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本文重点研究仓储物流系统对柔性自动化工厂的支持。
作者:柏思杰CTO罗劲松
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仓储和物流系统的灵活性
随着个性化定制需求的日益突出，多品种、小批量、短交货期给生产管理带来了极大的困难。许多企业意识到，要解决柔性自动化，必须考虑建设柔性自动化和智能工厂。很多企业在建设智能工厂时，通常会选择建设柔性自动化生产线。然而，一些企业投入了大量资金来提高柔性自动化，却没有发挥出应有的效益。
柔性生产线发挥不出应有作用的原因是多方面的。最典型的就是柔性生产线还是一个自动化和信息化的孤岛，企业其他部门的工作没有跟上。比如物料匹配率不高，缺乏自动配送，自动化系统的功能无法充分发挥。造成这个问题的原因是配套工作没有同步进行，包括信息系统、物流系统、供应链系统的建设，设计流程的模块化和结构化等。
本文重点研究仓储物流系统对柔性自动化工厂的支持。常见问题包括:
(1)计划、调度、材料匹配和提前准备材料不够好。
(2)仓储物流系统与MOM/MES系统的集成和协调不好。
(3)仓储物流系统本身的灵活性不够。
(4)容器的标准化不够。
(5)仓储物流系统的可靠性不好。
(6)工装和空容器的自动发放和回收排产不好。
(7) ……
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智能调度和一致性检查
生产计划不仅用于指导生产，还帮助提前做好生产准备，包括材料和工夹具的准备。对于多品种、小批量、交期短、变化多的柔性自动化工厂来说，生产计划和材料的制定通常是非常困难的，尤其是在订单插入频繁、工艺变化频繁、生产过程不稳定的情况下，生产计划需要经常调整，材料准备计划也必须相应调整。
图形智能调度与调度优化
生产计划是整个工厂运作的指挥棒。生产计划需要依次指导物料准备、工装夹具准备、物料发放、自动化设备自动生产、生产切换。如果生产计划不合理，会导致生产能力的巨大损失，原材料和在制品的积压，无法按期交货等诸多问题。
基于先进计划与调度APS，建立拉动式计划系统，不仅考虑单台设备和单条生产线产能的约束，还需要考虑不同自动化生产线之间的平衡，优化瓶颈，减少在制品。比如一些批量生产流程(如烘烤、陈化、烘干)或瓶颈工序需要拉动上游工序的生产，可以有效减少在制品数量，自动化工厂的在制品缓存有一定的容量限制。
系统可以快速验证生产计划的合理性，例如检查物料的均匀性和工装夹具的准备情况，提前驱动生产准备，对异常情况及时预警。在过去，人工了解和跟踪材料、工具和夹具的情况无疑需要花费大量的时间，而且获得的信息时效性差，往往导致计划不合理。
对于品种多、批量小、交货期短、变化多的工厂，APS解决了“计划变化不快”的问题。调度模块可以根据收集的最新信息、设备的可用性、订单的一致性等支持快速滚动重排。，保证计划更新的合理性和及时性，同时锁定一定时期内的生产计划，保证生产计划。
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提前准备材料和工装并入库
对于自动化工厂，越来越多的工厂建设了立体仓库，配备了自动化输送线、AGV等自动化物流设备。但是如果在生产执行过程中缺乏根据生产计划提前备料、根据实时进度提前自动交付和AGV交付，就无法支持自动生产线的连续生产。
为了实现生产过程中物料和工具的自动配送，一般需要提前将物料和工具装入自动化立体仓库。为了加快自动化立体仓库的周转速度，可以根据近期生产计划所需的物料和工具准备物料进入立体仓库，一旦生产计划即将实施，可以提前将相关的物料和工具准确的分配到工位上。
材料准备过程通常需要考虑:
(1)根据生产计划生成备料计划，计划调整需要联动改变备料计划。
(2)根据生产订单准确备料，使用RFID和条形码对准备好的容器进行标识。
(3)准备好的集装箱可能需要组装和支撑，便于运输到立体仓库的进料口和入库时拆卸。
(4)根据策略自动分配立体仓库的存储空间，驱动立体仓库自动入库。
(5)系统记录每个备料容器的位置，以便需要时准确拉动和分配。
(6)生产计划相同的物料入库尽量集中存放，便于生产执行时快速协同出库配送。
企业应用场景:系统根据备料计划自动生成备料计划。备料人员根据备料计划通过PDA备料，并将备料信息写入集装箱的RFID标签。集装箱组装成托盘，物流人员用叉车运送到自动化立体仓库的装货口。自动卸托盘装置自动卸下托盘，识别RFID中的备料信息，系统分配货位，驱动集装箱自动进入立体仓库等待发货指令。
图自动分配货物空间到自动化立体仓库
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自动拉动物料分配
对于自动化设备，进料点只能储存非常有限的物料。过多的物料输送到配送点，导致给料点无法接收，甚至占用AGV设备，或者造成自动输送线拥堵。如果交货不及时，生产线将被关闭。因此必须确定合理的配送策略，实时监控投料点的物料消耗，及时进行补充配送。
图柔性自动线物料输送系统
例如，MOM/MES调度平台可以根据各投料点的物料配送周期和投料点的可缓存能力来设置物料任务的配送数量，从而控制在途物料的数量和配送节奏，保证物料的及时供应，不造成物流拥堵。
不是所有的配送点都可以基于自动输送线，必要时可以使用AGV进行接力配送。
图2双工AGV执行分配任务
通常需要考虑拉料的精确分配:
(1)建立相关的物流配送模式。
(2)确定分销策略
(3)根据生产计划建立配送队列。
(4)根据实际生产进度拉动分配。
(5)创建材料和工具分配说明。
(6)驱动立体仓库、输送线、AGV的物流执行。
(7)避免工位材料短缺。
(8)避免堵塞主输送线。
(9)配送过程中的优化，如双工位AGV、堆垛机分组等。
(10)确保材料的正确交付顺序。
(11)考虑空容器的自动恢复。
(12)监控物流的实施过程。
(13)处理物流过程中的异常情况
(14) ……
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工具的分发和回收
除了材料，还需要准备工具和夹具。根据生产计划，系统可以自动检查工具和夹具的对准情况。不平整的工装夹具需要提前入库，可以实时监控工装夹具的对中情况。在生产过程中，根据生产的实时进度，驱动立体仓库自动出库，AGV自动将工具和夹具分配到工位。夹具使用后，要及时回收拆卸下来的夹具。
比如企业的热压工艺需要粉末冶金成型，模具是重要的工具和夹具。不同的产品有不同的形状和尺寸，所以需要不同的模具。由于涉及上百台热压机，每天都有大量的送模、预热、分配任务，必须合理安排，否则会影响热压工序的连续生产。
图拉伸模分布和驱动模回收
上图是模具发货、分发、预热、更换、模具回收的全过程。其中只有更换过程需要人工参与，其他所有工作包括模具的自动输送、模具输送线的AGV自动将模具输送到预热箱、预热箱内模具的自动预热、AGV将预热后的模具输送到工位、立仓堆垛机自动将回收的模具输送到立仓等都是自动实现的。
使用无人叉车AGV分发或回收模具
基于这种方法，即使不是上班时间，MOM/MES系统也可以根据当天的生产计划，调度立体仓库的模具提前出库，并通知AGV将模具送到指定的预热箱进行预热，让员工下班后可以立即安装或更换模具，最大限度地减少热压设备的等待时间。这样，人和机器和谐互动，发挥各自的优势。
对于工装的发放和回收，这一过程通常需要考虑:
(1)根据生产计划自动生成工装准备计划
(2)根据工装准备计划，将准备工装入立体库。
