基于時(shí)段分析法的卷煙輔料物流系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司紅河卷煙廠/胡曉黎昆明昆船物流信息產(chǎn)業(yè)有限公司/袁召云 方泳

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基于時(shí)段分析法的卷煙輔料物流系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司紅河卷煙廠/胡曉黎
昆明昆船物流信息產(chǎn)業(yè)有限公司/袁召云 方泳

摘 要：為了在系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確評(píng)估輔料物流系統(tǒng)設(shè)備配置是否滿足使用要求，特別是確定AGV子系統(tǒng)小車數(shù)量，本文基于時(shí)段分析法，采用現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)機(jī)組任務(wù)發(fā)起策略進(jìn)行仿真建模，全面評(píng)估了3個(gè)典型出庫(kù)時(shí)段。通過實(shí)例建模進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與仿真，可以得出當(dāng)前系統(tǒng)配置能夠滿足機(jī)組生產(chǎn)供料要求的結(jié)論。因此，采用該技術(shù)可以準(zhǔn)確評(píng)估卷煙廠輔料物流系統(tǒng)，對(duì)于促進(jìn)仿真技術(shù)在卷煙廠物流系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：卷煙輔料物流系統(tǒng)、AGV、時(shí)段分析法、仿真、AutoMod

煙草工業(yè)企業(yè)輔料物流系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)已有20多年發(fā)展歷史，伴隨著眾多項(xiàng)目的實(shí)施，技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段已經(jīng)趨于穩(wěn)定，供應(yīng)對(duì)象為卷接包機(jī)組、裝封箱機(jī)組和濾棒成型機(jī)組三類，標(biāo)準(zhǔn)裝備一般配置采用“立體倉(cāng)庫(kù)+巷道堆垛機(jī)+輸送機(jī)系統(tǒng)+往復(fù)式穿梭車+AGV系統(tǒng)”模式，輔料出庫(kù)區(qū)是重點(diǎn)，需要通過仿真手段對(duì)提前出庫(kù)、常規(guī)出庫(kù)、換牌等三種工況進(jìn)行效率評(píng)估，其中關(guān)于各個(gè)時(shí)段評(píng)估指標(biāo)的確定、供應(yīng)機(jī)組任務(wù)發(fā)起策略是重點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前的研究一般都是把設(shè)備處理量是否已滿足流量需求，利用率是否在合理范圍內(nèi)作為評(píng)估指標(biāo)，忽略了子系統(tǒng)上下游串聯(lián)傳遞響應(yīng)延遲，從而可能造成總時(shí)長(zhǎng)超出系統(tǒng)要求的情況出現(xiàn)，另外提出的供應(yīng)機(jī)組任務(wù)發(fā)起策略也與真實(shí)調(diào)度存在較大差異，不能準(zhǔn)確評(píng)估系統(tǒng)指標(biāo)。為此，本文從三個(gè)典型出庫(kù)時(shí)段分析入手，不同時(shí)段采用不同評(píng)估指標(biāo)，采用現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)機(jī)組任務(wù)發(fā)起策略進(jìn)行仿真建模，對(duì)輔料物流系統(tǒng)出庫(kù)區(qū)效率評(píng)估方法進(jìn)行了改進(jìn)，使評(píng)估結(jié)果更加貼近實(shí)際情況。

一、工具與方法

1.工具

采 用AutoMod Version 12.3仿真軟件（美國(guó)Applied Materials公司出品），涉及到AutoMod Basic、Convey、Path Mover、AutoMod Runtime、AutoStat等五個(gè)組件。

2.方法

（1）提前出庫(kù)時(shí)段和換牌時(shí)段，采用統(tǒng)計(jì)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)為主要評(píng)估指標(biāo)，AGV等關(guān)鍵子系統(tǒng)利用率為輔助評(píng)估指標(biāo)。

