鋼卷庫智能庫管系統的設計與應用*

郭 棟，葉劍民，吳正鋒

（酒泉鋼鐵集團信息自動化分公司，甘肅 嘉峪關 735100）

0 引言

國家“十四五”規劃、“中國制造2025”，以及國家2035 遠景目標中均提到“全面推進實施制造強國戰略，以智能制造為主攻方向，加快工業互聯網創新發展，加快制造業生產方式和企業形態根本性變革”。鋼鐵工業作為重點發展十大領域的基礎之一，加快鋼鐵工業的智能制造技術升級，實現信息化和工業化深度融合，將為鋼鐵行業帶來新一輪的變革和創新驅動，是鋼鐵企業發展的必然趨勢。

近些年，有關無人化庫房、智能庫房系統等技術在國內外得到越來越多的重視和應用。該系統以智能庫管系統為核心，協同自動化和人工智能等技術，在物資的裝卸、倉儲、管理和控制各環節取消或減少人工操作，全過程實現集成化、智能化、自動化控制。它具有節約用地、減輕勞動強度、消除差錯、提高管理水平、提高生產效率、提高安全管理等諸多優點。

作為扮演核心角色的智能庫管系統，其設計和功能在針對不同類型庫房，不同的工藝路線和流程時，既有共性，也存在個性。文章主要以某鋼鐵企業碳鋼冷軋中間庫智能化改造項目為背景，論述該項目中智能庫管系統方面的設計和應用。

1 系統介紹

鋼卷庫智能庫管系統，是針對庫區人員、設備、物料、信息進行協同指揮調度的信息化、智能化系統。系統從生產制造系統MES、酸軋和鍍鋅L2等系統接收生產計劃和物料信息等數據，根據物料屬性和工藝流程，自動生成庫區入庫計劃、倒庫計劃和出庫計劃，并按照各類計劃和作業的優先級，生成天車作業工單，指揮調度天車及相關設備進行鋼卷吊運作業。涉及到的軟硬件系統還包括：庫區三維可視化系統、車輛掃碼識別系統、移動PDA、卷芯焊接機器人、二維碼激光標印機器人、二維碼掃碼識別器、鋼卷塔型檢測、步進梁、過跨車等。

某鋼企碳鋼冷軋中間庫分2 個跨區，6 臺天車，是整個碳鋼生產流程中物流銜接和生產節奏控制的重要樞紐，是承上啟下的關鍵節點。庫區整體布置如圖1所示。

圖1 庫區天車及工序布局示意圖

2 系統設計

該智能庫管系統采用C/S 架構，針對中間庫的入庫、倒庫、出庫的業務需求，以及對庫存物料流轉過程中的少人化和無人化要求，在常規智能庫管系統的基礎上，還引進集成了2臺焊接機器人、一臺二維碼激光標印機器人、一套鋼卷塔型檢測裝置以及三套二維碼掃碼識別機構，用于減少人工，提高物料流轉效率和信息準度。軟件構成[1-5]如圖2所示。

圖2 智能庫管系統軟件構成圖

其中系統涉及的主要業務流程設計包括：

（1）酸軋下線入庫流程。

根據酸軋出口步進梁的光柵檢測信號，及跟蹤信息，庫區管理系統根據約束條件，自動預約目標庫位，形成自動作業工單，如圖3所示。

圖3 酸軋下線入庫流程

步進梁跟蹤信息中需要含有鋼卷規格（卷號、重量、外徑、寬度、工藝流向、質判）信息。WMS系統根據鋼卷的下道工藝（罩退、鍍鋅）以及判廢信息，自動規劃鋼卷從1#庫或2#庫下線。

酸軋下線鋼卷從酸軋工序下線上到酸軋步進梁后，在進入中間庫過程中，會依次經過稱量鞍座位、卷芯焊接機器人、激光標印機器人及塔型識別檢測。除了焊接卷芯操作需要庫管系統根據從MES獲取的鋼卷工藝流向屬性來判斷外，其他操作全部順序執行。

無人天車在執行下線作業，當進入步進梁區域時，給步進梁L1級發送鎖梁指令，步進梁L1接受該指令后，步進梁將不允許動作，待無人天車取卷完成，且升到安全高度后，給步進梁L1發送解鎖指令，之后步進梁才能動作。

