纸类印刷企业智能化物流系统规划与设计

　　文｜昆船智能技术股份有限公司
　　虞有海 李永衡 李成友 王化麟 林原 李蜀峰 摘 要：本文以典型的纸类印刷企业智能化物流系统为例，对其建设特点和要点进行分析介绍，以典型纸类印刷类企业生产工艺为基础，结合智能化控制技术及设备，对其生产物流系统进行了多项创新，为其他纸类印刷企业智能物流系统解决方案提供参考。
　　关键词：印刷厂、智能物流系统、自动化立体仓库、机器人、视觉识别、AGV
　　随着我国经济高速发展，消费者对日常生活中所使用的工业产品的功能、外观、产品迭代周期等都有了更高要求，精致美观的外观包装往往能给人更好的感受，更能吸引住消费者眼球，从而促进消费。包装需求旺盛极大促进了印刷产业发展，印刷行业正在响应不断增长的品牌所有者对更短产品生命周期、更高产品印刷质量、更多印刷品规和成本驱动变化的需求，从而导致更多短期定制订单，需要根据市场变化灵活快速地调整产线和生产工艺，对印刷企业的生产管理、生产物料调度、仓储等提出了更高要求。
　　一、某纸类印刷企业生产物流现状
　　现状一：在生产过程中，生产原料、生产辅料、半成品、成品无数字化、信息化的智能管理系统。物资信息采集依靠人工手抄，信息传递依靠工艺卡片，数据采集和传递容易出错，无法形成数据链条，产品质量无法追溯。
　　现状二：车间物流配送采用人工叉车或液压板车配送，物资存储货位无智化能管理系统，需人找货，配送效率低，劳动强度大，无智能化配送设备。
　　现状三：生产原料、生产辅料及成品在生产车间附近采用平库存储，出入库采用人工叉车，账目管理依靠人工记账。半成品就近堆放在生产车间机台旁的空地上，无智能货位管理系统，物资存储信息杂乱。
　　二、某纸类印刷企业智能物流系统规划
　　1.规划概述
　　针对某纸类印刷企业生产物流现状与生产工艺需求，对该企业生产过程中涉及的生产原料、半成品、成品和生产辅料的入库、出库、存储、配送、信息采集与管理等进行智能化规划与设计。具体工作内容如下：
　　某纸类印刷企业主要功能分区如图1所示，分为物流广场、生产原料及成品库、生产车间1、生产车间2、散味库、成品包装区、平衡库、印辊库。
　　为实现某纸类印刷企业生产原料和成品的集中仓储需求，在工厂左侧（详见图1）规划一座堆垛机自动化立体库，用于集中存储生产原料及成品，提高厂房土地利用率，缩短各业务环节之间的物流配送动线，提高配送效率。同时，为满足生产原料存储环节和生产环节对温湿度的不同要求，将恒温恒湿的生产车间和常温常湿的原料及成品库分隔开来，降低能耗，节能环保。
　　如图1所示，根据生产工艺需要，将平衡库、散味库、和印辊库规划设计在产线旁，缩短配送距离，优化配送路径，提高生产配送效率，提高配送AGV的有效利用率，降低配送能耗。
　　如图1所示，根据某纸类印刷企业的生产规模及工艺特点，规划设计复合（生产车间1）和印刷（生产车间2）两个车间，优化生产过程中生产原料、半成品、成品及生产辅料的配送路径，缩短配送距离。
　　如图2所示，复合车间配送路径为：生产原料从立库沿红色物流路径通过堆垛机、输送机、RGV等直接输送至平衡库入库站台，经过平衡库内的输送机、提升机、四向穿梭车将托盘运送至库内（恒温恒湿平衡24h）。从平衡库出来的生产原料经AGV配送至复合机台复合（红色物流路径），经过复合的半成品由AGV转运至压纹机压纹（黄色物流路径），压纹后的半成品用AGV转运至分切机分切（黄色物流路径），分切后的成品经提升机及输送线输送至成品包装车间组盘包装（紫色物流路径），完成包装的成品托盘经缠膜、贴码后用AGV自动转运至立库北侧入库站台，经扫码、称重、外形检测合格后自动入库存储（紫色物流路径）。
　　如图2所示，印刷车间配送路径和复合车间类似，车间生产工艺机台不同。
　　2.月台收发货统设计
　　某纸类印刷企业日常收发货的货车车长为2.4～13.5m，采用侧方和后方装卸车；日峰值装车耗时为50.75h，月台每天收发货时间为7h。
