導 讀

本文重點討論倉儲物流系統(tǒng)對柔性自動化工廠的支撐問題。

作者：佰思杰CTO 駱金松

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倉儲物流系統(tǒng)的柔性問題

隨著個性化定制的需求越來越突出，多品種、小批量、短交期對生產(chǎn)管理造成了很大難度。許多企業(yè)意識到要解決柔性自動化，必須考慮建設柔性自動化和智能工廠。許多企業(yè)建設智能工廠，通常會選擇建設柔性化自動化的生產(chǎn)線, 但是一些企業(yè)投入了很多資金，進行了柔性自動化改善，但沒有發(fā)揮出應有的效益。

造成柔性產(chǎn)線不能發(fā)揮應有作用的原因很多，最典型的是柔性產(chǎn)線依然是一個自動化和信息孤島，企業(yè)其他部門的工作沒有跟上來，例如物料齊套率不高、缺少自動化配送，該自動化系統(tǒng)的作用不能充分發(fā)揮。造成這個問題的原因，是配套的工作沒有同步進行，包括信息系統(tǒng)的建設，物流系統(tǒng)的建設、供應鏈系統(tǒng)的建設、設計工藝的模塊化和結(jié)構化等。

本文重點討論倉儲物流系統(tǒng)對柔性自動化工廠的支撐問題，常見的問題包括：

（1） 計劃排程、物料齊套、提前備料做的不夠好。

（2） 倉儲物流系統(tǒng)與MOM/MES系統(tǒng)的集成和協(xié)同不好。

（3） 倉儲物流系統(tǒng)自身的靈活性不夠。

（4） 容器的標準化不夠。

（5） 倉儲物流系統(tǒng)的可靠性不好。

（6） 對工裝、空容器的自動配送和回收調(diào)度不好。

（7） ……

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智能排程與齊套性檢查

生產(chǎn)計劃不僅用來指導生產(chǎn)，還用來幫助提前進行生產(chǎn)準備，這包括物料的備料、工具工裝的準備。對于多品種、小批量、短交期、多變化的柔性自動化工廠，生產(chǎn)計劃的制定、物料的齊套通常是非常困難的，尤其是經(jīng)常插單、工藝經(jīng)常變更、生產(chǎn)過程不穩(wěn)定的情形，生產(chǎn)計劃需要經(jīng)常調(diào)整，備料計劃也必須相應調(diào)整。

圖 計劃智能排程與調(diào)度優(yōu)化

生產(chǎn)計劃是整個工廠運行的指揮棒，生產(chǎn)計劃需要指導物料的備料、工具工裝的準備、拉動物料的配送、驅(qū)動自動化設備自動生產(chǎn)、按順序進行生產(chǎn)切換等。如果生產(chǎn)計劃不合理，將導致產(chǎn)能的巨大損失，原材料和在制品積壓、無法按期交貨等許多的問題。

基于高級計劃排程APS，建立拉動式的計劃體系，不僅考慮單個設備、單條產(chǎn)線產(chǎn)能的約束，還需要考慮不同自動化產(chǎn)線之間的平衡，優(yōu)化瓶頸，減少在制品。例如有些批量生產(chǎn)的工序(例如烘烤、老化、干燥)，或瓶頸工序需要拉動上游工序的生產(chǎn)，這樣可以有效減少在制品的數(shù)量，自動化工廠在制品緩存都有一定的容量限制。

系統(tǒng)可以快速驗證生產(chǎn)計劃的合理性，例如檢查物料的齊套性、工具工裝的準備，提前驅(qū)動生產(chǎn)準備，并對異常進行及時的預警。過去要人工去了解和跟蹤物料的齊套、工具工裝的情況，無疑需要花費大量的時間，而且得到的信息時效性比較差，經(jīng)常會造成計劃不合理。

對于多品種、小批量、短交期、多變化的工廠，APS解決了過去常說的“計劃沒有變化快”的問題，排程模塊可以根據(jù)收集的最新信息，設備的可用情況、訂單的齊套性等，支持快速滾動重排，確保計劃更新的合理性和及時性，同時針對一定周期內(nèi)的生產(chǎn)計劃進行鎖定，保證生產(chǎn)計劃的穩(wěn)定性，這一點對于柔性自動化工廠無疑是非常重要的支撐。