(3)按要求提前拉动工装自动分配，必要时进行预热等预处理。
(4)自动创建任务来指导工装的安装。
(5)驱动拆卸下来的工装自动回收入库。
(6) ……
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生产线的灵活和自动化生产
对于自动化生产，MOM/MES需要建立一套可以自动执行的闭环控制流程，包括设备唤醒、拉料分配、工艺参数分配、自动送料、设备生产启动、收集和自动作业报告、任务完成、生产切换控制等。
生产线以一定的速度生产产品/半成品，同时消耗零件和原材料。MOM/MES需要监控投料点的消耗，提前拉动物料的分配，保持生产的连续性，保证生产物料的持续供应。
当一个自动化设备完成一个订单的生产时，它应该根据计划的调度顺序自动切换到下一个订单继续生产。在前一个订单的生产完成之前，下一个订单的物料可能已经开始发放，以保证生产线的连续生产。
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WIP的自动顺序变更和成品入库
对于自动化生产线生产的半成品，时装盒(或其他容器、托盘等。)要附上。MOM/MES要实时控制生产线生产半成品的情况，并驱动AGV及时将半成品送到下一条自动化生产线和设备的进料点。同时，在产品到达下一道工序之前，会发布工艺参数、检验参数等加工信息，确保设备在加工过程中有相应的过程控制信息。
对于后工序等待时间长的情况，比如产品需要静置几个小时，或者后工序是大批量生产模式(比如烘烤、老化、烘干)，需要积累一定量的半成品。这时候可能需要把AGV临时开进缓冲区，甚至开进自动化立体仓库暂存。
MOM/MES需要了解在制品流转的执行情况，包括监控在制品缓冲区和立体仓库存储空间的使用情况，调度空集装箱，确保自动生产线不会因为空集装箱不足而停产。对于空消耗材料产生的容器，MOM/MES要驱动物流系统及时回收。
WIP的自动顺序转换和成品入库。
MOM/MES必须实时掌握工厂的运转情况，物流和数据流必须一致。原材料的配送，在制品的周转，成品的入库，工具夹具的配送，都离不开集装箱和托盘。一般需要RFID和条形码技术。
对于柔性自动化的工厂，RFID识别一般是自动进行的。例如，堆垛机、输送线、AGV、机械臂、自动化设备和PDA通常都有RFID和条形码识别设备。
图机械臂自带RFID识别功能。
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WMS、劳工统计司和市场经济司之间的关系
下图分析了支持柔性自动化生产的相关要素，各个相关业务在制造过程中发挥着各自的支撑作用。柔性自动化生产线能否高效运行最大的挑战不是来自柔性单元和柔性生产线本身，而是来自生产支持相关因素的统一调度和优化。只有在以下业务的密切配合下，才能完成高效、自动化、柔性化的生产。
生产环节一直是各种信息和业务的聚集地，工厂中几乎所有的其他业务环节都是为产品的生产服务的，这本质上决定了核心是支持生产的MES系统与其他业务板块之间的复杂协作。如下图所示，从产品生命周期、价值链、信息化水平等维度来看，生产是信息与业务融合的核心。
图形生产是各种信息和服务的汇聚点。
分别实现MES(制造执行系统)、WMS(仓储管理系统)、LES(物流执行系统)等系统在原理上和实现上都是可行的、。这些系统虽然可能实现局部优化，但往往会忽略全局优化，事实上导致严重的信息碎片化。小系统之间的无缝集成并不容易。不同应用之间的界限不够清晰，存在重叠和交叉。要进行这样的整合，供应商需要做出让步和修改，这往往会触动一些供应商的利益。你宝贵的时间可能会浪费在不同供应商之间的争论上。
