燈光指引揀配技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用分析

范曉燁 王慶晟

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

0 前言

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，為適應(yīng)市場(chǎng)需求，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加強(qiáng)產(chǎn)品成本控制，大多數(shù)汽車(chē)制造企業(yè)總裝車(chē)間的裝配生產(chǎn)線開(kāi)始采用多車(chē)型混線生產(chǎn)模式。由于該生產(chǎn)模式加大了整車(chē)裝配難度，增加了揀配人員勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)工人的專(zhuān)業(yè)技術(shù)要求更高。為優(yōu)化裝配工藝，提升裝配效率，對(duì)汽車(chē)零部件的揀配環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的數(shù)字化改革迫在眉睫。

在傳統(tǒng)的汽車(chē)總裝生產(chǎn)線上，零部件的揀配通常采用人工分揀方式進(jìn)行。隨著現(xiàn)代汽車(chē)制造企業(yè)車(chē)型的增多和產(chǎn)能的擴(kuò)大，對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍的要求在不斷提升。當(dāng)車(chē)型種類(lèi)和生產(chǎn)節(jié)拍提高到一定程度后，企業(yè)的生產(chǎn)就會(huì)出現(xiàn)效率瓶頸，對(duì)有限的生產(chǎn)線配套物料庫(kù)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(qiáng)度增加，會(huì)導(dǎo)致相關(guān)人員產(chǎn)生疲勞，工作效率下降，容錯(cuò)率降低，間接增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本[1]。運(yùn)用高效的信息處理系統(tǒng)和燈光指引揀配(PTL)技術(shù)，能夠?qū)ξ锪系倪M(jìn)出、庫(kù)存、分揀、配送等環(huán)節(jié)進(jìn)行有計(jì)劃執(zhí)行與控制，能夠有效提高物料的識(shí)別效率。

1 概念

1.1 技術(shù)原理及操作流程

PTL技術(shù)是采用現(xiàn)代先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)組成的一套電子設(shè)備。該設(shè)備作為一種生產(chǎn)輔助工具，可安裝在汽車(chē)制造企業(yè)需要揀配的物料儲(chǔ)位上，配合倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)(WMS)和其他物流管理系統(tǒng)，通過(guò)軟件控制燈光信號(hào)和數(shù)字顯示，將揀配物料信息推送到電子設(shè)備上，引導(dǎo)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(shí)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)能升級(jí)。

在汽車(chē)裝配過(guò)程中，當(dāng)某臺(tái)車(chē)輛進(jìn)入總裝生產(chǎn)線后，PTL系統(tǒng)的后臺(tái)業(yè)務(wù)系統(tǒng)與上位機(jī)業(yè)務(wù)系統(tǒng)將自動(dòng)獲取該車(chē)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(shí)時(shí)發(fā)送至物料揀配區(qū)域進(jìn)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(jìn)行取料操作。

PTL技術(shù)為需要揀選的每種物料配備了1個(gè)燈光標(biāo)簽，當(dāng)物料開(kāi)始進(jìn)入揀配狀態(tài)時(shí)，生產(chǎn)線旁的控制系統(tǒng)會(huì)逐一根據(jù)物料清單點(diǎn)亮需要揀選物料的燈光標(biāo)簽，在完成揀配流程后，通過(guò)按下燈光標(biāo)簽上的按鍵確認(rèn)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(biāo)簽安裝在所有備揀物料的庫(kù)位上，系統(tǒng)根據(jù)訂單數(shù)據(jù)發(fā)送指令到電子標(biāo)簽上，揀配人員根據(jù)電子標(biāo)簽亮燈狀態(tài)進(jìn)行摘取式取料，逐一將物料清單所對(duì)應(yīng)的庫(kù)位物料取出。② 播種式揀配方式。該方式是一種對(duì)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(chē)型數(shù)據(jù)進(jìn)行排序分類(lèi)后，指引揀配人員到相應(yīng)的庫(kù)位揀取足夠的物料，再多次分發(fā)到不同送料車(chē)上。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

PTL技術(shù)是一種分布式的系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)，以生產(chǎn)系統(tǒng)和中央計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信將生產(chǎn)訂單數(shù)據(jù)分發(fā)到零部件所對(duì)應(yīng)的電子標(biāo)簽上。主系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，獲取當(dāng)前的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)生成當(dāng)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(jì)算機(jī)，根據(jù)相應(yīng)的生產(chǎn)節(jié)拍開(kāi)啟揀配任務(wù)，達(dá)到正確、快速、便捷地完成物料揀配工作。

