自动包装线在碳纤维行业的应用

纪佳溥，岳秀江，赵剑道，蔡 苗，刘晓楠

（1.北京机械工业自动化研究所，北京 100120；2.北自所（北京）科技发展有限公司，北京 100120）

0 引言

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的特种纤维，具有其他材料不可比拟的优异性能，是国民经济和国防建设不可或缺的战略性新材料，也是争夺未来国际竞争优势的基础性材料。当前全球碳纤维行业快速发展，市场需求与日俱增，预计到2026年全球碳纤维市场需求将达到80亿美元，年复合增率将达到10.8%。因此，大力发展碳纤维行业具有极高的战略意义。

传统的碳纤维生产线采用人工作业模式，各生产环节独立运行，需要投入大量人力来贯通整个流程。这种生产模式存在着生产效率低、作业强度大、人工录入信息易出错等问题，无法适应大规模工业生产需求，企业迫切需要改进原有生产模式，进而解放劳动力、降低人工成本。

随着各种新技术的应用，自动包装系统日渐成熟，已广泛应用于各行各业，可为不同用户提供定制化解决方案，在提高企业竞争力、提高生产效率、降低人工成本等方面起到了至关重要的作用。本文从实际生产中的问题出发，介绍了一套成熟的自动包装系统，该系统实现了整个生产过程的智能化、自动化、信息化，通过与碳丝系统、ERP系统集成，提高了企业的网络化、集成化与数字化水平。

1 系统结构及特点

1.1 系统概述

在传统碳丝工艺流程中，工人利用电子秤获取碳丝重量信息，记录重量信息；随后计算平均线密度，依据线密度判断等级；外检工通过观察碳丝外观情况，确定碳丝最终等级与毛丝等级；受生产环境因素影响，同一批碳丝的工艺信息也不尽相同，需逐一核对；工人根据强度、模量信息，确定碳丝牌号，至此，碳丝基础信息与物料信息处理完成，工人将这些信息逐一录入ERP系统。录入信息结束，碳丝交给装箱工，装箱工将要装箱的碳丝逐一扫码，打印装箱单，手动装箱、码垛。随着生产规模的扩大，这种模式已成为制约企业发展的重要因素。

本文介绍的自动包装系统设计思想为集中管理、分散控制，通过硬件系统和软件系统结合，实现了从碳丝下线，到碳丝输送转运、自动称重、人工外检、贴内标、热塑裹膜、回库暂存、出库包装、丝锭装箱、纸箱码垛、大包装直接码垛、打带与裹膜、入库的全流程自动化，解决了信息频繁录入、工人重复劳动、生产效率低下的问题。

在不改变传统工艺流程的前提下，系统实现的工艺流程如图1、图2所示。从现场分布上来看，大体可分为两部分：外检区域与包装区域。

图2 包装区域流程

1）外检区域：这一部分的目的是在包装前确定碳丝的最终牌号、等级。这是由碳纤维的特殊性决定的，强度或者模量不同，同一种产品会有不同的牌号。

丝车上线：通过PDA将碳丝信息与丝车信息绑定在一起，以丝车为载体对碳丝进行输送转运。

碳丝抓取：通过机器人将碳丝从丝车抓取到置纱盘，碳丝信息转移到置纱盘，后续环节以置纱盘为载体在线体上移动。

碳丝称重：称重子系统将称重量信息上传至PLC控制系统，PLC控制系统在外检处上传给上位机，为计算线密度提供数据支持。

外检：外检电脑实时显示碳丝的强度、线密度、等级等信息，供外检人员查看，同时外检人员检查碳丝外观情况，录入碳丝毛丝等级、最终等级。

贴标：根据PLC上传的置纱盘号，系统查询对应碳丝信息并生成标签信息，发送给贴标机，贴标机自动贴标。

热塑裹膜：在碳丝表面形成一个保护性的外表，达到防尘、防水、防撞的目的。碳丝从裹膜机出来后，PLC根据外检时定下的等级信息，通过机器人将合格碳丝抓回丝车，抓满后碳丝以丝车为载体入中间库，等待订单或者攒批；将降等碳丝抓取至降等线人工取下。