（2）常規(guī)出庫(kù)時(shí)段，采用同機(jī)組工位類型固定時(shí)間間隔順序申請(qǐng)出庫(kù)方法來實(shí)現(xiàn)。

（3）常規(guī)出庫(kù)時(shí)段，申請(qǐng)實(shí)托盤出庫(kù)時(shí)機(jī)選在AGV叉取機(jī)組工位空托盤之后。

（4）換牌機(jī)組的選取，遵循軟包優(yōu)先、遠(yuǎn)距離優(yōu)先原則。

二、作業(yè)時(shí)段的分析與仿真實(shí)現(xiàn)

1.提前出庫(kù)時(shí)段

（1）以往的仿真評(píng)估手法，是簡(jiǎn)單的從仿真輸出報(bào)告中AGV子系統(tǒng)等瓶頸環(huán)節(jié)著手分析，加長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間，例如要求的是4小時(shí)內(nèi)完成提前出庫(kù)作業(yè)，仿真時(shí)加長(zhǎng)到10小時(shí)，看AGV子系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備能不能處理2.5倍左右的提前出庫(kù)作業(yè)量，如果能夠完成，則認(rèn)為系統(tǒng)能夠滿足要求，即主要評(píng)估指標(biāo)為關(guān)鍵設(shè)備處理量。仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，以前的仿真評(píng)估手法并不能全面反映巷道堆垛機(jī)、往復(fù)式穿梭車、AGV子系統(tǒng)的上下游串聯(lián)傳遞響應(yīng)延遲，雖然單項(xiàng)設(shè)備的利用率不高，但可能在要求的時(shí)間內(nèi)無法完成提前出庫(kù)作業(yè)。

（2）本文的仿真評(píng)估手法，嚴(yán)格遵守要求的作業(yè)時(shí)間，主要評(píng)估整個(gè)輔料物流系統(tǒng)從接到出庫(kù)申請(qǐng)開始，到AGV系統(tǒng)將最后一個(gè)托盤送到機(jī)組站臺(tái)為止整個(gè)過程時(shí)長(zhǎng)，以此作為主要評(píng)估指標(biāo)，這樣才能更準(zhǔn)確地把握是否能夠完成使用要求。另外，可以選取關(guān)鍵設(shè)備利用率作為輔助評(píng)估指標(biāo)加以分析。

（3）仿真實(shí)現(xiàn)：在AutoMod建模時(shí)定義2個(gè)計(jì)數(shù)器C_ Warmup、C_Warmup1。仿真開始后C_Warmup置1；當(dāng)AGV小車將托盤卸到機(jī)組站臺(tái)上后，C_Warmup1 加1；當(dāng)C_Warmup1值達(dá)到要求的提前出庫(kù)量時(shí)，C_Warmup清零。這樣C_Warmup的平均時(shí)間統(tǒng)計(jì)值即是提前出庫(kù)時(shí)長(zhǎng)。

2.常規(guī)出庫(kù)時(shí)段

（1）同機(jī)組工位類型固定時(shí)間間隔順序申請(qǐng)出庫(kù)。這個(gè)問題需要從4個(gè)方面來進(jìn)行分析。

一是同機(jī)組工位類型，在同類機(jī)組產(chǎn)能相同前提下，供料托盤分開考慮。卷接包機(jī)組一般包含卷接托盤（卷煙紙+水松紙）、包裝托盤1（商標(biāo)+條盒）、包裝托盤2（鋁箔+條透+小透+[軟包]標(biāo)簽紙/[硬包]白卡紙+金拉線）等3個(gè)混裝托盤，裝封箱機(jī)組只有1個(gè)紙箱單一托盤，濾棒成型機(jī)組包含成型盤紙托盤和絲束托盤2個(gè)單一托盤，如果所有輔料托盤都由輔料物流系統(tǒng)來供料，則有硬包卷接包機(jī)組3類、軟包卷接包機(jī)組3類、裝封箱機(jī)組1類、濾棒成型機(jī)組2類等共計(jì)9類機(jī)組工位類型。