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物料和工裝提前備料入庫

對于自動化的工廠，越來越多的工廠建設了立體倉庫，并配備了自動輸送線、AGV等自動化物流設備。但是如果缺少根據(jù)生產(chǎn)計劃的提前備料，以及生產(chǎn)執(zhí)行過程中根據(jù)實時進度驅(qū)動自動出庫和AGV提前準時配送，就無法支撐自動化產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)。

為了實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的自動化物料、工裝配送，一般需要事先將、工裝入自動化立體庫，為了加快自動化立體庫的周轉(zhuǎn)率，可以根據(jù)最近生產(chǎn)計劃所需要的物料、工裝先備料到立體庫中，一旦生產(chǎn)計劃即將被執(zhí)行時，就可以提前拉動相關的物料、工裝精準配送到工位。

備料過程通常需要考慮：

（1） 按生產(chǎn)計劃生成備料計劃，計劃調(diào)整需要聯(lián)動更改備料計劃

（2） 按生產(chǎn)訂單精準備料，使用RFID、條碼對備料的容器進行標識

（3） 備料好的容器可能需要組托，方便運輸?shù)搅Ⅲw庫上料口、入庫時拆托

（4） 根據(jù)策略自動分配立體庫貨位，驅(qū)動立體庫自動入庫

（5） 系統(tǒng)記錄每個備料容器的貨位，以便需要時精準拉動配送

（6） 相同生產(chǎn)計劃的物料入庫盡量集中存放，便于生產(chǎn)執(zhí)行時快速協(xié)同出庫配送

某企業(yè)應用場景：系統(tǒng)自動根據(jù)備料計劃自動生成備料計劃，備料員按備料計劃借助PDA進行備料，并將備料信息寫入容器的RFID標簽中，容器組托為托盤，物流員使用叉車運輸?shù)阶詣踊Ⅲw庫上料口，自動拆托裝置自動拆托，識別RFID中的備料信息，系統(tǒng)分配貨位，并驅(qū)動容器自動入立體庫等待生產(chǎn)配送指令出庫。

圖 自動分配貨位入自動化立體庫

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自動拉動物料配送

對于自動化設備，上料點一般只能儲存非常有限的物料，配送太多物料到配送點導致上料點無法接收，甚至占用AGV設備，或?qū)е伦詣踊斔途€的擁堵。如果配送不及時會導致生產(chǎn)線停工待料。所以必須確定合理的配送策略，實時監(jiān)控上料點的物料消耗，及時進行補充配送。

圖 柔性自動線的物料輸送系統(tǒng)

例如，MOM/MES調(diào)度平臺，可以根據(jù)各個上料點配送物料的周期及上料點可緩存的容量，設置物料任務下發(fā)的數(shù)量，以此來控制物料在途數(shù)以及下發(fā)節(jié)奏，從而保證物料的及時供應，也不至于造成物流的阻塞。

并非所有配送點都可以基于自動輸送線，必要時可以使用AGV進行接力配送。

圖 雙工位AGV執(zhí)行配送任務

拉動物料的精準配送通常需要考慮：

（1） 建立物流配送的相關模型

（2） 定義配送策略

（3） 根據(jù)生產(chǎn)計劃建立配送隊列

（4） 根據(jù)生產(chǎn)實際進度拉動配送

（5） 創(chuàng)建物料、工裝配送指令

（6） 驅(qū)動立體庫、輸送線、AGV的物流執(zhí)行

（7） 避免工位物料缺料

（8） 避免堵塞主輸送線

（9） 配送過程中的優(yōu)化，例如雙工位AGV、堆垛機成組

（10） 確保物料正確的配送順序

（11） 要考慮空容器的自動回收

（12） 監(jiān)控物流的執(zhí)行過程

（13） 處理物流過程中的異常

（14） ……

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工裝的配送和回收

除了物料以外，還需要進行工具工裝的準備，根據(jù)生產(chǎn)計劃，系統(tǒng)可以自動檢查工具工裝的齊套情況，不齊套的工具工裝需要事先入庫到立體庫，并實時監(jiān)控工具工裝的齊套情況。生產(chǎn)過程中，根據(jù)生產(chǎn)的實時進度，驅(qū)動立體庫自動出庫，AGV自動將工具工裝配送到工位，工裝使用完畢需要并對拆卸下來的工裝及時回收。

