探秘西門子開關(guān)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(guān)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(jī)器人、貨箱到人揀選機(jī)器人、四向穿梭車、智能搬運(yùn)機(jī)器人的無縫協(xié)作和AI智能調(diào)度，率先在業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了離散型工業(yè)物流從收貨到產(chǎn)線送料的全流程機(jī)器人作業(yè)和物料信息化管理，在出入庫效率、存儲能力、供料及時(shí)率以及人力節(jié)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(tuán)共同投資建立上海西門子開關(guān)有限公司（以下簡稱“西門子開關(guān)”），致力于6～40.5kV中壓空氣絕緣開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售和售后服務(wù)。目前，公司擁有員工500多人，年產(chǎn)超過35000臺真空斷路器和12000臺中壓開關(guān)柜，產(chǎn)品被應(yīng)用于國家重點(diǎn)項(xiàng)目及各種橫跨中國的工業(yè)應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)中心，電子工廠，石油化工廠等。近期，本刊記者走進(jìn)上海西門子開關(guān)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(yè)4.0的重要一步

“西門子開關(guān)作為電氣產(chǎn)品的提供商，我們不僅要保證產(chǎn)品的可靠性和安全性，同時(shí)也需要滿足越來越多、操作越來越復(fù)雜的客戶定制化需求，這就需要我們在采購、物流、生產(chǎn)制造等全流程做出改變?！鄙虾Ｎ鏖T子開關(guān)有限公司總經(jīng)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(yè)4.0意味著實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠的高度自動化、數(shù)字化，并通過全流程數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息的全流程可視化。因此他強(qiáng)調(diào)，采用更加現(xiàn)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(yè)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(yè)務(wù)形態(tài)，使得西門子開關(guān)需要管理的物料批量小，規(guī)格多，產(chǎn)品混合生產(chǎn)度非常高，投資較大、靈活性相對較差的傳統(tǒng)自動化解決方案難以滿足西門子開關(guān)的需求。在經(jīng)過全面細(xì)致的方案考察和驗(yàn)證后，西門子開關(guān)最終選擇與極智嘉合作，引入智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)物流全流程柔性自動化。

項(xiàng)目概況及物流系統(tǒng)主要構(gòu)成

為突破西門子開關(guān)原有的物料管理和物流作業(yè)效率瓶頸，改善送料流程過度依賴人工的狀況，極智嘉結(jié)合西門子開關(guān)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)首先從揀貨環(huán)節(jié)開始優(yōu)化，于2019年11月在揀選區(qū)上線運(yùn)行“貨到人”機(jī)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(jī)器人收貨區(qū)、四向車立庫存儲區(qū)、質(zhì)檢環(huán)節(jié)打通和自動化集貨區(qū)，于2020年10月完成了物流中心的全流程機(jī)器人覆蓋。

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

主要作業(yè)流程

據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場物流管理人員介紹，整個(gè)作業(yè)流程主要分為6步：進(jìn)料（收貨）-檢驗(yàn)（質(zhì)檢）-上架-存儲-揀選-集貨，每個(gè)環(huán)節(jié)通過不同類型機(jī)器人的分工協(xié)作解決了庫內(nèi)超過20萬個(gè)存儲單元（SKU）原材料的收貨、分區(qū)存儲、齊套發(fā)運(yùn)、產(chǎn)線領(lǐng)料等流程問題。

1.收貨

當(dāng)物料送至倉庫月臺后，由叉車卸貨并送至收貨區(qū)的低位提升機(jī)，低位提升機(jī)安裝有稱重及三維檢測等功能模塊，一是確認(rèn)貨物重量是否超過立庫托盤位承載標(biāo)準(zhǔn)；二是通過重量確認(rèn)物料數(shù)量是否正確，可以提高工人的作業(yè)速度；三是檢測貨物有無超寬、超高等現(xiàn)象，避免在立庫存儲時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)。之后，低位提升機(jī)伸縮叉將貨物放置在機(jī)器人（無特殊注明，后文中機(jī)器人專指貨到人揀選機(jī)器人）托盤貨架上，WMS系統(tǒng)收到相關(guān)信息后調(diào)配機(jī)器人前來搬運(yùn)，從而完成人工-自動化設(shè)備的交接。

2.檢驗(yàn)

