成物料揀配工作，有效提升物料揀配效率，實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)能升級。

在汽車裝配過程中，當某臺車輛進入總裝生產(chǎn)線后，PTL系統(tǒng)的后臺業(yè)務系統(tǒng)與上位機業(yè)務系統(tǒng)將自動獲取該車輛的裝備信息和位置信息，并將生產(chǎn)零部件的物料清單實時發(fā)送至物料揀配區(qū)域進行備料生產(chǎn)。配料區(qū)在接收到配料數(shù)據(jù)后，將根據(jù)生產(chǎn)訂單指示揀配人員進行取料操作。

PTL技術為需要揀選的每種物料配備了1個燈光標簽，當物料開始進入揀配狀態(tài)時，生產(chǎn)線旁的控制系統(tǒng)會逐一根據(jù)物料清單點亮需要揀選物料的燈光標簽，在完成揀配流程后，通過按下燈光標簽上的按鍵確認取料操作，并繼續(xù)下一輪的物料揀取，依次循環(huán)操作直至所有物料揀配完畢。通常，揀配方式可分為以下2種：① 摘果式揀配方式。該方式是目前企業(yè)使用較為普遍的操作方式。在摘果式揀貨方式中，電子標簽安裝在所有備揀物料的庫位上，系統(tǒng)根據(jù)訂單數(shù)據(jù)發(fā)送指令到電子標簽上，揀配人員根據(jù)電子標簽亮燈狀態(tài)進行摘取式取料，逐一將物料清單所對應的庫位物料取出。② 播種式揀配方式。該方式是一種對相同的物料采取一次多單集合式取料的操作方式。系統(tǒng)將多車型數(shù)據(jù)進行排序分類后，指引揀配人員到相應的庫位揀取足夠的物料，再多次分發(fā)到不同送料車上。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

PTL技術是一種分布式的系統(tǒng)應用架構(gòu)，以生產(chǎn)系統(tǒng)和中央計算機為上位機，通過網(wǎng)絡通信將生產(chǎn)訂單數(shù)據(jù)分發(fā)到零部件所對應的電子標簽上。主系統(tǒng)通過網(wǎng)絡與生產(chǎn)系統(tǒng)進行對接，獲取當前的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實時生成當前需要生產(chǎn)的訂單，再將訂單信息推送給生產(chǎn)線配套計算機，根據(jù)相應的生產(chǎn)節(jié)拍開啟揀配任務，達到正確、快速、便捷地完成物料揀配工作。

2 應用特征

2.1 實用性

PTL系統(tǒng)作為WMS和制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的延伸系統(tǒng)，主要應用于制造業(yè)，尤其是汽車制造行業(yè)。PTL技術結(jié)合實際業(yè)務，可采取雙向配置方式，在不改變傳統(tǒng)業(yè)務操作流程的基礎上，根據(jù)人機系統(tǒng)簡約的設計原則進行取料和補料等操作，可減少操作的復雜度，降低操作的時間成本。

2.2 穩(wěn)定性

在PTL系統(tǒng)設計初期，應根據(jù)生產(chǎn)線的實際情況搭建硬件設備，由于生產(chǎn)線的長度、操作人員的配置及生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍(JPH)均已被固定，PTL系統(tǒng)生產(chǎn)線上的揀配人員及其生產(chǎn)節(jié)拍也較為穩(wěn)定，具備一定抗波動性。在系統(tǒng)設計上，應充分考慮到各業(yè)務層次和各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)處理的便利性及可行性，采取總體結(jié)構(gòu)模塊化的技術方案，可有效降低系統(tǒng)故障的處理時間，減少因系統(tǒng)故障造成的生產(chǎn)中斷和生產(chǎn)延時。隨著揀配人員逐漸熟悉PTL系統(tǒng)的性能和操作流程，其工作效率會不斷提高，工作強度也隨之降低，間接減少了因工作強度過大造成的人員流失風險，并降低了人力資源成本。