例如某企業(yè)熱壓工序需要進行粉末冶金成型，模具是重要的工具工裝，不同產(chǎn)品的形狀、尺寸不同，需要使用不同的模具，因為涉及到數(shù)以百計的熱壓機，每天有大量的模具出庫、預熱、配送任務，這些工作必須合理的安排，否則會影響到熱壓工序的連續(xù)生產(chǎn)。

圖 拉動模具的配送、驅(qū)動模具的回收

上圖展示了模具的出庫、配送、預熱、更換、模具回收的全過程。其中只有更換過程需要人工參與，其他所有工作包括模具的自動出庫、模具輸送線AGV自動配送到預熱箱、模具在預熱箱自動預熱、預熱好的模具AGV配送到工位、AGV將回收的模具配送到立庫、立庫堆垛機自動入庫全過程都自動實現(xiàn)。

圖 使用無人叉車AGV配送或回收模具

基于這種方法，即使還沒有到上班時間，MOM/MES系統(tǒng)根據(jù)當日生產(chǎn)計劃，可以調(diào)度立體庫模具提前出庫，通知AGV將模具配送到指定的預熱箱進行預熱，這樣員工上班之后就可以立刻進行模具安裝或換模，最大限度減少熱壓設備等待時間。這樣人和機器和諧交互，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

對于工裝的配送和回收，此過程通常需要考慮：

（1） 根據(jù)生產(chǎn)計劃自動生成工裝準備計劃

（2） 按工裝準備計劃準備工裝入立體庫

（3） 按需提前拉動工裝的自動配送，必要時進行預處理，例如預熱

（4） 自動創(chuàng)建任務指導工裝的安裝

（5） 驅(qū)動拆卸下來的工裝的自動回收入庫

（6） ……

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產(chǎn)線柔性自動化生產(chǎn)

對于自動化的生產(chǎn)，MOM/MES需要建立一套可自動執(zhí)行的閉環(huán)控制流程，包括設備的喚醒、拉動物料配送、工藝參數(shù)下發(fā)、自動上料、啟動設備生產(chǎn)、采集與自動報工、任務完工、生產(chǎn)切換控制等。

生產(chǎn)線按一定的速率生產(chǎn)產(chǎn)品/半成品，同時消耗零部件和原材料，MOM/MES需要監(jiān)控上料點的消耗情況，提前拉動物料的配送，維持生產(chǎn)的持續(xù)性，同時確保生產(chǎn)物料的持續(xù)供應。

當某自動化設備生產(chǎn)完一個訂單時，按計劃排程的順序要自動切換到下一訂單繼續(xù)生產(chǎn)。前一個訂單生產(chǎn)完成之前，下一個訂單的物料可能已經(jīng)開始配送，以便可以確保產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)。

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在制品自動轉(zhuǎn)序和成品入庫

對于自動化產(chǎn)線產(chǎn)出的半成品，應該及時裝盒（或其他容器、托盤等），MOM/MES應實時掌控產(chǎn)線產(chǎn)出半成品的情況，并及時驅(qū)動AGV將半成品配送到下一自動化產(chǎn)線和設備的上料點。同時在在制品到達下個工序前，下達工藝參數(shù)、檢驗參數(shù)等加工信息，保證設備加工時有對應的工藝控制信息。

對于后工序有較長等待時間的情況，例如產(chǎn)品需要靜置若干小時、或者后工序是批量生產(chǎn)方式（例如烘烤、老化、干燥），需要積累一定量的半成品，此時可能需要驅(qū)動AGV臨時入緩沖區(qū)，甚至驅(qū)動入自動化立體庫暫存。

MOM/MES需要掌握在制品流轉(zhuǎn)的實施情況，包括監(jiān)控在制品緩沖區(qū)、立體庫的貨位使用情況、并調(diào)度空容器，以確保自動化產(chǎn)線產(chǎn)出產(chǎn)品時不會因為空容器不足而停止生產(chǎn)。對于已消耗的物料產(chǎn)生的空容器，MOM/MES應該驅(qū)動物流系統(tǒng)及時回收。

