自动化生产线自诞生以来, 在提高劳动效率和产品质量、改善工人劳动条件、降低能源消耗、节约材料等方面均取得了显著的成效。特别是近年来, 随着经济、科技的迅猛发展, 自动化生产技术的优势越加显著、应用越发广泛[1,2]。在自动化生产技术朝着智能化、绿色化、数字化快速发展的同时, 也对与之配套的仓库管理提出了更高要求。

显然, 传统仓库管理理念、方法已经无法满足高效率、低能耗、数字化自动化生产线的需求。目前, 作为一种智能化、信息化管理手段的射频识别技术 (RFID, Radio Frequency Identification) , 已在物流配送、仓储管理、收费系统等方面得到应用并获得较好经济效益。关于RFID技术在仓储业领域的应用及研究, 多集中在大中型特种仓库或物流仓库管理方面, 对与自动化生产线配套的小型立体化仓库管理方面应用及研究较少[3,4,5,6]。

小型配套仓库对自动化生产线而言, 是不可或缺的附属设施。配套仓库的正常、有效运行, 是发挥自动化生产线最大潜能的保障和基础。作为与自动化生产线具有相同智能化、数字化特点的RFID技术应用于配套仓库管理时, 可与自动化生产线管理有机结合, 实现信息共享, 更为有效和直接地为自动化生产线服务, 最大程度发挥自动化生产线效能, 带来可观的经济效益。因此, 结合自动化生产线配套仓库特点, 基于RFID技术开展可与自动化生产线有机结合的仓库管理研究, 具有较大的现实意义和广泛应用前景。

RFID, 又称电子标签, 是近年来应用十分广泛的一种通信技术[7]。RFID技术的主要特点是扫描速度快、耐污损、存储容量大、支持重复读写、无需接触可在一定覆盖范围内识别特定的单一目标或多目标, 并进行相关数据读写。

RFID系统主要由两部分构成:阅读器 (Reader) 、射频卡 (Tag) 。阅读器负责接收射频卡信息、进行数据处理、将相关数据写入射频卡;射频卡是贴附在被识别物上的数据载体。根据阅读器与射频卡间传递信号的频率不同, RFID系统可分为:低频 (LF, 125~134 kHz) 、高频 (HF, 13.56 MHz) 、甚高频 (UHF, 860~960 MHz) [8]。低频穿透能力强, 传输速度慢、距离短;甚高频穿透能力弱, 传输速度快、距离远;高频介于两者之间, 传输速度、距离适中, 具有一定穿透能力非常适合仓库管理领域的应用。RFID技术工作原理示意见图1。

图1 RFID技术基本工作原理示意图  下载原图

自动化生产线自诞生初始就以效率而著称。配套仓库承担着为自动化生产线存储、输送原材料, 接收、转运生产成品的艰巨任务, 可以说配套仓库可靠、高效运行是发挥自动化生产线高效率性的主要保障。随着科学技术的迅猛发展, 自动化生产线技术不断完善和更新, 对配套仓库管理要求也越发严苛。自动化生产线与配套仓库已融合为不可分割的、高效联动的整体, 如图2。

图2 自动化生产线与配套仓库示意图  下载原图

传统的仓库管理方法和管理理念已无法适应自动化生产线的需求, 必须寻求能与自动化生产线紧密结合, 为自动化生产线发挥最大效能提供有力支撑的新管理方法。新的管理方法必须是数字化的, 这样才能与自动化生产线进行数据交换, 实现信息共享, 使自动化生产线与配套仓库不仅是硬件设备上紧密结合的整体, 也是自动化生产管理与仓库管理软件层面上的有机整体。

利用RFID技术将有关信息写入射频卡, 通过阅读器对射频卡的读写操作, 实时确定或修改仓库内货物位置、货物数量、货物种类等信息, 同时进行数据上传和存储, 实现配套仓库的数字化。具体如下:

