【案例】西门子开关全流程柔性自动化工厂

2024-5-20

导读

INTRODUCTION

上海西门子开关有限公司全流程柔性自动化工厂通过货到人拣选机器人、货箱到人拣选机器人、四向穿梭车、智能搬运机器人的无缝协作和AI智能调度，率先在业内实现了离散型工业物流从收货到产线送料的全流程机器人作业和物料信息化管理，在出入库效率、存储能力、供料及时率以及人力节省等方面取得突出成效。

文章信息

本文作者：「物流技术与应用」记者任芳。

1993年，西门子（中国）有限公司和上海电气集团共同投资建立上海西门子开关有限公司（以下简称“西门子开关”），致力于6~40.5kV中压空气绝缘开关设备的设计、生产、销售和售后服务。

目前，公司拥有员工500多人，年产超过35000台真空断路器和12000台中压开关柜，产品被应用于国家重点项目及各种横跨中国的工业应用，例如数据中心，电子工厂，石油化工厂等。「物流技术与应用」记者走进上海西门子开关有限公司，深度揭秘最新落地的全流程柔性自动化工厂。

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物流升级是迈向工业4.0的重要一步

“西门子开关作为电气产品的提供商，我们不仅要保证产品的可靠性和安全性，同时也需要满足越来越多、操作越来越复杂的客户定制化需求，这就需要我们在采购、物流、生产制造等全流程做出改变。”上海西门子开关有限公司总经理施威格博士坦言公司打造智慧工厂的初衷。在他看来，工业4.0意味着实现整个工厂的高度自动化、数字化，并通过全流程数字化，实现实时信息的全流程可视化。因此他强调，采用更加现代化、智能化的方式助力物流升级，打造自动化的高效智能物流管理体系是迈向工业4.0非常重要的一步。

但客户定制化程度高这一特殊的离散型业务形态，使得西门子开关需要管理的物料批量小，规格多，产品混合生产度非常高，投资较大、灵活性相对较差的传统自动化解决方案难以满足西门子开关的需求。在经过全面细致的方案考察和验证后，西门子开关最终选择与极智嘉合作，引入智能机器人实现物流全流程柔性自动化。

项目概况及物流系统主要构成

为突破西门子开关原有的物料管理和物流作业效率瓶颈，改善送料流程过度依赖人工的状况，厂商结合西门子开关的业务特点首先从拣货环节开始优化，于2019年11月在拣选区上线运行“货到人”机器人解决方案，随后以模块化柔性部署的方式逐步拓展至机器人收货区、四向车立库存储区、质检环节打通和自动化集货区，于2020年10月完成了物流中心的全流程机器人覆盖。

在提供的整个智能仓组合方案中，共使用了4种不同类型和功能的机器人，包括货到人拣选机器人P800、货箱到人拣选机器人C200S、四向穿梭车和智能搬运机器人M1000，以及AI算法和智能系统。详见表1。

表1 西门子开关全流程柔性自动化工厂主要构成

主要作业流程

据项目现场物流管理人员介绍，整个作业流程主要分为6步：进料（收货）-检验（质检）-上架-存储-拣选-集货，每个环节通过不同类型机器人的分工协作解决了库内超过20万个存储单元（SKU）原材料的收货、分区存储、齐套发运、产线领料等流程问题。

主要作业环节及机器人应用情况

1.收货

当物料送至仓库月台后，由叉车卸货并送至收货区的低位提升机，低位提升机安装有称重及三维检测等功能模块，一是确认货物重量是否超过立库托盘位承载标准；二是通过重量确认物料数量是否正确，可以提高工人的作业速度；三是检测货物有无超宽、超高等现象，避免在立库存储时发生危险。之后，低位提升机伸缩叉将货物放置在机器人（无特殊注明，后文中机器人专指货到人拣选机器人）托盘货架上，WMS系统收到相关信息后调配机器人前来搬运，从而完成人工-自动化设备的交接。

收货入库区

2.检验

交接完成之后，WMS系统将与QMS系统进行自动交互以判断该批次货物是否需要检验，如需检验系统直接命令机器人将货物送至检验站，检验站工作人员将待检物料放入料箱中，系统随即指派货箱到人拣选机器人前来取货并送至检验室。货箱到人机器人主要往返于检验室和收货区的检验站，实现“货箱到人”作业。没有质检要求的货物，则直接由机器人送至上架口。机器人完成一次送货任务，等待系统下一个指令。

收货区的检验站

货箱到人机器人往返于检验室和收货区的检验站，实现“货箱到人”作业

3.上架

上架作业共设置有两个工作站，分别对接四向穿梭车立库和货到人库区。

立库存储区（左）与货到人库区（右）

立库存储区入口（左）与货到人库区入口（右）

四向穿梭车立库为全自动交接。立库入口的伸缩叉叉取托盘货物进入立库，入口的检测设备再次扫描货物条码，核对重量、尺寸等信息，机器人在此稍作等待—若信息有误，则继续将货物送回收货区；如果货物信息准确无误，则机器人与立库的交接完成，机器人开始等待执行下一个任务，同时系统指派立库中的四向穿梭车前来取货并送至系统指定货位，托盘支架由其他机器人取走，从而最大化机器人使用率。

