卷煙企業(yè)成品高架庫自適應(yīng)入庫模式應(yīng)用研究

文/ 彭海 陳建軍 李全晶

一、現(xiàn)狀與需求分析

成品高架庫是指采用幾層或十幾層乃至幾十層高的貨架儲存單元貨物，用相應(yīng)的物料搬運(yùn)設(shè)備進(jìn)行載煙托盤入庫和出庫作業(yè)的倉庫[1,2]。隨著煙草行業(yè)發(fā)展，成品高架庫在越來越多的卷煙生產(chǎn)企業(yè)中得到應(yīng)用。作為聯(lián)接卷煙工商企業(yè)的橋梁，成品高架庫具有成品入庫、成品存儲、成品發(fā)貨的多重功能。在智能制造的背景下，卷包車間為快速滿足市場需求，生產(chǎn)模式正在向柔性化轉(zhuǎn)變，“單品海量，多品微量”成為生產(chǎn)常態(tài)。生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變，質(zhì)量要求的提升，對于成品高架庫入庫環(huán)節(jié)提出更高的要求。

長期以來，現(xiàn)有的成品高架庫在入庫環(huán)節(jié)存在以下難點(diǎn)和痛點(diǎn)：

1.入庫件煙實(shí)物與屬性信息的不完全匹配

為了在面對商業(yè)公司不同訂單的發(fā)貨請求時正確響應(yīng)，成品高架庫在成品入庫環(huán)節(jié)必須確保入庫件煙實(shí)物與屬性信息的完全匹配。在成品高架庫的應(yīng)用環(huán)境下，依靠人眼識別來確保件煙屬性的正確已經(jīng)不可能實(shí)現(xiàn)。入庫時件煙屬性的正確將最終決定出庫時系統(tǒng)發(fā)貨的正確，入庫件煙屬性信息的錯誤將很有可能引起出庫的質(zhì)量事故。

成品高架庫物流系統(tǒng)通過下達(dá)入庫計劃來獲得入庫成品件煙的屬性信息。入庫計劃將件煙的屬性作為下達(dá)入庫計劃的必需字段，在件煙入庫時通過條碼識別件煙，碼垛入庫，將件煙屬性信息與入庫件煙實(shí)物綁定?，F(xiàn)有的入庫計劃通過入庫操作工進(jìn)行人工下達(dá)，或者通過MES同步卷包車間的生產(chǎn)計劃來生成，由于溝通不及時，或者M(jìn)ES的生產(chǎn)計劃顆粒度不夠，或者生產(chǎn)計劃臨時變動，入庫計劃無法做到與生產(chǎn)計劃完全匹配，導(dǎo)致入庫件煙屬性信息與入庫件煙實(shí)物出現(xiàn)偏差，影響質(zhì)量追溯和出庫作業(yè)。

2.繳庫數(shù)據(jù)不準(zhǔn)和無法核對

在成品高架庫的應(yīng)用環(huán)境下，如何確保車間生產(chǎn)的件煙數(shù)和成品高架庫接收的件煙數(shù)量一致，成為一個技術(shù)難題。傳統(tǒng)的繳庫通過人工現(xiàn)場核對來實(shí)現(xiàn)，費(fèi)時費(fèi)力，而且在高架庫環(huán)境下根本不可能實(shí)現(xiàn)。通過基于光電計數(shù)的比對，受環(huán)境干擾大，而且在繳庫數(shù)不準(zhǔn)時無法提供進(jìn)一步的分析數(shù)據(jù)。

3.質(zhì)量追溯的效率低

隨著質(zhì)量管理的加強(qiáng)，卷包車間對于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題基本上是“零容忍”，成品高架庫物流系統(tǒng)的質(zhì)量追溯功能必須快速而有效。但在現(xiàn)有的設(shè)計下，成品高架庫入庫的件煙信息只能綁定到裝封箱機(jī)臺，無法綁定到包裝機(jī)臺。而且，同一包裝機(jī)臺的條煙是隨機(jī)進(jìn)入裝封箱系統(tǒng)，50件條煙可能來自不同的包裝機(jī)臺。這樣在質(zhì)量追溯時，必須把來自同一個裝封箱機(jī)臺的件煙拆箱，人工識別不同包裝機(jī)臺的條煙，效率低且費(fèi)時費(fèi)力。