　　印刷厂对外发货物资统一堆码在1.2m×1.2m托盘上，客户固定且单一、客户发货量大。结合该印刷厂发货特点，针对固定且发货量大的客户规划自动装车码头1个，用自动装车设备对需要发货的实托盘成品快速自动装车，其他客户成品发货区规划后方和侧方装车码头各2个，采用人工叉车作业。
　　印刷厂需要入库的生产原料主要有卷纸、电化铝、包装辅材等，其中卷纸占入库生产原料的80%以上，如图3所示。入库卷纸的直径、幅宽、卷重等参数不统一，但每卷纸中间都有一个尺寸相同的筒芯。针对印刷厂卷纸入库的特点及需求，规划3个自动卸车码头，采用坐标机器人将到货的纸卷物料自动从货车车厢内抓取并放到入库站台上的空托盘上，自动组盘并入库。针对电化铝和包装辅材等入库物资，因物资入库量小、品规多、外形包装等参数变化大的特点，规划侧方和后方卸车码头各2个，人工叉车作业，人工组盘并入库。
　　分区规划收货和发货码头区，让发货和收货物流动线互不干扰；自动装卸车码头和人工装卸车码头相结合，降低码头装卸人员劳动强度，提升码头自动化程度，合理利用投资。
　　3.生产原料库及成品库的规划设计
　　经过对某印刷企业生产原料日进出库数据的统计分析，结论如下：生产原料日出库托盘数为89（整托盘）+
　　15（散托盘）=104托盘；日入库托盘数为86（整托盘）+9（散托盘）=95托盘。印刷企业生产原料采购周期为5～10天，经过统计分析，生产原料库容周期为14天比较合理，生产原料库货位数为：104托/天×14天=1456个货位。
　　经过对某印刷企业成品日进出库数据的统计分析，结论如下：成品日出库托盘数为106（整托盘）+5（散托盘）=111托盘；成品日入库托盘数为52（整托盘）+13（散托盘）=65托盘。通过对某印刷企业近5年成品收发货数据统计分析，成品库容周期为50天比较合理，成品库货位数为：65托/天×50天=3250个货位。
　　生产原料和成品存储条件相似，物料载具尺寸相同，货位额定承载能力要求基本相同，因此将生产原料和成品库合二为一。综合考虑印刷企业立库的长宽高尺寸、出入库效率要求、物料品规数量要求、存储周期要求等，采用堆垛机立库方案。立库共设计4台双深堆垛机，可提供6000多个货位，满足印刷企业对生产原料和成品的存储要求。
　　立库出入库效率和库容合理规划设计，满足印刷企业需要，生产原料、成品对生产车间和物流广场出入库物流动线互不交叉干扰。
　　4.平衡库的规划设计
　　印刷厂对产品品质有严格的要求，经过对生产工艺的研究发现，生产原料原纸需要在印刷前进行24h的恒温恒湿，能使纸张能保持良好的平整度和良好的油墨吸附能力，能提高产品品质。
　　平衡库库容规划设计为1.5天×B(B为生产峰值时日消耗原纸托盘数），采用密集存储方案，自动配送至生产车间。
　　5.印辊库的规划设计
　　如图4所示，印辊是印刷机的易耗件，印辊是由特种钢制成的轴类零件，每根印辊寿命大约能印刷20吨纸。一般印刷机印辊参数为：直径尺寸为φ200mm～φ300mm、长度为φ1100mm～φ1500mm、重量为80kg～100kg，印辊存放在特制钢制托盘上进行配送和存储。为提高有限空间内印辊存储数量，设计采用四向穿梭车+提升机+货架的密集存储方案，出入库拣选采用直角坐标机器人+视觉识别系统在线自动拣选配盘，AGV与印辊库出入库站台自动对接并配送至生产车间。
　　6.散味库的规划设计
　　由于印刷品油墨特性原因，印刷成品一般来说油墨气味较重，需进行5～7天的散味处理。散味库的库容规划设计为1.5×B(B为生产峰值时连续7天需要散味的成品托盘数），设计采用四向穿梭车+提升机+货架的密集存储作为散味库的解决方案，采用AGV与散味库出入库站台自动对接和转运。
　　7.成品包装区的规划设计
　　印刷企业生产的成品是卷状物料，如图5，直径为φ250mm～500mm之间，幅宽为100mm～200mm之间，卷重为15kg/卷～35kg/卷。
　　成品包装区如图6所示，车间生产完成的成品沿输送线自动输送至成品包装区，经过固定条码识别设备自动识别粘贴在成品上的条码，自动分拣机将不同品规的成品自动输送到对应的分拣口，经自动整形设备整形定位，形成位置固定且准确的一排，直角坐标机器人将分拣站台上的成品自动堆垛到托盘上，完成堆垛的成品托盘经自动缠膜、自动贴码后沿输送线自动输送成品库。