控制复杂性，避免碎片化是信息系统建设的基本思路。较好的解决方案是选择成熟的MOM平台，包括MES、WMS、LES等模块。 MOM实现了这些模块之间的协作。包含这些模块的成熟的MOM平台，通过集成的平台和良好的设计，从外部屏蔽了内部的复杂性，避免了碎片化，降低了集成的风险。分别实现MES、WMS、LES等系统，相当于暴露了MOM的内在复杂性，这也对客户的能力提出了很高的要求。
MOM通过状态感知实现信息流与真实物流的一致性。通过平台内部多个模块的整合，更容易实现更深更广的优化，这是通过多个系统的整合很难实现的。这包括生产计划、生产准备、生产执行、仓库管理、物流执行、设备状态、质量控制等各个方面，通过工业智能和自主控制实现工厂的动态调度和优化，基于智能的精准预测和即时行动赋能柔性自动化工厂。
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平台必须灵活且可配置
现在，MOM连同人力、设备、资金、材料、技术等生产要素，，已经成为柔性自动化工厂新的基本生产要素。柔性工厂比其他工厂更注重企业信息系统的柔性。
选择一个成熟的MOM产品平台，可以极大地实现柔性自动化工厂项目的风险，实现合适的成本、更高的质量和更快的交付。在选择MOM平台的时候，很容易注重功能的合规性，而忽略了产品的平台化、扩展性和灵活性，这是很大的损失。
产品支持模型驱动、可动态配置的低代码开发的个性化定制开发。灵活配置包括两个方面，一是针对业务人员，包括集成服务商和用户端业务人员。业务人员可以通过系统提供的工具快速建立和修改业务模型，实现业务调整的快速适应。
建模包括静态部分和动态部分两个方面。
(1)结构建模通常是静态的，用来映射工厂的对象和结构关系，如组织结构、车间布局、工位和连接关系。
(2)行为建模通常是动态的，用于定义系统的行为，包括数据处理、分析和解析。
当工厂的生产布局、组织结构、物流路线发生变化时，这些业务工程师主要负责调整相关的车型。调整后不需要生成代码立即生效，也不需要交给程序员。
另一个方面是面向IT工程师的低代码开发工具，通常包括:数据库结构建模、用户界面表单设计、菜单结构设计、报表看板设计、工作流设计、基于脚本的插件开发、组织结构建模、权限建模等工具。这些建模工具要针对特定的用途单独设计，门槛低，使用方便，便于集成服务商或用户持续、快速、低成本地维护系统，满足客户的个性化需求和需求的快速变化。
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摘要
柔性自动化生产线高效运行的最大挑战不是来自柔性单元和柔性生产线本身，而是来自生产支持相关要素的统一调度和优化，包括计划与调度、生产准备、仓库管理、物流执行、生产执行、质量控制、资源维护等。只有这些业务紧密配合，才能完成高效、自动化、柔性化的生产。
分别实现MES(制造执行系统)、WMS(仓储管理系统)、LES(物流执行系统)等系统、无论在原理上还是实现上都是可行的。虽然这些系统可能实现了局部优化，但容易忽略全局优化，实际上导致了严重的信息碎片化。小系统之间的无缝集成并不容易。不同应用之间的界限不够清晰，存在重叠和交叉。要进行这样的整合，供应商需要做出让步和修改，这往往会触动一些供应商的利益。你宝贵的时间可能会浪费在不同供应商之间的争论上。
控制复杂性，避免碎片化是信息系统建设的基本思路。选择一个成熟的MOM产品平台，可以极大地实现柔性自动化工厂项目的风险，实现成本合适、质量更高、交付更快。MOM实现了APS、MES、WMS、LES等模块的协同工作。包含这些模块的成熟的MOM平台，通过集成的平台和良好的设计，从外部屏蔽了内部的复杂性，避免了碎片化，降低了集成的风险。
现在，MOM连同人力、设备、资金、材料、技术等生产要素，，已经成为柔性自动化工厂新的基本生产要素。柔性工厂比其他工厂更注重企业信息系统的柔性。[/s2/]在选择MOM平台的时候，很容易注重功能的合规性，而忽略了产品的平台化、扩展性和灵活性，这是很大的损失。