2 應(yīng)用特征

2.1 實(shí)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(yīng)用于制造業(yè)，尤其是汽車(chē)制造行業(yè)。PTL技術(shù)結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)，可采取雙向配置方式，在不改變傳統(tǒng)業(yè)務(wù)操作流程的基礎(chǔ)上，根據(jù)人機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)約的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行取料和補(bǔ)料等操作，可減少操作的復(fù)雜度，降低操作的時(shí)間成本。

2.2 穩(wěn)定性

在PTL系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)線的實(shí)際情況搭建硬件設(shè)備，由于生產(chǎn)線的長(zhǎng)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(dòng)性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，應(yīng)充分考慮到各業(yè)務(wù)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(shù)方案，可有效降低系統(tǒng)故障的處理時(shí)間，減少因系統(tǒng)故障造成的生產(chǎn)中斷和生產(chǎn)延時(shí)。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(huì)不斷提高，工作強(qiáng)度也隨之降低，間接減少了因工作強(qiáng)度過(guò)大造成的人員流失風(fēng)險(xiǎn)，并降低了人力資源成本。

2.3 經(jīng)濟(jì)性

PTL技術(shù)可以提升企業(yè)物料庫(kù)位的復(fù)用率，減少空間資源的浪費(fèi)。在生產(chǎn)時(shí)，庫(kù)位設(shè)計(jì)可以根據(jù)車(chē)型變化和車(chē)型增減隨時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高物料變更和物料滯留的處理效率。通過(guò)硬件介入訪問(wèn)控制層(MAC)信息，可以通過(guò)綁定庫(kù)位的方式綁定物料編號(hào)，一旦物料出現(xiàn)變更或者被移出，只需在系統(tǒng)中變更庫(kù)位與物料編號(hào)的綁定關(guān)系，就能完成新的物料綁定關(guān)系，從而極大提升了庫(kù)位的復(fù)用率。同時(shí)，根據(jù)物料滾動(dòng)計(jì)劃表，系統(tǒng)可計(jì)算出物料的實(shí)時(shí)庫(kù)存，并根據(jù)庫(kù)存調(diào)整庫(kù)位，減少空間資源的浪費(fèi)。PTL技術(shù)對(duì)庫(kù)位的靈活性應(yīng)用體現(xiàn)了其在庫(kù)位資源利用上的價(jià)值。通過(guò)提升倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位的復(fù)用率，可以科學(xué)地規(guī)劃和使用物料庫(kù)位，將包裝標(biāo)準(zhǔn)化與立體庫(kù)位有效結(jié)合，增加庫(kù)位的容積率，降低倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)營(yíng)成本，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)遠(yuǎn)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。對(duì)汽車(chē)企業(yè)而言，PTL系統(tǒng)可根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)狀況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，還可演變成接觸式、非接觸式、自動(dòng)化操作等方式進(jìn)行生產(chǎn)輔助。該技術(shù)不僅與生產(chǎn)線、物流線的操作人員進(jìn)行交互，也可作為車(chē)間物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)與零部件、設(shè)備、物料箱等物件產(chǎn)生交互。

2.5 可擴(kuò)展性

使用PTL技術(shù)的汽車(chē)生產(chǎn)線具有一定的擴(kuò)展性，普通生產(chǎn)線一旦定性，其擴(kuò)展可能性幾乎為零，采用PTL技術(shù)的生產(chǎn)線則具有高度靈活性，可通過(guò)對(duì)新增的物料清單和實(shí)際的場(chǎng)地條件進(jìn)行評(píng)估后進(jìn)行相應(yīng)的功能擴(kuò)展。當(dāng)PTL系統(tǒng)完成物料揀配后，相應(yīng)物料將被放置于專(zhuān)用配料小車(chē)上，可以針對(duì)專(zhuān)用配料小車(chē)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，形成標(biāo)準(zhǔn)化的行駛路徑。因此，應(yīng)用PTL技術(shù)的上線方式一般選擇自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸小車(chē)(AGV)自動(dòng)上線，可減少上線人員的數(shù)量。

2.6 先進(jìn)性

PTL技術(shù)具有生產(chǎn)制造的先進(jìn)性。在生產(chǎn)質(zhì)量管理方面，該技術(shù)不僅可為企業(yè)管理層提供生產(chǎn)過(guò)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(shí)的優(yōu)化參數(shù)，為優(yōu)化庫(kù)位提供了數(shù)據(jù)支撐。PTL技術(shù)不僅能夠提升配料速度，還能降低配料人員的工作強(qiáng)度。此外，PTL系統(tǒng)積累的數(shù)據(jù)也是未來(lái)企業(yè)進(jìn)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(yīng)用案例