2.3 經(jīng)濟性

PTL技術可以提升企業(yè)物料庫位的復用率，減少空間資源的浪費。在生產(chǎn)時，庫位設計可以根據(jù)車型變化和車型增減隨時進行動態(tài)調(diào)整，提高物料變更和物料滯留的處理效率。通過硬件介入訪問控制層(MAC)信息，可以通過綁定庫位的方式綁定物料編號，一旦物料出現(xiàn)變更或者被移出，只需在系統(tǒng)中變更庫位與物料編號的綁定關系，就能完成新的物料綁定關系，從而極大提升了庫位的復用率。同時，根據(jù)物料滾動計劃表，系統(tǒng)可計算出物料的實時庫存，并根據(jù)庫存調(diào)整庫位，減少空間資源的浪費。PTL技術對庫位的靈活性應用體現(xiàn)了其在庫位資源利用上的價值。通過提升倉庫庫位的復用率，可以科學地規(guī)劃和使用物料庫位，將包裝標準化與立體庫位有效結(jié)合，增加庫位的容積率，降低倉庫的運營成本，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。

2.4 多樣性

構(gòu)建一套分布式系統(tǒng)的目的通常是為了獲得更長遠的業(yè)務應用。對汽車企業(yè)而言，PTL系統(tǒng)可根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)狀況及時進行調(diào)整，還可演變成接觸式、非接觸式、自動化操作等方式進行生產(chǎn)輔助。該技術不僅與生產(chǎn)線、物流線的操作人員進行交互，也可作為車間物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點與零部件、設備、物料箱等物件產(chǎn)生交互。

2.5 可擴展性

使用PTL技術的汽車生產(chǎn)線具有一定的擴展性，普通生產(chǎn)線一旦定性，其擴展可能性幾乎為零，采用PTL技術的生產(chǎn)線則具有高度靈活性，可通過對新增的物料清單和實際的場地條件進行評估后進行相應的功能擴展。當PTL系統(tǒng)完成物料揀配后，相應物料將被放置于專用配料小車上，可以針對專用配料小車進行標準化設計，形成標準化的行駛路徑。因此，應用PTL技術的上線方式一般選擇自動導引運輸小車(AGV)自動上線，可減少上線人員的數(shù)量。

2.6 先進性

PTL技術具有生產(chǎn)制造的先進性。在生產(chǎn)質(zhì)量管理方面，該技術不僅可為企業(yè)管理層提供生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)追溯和管控，還能根據(jù)交互數(shù)據(jù)生成取件用時的優(yōu)化參數(shù)，為優(yōu)化庫位提供了數(shù)據(jù)支撐。PTL技術不僅能夠提升配料速度，還能降低配料人員的工作強度。此外，PTL系統(tǒng)積累的數(shù)據(jù)也是未來企業(yè)進行優(yōu)化生產(chǎn)流程和提升生產(chǎn)效率的重要依據(jù)。

3 應用案例

以下通過某汽車制造企業(yè)總裝車間的PTL系統(tǒng)應用分析為例，對PTL系統(tǒng)的應用成果進行分析。某汽車制造企業(yè)生產(chǎn)的車型主要有運動型多用途汽車(SUV)和轎車，可根據(jù)客戶的個人意愿，提供車身顏色、內(nèi)飾、外飾、電子設備及部分選裝件等全方位的個性化定制服務。由于企業(yè)銷售策略的多樣性，在車輛制造過程中，相應的零部件組合方式呈現(xiàn)出復雜化和多樣化的特點。

為提高企業(yè)生產(chǎn)效率，總裝車間采用線性生產(chǎn)線，并應用了大量摘果式揀配方式的PTL系統(tǒng)。該總裝車間可同時共線生產(chǎn)4款車型，其生產(chǎn)節(jié)拍為每小時下線34臺車，涉及的工位物料總數(shù)為4 559件，其中大件物料為1 484件，小件物料為3 075件。目前，已實施PTL系統(tǒng)的物料共有1 824件，實施比例為40%。根據(jù)該車間的廠房結(jié)構(gòu)，總裝主線分為8段線體，分裝支線分為門線、發(fā)動機線和底盤分裝線3段線體。其中，主線L7段和L8段主要為質(zhì)檢線和報交線，不涉及零部件的安裝。該PTL系統(tǒng)的物料實施明細見表1。