對已形成的下線工單，步進梁上的取卷位置發送變化的，無人天車自動跟隨跟蹤信息，變更為鋼卷變化后的取卷位工單。最后將執行結果反饋給二級系統和MES。

（2）罩退、鍍鋅上線流程。

罩退、鍍鋅入口步進梁利用現有光柵檢測信號，及步進梁跟蹤信息，庫區管理系統根據步進梁狀態、跟蹤信息、上線計劃等約束條件，自動查找計劃中鋼卷的位置，并自動預約步進梁空鞍座，形成自動上線作業工單，如圖4所示。

圖4 罩退/鍍鋅上線流程

對已形成的上線工單，步進梁上的放卷位置發生變化的，無人天車自動跟蹤信息，變更為鋼卷變化后的放卷位工單。

鍍鋅步進梁上線主要在2#庫上線，上線計劃中卷在1#庫的，庫區管理系統自動調配過跨車倒運至2#庫。

罩退步進梁上線主要在1#庫上線，上線計劃中卷在2#庫的，庫區管理系統自動調配過跨車倒運至1#庫。

（3）罩退、鍍鋅退線流程

由于MES系統計劃變更、生產線故障導致的計劃變更等原因，需要從機組步進梁將鋼卷退回至庫區時，根據MES 下發的退線計劃（沒有計劃時需要人工干預，可以在庫區管理系統HMI上人工輸入退線計劃，或者人工制作退線工單任務），倉庫管理系統自動將鋼卷退回至庫區指定位置。

（4）汽車入庫業務流程。

倉庫管理系統根據MES的入庫計劃，協調形象識別系統SRS，自動完成卸車入庫任務，并把作業結果反饋給MES，如圖5所示。

圖5 車輛入庫業務流轉

入庫計劃包含車號，及該車需要入庫的鋼卷（車上位置、卷號、重量、外徑、寬度、車上鋼卷數量、車上鋼卷開口方向等信息）。

裝卷順序以車頭為起始，車輛入庫作業流程：

1）操作人員接到入庫計劃并確認已到車輛后，核實鋼卷信息、檢查鋼卷外觀，并確定車輛上鋼卷裝載順序（無計劃的，由庫區管理人員手動錄入入庫計劃）。

2）車輛按順序進入庫區，停車到指定位置。

3）車輛進入庫區并?？吭谥付ㄍ＼囄缓?，在WMS畫面點擊“車輛到達”；

4）司機操作車輛識別系統地面柜，啟動掃描，車輛識別系統將掃描結果發送WMS。

5）無人天車執行入庫作業。

6）入庫信息反饋MES系統。

7）卸車完畢后，停車位的顯示屏提示司機已經卸車完畢。司機啟動車輛離開庫區。

（5）汽車出庫業務流程。

MES 系統給庫區管理系統下發包含車號及鋼卷（裝車位置、卷號、重量、外徑、寬度、車上鞍座數量、車上鞍座方向等信息）的出庫計劃，庫區管理系統接到出庫計劃后，等待汽車到達。作業流程如圖6所示。

圖6 車輛出庫業務流程

汽車到達庫區，庫管系統根據庫管人員發貨計劃；裝卷順序為從車頭為起始；操作人員在庫區管理系統上點擊“車輛到達”，自動給停車位置的車輛識別系統SRS下發作業任務；掃描完成后，無人天車系統開始自動為汽車裝卷。

車輛類型較多，沒有固定鞍座時，需要在車輛形象識別系統中人工確定裝車中心位置,SRS 系統提供操作界面和容錯提示；此后裝車為全無人操作。

（6）包裝作業流程。

包裝區域放置操作終端，庫管系統篩選出流向為M（包裝）的鋼卷，庫管操作人員手工編制包裝計劃，人為選定鋼卷放到指定包裝位進行手工包裝，一次選一卷，如圖7所示。

圖7 庫內包裝業務流程

3 系統功能

（1）智能庫管客戶端HMI：通過平面庫區展示畫面，搭配視頻監控和三維數字孿生系統，可以實時監視天車的運行狀態、設備狀態、通訊狀態、庫區分布狀態、物料信息、運輸車輛信息、安全門禁信息等。

（2）庫區基礎信息管理：主要是庫內作業規則、策略的設定，包括庫區鞍座鋼卷碼放寬度設定、庫內作業類型設定、庫內作業優先級設定、步進梁作業規則設定、鋼卷雙層碼放規則設定、鞍座報警設定、安全門聯鎖設定、過跨車信息設定以及參觀通道設定等功能[6]。

（3）設備信息管理：汽車出入庫規則及出入庫計劃編制與執行、步進梁狀態控制及鞍座跟蹤信息、上線計劃操作及上線模式選擇、過跨車狀態及移動操作等功能。

（4）天車信息管理：天車工單目錄查看、優先選擇作業選擇、執行天車選擇、變更放卷位置、變更鋼卷方向、工單保留、刪除工單、天車作業狀態查看與切換、天車作業范圍設定等功能[7]。