圖 在制品自動轉(zhuǎn)序和成品入庫

MOM/MES必須實時掌握工廠的運行情況，實物流和數(shù)據(jù)流必須保持一致。原材料的配送、在制品的周轉(zhuǎn)、成品的入庫、工具工裝的配送都離不開容器和托盤。一般需要采用RFID和條碼技術。

對于柔性自動化的工廠，RFID的識別一般是自動進行的，例如堆垛機、輸送線、AGV、機器人手臂、自動化設備、PDA通常都具有RFID和條碼識別裝置。

圖 機械手臂自帶RFID識別功能

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WMS、LES、MES的關系

如下圖分析了支撐柔性自動化生產(chǎn)的相關要素，相關的每個業(yè)務都在制造過程中發(fā)揮著各自的支撐作用。柔性自動化生產(chǎn)線能否高效運轉(zhuǎn)的最大挑戰(zhàn)不是來自柔性單元和柔性生產(chǎn)線本身，而是來自于對生產(chǎn)支撐相關要素的統(tǒng)一調(diào)度和優(yōu)化。只有如下這些業(yè)務緊密的協(xié)同，才能完成高效自動化柔性生產(chǎn)。

生產(chǎn)環(huán)節(jié)從來就是各種信息和各種業(yè)務的匯集地，工廠幾乎其他所有的業(yè)務環(huán)節(jié)都是為生產(chǎn)產(chǎn)品服務的，這一點本質(zhì)上決定了核心是支撐生產(chǎn)的MES系統(tǒng)與其他業(yè)務板塊存在復雜的協(xié)作。如下圖，從產(chǎn)品生命周期維度、價值鏈維度、信息化層次等維度來看，生產(chǎn)都是信息和業(yè)務匯聚的核心。

圖 生產(chǎn)是各信息和業(yè)務的匯聚點

分別實施MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、WMS（倉庫管理系統(tǒng)）、LES（物流執(zhí)行系統(tǒng)）等系統(tǒng)，從原理和實現(xiàn)上都是可行的，雖然這些系統(tǒng)可能實現(xiàn)了局部的優(yōu)化，卻容易忽視了全局的優(yōu)化，事實上導致了嚴重的信息碎片化。小系統(tǒng)之間的無縫集成做到并不容易，不同應用之間的邊界不夠清晰，存在重疊和交叉，要進行這樣的集成，需要供應商做讓步和修改，這經(jīng)常會觸及到某些供應商的利益。你的寶貴時間可能浪費在不同供應商的爭吵之中。

控制復雜性，避免碎片化是信息系統(tǒng)建設的基本思想。一個更好的方案是選擇成熟的包含了MES、WMS、LES等模塊MOM平臺， MOM已經(jīng)實現(xiàn)了這些模塊之間的協(xié)同。包含這些模塊成熟的MOM平臺通過一體化的平臺和良好的設計，對外屏蔽了內(nèi)部的復雜性，這避免了碎片化、降低了集成的風險。分別實施MES、WMS、LES等系統(tǒng)，等于將MOM內(nèi)部的復雜度暴露了出來，這對于客戶的能力方面也提出了很高的要求。

MOM通過狀態(tài)感知實現(xiàn)了信息流與實物流的一致性，一體化平臺內(nèi)部多個模塊，更容易實現(xiàn)深度、更大范圍內(nèi)的優(yōu)化，這是通過多個系統(tǒng)集成難以做到的。這包括生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)準備、生產(chǎn)執(zhí)行、倉儲管理、物流執(zhí)行、設備狀態(tài)、質(zhì)量控制等各個方面，并通過工業(yè)智能、自主控制實現(xiàn)對工廠的動態(tài)調(diào)度和優(yōu)化，基于智能化的精準預測和即時行動為柔性自動化工廠賦能。

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平臺必須是柔性可配置的

現(xiàn)在，與人力、設備、資本、物料、技術等生產(chǎn)要素一起， MOM已經(jīng)成為柔性自動化工廠所必備的新生產(chǎn)要素。柔性自動化工廠比其他工廠更關注企業(yè)信息系統(tǒng)的柔性。

選擇成熟的MOM產(chǎn)品平臺，可以大幅度實施柔性自動化工廠項目的風險，實現(xiàn)合適成本、更高質(zhì)量、更快地交付。選擇MOM平臺是很容易關注功能符合性，而忽略產(chǎn)品的平臺化、擴展性與靈活性，這是要吃大虧的。

