钢板切割自动化上下料、存储—全自动智能起重机

项目规划概述

为某工厂的板材智能切割线，厂房上下两侧为等离子切割机工作区域，有4 个切割平台，每个平台有2 个切割机，厂房中间区域为待加工的钢板缓存区域，智能起重机自动将钢板放置在切割平台上，等切割完成后，智能起重机进入切割平台将切割完成的钢板自动下线，输送至出口传送带，物料传递到下游工艺进行分拣，整个无人区由智能仓储管理系统（WMS 系统）完成整体物流管控调度和设备系统集成。该生产线计划生产目标常规工作为一个月完成3654 张钢板切割，巅峰工作一个月完成4275 张钢板切割，生产线常规加工钢板规格如表1 所示，切割机月产能数据如表2 所示。

1、 物流描述

根据工艺功能要求，整个切割线厂房切区划分为无人区和有人区两大区域。

1） 无人区 包含切割区和钢板缓存区，通过安全围栏、安全光幕等封闭，正常工作时智能起重机在无人区内运行，该区域内无人员通行。①切割区：8 台等离子切割机（按等离子电源计算）分布于4 个切割平台上位于无人区两侧，每个切割平台具有3 个钢板存放位；②钢板缓存区：16 个缓存垛位，分规格存放待切割钢板。

2）有人区 包含手动卸车起重机、入库的卡车卸车停放位、3 个卸车钢板临时缓存区和RGV入库装车区域。

作业流程包括卸车作业、入库作业、上料作业和下料作业。

卸车作业车辆运输钢板进入切割车间后，由车间内的工作人员利用手动起重机和吊具卸载钢板至卸货区域旁的临时缓存区，卡车在卸货完成后驶离。

入库作业车间工作人员利用手动起重机和吊具把钢板吊运至具有自动功能的电动平车，此时工作人员通过地面操作台（客户端）把吊运钢板的信息（尺寸、数量、材质等）输入到WMS 的人机界面内，以确保整个系统确认来料，便于统一管理。电动平车待钢板放置完成并确定手动起重机驶离后自动滚动，把钢板移送至自动化车间的上料区，电动平车配置定位功能和至少三张钢板对中功能，以确保钢板以高位置精度状态进入后道工序中。钢板到达自动上料区后反馈给WMS 系统，WMS系统命令起重机吊运钢板至堆垛区，堆垛策略和起重机行驶路径等由WMS 统筹管理。

上料作业切割机的上料是由WMS 统筹管理，当WMS 接到切割机的上料请求后，WMS 使起重机从堆垛位置吊运钢板至切割机，钢板定位功能，行驶路线等也在WMS 的统一管理范围内，当系统确定钢板上料完成且起重机已经驶离时，切割机工作，开始切割。

下料作业切割机的下料功能由WMS 统筹管理，当WMS 接到切割机切割完成信号后，呼叫起重机下料，当系统确认分拣机构的连锁要求满足后（WMS 设置与分拣机构的通讯接口），起重机自行驶离。

2、物流基本设定

根据实际工厂尺寸、布局、生产流程等信息，采用物流技术建立数字化双胞胎模型，按设备运行实际速度、加速度、对位、寻边等所设定的设备运行节拍，根据实际生产节奏设定生产计划，并按照实际生产过程设定库位、设备等元素的调度模式，实现生产过程、生产节拍等与实际生产完全一致的动态物流，获得库容利用率、设备利用率、生产节拍等信息进行物流验证。

2.1 物流输送设备运行节拍

根据生产作业需求，初步设定智能起重机、RGV等设备运行速度。

2.2 入库工单

根据每月计划产量、每日入库车辆按24 h 均布到达，根据车辆载荷随机生成入库工单。

2.3 切割机加工节拍

根据加工钢板规格，调整切割速度，考虑空行程、自动找正等时间因素，不同规格钢板加工时间。切割机加工状态，设置检修维护时间表：每天工作20 h、每月工作26 天；8 台切割切割机轮流检修。

3、系统调度策略

3.1 两级调度管理

宏观WMS 管理级：根据库存实时监控数据控制涨库、亏库，从而控制电动平车送料节拍；微观算法级：库内作业任务调度。多任务时，通过路径最短、时间最短等多目标优化调度模式，实现调度**。

3.2 入库策略

入库卸平板车，平板车上只入库同种规格钢板，最大载重10 t，智能起重机卸车一次起吊1 张钢板; 入库按照钢板规格选择入库库位，库位钢板堆放高度上限1.5m，钢板入库时若目标库位已经堆放至高度上限，系统自主选择空闲库位暂时摆放; 入库卸车时，已经被系统占用的入库库位不可进行钢板加工上切割机任务; 切割机任务和入库卸车任务并行，采用切割机任务优先原则;每个垛位只能摆放一种规格的钢板。

3.3 切割上料卸料策略

8台切割机工位空闲时对库位钢板资源抢占，被锁定库位的钢板只可上一台切割机；库内钢板按先入先出顺序加工，先入库先加工；切割机不可选择正在进行入库的库位进行生产任务。

3.4切割机双机三工位（A/B/C）调度方案

针对双机三工位，策划两个调度方案。

1）独立作业调度 一个割炬负责A 工位，另一个割炬负责B、C 两个工位。

2）协同作业调度 两个切割机各自独立负责外侧A、C 工位（称为本位），中间工位B 由切割机协同作业，先占先得。B 工位被占后，若另一台切割机完成作业，则移动到待机位等待本位卸料→上料后在本位上继续作业。两台切割机均作业时，空闲工位在相临切割机完成作业前上料，以尽可能保证切割机连续作业，如此循环。

3.5 起重机智能路径规划

基于设备安全原则，起重机不可在切割机上方运行。在起重机进入切割机区域前，按照智能路径规划模块指定的路径进行区域避让。

3.6 数据

通过计算机时间加速分别完成方案一、方案二约4 000 h 等效时长物流，结果见图2和表4。

1) 钢板入库策略

上述中，卡车送料集中在白天8 h、电动平车入库24 h 作业。若电动平车集中在白天8~10 h 入库，则影响到智能起重机为切割机上料、卸料，最终影响切割任务：峰值产能降低到3 466 张，降低21%。

2）切割机利用率

按产能数据设定并考虑维护保养工况，切割机能够达到的最高设备利用率分别为常规作业72.2%、峰值86.6%。按现有的调度算法进行，可得到切割机最大利用率常规作业70.6%、峰值作业81.8% 的结果。考虑只设置一台起重机，多任务并行时存在切割机完成任务后等待起重机卸料、等待分拣输出传送带等现象，当前的调度算法已较好地利用了切割机的产能。

3）切割机双机三工位（A/B/C）调度方案的比较协同作业调度比独立作业调度切割机平均利用率提高2.5%，且设备利用更均衡。切割机协同作业调度模式优于独立作业调度模式。峰值作业情况：独立作业调度，两台切割机利用率分别为78.5% 和80.9%；协同作业调度，两台切割机利用率分别为82.1% 和82.3%。