（5）信息查詢管理：作業實績查詢、報警日志查詢、異常信息查詢、用戶操作日志查詢、庫存查詢及包裝計劃編制與執行等功能。

（6）庫圖信息管理：鋼卷的存放情況展示，庫區鋼卷位置調整、重復鋼卷查詢、倒庫倒垛工單的制作等。

（7）手動工單管理：手動創建倒庫、倒垛工單、手動工單下發功能。

（8）接口通訊管理：庫管系統與MES 接口，與天車、車輛識別、過跨車的接口程序，實現如物料信息、儲位信息、車輛入庫及出庫計劃、上料計劃等的信息互傳;與各機組L2 級系統的接口通信；實時獲取設備上物料信息及其位置，與上下級系統實現無縫銜接；與自動焊接機器人、激光標印機器人、二維碼掃碼、塔型檢測的接口通信，實現鋼卷自動焊接、二維碼標印及識別、鋼卷塔型檢測報警[8-9]。

4 應用效果及創新點

智能庫管系統上線后，經過對入庫鞍座推薦、天車調度算法、路徑規劃，以及庫內其他軟硬件設備的集成的不斷優化完善，除了包裝作業和工序產線、設備的檢修作業需要人員干預，其他作業內容實現了少人化和無人化的要求，完全由庫房中控室人員進行監控和操作。尤其是對鋼卷卷芯自動焊接機器人、二維碼激光標印機器人、鋼卷塔型自動檢測的引入與集成，有效節約人力，提高了庫內物流運轉效率。同時該系統的成功實施也推進了冷軋工序智能制造樣板工廠建設，提升了企業信息化、智能化水平。

（1）依托物流自動化基礎，以信息化技術貫通了整個庫區軟硬件系統之間的物流和信息流，與下線、上線生產計劃聯動，調度相關設備和系統協同運行，實現了精準物流跟蹤，物流數據準確率達到100%，避免了人為因素導致的誤差，提高了庫存的準確性，提高了整個生產物流節奏。

（2）合理劃分庫區，制訂鋼卷碼放規則，利用碼垛策略、垛位推薦算法，有效降低了天車倒垛頻次，相比傳統作業模式，倒垛率降低至天車作業任務總量的15%，進而降低了電耗。

（3）取消人工盤庫、查卷、找卷、抄號等傳統作業，實現鋼卷全流程跟蹤及可視化，有效改善了庫管人員的勞動環境、降低勞動強度，節約了人工成本；同時提升了設備穩定性，延長了維護周期。

（4）通過天車路徑規劃、避讓規則與設備協同控制，使庫區安全連鎖及天車防撞系統可靠性達到100%，同時搭配地面安全系統、參觀通道避讓、危險區域避讓等技術，保障了人員、設備的安全，提升庫區安全管理水平。

（5）利用激光光幕檢測技術、PLC 控制技術，與智能庫管系統獲取的下線鋼卷規格數據進行對比計算，實現了對入庫鋼卷的塔型檢測和報警，避免塔型鋼卷導致的安全風險。

（6）引入和集成工業機器人，減少替代傳統庫內作業動作，提升庫區自動化智能化水平，節約人力成本。比如利用自動焊接機器人實現鋼卷在流轉過程中卷芯的自動焊；集成激光標印機器人實現在鋼卷卷面自動標印二維碼；集成二維碼掃碼機構，實現上料計劃與掃碼鋼卷卷號的比對，進一步提升了物流跟蹤準度和物流運轉效率。

5 結束語

智能庫管系統是鋼企現代物流和智慧工廠的重要一環，也是庫房無人化實施的關鍵。通過該鋼卷庫智能庫管系統設計實施，實現了冷軋中間庫的無人化管理。一是打通了企業MES 與一二級自動化系統之間的信息交互問題，消除信息斷流，避免了人工錄入數據出錯的風險，破除未來冷軋智能車間的短板，為精準服務和定制化柔性生產提供保障，提高交貨準確率；二是提升庫區管理水平，做到鋼卷入出庫有序合理，可以減少倒垛次數，提升天車作業效率、降低設備故障率，減少磕、夾傷卷次數，同時，降低安全風險、提升本質安全、提高勞動生產率。三是提高企業形象，進一步提升企業的信息化、智能化水平，為全面實現智能制造打下堅實基礎，也將為同類型的庫房和項目提供一些思路和參考，從而更好助力《中國制造2025》和中國2035遠景規劃。