　　成品包装区需要的托盘等包装材料，由立库经输送线和AGV自动输送至成品包装区使用。
　　通过应用自动输送线、自动分拣机、直角坐标机器人、自动缠膜机、自动扫码和自动贴码等技术，使成品包装区实现自动化、信息化，提高包装效率，减少包装区人工用量，降低包装区占用车间的场地面积。
　　三、某纸类印刷企业智能物流系统流程规划
　　某纸类印刷企业智能物流系统流程规划总图，如图7所示。
　　1.生产原料入库
　　因印刷企业的生产原料品规多样、包装形式多样，将生产原料分成两种入库模式：
　　其一，对包装形式统一、入库需求量大的卷纸生产原料，采用直角坐标机器人+视觉识别系统将货车上的卷纸生产原料自动抓取并运到入库站台上的托盘上，经信息绑定和条码识别，沿输送线自动入库存储；其二，对其他包装不一的生产原料，用人工叉车进行卸货和转运，人工在地面组盘、信息绑定，再用人工叉车转运至入库站台，最后沿输送线自动入库存储。
　　对需要入库的生产原料分析归类，采用机器人自动入库+人工叉车入库的模式，合理规划，合理控制投资成本，减少人工劳动强度和人工用量，提高生产原料入库作业流程的自动化和信息化水平。
　　2.生产原料出库与配送
　　MES系统提前24h将生产所需的纸卷物料任务清单下发给WMS系统，WMS系统将任务清单分解成出库任务下发给WCS系统，WCS系统智能调度堆垛机、直行穿梭车、四向穿梭车等设备，将纸卷物料从生产原料及成品库自动输送至平衡库进行恒温恒湿存储。生产车间印刷设备需要卷纸物料时，人工在现场计算机上呼叫要料，WMS系统将现场要料任务下发给WCS系统，WCS系统智能调度平衡库的四向穿梭车、提升机等设备将物料自动输送至出库站台上，WCS系统智能调度最近的空闲AGV潜入出库站台下，顶升起物料托盘并沿调度系统规划好的路径自动将物料托盘运送至要料设备旁边的固定站台上。
　　采用自动化立库技术及设备，使纸卷生产原料的出入库及存储实现自动化和信息化。用AGV柔性配送技术，使生产车间的物料需求和立库有机结合，使生产物料信息采集和管理实现数字化，车间物料配实现送自动化、实时化、精准化和小批量化，同时减少车间物料暂存堆积，提高车间场地利用率，降低人工劳动强度。
　　3.生产辅料配送
　　生产车间各机台需要生产辅料时，机台操作人员在现场计算机上呼叫要料，WMS系统将现场要料任务下发给WCS系统，WCS系统智能调度生产原料及成品库的堆垛机、输送系统等设备将物料自动输送至出库站台上，WCS系统智能调度最近的空闲AGV潜入出库站台下，顶升起物料托盘并沿调度系统规划好的路径，自动将物料托盘运送至要料机台旁边的固定站台上。
　　生产辅料从生产原料及成品库直接出库，由AGV配送至车间机台旁的站台上。生产辅料和卷纸生产原料分别从生产原料及成品库的两端出库，物流动线互不干涉，有效避免物流交通拥堵。采用自动化立库技术及设备，使生产辅料的出入库及存储实现自动化和信息化。用AGV柔性配送技术，使生产车间的生产辅料需求和立库有机结合，使生产辅料信息采集和管理实现数字化，车间生产辅料配实现送自动化、实时化、精准化和小批量化。
　　4.空托盘收发
　　生产车间各机台需要空托盘时，机台操作人员在现场计算机上呼叫要空托盘，WMS系统将任务下发给WCS系统，WCS系统智能调度生产原料及成品库的堆垛机、输送系统等设备将空托盘组自动输送至托盘拆分机站台，拆分好的单个空托盘沿输送线自动输送至出库站台上，WCS系统智能调度最近的空闲的AGV潜入出库站台下，顶升起空托盘并沿调度系统规划好的路径自动将空托盘运送至要空托盘机台旁边的固定站台上。
　　生产车间各机台有空托盘需要回库时，机台操作人员在现场计算机上呼叫空托盘回库，WMS系统将任务下发给WCS系统， WCS系统智能调度最近的空闲AGV将该机台旁AGV站台上的空托盘沿调度系统规划好的路径，运送至生产原料及成品库入库站台上。经托盘码分机自动码垛，码垛成型的空托盘组经输送系统、堆垛机等设备自动运送至WMS分配的货位内存储。