(1) 在每个托盘上粘贴射频卡, 记录存放位置 (货位编号) 、货物种类及入库日期等附加信息。

(2) 在仓库出货和进货口设置阅读器, 对入库货物写入相应信息并上传至管理系统;读取出库货物信息并在管理系统中核销。

(3) 在仓库内部实现阅读器的全覆盖, 随时对仓库内货物信息进行读写操作, 实时与管理系统进行信息核对和信息修改。

(4) 在堆垛机上安放阅读器, 可根据管理系统命令寻找指定货物。

管理系统对所有阅读器收集来的数据进行处理、保存, 对仓库内 (包括货物、堆垛机、货位使用情况等) 所有信息进行实时更新, 可随时向上级管理系统和相关设备提供仓库真实、有效的实时数据, 实现配套仓库数字化。

普通仓库存储的货物只有入库、出库两个方向的循环, 而如图2所示的自动化生产线配套仓库存储的货物却有包括原材料入库、原材料出库、成品入库、成品出库的“4个方向两个循环”, 详见图3。

图3 仓库出、入库示意图  下载原图

其中, 原材料入库和成品出库与普通仓库相同是单独进行的。因为自动化生产线是连续运转的, 所以原材料的出库 (输送给生产线) 和成品入库 (成品在生产线上直接进入仓库) 是同时不间断进行的, 需要进行出 (原材料出库) -入 (成品入库) 库联合操作才能满足自动化生产线的需求。根据这个特点自动化生产线配套仓库管理大体可分为:入库管理、出库管理、出-入库联合管理、在库管理四部分内容。

入库管理主要指对原材料的入库管理, 根据自动化生产线配套仓库运作特点可分为两个步骤进行。

(1) 首先通过与生产管理系统的信息共享, 仓库管理系统获得根据生产计划制定的采购清单和准确入库时间, 结合利用RFID技术采集到的仓库实时数据对准备入库原材料进行合理的货位优化分配和入库设备调配。货位优化时需充分考虑原材料出库与成品入库联合作业效率、多种原材料搭配生产及仓存成本等因素。

(2) 原材料到达后, 对照采购清单进行信息核对。通过核对的原材料放入托盘, 利用RFID阅读器在射频卡内写入相应信息, 由入库设备运输至指定货位, 阅读器将数据上传到管理系统, 数据更新确认完成入库。

出库管理主要是指生产成品的出库, 接到成品出库单后, 首先调取仓库实时数据, 对照出库单确定出库成品的具体位置, 完成出库货物挑拣生成货物出库命令;调配出库设备, 多货物同时出库时, 合理优化出库路线和规划出库货物组合, 保证效率的前提下以最低成本将出库单指定货物运输至出货口;阅读器对运输来的出库货物进行信息读取, 与出库单进行核对, 核对无误后与管理系统核销货物数据, 更新仓库信息数据完成生产成品出库。

为降低仓储成本, 出-入库联合操作在普通仓库中已有一定应用。而对现代化企业, 自动化生产线配套仓库出-入库成本的高低与生产线快速、高效运行产生的效益相比是微乎其微的。因此, 配套仓库出-入库联合管理追求的主要目标并非降低成本, 而是满足生产线高效运行。

RFID技术的应用使用户可以实时获得仓库的数据信息, 使得用户通过多方面综合管理来提高效率成为可能。具体可通过原材料入库货位分配、货位调整和出-入库路径优化3种手段提高出-入库效率, 来满足生产线高效运行。其中, 最主要的就是出-入库路径优化。

进行出-入库路径优化时, 首先根据生产计划和生产线的实时数据, 利用RFID技术确定生产线所需原材料具体位置和可用于成品存储的空闲货位位置。

然后, 采用适合的优化算法以运行时间最少为目标, 挑拣出库原材料、选择成品入库货位和设计堆垛机运行轨迹。显然, 这是一个复杂的优化问题, 通常很难获得最优解。考虑到出-入库时间只要能让生产线正常运行即可, 对该问题可根据生产线实时数据估算出原材料供给时间间隔, 只要堆垛机运行总时间少于该间隔就可作为可行方案执行。因此, 该问题不需要复杂的优化方法, 只要能获得满足要求的相对最优解即可, 如嵌套分区算法就是一种不错的选择。