机器人根据系统指令将托盘货物送至不同的货区入口

货到人库区为人工上架。机器人将货物运送至人工上架（料）工作站（机器人等待信息确认后即可离开执行另外的搬运任务，无需等待工人上架完成，上架完成后的空料箱/筐由其他机器人取走），与此同时，系统会通知货到人库区的机器人搬运系统指定的货架前来取货，取货完成后回到作业区。

4.存储

货物在上架前，所有信息经系统采集计算后，自动分配去向及储位，充分利用不同储位的效率。其中，四向穿梭车立库存储区主要存储单重超过0.5kg以及长度超过40cm的货物，可以存放两种高度（900mm/450mm）的料箱。立库前后两端采用单深位，中间部分采用三深位设计，从而实现密集存储，目前立库存储容量将近4000托盘位，还可以根据需要进一步扩展，提高存储量。货到人库区可以存放超过18000个料箱。

5.拣选

分为人工拣选和整托自动化拣选。

机器人库区为人工拣选，系统自动分配任务给机器人，机器人搬运货架至拣选工作站，拣货人员将货物从货架拣选至货筐。同样，为了极大化利用机器人，机器人搬运货架至工作站后即可离开执行下一个任务，无需等待人工拣货完成。

货到人库区内，机器人根据系统分配的任务搬运货架至拣选工作站

立体存储区内四向穿梭车将托盘货物送至拆零拣选工作站

立库设有1个整托自动化出货口和3个人工拆零拣选站。其中，整托出货口设置在货到人区域，当有整托出货任务时，机器人首先将托盘支架送至出货口，立库内的穿梭车将托盘货物送至出货口，并通过伸缩叉将货物带托放置在托盘支架上，随后系统调度机器人前来搬运至集货送料区。需要拆零拣选的货物，则直接由穿梭车将托盘货物送至人工拆零拣选站，拣货员根据操作台屏幕提示拣选货物，拣选完成，原托盘货物回到立库存储；拣货筐被机器人送至集货送料区。值得一提的是，人工拣选站台增设有称重设备，可以根据重量检验拣选货物数量是否正确。

立库存储区整托出货流程

立库存储区拆零拣选工作站，拣选站台增设有称重设备，可以根据重量检验拣选货物数量是否正确

6.集货

拣选完成后，所有货物在集货区缓存等待，最终根据产线需要通过搬运机器人进行运送。

搬运机器人将物料按照生产节拍送至产线

项目亮点及应用效果

基于机器人的全流程应用，该项目在出入库效率、存储能力、供料及时率以及人力节省等方面均取得突出成效，并呈现出诸多亮点。

一是全流程透明可视。通过数字化的智能平台，可以实时查看拣货效率、收/发货（料）情况、机器人布局及路径规划，以及仓库进出口流量、交付产线情况等，信息可视化帮助管理人员实时掌握库区动态，实现了库存精益化、智能化管理，增强了物料的可追溯性。

二是全天候智能理货。借助AI算法，货到人库区每天根据货架的热力值进行智能理货；立库区则按照生产计划每天进行智能理货，将高流动量货物调整至离出货口更近的位置。

三是为制造业需求量身定制反向拣选。在立库拆零拣选作业中，当需要拆零的货物数量占整托货物的比例到达一定程度（例如：整托货物共200个零件，拣选需求为190个），系统会提示拣货员做反向拣选。该模式下，拣货员将多余的货物拣出（依照上例，拣出10个）放入反向拣选缓存筐中（筐内货物到达一定数量或一定时间后由穿梭车送回立库存储，系统自动记录相关信息），系统将余下的托盘货物（依照上例，190个）视为整托出货，按照整托出货的流程通过机器人送往集货区，从而大幅提高制造场景下的出库拣选效率。

四是机器人串联作业提高柔性，大幅降低劳动强度。在仓库作业中，搬运和行走耗费着作业人员的大量体力，机器人代替人完成搬运，既降低了工人作业强度，供料及时率及准确率也得到有效保证。并且，机器人系统柔性很强，能够快速部署实施。据介绍，货到人库区从部署到上线运行仅用时两周。

此外，该项目在效率、仓库利用率等方面也有突出表现。根据项目运行的数据，通过立库的高密度存储，存储能力增加2～3倍，同样数量的物料存储，仓储面积由1.5万m2减少为5000m2。

值得一提的是，由于西门子开关非常重视安全，因此厂商在进行系统设计时，也进行了充分考虑，与西门子开关共同探讨打磨出解决方案。如在立库系统中增设安全门（消防门），平时处于关闭状态，当有货物上架时才自动打开；将机器人拣选站用醒目的黄色进行特别标注；设置各种急停、安全设置等。另外，由于机器人定位精度小于10mm，因此机械方面的对接非常准确，避免了因人工作业放置不整齐而造成的倾斜倒塌等危险。在布局上，该项目也十分紧凑，并且充分利用闲置场地设置机器人充电位，基于机器人充电5分钟可运行2小时的良好表现，整个货到人工作区仅安装了4个充电位即可满足该区域所有机器人的不间断运行。

据悉，西门子开关还将进一步对车间进行自动化升级，包括部署机器人产线送料和成品收货系统，以及升级MES系统等。未来，通过系统间的无缝对接，车间生产和仓库供料节拍将更加高效、协调、流畅。（本文完）

THE END