二是初始化生成各機(jī)組工位類型供料機(jī)組隨機(jī)數(shù)。實(shí)際情況托盤并不是按機(jī)組編號(hào)順序申請(qǐng)的，所以需要在仿真開始時(shí)采用技術(shù)手段生成供料機(jī)組隨機(jī)數(shù)序列。例如有15組軟包機(jī)組卷接托盤工位，初始化生成5,8,15,2,6,10,14,7,12,4,9,13,1,11,3隨機(jī)數(shù)序列。

三是固定時(shí)間間隔申請(qǐng)出庫(kù)。例如15組軟包機(jī)組卷接托盤工位，單機(jī)耗量為0.0644托盤/(小時(shí).組)，因?yàn)?5組機(jī)組為同一類型，所以固定時(shí)間間隔取(0.0644×15=)0.966托盤/小時(shí)。

四是順序申請(qǐng)出庫(kù)。固定時(shí)間間隔確定以后，從隨機(jī)數(shù)序列中取頭機(jī)組號(hào)5使用，然后將5放到隨機(jī)數(shù)序列末尾循環(huán)使用，這樣就可以實(shí)現(xiàn)順序申請(qǐng)出庫(kù)了。

（2）仿真實(shí)現(xiàn)：在AutoMo建模時(shí)定義2個(gè)命令列表OL Random、OL_Random1，元素均為9，分別對(duì)應(yīng)9類機(jī)組工位類型，其中OL_Random1排序依據(jù)為整型屬性值A(chǔ)(1)，OL_Random排序依據(jù)為默認(rèn)的先入先出。仿真開始后同類型托盤按機(jī)組數(shù)克隆多個(gè)Load，相應(yīng)A(1)屬性在0～1000范圍內(nèi)隨機(jī)選取，A(2)值跟蹤機(jī)組編號(hào)；克隆后的Load進(jìn)入OL_Random中排序；當(dāng)所有機(jī)組編號(hào)對(duì)應(yīng)Loa都進(jìn)入OL_Random1后，將OL Random1中所有Load釋放進(jìn)入OL_Random，這樣就生成了供料機(jī)組隨機(jī)數(shù)序列。使用時(shí)釋放OL Random頭物料，提取A(2)屬性值，然后將頭物料再次進(jìn)入OL_Random排在末尾。

（3）申請(qǐng)實(shí)托盤出庫(kù)時(shí)機(jī)的選擇：當(dāng)機(jī)組某類型托盤使用完畢申請(qǐng)供應(yīng)新的實(shí)托盤時(shí)，如果申請(qǐng)空托盤返回的同時(shí)申請(qǐng)實(shí)托盤出庫(kù)，可能會(huì)出現(xiàn)實(shí)托盤到達(dá)機(jī)組工位而空托盤還沒有取走的情況，從而導(dǎo)致整個(gè)仿真系統(tǒng)堵死。所以本文設(shè)定的控制邏輯為：當(dāng)AGV將空托盤叉取后，再申請(qǐng)實(shí)托盤出庫(kù)，就不會(huì)出現(xiàn)上述堵死情況了。

3.換牌時(shí)段

（1）換牌機(jī)組的選取。一般需求只會(huì)提出最大同時(shí)需要換牌的卷接包機(jī)組數(shù)量，但在仿真評(píng)估時(shí)需要深入分析。從軟硬包角度出發(fā)，由于軟包機(jī)組相對(duì)于硬包機(jī)組而言，常規(guī)出庫(kù)時(shí)段供料流量更小，但是換牌流量相同，軟包機(jī)組換牌引起的流量增加值會(huì)比硬包機(jī)組換牌更大，從評(píng)估的角度出發(fā)，宜按軟包機(jī)組優(yōu)先換牌考慮。從距離出發(fā)，距離越遠(yuǎn)，耗費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，所以宜按最遠(yuǎn)機(jī)組換牌考慮。最差工況能夠適應(yīng)，其它工況就沒問題了。仿真時(shí)其它機(jī)組保持正常供料即可，特別需要注意在換牌機(jī)組數(shù)小于軟包機(jī)組數(shù)前提下，其它正常供料軟包機(jī)組的流量及排程，首先是申請(qǐng)供料節(jié)拍需要減去換牌機(jī)組數(shù)，其次是在OL_Random中選取機(jī)組編號(hào)時(shí)，需要避開換牌機(jī)組就可以實(shí)現(xiàn)了。