表1 PTL系統(tǒng)物料實施明細

PTL系統(tǒng)的現(xiàn)場布置應在準備車間內(nèi)進行，物料存放不占用生產(chǎn)線旁走道。PTL系統(tǒng)區(qū)域按照大件物料與小件物料進行區(qū)分，大件物料應避免放置在地面上，小件物料應放置在流利式貨架上。各種物料均對應1個燈光標簽，在生產(chǎn)線線體內(nèi)還應設置分段按燈，并保證每段線體內(nèi)的揀配節(jié)奏高于生產(chǎn)線節(jié)奏。每條PTL系統(tǒng)揀配線均應設置1臺工控機、1臺打印機和1臺機箱。工控機通過有線連接該線體上的物料按燈及分段按燈，由 MES系統(tǒng)將車輛經(jīng)過掃描點后的相關信息發(fā)送到PTL系統(tǒng)，由PTL系統(tǒng)篩選相關信息，將其組合成各線體揀配信息，并打印存檔。

4 應用分析

4.1 提高物料識別效率

通過將生產(chǎn)線上每臺車型零部件的揀選工作從生產(chǎn)線旁裝配人員轉(zhuǎn)移至物流操作人員，可以極大提高對物料的識別效率。傳統(tǒng)生產(chǎn)線的物料尋找和定位，較多依靠揀配人員的目視和記憶，需要對揀配人員進行長時間的培訓。

隨著車型的增加和定制化業(yè)務的開展，一些臨時新增的物料無法及時被揀配人員快速、準確地識別，甚至會出現(xiàn)因物料漏揀、錯揀、延時等原因?qū)е律a(chǎn)線停線。通過采用PTL技術，可避免類似現(xiàn)象的發(fā)生，減少物料錯揀和漏揀失誤，降低對揀配人員的依賴，節(jié)約人力資源。

PTL系統(tǒng)可縮短物料識別時間，主要體現(xiàn)在以下2個方面：① 物流揀選端的優(yōu)化。采用PTL系統(tǒng)可通過燈光指引直接取料，簡化操作步驟。由于PTL系統(tǒng)的布局是根據(jù)揀配人員的行走線路設計的，因此該系統(tǒng)可以極大減少揀配人員的走動距離。② 裝配操作端的優(yōu)化。由于物料車的放料位置與零部件具有綁定關系，采用PTL系統(tǒng)可直接到固定庫位進行取料，簡化了揀配人員查看物料清單和識別零件號等操作。

上述優(yōu)化措施是基于采用PTL系統(tǒng)后，在對物料的識別要求大幅降低的基礎上提出的。在實際應用過程中，物料車與生產(chǎn)線隨行，現(xiàn)場揀配人員可直接在產(chǎn)線板鏈上完成取料，其移動距離一般不超過3～4步。

4.2 釋放生產(chǎn)線產(chǎn)能

除了能簡化供應鏈物流揀選端的操作流程外，應用PTL系統(tǒng)還能大幅提升生產(chǎn)線的柔性，提高生產(chǎn)線的效率。當大量車型上線時，極易造成生產(chǎn)線物料庫位嚴重不足，導致物流供貨混亂。

PTL系統(tǒng)的應用，能夠最大程度的釋放生產(chǎn)線旁的物料空間。此外，通過簡化操作人員的工作流程，PTL系統(tǒng)提升了生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，在單位時間內(nèi)可以保證有更多產(chǎn)品下線。在PTL系統(tǒng)上線后，生產(chǎn)線實際生產(chǎn)工位數(shù)量下降了20%，釋放的工位可用于產(chǎn)品質(zhì)檢、返修、新增機械手等。此外，通過應用PTL系統(tǒng)，揀配人員減少了3.75%，生產(chǎn)節(jié)拍由規(guī)劃初期的每小時36臺提升至42臺，裝配準確率保持在99.95%以上。

5 結(jié)語

PTL技術的應用場景較為廣泛，適用于倉庫式物流分揀、電商行業(yè)配貨分揀、生產(chǎn)型送貨配料、裝配與制造等領域，是現(xiàn)代企業(yè)在供應鏈環(huán)節(jié)實施降本增效的重要舉措之一。

隨著PTL技術在智能制造領域中的應用，該技術將衍生出更多的應用場景，促進各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)向信息系統(tǒng)化發(fā)展，也是現(xiàn)代物流發(fā)展的推進器。