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  用于化纤长丝生产的长流程自动化生产解决方案
2018-04-12
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  1.项目开发和研制背景

  “十二五”期间,我国化纤涤纶工业将进一步转变生产方式,逐步从劳动密集型向技术密集型转变,从高消耗、高污染向节能、降耗、环保转变。因此大量采用自动化、智能化的物流成套设备与系统,将会成为本行业企业的必然选择。

  2010年,全国化纤涤纶纺丝产量为3000万吨,根据预测,2010~2015年的5年内将以12%-16%的年增长率递增,每年平均新增产能约400万吨。

  国外同类设备自动化程度高,质量好,但其年产能较小,设备价格贵,运营和维护成本较高,系统不够灵活。

  2010年以来,由于落后的生产工艺和传统的生产设备,使得产品质量不稳定,劳动生产率不高,市场竞争力下降,加之逐步提高的劳动力成本和沿海经济发达地区的用工荒严重制约了企业的快速发展。为扭转这一局面,企业纷纷决定进行生产技术改造和升级,使用自动化生产设备、自动化物流系统并结合最新的信息技术实现降低劳动成本、提高生产效率,提高产品质量,减少生产过程中发损耗,从而提升企业效益,给企业发展注入新的生机。

  北京机械工业自动化研究所有限公司(以下简称北自所)是国内最大的自动化、信息化、集成化设备和系统研发与应用机构之一,在自动化物流领域完成过数十条大型物流生产线和成套设备的研制,在机器人、自动小车、立体仓库、制造执行系统MES、智能专机等的开发与应用等方面积累了丰富的经验,为开拓和承揽化纤行业智能化成套装备的研发奠定了一定的基础。

  2011年,北自所先后同盛虹、天圣、百宏等公司经过多次接触、交流、研讨,决定联合研制用于化纤长丝生产的长流程自动化生产解决方案,从不同工艺环节突破丝饼从落丝、输送、储存、检验分类、包装到码垛的自动化,从而形成一个完整的解决方案。

  同时,此项工作得到了国家发改委、财政部和工信部的及时支持,经过申报、答辩和评审,“化纤生产智能物流系统研制”被批准立项为2011年国家智能制造装备发展专项(以下简称智能专项)项目。“涤纶长丝熔体直纺智能制造数字化车间”被批准立项为2016年国家智能制造新模式应用项目。

  2.系统概况

  用于化纤长丝生产的长流程自动化生产解决方案由全自动落丝子系统、全自动包装子系统、自动化立体仓储子系统、物料自动转运子系统、物流信息子系统等多个系统组成。是一个涉及化纤长丝从喷丝、落筒卷绕、转运输送、卷装检测、包装码垛到仓储物流的多设备多工序多工位的长流程生产系统,涉及的工艺多而复杂,根据化纤长丝生产工艺流程要求,应用多类型工业机器人,采取模块化结构,开发多机器人应用的长流程自动化生产线的协同作业系统,实现调度优化,提升多单元集成系统的控制水平,完善企业产品全生产流程的信息可追溯管理。系统实现了卷装从自动落丝、转运、丝车上线、搬运、输送、储存、检验分类、包装到码垛的全程自动化、信息化。

  系统总体框架图如下:

 

图1:系统总体框架图

  系统总体流程图如下:

 

图2:系统总体流程图

 

  系统总体流程图如下:

 

图3:系统总体流程图

 

  2.1研发高产能、高效率的全自动落丝系统

  在完成对国内涤纶长丝行业生产情况深入调研后,融和了国外先进技术并结合本国的生产实际情况,设计了全自动落丝系统(发明专利专利号ZL 201110304403.1 专利名称《纱锭自动输送系统及纱锭自动输送方法》)。系统设计采用自动落筒机、辅助转运设备和工业机器人,完全替代人工实现了落丝、装车及转运过程的自动化。系统设备主体机构紧凑,并且有利于产品的标准化、系列化设计;程序结构由设备控制模块、调度模块、远程通讯模块、卷绕设备接口模块、信息处理模块和打印模块组成,实现了模块化设计。

  在该系统的研发过程中,解决了多项关键技术难题:

  1)与卷绕设备的精确对位

  2)与卷绕设备和自动落丝车(移动设备)的实时通信

  3)多台卷绕设备接口和丝饼多品种处理

  4)自动完成丝饼的信息跟踪及打印

  北自所研制出具有自主知识产权的适用于我国实际生产要求的全自动落丝系统,并打破进口设备在此行业的垄断。

  2.2创新研发出国内首套全自动包装系统

  该系统包含高精度机器人,高速移动物流设备,多种柔性组合机械手,全过程制具及产品的智能识别系统,输送系统,电气控制系统,自动化立体仓储系统等。把多种自动化设备集成为一个整体,完成了工艺集成、信息集成、设备集成,实现了丝卷从丝车上线、落丝、输送、储存、检验分类、包装到码垛的全程自动化:包含自动物流设备、设备控制、设备调度监控、信息管理和信息接口等层次,信息管理系统中,信息接口是指车间智能MES与生产管理系统接口和纺纱设备智能接口。信息管理包括车间智能MES、入库信息管理、出库信息管理、包装码垛信息管理、立体仓库信息管理。自动控制系统中,设备调度监控包含自动化立体仓库管理、自动化立体仓库调度及监控、入库自动控制、出库自动控制、自动包装码垛控制。

  系统具备如下功能性指标:

  1) 全过程制具及产品的智能识别

  2)分布式数据管理

  

图4 网络结构图

 

  3)移动物流设备速度4-120m/min,定位精度≤±2mm

  4)未满板自动化立体仓库库的首次应用

  2.3涤纶长丝生产行业首创全工艺流程的自动化管理

  在化纤长丝后纺的整个工艺流程中,全自动落丝系统通过自动落筒机、辅助转运设备和工业机器人,完全实现了落丝、装车及转运过程的自动化。通过AGV(自动引导运输车)实现丝车的自动搬运,全自动包装系统完丝车自动上线称重、分类装箱、打标、包装、码垛,成品货物自动进入立体库。丝饼信息从落丝、包装到入库全程跟踪。实现生产的自动化、智能化、信息化生产。

  AGV(自动引导运输车)的使用,成功替代了人工,根据系统作业要求,完成整个生产环节中物料、丝车的自动搬运,不需铺设轨道,不占用物流、人流通道。自动、柔性、智能高效地解决了物料的搬运。

  在丝饼生产过程中,纸管内通常采用贴纸质内标签记录丝饼的生产信息。现在丝饼在自动包装线上称重后,通过激光打标机在丝饼纸管内壁打印生产信息的方式,取代人工贴纸质小标签的方式,是行业内首创。此方式可避免丝饼转运中出现内标签脱落造成信息无法查询的问题。

  可以说,整个系统,完成了化学长丝纤维制造后纺工艺环节中各种信息的采集、分析、管理,实现了对化纤纤维制造后纺工艺环节的全生命周期管理,为企业实现智能制造,企业转型升级,提供了有利的保证和可靠的技术支持。

  3.关键技术

  整个系统的关键技术主要分为两个部分:全自动落丝系统及全自动包装系统的技术攻关。

  3.1 全自动落丝系统关键技术

  1)创新研发出高产能、高效率的化纤自动落丝方法及产品生产信息追溯方法。

  创新研发单车多轴单线多车的落丝方法

  针对国内化纤企业多以生产粗旦丝为主、产量大的特点,创造性地开发了单线多车及单车多轴的落丝方式,成功地解决了因产量大造成落丝不及时、导致产品优等率降低的问题。

  创新研发产品生产信息追溯方法

  针对化纤产品出厂后,客户使用时出现质量问题不易追溯及追溯信息不准确的难题,研发了有效的产品信息采集方法,实现了精确的产品生产信息追溯、存储。很好地 解决了产品出现质量问题时无法准确找到生产设备的难题

  2)创新研发出高性能、高柔性自动落丝成套装备

  创新研发出地面运行的自动落丝车

  针对化纤生产车间空中风管气管较低不易架设空中落丝车的难题,研发了地面运行的落丝车,它具备可靠耐用、易于维护,生产效率高的特点。该设备适用于国内现有生产车间的改造,解决老车间落丝工艺的升级改造问题。

  创新研发了升降式多品种储存台

  针对化纤生产品种多,生产车间空间小的难题,研发了可升降的多品种储存台,在较小的空间内实现了多品种化纤产品的储存,解决了产品后道工艺用地紧张的难题。

  创新研发多种柔性抓纱机械手爪

  针对生产过程中,不同品种丝卷的不同抓取需求,创新研发多种抓取卡具,适用于抓取、放置不同数量、重量、中心距位置的丝卷,实现卡具的柔性化。

  3)创新研发出从化纤生产到检验的自动化调度与监控系统

  创新研发了同轨道多落丝车调度控制系统

  针对单条生产线上多台落丝车同时运行及安全避让的难题,开发了一套同轨多车自动调度和避让系统,做到多车最优化生产的同时,确保车辆间的合理避让,解决了既要确保生产又要保证安全的问题。