（2）仿真評(píng)估手法同提前出庫(kù)時(shí)段。嚴(yán)格遵守要求的作業(yè)時(shí)間，主要評(píng)估整個(gè)輔料物流系統(tǒng)從接到換牌申請(qǐng)開始，到AGV系統(tǒng)將最后1換牌托盤送到機(jī)組站臺(tái)為止整個(gè)過程時(shí)長(zhǎng)，以此作為主要評(píng)估指標(biāo)，這樣才能更準(zhǔn)確地把握是否能夠滿足使用要求。另外可以取關(guān)鍵設(shè)備利用率作為輔助評(píng)估指標(biāo)加以分析。

（3）仿真實(shí)現(xiàn)：在AutoMod建模時(shí)定義2個(gè)計(jì)數(shù)器C_Barter、C_Barter1。仿真開始后C_Barter 置1；當(dāng)AGV車將換牌托盤卸到機(jī)組站臺(tái)上后，C_Barter1加1；當(dāng)C_Barter1值達(dá)到要求的換牌量時(shí)，C_Barter清零。這樣C_Barter的平均時(shí)間統(tǒng)計(jì)值即是換牌出庫(kù)時(shí)長(zhǎng)。

>> 圖1 輔料物流系統(tǒng)總體工藝平面布局圖

>> 圖2 輔料物流系統(tǒng)總體工藝平面布局圖

三、實(shí)例分析與建模

1.總體工藝要求

以某卷煙廠輔料物流系統(tǒng)(圖1)為例進(jìn)行建模分析，工作制度為入庫(kù)7小時(shí)/天，出庫(kù)21小時(shí)/天，空托盤組規(guī)格為8個(gè)/組。供料機(jī)組有：41組7000支/分鐘的卷接包機(jī)組，其中有15組軟包機(jī)組，26組硬包機(jī)組；14組4件/分鐘的裝封箱機(jī)組；15組400米/分鐘的濾棒成型機(jī)組。其中需要輔料物流系統(tǒng)供應(yīng)的輔料托盤有3個(gè)卷接包輔料托盤、1個(gè)紙箱托盤和1個(gè)成型盤紙托盤，絲束托盤由人工叉車送達(dá)，不需要考慮。

提前出庫(kù)時(shí)段要求在4小時(shí)內(nèi)將3類機(jī)組所需輔料托盤送到位，共計(jì)需要送出152個(gè)托盤；換牌時(shí)段要求1小時(shí)內(nèi)完成同時(shí)最多4臺(tái)卷接包機(jī)組的換牌作業(yè)。

2.系統(tǒng)流量

根據(jù)輔料配盤結(jié)果，結(jié)合卷接包機(jī)組配置，得到常規(guī)出庫(kù)時(shí)段輔料托盤出庫(kù)流量，遵循日入出庫(kù)平衡原則，計(jì)算得到入庫(kù)流量。依據(jù)總體工藝要求，計(jì)算得出換牌時(shí)段和提前出庫(kù)時(shí)段各系統(tǒng)流量(表1)。

3.仿真建模

根據(jù)實(shí)例分析，遵循本文所述的方法進(jìn)行仿真建模(圖2)，其中換牌機(jī)組選取距離出庫(kù)區(qū)最遠(yuǎn)的左下角4臺(tái)軟包卷接包機(jī)組。