2）包装区域：依据客户订单或库存情况，生成包装计划。

下发包装计划：碳纤维管理系统下发包装计划，中间库系统执行出库任务，将符合条件的碳丝输送到包装区域，系统开始包装。

空板上线：输送机将木托盘输到码垛处，为碳丝码垛做准备。

纸箱输送：自动开箱机输送纸箱到装箱处，自动包装系统为每个纸箱分配唯一的箱号。

丝锭装箱：机器人将碳丝从置纱盘抓取到纸箱，自动包装系统根据置纱盘信息生成装箱信息，记录碳丝所在箱号及位置信息。

纸箱码垛：根据装箱信息，自动包装系统匹配合适的码垛方式，码垛机器人对纸箱进行码放。

大包装直接码垛：机器人抓取碳丝，直接码放在木托盘上，自动包装系统记录碳丝所在托盘号及位置信息。

码垛下线：码垛结束，整垛产品入库，自动包装系统将装箱信息上传给ERP系统。

1.2 硬件组成

从图中可看出，硬件系统包括：碳丝输送系统、称重系统、外检子系统、贴标子系统、装箱系统、码垛系统、中间库系统等，涉及到的设备有工业机器人、输送设备、穿梭车、堆垛机、龙门、PDA等。

1.3 系统架构

设备层是基础，包括数据采集设备与执行设备，主要实现现场数据采集和执行监视控制层下发的命令。

传输层将设备层采集到的数据通过现场总线和工业以太网传输到服务器，保障数据的网络传输与安全，实现不同终端、系统间的信息传输与交换。

监视控制层是核心，主要承担数据的汇聚存储、数据的分析处理与物流设备控制功能，支撑了整个系统的运转。

信息管理层承担了数据汇总功能，实现了数据的集成与分析，是自动包装系统的价值体现。

图3 自动包装系统硬件系统组成

图4 自动包装系统整体架构

1.4 系统目标

根据碳纤维企业的需求，结合自动包装系统的实际情况，自动包装系统的目标如下：

1）包装能力提升

自动包装系统日均包装11000轴碳丝，较手动线每班次1000多轴，效率提高了三倍以上。

2）包装品种多样

碳纤维种类繁多，自动包装系统会根据产品信息匹配不同的包装方式。装箱码垛，适用于4kg及以下碳丝，根据规格可分为2×3、3×4、3×5三种装箱方式。大包装直接码垛，适用于6～8kg碳丝，可细分为：6×6、5×5等码垛方式。

2 系统实现

2.1 生产调度

调度实现的功能有数据采集、信息传递、数据处理、下发指令。PLC采集各类传感器的信息、RFID标签信息，将处理后的现场信息通过局域网传送到服务器。服务器处理、解析上传数据，一方面提供给监控系统，实现对现场的实时监控，另一方面生成新的指令，并下发到设备层，现场设备执行下发的指令，协调现场设备的运行。

2.2 监控

为了保证现场设备的正常运转、提高现场的安全性与可靠性，自动包装系统需要对现场进行实时监测，并实时反映设备运行状态，这一功能采用PC-PLC体系，通过上位机、下位机协同工作的整体模式来实现。在中控室设置上位机，通过WinCC组态软件，获取PLC信息，显示在组态界面，出现问题时自动报警，加强了设备维护人员对现场数据监测的及时性，提高了设备的工作效率。此外，还可通过现场触摸屏近距离控制，方便管理人员与操作人员交流问题。

2.3 信息管理

碳纤维工艺复杂，信息管理显得尤为重要。随着碳丝在生产过程的流转，信息不断变化，如何处理并跟踪碳丝信息是本系统的难点，也是本系统的亮点。自动包装系统通过数据库、网络传输系统、碳纤维管理系统来实现碳丝信息管理，数据统一存放在中央数据库，通过以太网和接口程序实现信息传输与共享。