4.入庫通道的負(fù)載不均衡

目前的入庫計劃下達(dá)，沒有對車間的不同區(qū)域、不同裝封箱機(jī)的生產(chǎn)能力進(jìn)行統(tǒng)計，入庫計劃沒有與機(jī)臺的生產(chǎn)能力匹配，經(jīng)常導(dǎo)致不同的入庫線設(shè)備忙閑程度差異過大，加速了部分設(shè)備的老化，也使現(xiàn)場維修的工作量加大。

近年來，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算、人工智能等新興技術(shù)興起，“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+云計算+人工智能結(jié)合”的智能制造，成為制造業(yè)未來的發(fā)展趨勢及重心。國務(wù)院頒發(fā)的《中國制造2025》中提出我國推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合的戰(zhàn)略任務(wù)，并強(qiáng)調(diào)智能制造作為兩化深度融合的主攻方向［3］。隨著《中國制造2025》戰(zhàn)略與技術(shù)在煙草行業(yè)的逐步深入推廣應(yīng)用，智能制造的思想在卷煙工業(yè)企業(yè)獲得廣泛關(guān)注。

智能制造的核心是數(shù)字化，數(shù)字化工廠、數(shù)字化產(chǎn)線、數(shù)字化產(chǎn)品等。數(shù)字化的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的實(shí)時、準(zhǔn)確、完整決定了數(shù)字化水平的高低。智能制造時代，卷煙工業(yè)企業(yè)需要根據(jù)用戶需求進(jìn)行大規(guī)模定制化生產(chǎn)并控制生產(chǎn)成本，這無疑對其物流系統(tǒng)提出更高要求，智能物流建設(shè)成為發(fā)展的必然。

智能物流要求通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和智能產(chǎn)品、智能單元化物流技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息的實(shí)時采集、傳輸與處理，為大數(shù)據(jù)分析和決策提供依據(jù)，數(shù)字化倉儲在物流高架庫中的應(yīng)用已經(jīng)成為大勢所趨。

二、設(shè)計思路

針對成品高架庫在入庫環(huán)節(jié)存在的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，本文提出基于條碼比對的自適應(yīng)入庫模式設(shè)計思路：

摒棄傳統(tǒng)的人工下達(dá)和MES接口獲取入庫計劃的做法，利用卷包車間成品件煙輸送到成品高架庫的時間差，通過信息接口將件煙的屬性信息提前傳遞給成品高架庫物流系統(tǒng)。成品高架庫物流系統(tǒng)根據(jù)件煙的屬性字段來動態(tài)調(diào)整入庫計劃，確保入庫計劃與實(shí)際入庫件煙的屬性完全一致。設(shè)計思路由以前的“下了計劃等煙來”變?yōu)椤盁焷砹俗詣酉掠媱潯薄?/p>

車間生產(chǎn)的每一件煙都必須帶條碼，條碼信息通過接口傳遞給成品物流系統(tǒng)。成品高架庫收貨時按照接口條碼來進(jìn)行，對于條碼的接收情況能夠進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與統(tǒng)計，確保繳庫的一致。當(dāng)繳庫出問題時能夠快速定位到出問題的條碼，通過現(xiàn)場檢查和視頻監(jiān)控定位問題。

質(zhì)量追溯所需要的機(jī)臺信息，通過裝封箱系統(tǒng)綁定到件煙條碼，裝封箱系統(tǒng)在設(shè)計時同一個包裝機(jī)臺的條煙入同一個模盒，50條煙來自同一個包裝機(jī)臺。

在成品高架庫自適應(yīng)入庫算法設(shè)計時考慮車間不同區(qū)域，不同裝封箱機(jī)的生產(chǎn)能力，作為自適應(yīng)算法的基礎(chǔ)配置數(shù)據(jù)。