產(chǎn)品支持采用模型驅(qū)動、動態(tài)可配置的低代碼開發(fā)方式進行個性化定制開發(fā)。柔性可配置包括兩個方面，一個方面是面向業(yè)務人員的，包括集成服務商、用戶方業(yè)務人員。業(yè)務人員通過系統(tǒng)提供的工具可以快速建立和修改業(yè)務模型，從而實現(xiàn)業(yè)務調(diào)整快速適配。

建模包括兩個方面：靜態(tài)的部分和動態(tài)的部分。

（1）結(jié)構建模通常是靜態(tài)的，用于映射工廠的對象和結(jié)構關系，例如組織結(jié)構、車間布局、工位和連接關系、倉庫、存儲分區(qū)、貨位結(jié)構、車間緩存區(qū)、物流配送點、物流設備/容器、配送路線等。

（2）行為建模通常是動態(tài)的，用于定義系統(tǒng)的行為，包括數(shù)據(jù)處理、分析、預測、優(yōu)化和控制等，例如：用戶權限規(guī)則、倉儲上/下架策略、物流拉動/配送規(guī)則、物流擁塞控制規(guī)則等。

當工廠的生產(chǎn)布局、組織架構、物流路線等發(fā)生變化時，主要由這些業(yè)務工程師負責對相關的模型進行調(diào)整，調(diào)整之后不需要生成代碼立刻生效，不需要交給程序員去修改代碼。

另一個方面是面向IT工程師提供的低代碼開發(fā)工具，通常包括：數(shù)據(jù)庫結(jié)構建模、用戶界面表單設計、菜單結(jié)構設計、報表看板設計、工作流設計、基于腳本的插件開發(fā)、組織結(jié)構建模、權限建模等方面工具。這些建模工具應該針對特定的用途分別設計，低門檻，易于使用，便于集成服務商或用戶對系統(tǒng)進行持續(xù)快速、低成本地維護，滿足客戶的個性化需求，以及需求的快速變化。

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總結(jié)

柔性自動化生產(chǎn)線能否高效運轉(zhuǎn)的最大挑戰(zhàn)不是來自柔性單元和柔性生產(chǎn)線本身，而是來自于對生產(chǎn)支撐相關要素的統(tǒng)一調(diào)度和優(yōu)化，這其中就包括計劃排程、生產(chǎn)準備、倉儲管理、物流執(zhí)行、生產(chǎn)執(zhí)行、質(zhì)量控制、資源維護等。只有這些業(yè)務緊密的協(xié)同，才能完成高效自動化柔性生產(chǎn)。

分別實施MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、WMS（倉庫管理系統(tǒng)）、LES（物流執(zhí)行系統(tǒng)）等系統(tǒng)，從原理和實現(xiàn)上都是可行的，雖然這些系統(tǒng)可能實現(xiàn)了局部的優(yōu)化，卻容易忽視了全局的優(yōu)化，事實上導致了嚴重的信息碎片化。小系統(tǒng)之間的無縫集成做到并不容易，不同應用之間的邊界不夠清晰，存在重疊和交叉，要進行這樣的集成，需要供應商做讓步和修改，這經(jīng)常會觸及到某些供應商的利益。你的寶貴時間可能浪費在不同供應商的爭吵之中。

控制復雜性，避免碎片化是信息系統(tǒng)建設的基本思想。選擇成熟的MOM產(chǎn)品平臺，可以大幅度實施柔性自動化工廠項目的風險，實現(xiàn)合適成本、更高質(zhì)量、更快地交付。MOM已經(jīng)實現(xiàn)了APS、MES、WMS、LES等這些模塊之間的協(xié)同。包含這些模塊成熟的MOM平臺通過一體化的平臺和良好的設計，對外屏蔽了內(nèi)部的復雜性，這避免了碎片化，降低了集成的風險。

現(xiàn)在，與人力、設備、資本、物料、技術等生產(chǎn)要素一起， MOM已經(jīng)成為柔性自動化工廠所必備的新生產(chǎn)要素。柔性自動化工廠比其他工廠更關注企業(yè)信息系統(tǒng)的柔性。選擇MOM平臺是很容易關注功能符合性，而忽略產(chǎn)品的平臺化、擴展性與靈活性，這是要吃大虧的。