图5 自动包装系统信息流程

首先是碳丝基础信息，如长度、牌号、规格等，通过接口程序将这些信息获取到自动包装系统，并通过PDA绑定丝车号、丝车位置等信息，集成了这些信息，碳丝入中间库等待工艺信息。

其次是工艺信息，如强度、模量、工艺号、含胶情况等，需要到ERP系统获取。碳丝下线后，需放置12小时，等待强度、模量检测结果。利用测出的强度、模量信息与相应的牌号范围，系统决定碳丝最终牌号，此时才可将碳丝出库包装，这是对传统流程的改革。手动包装时，碳丝下线后工人根据上个班次强度、模量信息进行包装、粘贴轴标。等强度出来后，如果本班次与上班次强度信息不一致，需要返工，撕掉轴标、重新贴标，这无疑是对劳动的浪费。自动包装系统通过引入中间库、与ERP系统的对接，优化了这一环节，避免了重复劳作。

集成了碳丝基础信息、工艺信息、丝车信息等生产要素，自动包装系统方可正常运行。自动包装系统信息流沿着工艺流程正向传递，并可以实现反向追溯。系统通过对数据库的设计和对数据的存储、处理，建立了碳丝的生产过程数据在多个环节之间的关联，实现了对生产数据便捷的追溯。

碳丝上线后，碳丝的载体为丝车、置纱盘，二者均绑定了RFID，保证可跟踪至每一轴碳丝。包装过程中，系统记录每个环节的交互信息，如操作时间、操作人员、结果等。最重要的是外检工位的信息，系统计算线密度，并自动判等，显示等级、强度等信息，供外检人员参考。工人根据外观进行二次判等，确认碳丝最终等级，为后续贴标提供数据支持。包装时，根据碳丝牌号、规格等信息，自动匹配码垛类型。装箱时，生成装箱信息，并更新碳丝的订单号。至此，系统记录了碳丝完整的生产信息，实现了数据的纵向集成。从碳丝上线到码垛结束，是碳丝在自动包装系统的整个生命周期，整个周期结束后，碳丝信息同步到ERP系统，做到信息共享、数据转移。

依托收集到的数据，自动生成各类报表，降低了管理人员以往手动输入报表的工作量，方便企业查看生产情况，及时调整生产策略。通过比较不同阶段的A品率、不同生产线间的差异，企业可及时调整工艺，提高碳丝质量。

2.4 与各系统接口

系统间常见接口方式有WebAPI、WebService、WCF、中间表等方式。其中，WebAPI是一种用来开发系统间接口、设备接口的API技术，它基于Http协议，请求和返回格式默认是json格式，比WCF更简单、更通用，比WebService更节省流量、更简洁。因此，自动包装系统采用了WebAPI这种接口方式。

接口分为两部分，分别是与碳丝系统的接口和ERP系统的接口。前者功能较为简单，主要用来获取碳丝的基础物料信息；后者功能完善，信息流双向流动。员工在ERP系统维护每批碳丝的工艺信息，供自动包装系统调用。包装结束后，自动包装系统将每轴碳丝基础信息、工艺信息、生产过程数据、订单信息等数据集成，回传到ERP系统。此外，上传装箱信息，方便统计库存、产量。通过接口程序，实现了不同系统信息共享，为跨网业务提供技术支撑。

3 结语

在某碳纤维生产企业的新建工业园中，自动化包装系统已经成为生产过程中核心环节，推动了企业生产模式从劳动密集型向技术密集型转化，实现了从碳丝下线到包装、销售的全过程的信息化、自动化，使企业生产效率提高、工人工作强度降低、生产工艺改善、信息化管理水平提升。

本文讨论了自动包装线在碳纤维行业的具体应用，该系统提高了生产效率并保证了生产质量，为企业扩大生产规模提供了技术支撑，具有一定的推广意义。但是智能化程度还有很大提升空间，未来可结合数字孪生技术，研发更加智能的物流系统。