自適應(yīng)的入庫模式流程設(shè)計，如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)入庫流程圖

自適應(yīng)的入庫模式流程說明如下：

1.所有的成品件煙在入成品庫之前，必須打印一號工程碼/質(zhì)量追溯碼。

2.裝封箱系統(tǒng)動態(tài)采集件煙所對應(yīng)的裝封箱機(jī)臺號、煙箱類型等相關(guān)生產(chǎn)信息，并且在打印件煙條碼時將條碼與相關(guān)信息綁定。

3.在件煙輸送主通道上通過掃碼設(shè)備獲取件煙的一號工程碼/質(zhì)量追溯碼，將件煙的牌號、機(jī)臺號、有/無碼、煙箱類型等下達(dá)入庫計劃所有必需的信息，通過信息接口的方式發(fā)生給成品物流系統(tǒng)。

4.成品物流系統(tǒng)接收到相關(guān)信息后，對當(dāng)前上線的件煙入庫計劃屬性進(jìn)行分析，沒有變化的維持當(dāng)前入庫計劃，有變化的結(jié)束當(dāng)前入庫計劃，根據(jù)新的屬性生成下一個入庫計劃。

5.根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況統(tǒng)計各個裝封箱機(jī)臺的流量大小，將流量大的裝封箱機(jī)臺平均分配到成品入庫設(shè)備上，做到流量均衡分配。

三、系統(tǒng)應(yīng)用

1.一號工程碼和質(zhì)量追溯碼的設(shè)計

條碼是由一組規(guī)則排列的條、空以及對應(yīng)的字符組成的標(biāo)記，“條”指對光線反射率較低的部分，“空”指對光線反射率較高的部分，這些條和空組成的數(shù)據(jù)表達(dá)一定的信息，并能夠用特定的設(shè)備識讀，轉(zhuǎn)換成與計算機(jī)兼容的二進(jìn)制和十進(jìn)制信息。

通常對于每一種物品，它的編碼是唯一的，對于普通的一維條碼來說，還要通過數(shù)據(jù)庫建立條碼與商品信息的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)條碼的數(shù)據(jù)傳到計算機(jī)上時，由計算機(jī)上的應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行操作和處理。因此，普通的一維條碼在使用過程中僅作為識別信息，主要是通過在計算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的信息而實(shí)現(xiàn)。

圖2為一個一號工程條碼樣例，通過掃描條碼可以得到件煙的品牌，有/無碼（一號工程碼標(biāo)準(zhǔn)長度32位）。

圖2 一號工程碼樣例

圖3為一個質(zhì)量追溯碼的設(shè)計樣例，設(shè)計的原則應(yīng)該匹配一號工程碼的信息內(nèi)容，通過掃碼條碼可以得到件煙的品牌，有/無碼（質(zhì)量追溯碼標(biāo)準(zhǔn)長度25位）。

圖3 質(zhì)量追溯碼樣例

通過一號工程碼和質(zhì)量追溯碼的應(yīng)用，車間到成品高架庫的每一件煙都可以通過條碼信息解析出卷煙品牌和有/無碼信息。

2.裝封箱信息系統(tǒng)的設(shè)計

（1）生產(chǎn)信息的實(shí)時獲取

裝封箱系統(tǒng)設(shè)計自帶RFID芯片的模盒來存儲條煙。每一個包裝機(jī)的成品條煙都分別進(jìn)入各自模盒，模盒芯片中存儲包裝機(jī)機(jī)臺信息、裝封箱系統(tǒng)所使用的煙箱信息（循環(huán)煙箱、新煙箱），裝封箱所使用的打碼設(shè)備的設(shè)備編號等。模盒滿50條后進(jìn)行封箱操作。

（2）一次掃描和信息綁定與上報

封箱完成，件煙進(jìn)入掃描工位，激活掃碼任務(wù)，出料工位出料并且有掃碼任務(wù)時激活掃碼器，出料完成時（出料輥筒動作且該工位光電開關(guān)沒有信號）掃碼結(jié)束復(fù)位掃碼任務(wù)。裝封箱電控系統(tǒng)將掃描到的條碼信息與當(dāng)前裝箱的模盒RFID芯片中的生產(chǎn)信息綁定。