　　采用自动化立库+AGV配送，使生产车间的托盘配送、存储实现自动化和信息化。
　　5.半成品转运
　　生产车间各机台生产的半成品完成组盘后，人工在现场计算机上呼叫半成品转运，MES系统将该机台的半成品转运任务下发给WMS系统，WMS系统将任务下发给WCS系统，WCS系统智能调度最近的空闲AGV将该机台旁AGV站台上的需要转运的半成品托盘沿调度系统规划好的路径，运送至下一道生产工序的AGV站台上。
　　采用AGV+MES+WMS+WCS系统，使生产车间各机台之间的半成品转运，实现自动化、精准化、实时化和信息化。
　　6.印辊配送
　　当印刷产线需要换产，MES系统发出换产任务给WMS系统，WMS系统将任务下发给WCS系统，WCS系统根据任务智能调度将换产所需的印辊以机台为单位在线自动配盘，WCS系统智能调度最近的空闲AGV将印辊库出库站台上配好盘的印辊实托盘按WCS规划好的路径，运送至指定机台旁的固定站台上。
　　生产车间印刷设备更换下来的印辊，人工清洗维护好并码垛到专用托盘上，人工在现场计算机上呼叫印辊回库，WCS系统智能调度最近的空闲AGV将该印辊托盘自动运送回印辊库入库站台，送回WMS分配的货位内存储。
　　通过运用AGV+四向穿梭车密集库+
　　直角坐标机器人+视觉识别技术等，将印刷企业印辊有效管理起来，使印辊的存储、配送、配盘、生命周期管理等实现自动化和信息化。
　　7.成品发货作业流程
　　成品堆码在子母托盘上，经缠膜、捆扎、贴码后输送入库生产原料及成品库存储。成品发货时，WMS系将需要发货的任务下发给WCS系统，WCS系统智能调度堆垛机、输送系统等将需要出库的成品托盘一一输送至成品发货站台，由人工叉车叉取子托盘装车，母托盘自动输送至托盘码分机码垛，码垛好的空托盘组经输送系统、堆垛机回到WMS系统分配的货位内存储。
　　四、某纸类印刷企业智能物流系统特点
　　1.托盘尺寸统一便于自动化物流设备搬运、存储，减少物流设备的种类，节约投资，也方便后期维护管理。
　　2.生产原料及成品仓库合二为一，便于企业管理，节省仓库管理费用及维护人员，减少物流搬运，节约成本。
　　3.生产原料及成品库采用双深堆垛机立库方案，高效利用厂房的高度空间，节约车间占地面积，使生产原料及成品的存储实现自动化和信息化。
　　4.平衡库、印辊库及散味库采用四向穿梭车密集存储，降低车间场地占用面积，有效利用车间高度空间，使生产面积最大化，实现节能增效，使半成品、印辊的存储、出入库管理实现自动化及信息化。
　　5.印辊库出入库拣选和生产原料及成品库卷纸入库采用直角坐标机器人+视觉识别系统，减少工人劳动强度，提高出入库效率。
　　6.生产车间使用AGV配送，减少生产车间内的固定物流输送设备，生产配送柔性强，后期产能拓展空间大且灵活。
　　7.通过WMS+WCS+MES软件系统的有机深度融合，使对工厂的生产原料、半成品、辅料、成品、生产设备等生产信息数据的采集、存储、管理、分析应用实现自动化和智能化，打通整个工厂生产信息管理链，对产品、生产原料、设备进行全生命周期管理。
　　8.通过对某纸类印刷企业智能物流系统进行规划设计，使该企业物资存储实现立体化、自动化和智能化，物资配送实现自动化、实时化和柔性化按生产需求配送，物资信息采集、传输、管理和应用实现自动化、数字化、网络化和全生产周期化。
　　五、结束语
　　通过对某纸类印刷企业智能物流系统的规划设计，使该企业的生产原料、辅料、半成品、成品等出入库、存储、车间流转及配送、成品发货实现自动化和智能化。WMS+WCS+MES软件系统的有机深度融合，使该企业对产品、生产原料、设备等生产信息采集、处理、分析实现自动化和智能化，进行全生命周期管理。
　　通过对某纸类印刷企业智能物流系统规划及实施，帮助该企业对生产原料、生产辅料、成品、半成品管理实现智能配送、智能存储、数字化管理和质量追溯，成为纸类印刷行业智能物流系统有效解决方案之一，为纸类印刷行业实现智能制造提供了样板和参考。