交接完成之后，WMS系統(tǒng)將與QMS系統(tǒng)進(jìn)行自動交互以判斷該批次貨物是否需要檢驗(yàn)，如需檢驗(yàn)系統(tǒng)直接命令機(jī)器人將貨物送至檢驗(yàn)站，檢驗(yàn)站工作人員將待檢物料放入料箱中，系統(tǒng)隨即指派貨箱到人揀選機(jī)器人前來取貨并送至檢驗(yàn)室。貨箱到人機(jī)器人主要往返于檢驗(yàn)室和收貨區(qū)的檢驗(yàn)站，實(shí)現(xiàn)“貨箱到人”作業(yè)。沒有質(zhì)檢要求的貨物，則直接由機(jī)器人送至上架口。機(jī)器人完成一次送貨任務(wù)，等待系統(tǒng)下一個(gè)指令。

表1 西門子開關(guān)全流程柔性自動化工廠主要構(gòu)成

立庫存儲區(qū)（左）與貨到人庫區(qū)（右）

圖1 項(xiàng)目主要作業(yè)環(huán)節(jié)及機(jī)器人應(yīng)用情況

機(jī)器人根據(jù)系統(tǒng)指令將托盤貨物送至不同的庫區(qū)入口

3.上架

上架作業(yè)共設(shè)置有兩個(gè)工作站，分別對接四向穿梭車立庫和貨到人庫區(qū)。

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(jìn)入立庫，入口的檢測設(shè)備再次掃描貨物條碼，核對重量、尺寸等信息，機(jī)器人在此稍作等待——若信息有誤，則繼續(xù)將貨物送回收貨區(qū)；如果貨物信息準(zhǔn)確無誤，則機(jī)器人與立庫的交接完成，機(jī)器人開始等待執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)，同時(shí)系統(tǒng)指派立庫中的四向穿梭車前來取貨并送至系統(tǒng)指定貨位，托盤支架由其他機(jī)器人取走，從而最大化機(jī)器人使用率。

貨到人庫區(qū)為人工上架。機(jī)器人將貨物運(yùn)送至人工上架（料）工作站（機(jī)器人等待信息確認(rèn)后即可離開執(zhí)行另外的搬運(yùn)任務(wù)，無需等待工人上架完成，上架完成后的空料箱/筐由其他機(jī)器人取走），與此同時(shí)，系統(tǒng)會通知貨到人庫區(qū)的機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)指定的貨架前來取貨，取貨完成后回到作業(yè)區(qū)。

4.存儲

貨物在上架前，所有信息經(jīng)系統(tǒng)采集計(jì)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(qū)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(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)密集存儲，目前立庫存儲容量將近4000托盤位，還可以根據(jù)需要進(jìn)一步擴(kuò)展，提高存儲量。貨到人庫區(qū)可以存放超過18000個(gè)料箱。

5.揀選

分為人工揀選和整托自動化揀選。

機(jī)器人庫區(qū)為人工揀選，系統(tǒng)自動分配任務(wù)給機(jī)器人，機(jī)器人搬運(yùn)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(jī)器人，機(jī)器人搬運(yùn)貨架至工作站后即可離開執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)，無需等待人工揀貨完成。

立庫設(shè)有1個(gè)整托自動化出貨口和3個(gè)人工拆零揀選站。其中，整托出貨口設(shè)置在貨到人區(qū)域，當(dāng)有整托出貨任務(wù)時(shí)，機(jī)器人首先將托盤支架送至出貨口，立庫內(nèi)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(tǒng)調(diào)度機(jī)器人前來搬運(yùn)至集貨送料區(qū)。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(jù)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(jī)器人送至集貨送料區(qū)。值得一提的是，人工揀選站臺增設(shè)有稱重設(shè)備，可以根據(jù)重量檢驗(yàn)揀選貨物數(shù)量是否正確。

收貨入庫區(qū)

立體存儲區(qū)入口（左）與貨到人庫區(qū)入口（右）

貨到人庫區(qū)內(nèi)，機(jī)器人根據(jù)系統(tǒng)分配的任務(wù)搬運(yùn)貨架至揀選工作站

立體存儲區(qū)內(nèi)四向穿梭車將托盤貨物送至拆零揀選工作站

立庫存儲區(qū)拆零揀選工作站，揀選站臺增設(shè)有稱重設(shè)備，可以根據(jù)重量檢驗(yàn)揀選貨物數(shù)量是否正確

立庫存儲區(qū)整托出貨流程

6.集貨

揀選完成后，所有貨物在集貨區(qū)緩存等待，最終根據(jù)產(chǎn)線需要通過搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)送。

項(xiàng)目亮點(diǎn)及應(yīng)用效果

基于機(jī)器人的全流程應(yīng)用，該項(xiàng)目在出入庫效率、存儲能力、供料及時(shí)率以及人力節(jié)省等方面均取得突出成效，并呈現(xiàn)出諸多亮點(diǎn)。