确定出库原材料、成品入库货位和堆垛机运行轨迹后, 将数据发送给堆垛机。堆垛机根据指令将相关信息写入成品托盘上的射频卡, 将成品放入指定位置并与系统数据同步, 完成入库。紧接着堆垛机根据指令挑拣出库原材料, 运输至生产线, 同时与系统核对信息进行原材料出库的核销, 完成原材料出库。

货物的在库管理包含库存盘点和货位调整两部分内容:

(1) 库存盘点

库存盘点是为了获得准确的库存信息, 为仓库管理、生产管理等提供参考数据, 传统盘点是仓储方面最耗时、耗力的工作之一。采用RFID技术后阅读器可对覆盖范围内单一目标或多目标进行快速数据读取, 使这一工作变得极为简单、快捷。可根据实际情况选择实时采集数据、间隔采集数据、指定货物抽查、随机检查等多样的盘点操作。

(2) 货位调整

传统货位调整是为了更好地利用仓库存储空间, 提高货物入库、出库效率, 对自动化生产线配套仓库而言, 间接保证出-入库联合作业耗时满足生产线需求才是其主要目标。因此, 根据仓库实时数据结合生产计划在仓储过程中, 需要对原材料、成品存储位置进行优化调整, 以保证最优出-入库联合作业耗时满足生产线要求。调整过程中同时完成对应射频卡内信息与系统数据修改、更新。

能进行仓储数据的实时更新, 与生产线间的数据实时交换, 是应用RFID技术进行仓库管理的主要优点。它可以把原材料、产品等信息实时传递给生产管理系统, 为生产调配、生产计划制定、管理者决策等提供依据。同时还可根据生产线、生产管理系统传来的实时数据和指令对仓库管理进行实时调整, 满足生产需求。主要由数据采集、数据存储、数据处理等几部分组成, 详见图4。

图4 基于RFID技术的仓库管理系统示意图  下载原图

针对图2所示生产线开发基于RFID技术的仓库管理系统, 并与相应的生产管理系统融合。系统基于eclipse平台采用C/S构架开发, 将仓库管理系统模块结合到生产管理系统之中, 整个系统操作界面采用JAVA语言编写, 主操作界面见图5, 系统对硬件要求详见表1。

表1 管理系统配置要求 导出到EXCEL

图5 生产管理系统主操作界面  下载原图

货位调整分别与原材料入库管理、成品出库管理编写为独立模块, 具有单独操作界面。通过点击界面出 (入) 库按钮确认, 系统将按照出货单 (采购单) 自动执行出入库操作, 同时在对应操作界面上, 通过鼠标点击拖拽可实现原材料 (成品) 货位调整操作, 详见图6。

出-入库管理 (即原材料出库、成品入库控制) 与其他生产线管理融合, 组成“所有工艺流程”模块, 通过该模块实现从原材料出库—顺序进行所有生产工艺—成品入库整个流程的立体化管理。操作界面详见图7。

图6 原材料出库及成品入库操作界面  下载原图

图7 工艺流程操作界面  下载原图

该管理系统主要针对图2所示的自动化生产线而开发, 总的来说基于RFID技术对自动化生产线配套仓库进行管理, 可以实现信息的实时更新与共享、整合企业资源、提高效率、提升企业自动化生产水平、降低运营成本为企业带来明显收益。

管理者可随时进行盘点, 实时获得进、销、存状况, 实现资产管理的可视化, 便于制定生产、销售计划, 减少货物积压, 加快资金周转;摆脱经常出现人为统计差错和信息交流不畅的传统管理模式束缚;有效降低人工成本, 提升企业运转效率;跟踪任意货物的位置、流向, 有效防止人为损失的发生。