印刷业智能工厂的智能物流系统应用！物流文视界

前言

传统印刷业属于典型的离散型制造业，生产劳动人员密集。产品印刷过程主要由印前、印刷和印后三大类工序构成。各工序之间、各生产设备之间以及车间与仓库之间通常涉及到大量原材料、半成品和产成品的搬运工作，均需由人工完成。随着社会经济的发展，人力成本增加，愿意长期从事该工作的工人减少。并且人工物料转运会导致仓储数据不准确、出入库做账不及时、在制品状态和数量不清晰等问题。这些问题是印厂在经营管理过程中经常遇到的痛点，直接影响到物料需求计划和生产调度，进而一方面影响按时交货，使交期延长，另一方面造成库存积压，使得库存周转周期延长。

作为传统离散型制造业的包装印刷行业也深受智能制造浪潮的影响。近年来，业内很多工厂均在实现生产自动化的基础上积极探索实现数字化和智能制造的道路，以期解决传统印厂经常遇到的痛点和面临的各种挑战。

一、印厂智能物流系统架构

智能物流系统通常指连接生产设备之间、车间之间以及车间与仓库之间的物流搬运系统。为实现印厂智能物流系统搭建，应该在尊重原有印刷生产工艺与合理生产布局基础上，通过应用新的生产智能化装备来实现协调车间的整体调度。印厂智能物流系统总体架构通常由设备层、管控层和企业层组成，如图1所示。

图1 智能物流系统架构

智能物流系统按功能分为实现智能仓储的自动化立体仓库、实现转运控制的智能搬运系统、实现转运连续性的产线衔接部分和实现信息管理的上层信息系统，智能物流系统框架如图2所示。

1.1 自动化立体仓库

自动化立体仓库是解决印厂仓储痛点的一种方式，也是印厂智能物流不可分割的一部分。自动化立体仓库在印厂智能物流系统中发挥的主要功能是实现原材料、半成品和产成品的存储和转运。自动化立体仓库由输送线、高层立体货架、堆垛机等关键部分构成。自动化立体仓库出入库口还可根据需要设置提升机，完成货物与智能搬运系统的无缝对接。自动化立体仓库除了本身需要电控实现自动出入库外，还需要一个WMS进行货位分配和配对、出入库管理和盘点管理等。

1.2 智能搬运系统

智能搬运系统包括智能物流管控系统和智能搬运设备。智能物流管控系统是实现柔性化工艺布局和连线化协同控制的必备系统，其核心功能之一是综合调度。智能物流管控系统需根据产线的生产节拍、生产调度计划和仓储情况智能地进行决策并与各组件通信，调度各执行机构完成搬运任务。为实现智能决策和智慧调度，智能物流管控系统需要与ERP、WMS进行对接和集成。信息化基础水平良好的印厂可以利用ERP系统对印厂整个运营流程进行管控。智能物流管控系统需要从ERP系统里获取仓储数据、物料需求数据以实现智慧决策。同时，智能物流管控系统还需与MES系统相连，甚至接受MES系统的任务驱动，基于生产节拍，满足生产现场的物料搬运需求。

在智能搬运设备方面，自主导航小车（AGV）和移动机器人（AMR）为印厂智能物流提供了更柔性化的搬运选项。实现印厂内点到点之间的搬运主要包括两种输送设备，一种是采用有轨小车（RGV），另一种是采用柔性化程度更高的AGV。较常见的RGV解决方案是德国Krift&Zipsner公司提供的连接翻纸器与印刷飞达上纸装置的物流解决方案。该方案与高宝和海德堡印刷机不停机上纸功能集成，可实现翻纸器到印刷机无缝物流集成，完成自动齐纸、翻纸、换拍和上纸等操作，可节省大量的人力和物力。

AGV在移动过程中，可根据周围的环境信息自动学习和构建对周边环境的认知，进行主动避障和选择行走路线。常见的AGV从导航方式上可分为激光导航和SLAM导航，从车型上可分为背伏式和叉车式。各车型和导航方式有优有劣，需根据具体应用场景和搬运路线现场条件进行选择。一套AGV解决方案通常包含软件和硬件部分，如图3所示。

1.3 产线衔接

离散型制造企业为实现智能物流系统的搭建，需要统筹其涉及的多工序、多物料和长流程等问题，合理的产线衔接设计对印厂生产效率和质量有很大的影响。智能物流系统从仓库搬运材料至产线，从产线直接搬运半成品，以及将成品从产线搬运至仓库时，均需要与产线设备的上料部分或下料部分对接。只有实现无缝对接，才能真正减少人工干预，实现全自动化和智能化搬运。由于印厂主要设备，如印刷机、模切机和烫金机等均有不停机上纸和收纸功能，对于相对比较老的设备，还可以通过设备升级和改造实现该功能。

1.4 上层信息系统

智能物流上层信息系统包括ERP、MES和WMS等企业信息系统，控制和管理印厂生产和运作的稳定。随着信息系统在印刷行业的初步应用，多数印企仍处于探索阶段，企业信息系统功能尚未被有效开发，但这为印企从人工管理模式转向信息化和数字化管理模式奠定了基础。有了初步的企业信息系统建设，印厂智能物流系统得以发展，主要以提升生产效率和节约人力成本问题。

二、印厂车间智能物流系统设计

2.1 车间布局及路径设计

智能物流系统的规划布局是建设厂内智能物流的第一步。规划过程中要结合车间现场实际情况。按规划对象不同，大致可以分成两类：一类是针对新建厂房的规划；另一类是在现有车间的基础上进行升级改造。对于第一类，规划的灵活性和可发挥的空间很大，可充分考虑物流流动效率和车间整体布局等各种因素。第二类是大部分印厂可能遇到的情形，该类规划需要充分考虑现有车间布局和现场条件，是在现场约束条件下，并充分利用现有的有利条件进行规划。