以下通過(guò)某汽車(chē)制造企業(yè)總裝車(chē)間的PTL系統(tǒng)應(yīng)用分析為例，對(duì)PTL系統(tǒng)的應(yīng)用成果進(jìn)行分析。某汽車(chē)制造企業(yè)生產(chǎn)的車(chē)型主要有運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)(SUV)和轎車(chē)，可根據(jù)客戶的個(gè)人意愿，提供車(chē)身顏色、內(nèi)飾、外飾、電子設(shè)備及部分選裝件等全方位的個(gè)性化定制服務(wù)。由于企業(yè)銷(xiāo)售策略的多樣性，在車(chē)輛制造過(guò)程中，相應(yīng)的零部件組合方式呈現(xiàn)出復(fù)雜化和多樣化的特點(diǎn)。

為提高企業(yè)生產(chǎn)效率，總裝車(chē)間采用線性生產(chǎn)線，并應(yīng)用了大量摘果式揀配方式的PTL系統(tǒng)。該總裝車(chē)間可同時(shí)共線生產(chǎn)4款車(chē)型，其生產(chǎn)節(jié)拍為每小時(shí)下線34臺(tái)車(chē)，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(shí)施PTL系統(tǒng)的物料共有1 824件，實(shí)施比例為40%。根據(jù)該車(chē)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(mén)線、發(fā)動(dòng)機(jī)線和底盤(pán)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(bào)交線，不涉及零部件的安裝。該P(yáng)TL系統(tǒng)的物料實(shí)施明細(xì)見(jiàn)表1。

表1 PTL系統(tǒng)物料實(shí)施明細(xì)

PTL系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布置應(yīng)在準(zhǔn)備車(chē)間內(nèi)進(jìn)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(jìn)行區(qū)分，大件物料應(yīng)避免放置在地面上，小件物料應(yīng)放置在流利式貨架上。各種物料均對(duì)應(yīng)1個(gè)燈光標(biāo)簽，在生產(chǎn)線線體內(nèi)還應(yīng)設(shè)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(yīng)設(shè)置1臺(tái)工控機(jī)、1臺(tái)打印機(jī)和1臺(tái)機(jī)箱。工控機(jī)通過(guò)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(chē)輛經(jīng)過(guò)掃描點(diǎn)后的相關(guān)信息發(fā)送到PTL系統(tǒng)，由PTL系統(tǒng)篩選相關(guān)信息，將其組合成各線體揀配信息，并打印存檔。

4 應(yīng)用分析

4.1 提高物料識(shí)別效率

通過(guò)將生產(chǎn)線上每臺(tái)車(chē)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(duì)物料的識(shí)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(duì)揀配人員進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的培訓(xùn)。

隨著車(chē)型的增加和定制化業(yè)務(wù)的開(kāi)展，一些臨時(shí)新增的物料無(wú)法及時(shí)被揀配人員快速、準(zhǔn)確地識(shí)別，甚至?xí)霈F(xiàn)因物料漏揀、錯(cuò)揀、延時(shí)等原因?qū)е律a(chǎn)線停線。通過(guò)采用PTL技術(shù)，可避免類(lèi)似現(xiàn)象的發(fā)生，減少物料錯(cuò)揀和漏揀失誤，降低對(duì)揀配人員的依賴，節(jié)約人力資源。

PTL系統(tǒng)可縮短物料識(shí)別時(shí)間，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：① 物流揀選端的優(yōu)化。采用PTL系統(tǒng)可通過(guò)燈光指引直接取料，簡(jiǎn)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(shè)計(jì)的，因此該系統(tǒng)可以極大減少揀配人員的走動(dòng)距離。② 裝配操作端的優(yōu)化。由于物料車(chē)的放料位置與零部件具有綁定關(guān)系，采用PTL系統(tǒng)可直接到固定庫(kù)位進(jìn)行取料，簡(jiǎn)化了揀配人員查看物料清單和識(shí)別零件號(hào)等操作。

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

4.2 釋放生產(chǎn)線產(chǎn)能

除了能簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈物流揀選端的操作流程外，應(yīng)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(dāng)大量車(chē)型上線時(shí)，極易造成生產(chǎn)線物料庫(kù)位嚴(yán)重不足，導(dǎo)致物流供貨混亂。

PTL系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠最大程度的釋放生產(chǎn)線旁的物料空間。此外，通過(guò)簡(jiǎn)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(shí)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(shí)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(jī)械手等。此外，通過(guò)應(yīng)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(shí)36臺(tái)提升至42臺(tái)，裝配準(zhǔn)確率保持在99.95%以上。

5 結(jié)語(yǔ)

PTL技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景較為廣泛，適用于倉(cāng)庫(kù)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(lǐng)域，是現(xiàn)代企業(yè)在供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)實(shí)施降本增效的重要舉措之一。

隨著PTL技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，該技術(shù)將衍生出更多的應(yīng)用場(chǎng)景，促進(jìn)各個(gè)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(jìn)器。