四、仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)的目的，是為了確定AGV數(shù)量。

表1 典型時(shí)段流量表（單位：托盤/小時(shí)）

表2 提前出庫(kù)時(shí)段仿真實(shí)驗(yàn)

表3 常規(guī)出庫(kù)時(shí)段仿真實(shí)驗(yàn)

1.提前出庫(kù)時(shí)段

以AGV數(shù)量作為變化因子，提前出庫(kù)時(shí)長(zhǎng)作為衡量指標(biāo)進(jìn)行AutoStat實(shí)驗(yàn)(表2)，可以看出，16輛以上AGV車即能滿足4小時(shí)內(nèi)完成提前出庫(kù)流量要求，考慮留有一定余量，該時(shí)段分析優(yōu)選17輛。

2.常規(guī)出庫(kù)時(shí)段

以AGV數(shù)量作為變化因子，AGV系統(tǒng)接貨數(shù)量作為衡量指標(biāo)進(jìn)行AutoStat實(shí)驗(yàn)(表3)，可以看出，AGV數(shù)量在17輛以上時(shí)，接貨數(shù)量達(dá)到最大值，說明能夠滿足系統(tǒng)流量需求，該時(shí)段分析優(yōu)選17輛。

3.換牌時(shí)段

以AGV數(shù)量作為變化因子，換牌時(shí)長(zhǎng)作為衡量指標(biāo)進(jìn)行AutoStat實(shí)驗(yàn)(表4)，可以看出，17輛以上AGV小車即能滿足1小時(shí)內(nèi)完成換牌出庫(kù)流量要求，該時(shí)段分析優(yōu)選17輛。

4.實(shí)驗(yàn)小結(jié)

綜合以上3個(gè)典型時(shí)段仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)論，AGV數(shù)量?jī)?yōu)選17輛。

五、仿真輸出

提前出庫(kù)時(shí)段(表5)巷道堆垛機(jī)、往復(fù)式穿梭車、AGV子系統(tǒng)利用率并不高，都沒有超過60%，但是提前出庫(kù)時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)接近要求的4小時(shí)。正常出庫(kù)時(shí)段(表6)巷道堆垛機(jī)、往復(fù)式穿梭車、AGV子系統(tǒng)利用率都沒有超過90%，系統(tǒng)無瓶頸，運(yùn)行良好。換牌時(shí)段(表7)AGV子系統(tǒng)利用率較高超過90%，巷道堆垛機(jī)、往復(fù)式穿梭車?yán)寐蕸]有超過70%，換牌出庫(kù)時(shí)長(zhǎng)沒有超過要求的1小時(shí)。

六、結(jié)論

基于時(shí)段分析法，靈活運(yùn)用仿真軟件提供的技術(shù)手段，具有以下特點(diǎn)：①采用該方法可以得到提前出庫(kù)時(shí)段和換牌時(shí)段時(shí)長(zhǎng)準(zhǔn)確值，更加精準(zhǔn)把握實(shí)際要求；②機(jī)組申請(qǐng)順序更隨機(jī)、申請(qǐng)節(jié)拍更固定，符合現(xiàn)場(chǎng)工況；③實(shí)托盤出庫(kù)申請(qǐng)時(shí)機(jī)選擇與真實(shí)調(diào)度相符；④換牌機(jī)組選取最差工況，保證能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任何工況換牌任務(wù)。

表4 換牌時(shí)段仿真實(shí)驗(yàn)

表5 提前出庫(kù)時(shí)段仿真輸出

表6 正常出庫(kù)時(shí)段仿真輸出

表7 換牌時(shí)段仿真輸出

因此，在AutoMod仿真中，采用該技術(shù)可以準(zhǔn)確評(píng)估卷煙廠輔料物流系統(tǒng)，對(duì)于促進(jìn)仿真技術(shù)在卷煙廠物流系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用具有重要意義。