本研究考虑天津某印业包装有限公司的车间状况，将智能物流系统中的自动化立体仓库规划在立体车间的中央位置（如图4）。

图4 印厂布局及路径规划（1楼）

该布局集智能产线物流与智能仓储物流功能于一体，是企业智慧工厂建设的重要组成部分。立体仓库布局在八大车间中心位置，打通了各楼层间的产线物流，支持制品在各楼层和各车间的离散工序之间智能流转，代替了在制品和原材料间靠人工搬运的传统物流模式。同时，自动化立体仓库共设计9层40列8排，采用双巷道双深位设计，可容纳将近3000多台存货，在WAS系统的驱动下，可智能地根据预置规则完成原材料和成品的上架、下架、移库、盘点和库龄周期管理，提高了仓储管理效率和准确性，大大节省了传统仓储中需要的人力和物力，真正实现了全自动出入库，一键智能盘点等智能仓储管理功能。

以天津某印业包装有限公司一楼布局为例，在每个楼层都设置自动化立体仓库的出入口，实现原材料、半成品在多个车间和多个楼层之间经立库暂存和转运，让自动化立体仓库既发挥仓储功能，又发挥转运功能。

2.2 转运流程设计

智能物流系统的主要功能就是实现智能高效搬运。需要根据厂内车间布局，原材料、半成品以及产成品的流动路线和其他因素进行综合设计，如图4所示。

以原纸和空托盘搬运流程和半成品搬运流程为例，分别如图5和图6所示。从图5中可见，车间原纸和空托盘搬运以印刷机和模切机部分为例，白纸由1200mm*1000mm托盘装载，AGV可与立库可编程控制器（PLC）对接。在白纸出库时翻纸机人员操作手持读写器（PDA，Personal Digital Assistant）选择工单号、工序和物料（与ERP同步），并由操作人员选择立库出口点位置及人工暂存点位。然后，WMS下发AGV转运任务，由AGV从立库出口搬运托盘至暂存点。在空托盘搬运时，空托盘点位与设备一一对应，翻纸机缓存区则部署8层光电检测。印刷操作人员将空托盘放置于上下料口旁指定位置，操作PDA选择取料点，并由WMS下发任务给AGV，AGV将空托盘搬运至下料口托盘位，下料口人员取走空托盘后，操作PDA清除点位信息，未清除则任务无法下发并进行报错。在模切缓存物料时，在模切车间通道两侧预留缓存区，人工选择模切缓存区，并由WMS下发物料信息给立库，立库自动确定取货点，并由WMS下发任务给AGV，将利库出料口搬运托盘至模切缓存区，在取走货物后由人工清除点位信息。

图5 印刷车间原纸和空托盘搬运流程设计

印厂半成品搬运流程如图6所示。首先由翻纸机搬运至印刷机缓存区，翻纸机人员操作PDA选择工单号、工序和物料（与ERP同步），选择翻纸机点位、印刷机编号和托盘类型，并由WMS计算印刷机缓存区点位，下发任务给AGV，AGV从翻纸机搬运至印刷机缓存位并更新库位信息。在印刷机由缓存位上料时，缓存区与印刷机台一一绑定，WMS自动确认缓存位、印刷机入口点位和托盘类型，并由人工操作PDA与ERP同步的物料信息，由WMS下发任务给AGV。AGV从印刷机缓存区搬运托盘至印刷机上料口，与输送线PLC对接，并更新缓存库位信息。由产品属性决定，印刷半成品分别入立库和双层货架，立库多用于半成品入库，双层货架多用于半产品缓存。入立库的产品由人工打印条码粘贴货物表面供立库扫描，仅需人工选择出料点和入库点位，WMS下发任务后，AGV从印刷机下料口搬运托盘至立库上料口。立库上料口不需要绑定物料信息，其自带PDA会读取物料信息，之后由其内部独立系统管理。入货架的半成品由人工操作PDA选择信息、印刷机出料点和缓存区，并由WMS下发任务给AGV，由AGV从印刷机下料口搬运托盘至双层货架缓存区。人工取走双层货架缓存区货物时，必须清除点位信息。

图6 印刷车间半成品搬运流程设计

三、结论

通过建设智能印厂来实现生产制造和厂内物流智能化是传统印刷企业实现降本增效和转型升级的一条可靠路径。作为劳动密集型的印包行业，基于现有厂房条件和业内成熟技术建设厂内智能物流可解决部分现有经营管理痛点，提升智能制造水平。

一套完整的智能物流系统应包含软件和硬件两部分，硬件是智能物流的四肢，主要包含自动化立体仓库、智能搬运系统和产线衔接装置；软件是智能物流系统的大脑和灵魂，智能物流的软件系统还应与其他信息化系统，如制造执行系统和企业资源计划系统相连，实现真正的智能决策和智慧调度。很多印厂已经部分或全部建设了厂内自动化物流系统，但是还需要进一步与其他系统集成，提高整个厂内物流系统的智能化和智慧化水平。本研究结合企业自身实践，思考和探索了实现印厂智能物流系统的路径和关键技术。

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作者：

天津海顺印业包装有限公司袁汝海

北京印刷学院机电工程学院朱聪颖

北京印刷学院印刷与包装工程学院齐元胜

来源：《数字印刷》

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