  创新研发了落丝车速度控制和高精度定位系统

  针对落丝车定位精度要求高的难题,研发了落丝车速度控制系统和自动对正校验系统,实现了落丝车运行高速平稳,水平和垂直方向的定位精度达到±3mm,解决了高速运行下高定位精度的难题。

  创新研发了落丝全过程的车间及远程监控管理系统

  针对落丝过程需要24小时不停机和现场无人化管理难题,研发了车间远程监控报警系统、控制点自诊断报警及报警原因分析系统、基于移动互联网的远程监控平台,解决了落丝工艺的可靠性和稳定性等难题。

  3.2 全自动包装系统关键技术

  本项目解决了智能跟踪、监控、调度及管理软件、机器人手爪柔性化、分配车的智能化、堆垛机的高速运行及高精度定位、丝卷信息处理、智能分道、化纤生产物流系统综合集成技术等关键技术问题。

  1)智能跟踪、监控、调度及管理软件技术

  车间智能MES、自动化立体仓库管理系统(WIMS)、自动化立体仓库调度及监控系统(WDMS),实现了丝卷信息的全过程数据监控;保证了系统的可靠运行;使得产品质量得到保证。人性化的调度及管理技术使得生产实现标准化,生产效率得到很大提高。

  2)机器人手爪柔性化技术

  为满足化纤生产过程中,对丝卷和纸箱进行搬运的实际需求,研制开发了4类机器人手爪。型号为1×6机械手爪、2×4机械手爪、2×3机械手爪、码垛机器手爪。每种手爪都可以根据实际工件要求来调整手指间距,实现化纤生产智能物流的柔性化生产。

  3)分配车智能化技术

  双工位分配车的控制系统能够智能识别每条码垛通道的状态。在分配车空闲时,分配车的一个工位始终载有一个空托板,当包装码垛区控制系统通知码垛机器人停止该通道的纸箱码垛作业时,码垛机器人通知智能分配车,链式机将该通道的装有纸箱的托板送出。当有多个通道同时执行托板送出任务,智能分配车会自动识别优先级,自动寻找对应的通道,将该通道链式机送出的托板取走。该通道空货位后,智能分配车将空托板送入该通道,保证了系统运行的高效性。

  4)堆垛机的高速运行及高精度定位技术

  单台堆垛机的自身重量约为10吨,在实际运行中堆垛机会产生很大的运动惯量。堆垛机采用优异的机械性能、无极调速变频控制,并且堆垛机系统水平的方向选择高精度的激光认址方式,垂直方向选择编码器认址方式,同时垂直方向再与物理认址片结合。堆垛机控制算法实现减速S形曲线,保证了堆垛机水平方向和垂直方向的高速运行及高精度定位。

  5)丝卷信息多点绑定和多重校验技术

  系统每天需要处理丝卷信息量非常庞大。为保证信息零错误率,在整个系统中设置了多次校验程序,其中包括人工复检丝车信息;车间智能MES对入库丝卷信息校验;自动称量系统核对丝卷重量信息;在外检台工位处人工核对丝卷信息;WIMS核对托盘信息;在丝卷出库作业时出库区控制系统校验丝卷信息等。由于丝卷的整个生产过程被实时监控,确保丝卷信息的准确无误,杜绝因丝卷的信息混乱而导致的客户投诉。

  6)多等级丝卷和纸箱智能分道技术

  智能分道关键技术,是指对多种等级的丝卷智能分道和多种等级的纸箱智能分道。该技术可以减少本系统中输送线体的使用数量;提高了输送线体的使用效率。丝卷智能分道技术实现了多品种丝卷可以在同一条输送线体上运行。在机器人装箱工位,将多种等级丝卷智能分道,对同等级的丝卷进行拣选,归类装箱,避免不同等级的丝卷被装入到同一个纸箱中;提高了装箱机器人的利用率,提高生产效率。

  多种等级的纸箱智能分道实现了多种等级的纸箱可以在同一条输送线体上运行。在机器人码垛工位,将多种等级纸箱智能分道,装有同等级丝卷的纸箱被分到同一条码垛通道,由码垛机器人执行码垛作业,保证同等级丝卷的纸箱在同一托板上。

  4.总结与展望

  本解决方案面向化纤企业生产制造升级需求设计开发,结构合理、功能齐全、运行顺畅、质量稳定,自动化、智能化水平高,已在十余家化纤长丝生产企业应用,对行业转型升级的需要起到了推进作用,有效增强企业管理能力,大幅提升产品质量,降低了生产成本,给企业带来了巨大的效益,获得了较好的投资回报,具有很好的行业推广前景。目前各个子系统在行业的各个厂局部的升级改宗中发挥了巨大的作用,整个解决方案目前已经成为涤纶长丝主要生产企业新建项目的必备系统。

 

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