一是全流程透明可視。通過數(shù)字化的智能平臺，可以實(shí)時(shí)查看揀貨效率、收/發(fā)貨（料）情況、機(jī)器人布局及路徑規(guī)劃，以及倉庫進(jìn)出口流量、交付產(chǎn)線情況等，信息可視化幫助管理人員實(shí)時(shí)掌握庫區(qū)動態(tài)，實(shí)現(xiàn)了庫存精益化、智能化管理，增強(qiáng)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(qū)每天根據(jù)貨架的熱力值進(jìn)行智能理貨；立庫區(qū)則按照生產(chǎn)計(jì)劃每天進(jìn)行智能理貨，將高流動量貨物調(diào)整至離出貨口更近的位置。

三是為制造業(yè)需求量身定制反向揀選。在立庫拆零揀選作業(yè)中，當(dāng)需要拆零的貨物數(shù)量占整托貨物的比例到達(dá)一定程度（例如：整托貨物共200個(gè)零件，揀選需求為190個(gè)），系統(tǒng)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(gè)）放入反向揀選緩存筐中（筐內(nèi)貨物到達(dá)一定數(shù)量或一定時(shí)間后由穿梭車送回立庫存儲，系統(tǒng)自動記錄相關(guān)信息），系統(tǒng)將余下的托盤貨物（依照上例，190個(gè)）視為整托出貨，按照整托出貨的流程通過機(jī)器人送往集貨區(qū)，從而大幅提高制造場景下的出庫揀選效率。

四是機(jī)器人串聯(lián)作業(yè)提高柔性，大幅降低勞動強(qiáng)度。在倉庫作業(yè)中，搬運(yùn)和行走耗費(fèi)著作業(yè)人員的大量體力，機(jī)器人代替人完成搬運(yùn)，既降低了工人作業(yè)強(qiáng)度，供料及時(shí)率及準(zhǔn)確率也得到有效保證。并且，機(jī)器人系統(tǒng)柔性很強(qiáng)，能夠快速部署實(shí)施。據(jù)介紹，貨到人庫區(qū)從部署到上線運(yùn)行僅用時(shí)兩周。

收貨區(qū)的檢驗(yàn)站

貨箱到人機(jī)器人往返于檢驗(yàn)室和收貨區(qū)的檢驗(yàn)站，實(shí)現(xiàn)“貨箱到人”作業(yè)

搬運(yùn)機(jī)器人將物料按照生產(chǎn)節(jié)拍送至產(chǎn)線

通過全流程機(jī)器人作業(yè)和物料信息化管理，項(xiàng)目在出入庫效率、存儲能力、供料及時(shí)率以及人力節(jié)省等方面取得突出效果

此外，該項(xiàng)目在效率、倉庫利用率等方面也有突出表現(xiàn)。根據(jù)項(xiàng)目運(yùn)行的數(shù)據(jù)，通過立庫的高密度存儲，存儲能力增加2～3倍，同樣數(shù)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(guān)非常重視安全，因此極智嘉在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，也進(jìn)行了充分考慮，與西門子開關(guān)共同探討打磨出解決方案。如在立庫系統(tǒng)中增設(shè)安全門（消防門），平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)有貨物上架時(shí)才自動打開；將機(jī)器人揀選站用醒目的黃色進(jìn)行特別標(biāo)注；設(shè)置各種急停、安全設(shè)置等。另外，由于機(jī)器人定位精度小于10mm，因此機(jī)械方面的對接非常準(zhǔn)確，避免了因人工作業(yè)放置不整齊而造成的傾斜倒塌等危險(xiǎn)。在布局上，該項(xiàng)目也十分緊湊，并且充分利用閑置場地設(shè)置機(jī)器人充電位，基于機(jī)器人充電5分鐘可運(yùn)行2小時(shí)的良好表現(xiàn)，整個(gè)貨到人工作區(qū)僅安裝了4個(gè)充電位即可滿足該區(qū)域所有機(jī)器人的不間斷運(yùn)行。

據(jù)悉，西門子開關(guān)還將進(jìn)一步對車間進(jìn)行自動化升級，包括部署機(jī)器人產(chǎn)線送料和成品收貨系統(tǒng)，以及升級MES系統(tǒng)等。未來，通過系統(tǒng)間的無縫對接，車間生產(chǎn)和倉庫供料節(jié)拍將更加高效、協(xié)調(diào)、流暢。