綁定后的掃碼信息按照先進(jìn)先出的順序存放到PLC DB塊中的信息隊(duì)列中，信息隊(duì)列可存放400條緩存數(shù)據(jù)。當(dāng)上報區(qū)無數(shù)據(jù)時，將隊(duì)列中最早的掃碼信息存放至上報數(shù)據(jù)區(qū)，并將該掃碼信息的索引賦為1，上位檢測到此索引為1時，保存數(shù)據(jù)且將索引賦值為2，下位CPU檢測到2時清除索引賦值為1，上報數(shù)據(jù)區(qū)清零。程序以此類推，對信息隊(duì)列中的信息逐條上報。

（3）二次掃描與信息過濾

完成生產(chǎn)信息與條碼信息自動綁定的件煙，在件煙輸送設(shè)備上輸送，由于質(zhì)量檢驗(yàn)、設(shè)備故障等，在經(jīng)過垂直提升機(jī)前有可能被人工下線。為了精確定位車間輸送到成品高架庫的件煙信息，經(jīng)過垂直提升機(jī)后，在件煙輸送的主通道上安裝掃描器進(jìn)行二次掃描。電控將二次掃描掃到的條碼上報給上位系統(tǒng)，上位根據(jù)條碼信息在一次掃描的基礎(chǔ)上進(jìn)行過濾，生成輸送到成品高架庫的最終條碼信息視圖。

3.車間和成品物流之間信息接口的設(shè)計

裝封箱信息系統(tǒng)將條碼信息視圖通過接口的方式共享給成品高架庫物流系統(tǒng)。成品高架庫物流系統(tǒng)采用定時掃描的方式，掃描視圖中的數(shù)據(jù)改動，將新增的條碼數(shù)據(jù)同步到成品高架庫數(shù)據(jù)庫中去，同時也得到每個條碼關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)信息。車間和成品物流接口圖,如圖4。

圖4 車間和成品物流接口圖

4.成品高架庫入庫線的負(fù)載均衡

成品高架庫的入庫通道與機(jī)械手的對應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。每臺機(jī)械手對應(yīng)四條入庫通道，每一個入庫通道對應(yīng)于一個裝封箱機(jī)臺。每個機(jī)械手每分鐘的作業(yè)能力是固定的，四條入庫通道的流量總和不能大于機(jī)械手的作業(yè)能力。如果每個入庫通道的入庫計劃在生成時沒有考慮該通道對應(yīng)的裝封箱機(jī)臺的流量，可能會引起某一個機(jī)械手的四條入庫通道流量總和大于機(jī)械手的處理能力，造成入庫時堵煙；同時有些機(jī)械手的四條入庫通道流量又過小，設(shè)備長時間閑置。在自適應(yīng)的成品高架庫入庫模式下，系統(tǒng)在自動生成入庫計劃的同時，會考慮到實(shí)際運(yùn)行過程中每個裝封箱機(jī)臺的流量，將流量大的裝封箱機(jī)臺平均分配到不同的機(jī)械手上去，做到入庫負(fù)載均衡。

圖5 入庫通道與機(jī)械手對應(yīng)關(guān)系

通過統(tǒng)計分析，將各個裝封箱機(jī)與入庫通道的對應(yīng)關(guān)系做成成品高架庫自適應(yīng)入庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如下表所示。成品高架庫物流系統(tǒng)在自動生成入庫計劃時將以表中的定義為準(zhǔn)，將相應(yīng)的通道和裝封箱機(jī)臺對應(yīng)起來自動生成入庫計劃，這樣就能保證所有的機(jī)械手流量均衡，不會產(chǎn)生忙閑不均的情況。

在表1中，大、中、小表示裝封箱機(jī)臺的流量大小，人標(biāo)識人工上線口。

表1中定義的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以由WMS系統(tǒng)維護(hù)人員根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況靈活配置。

表1 入庫通道與裝封箱機(jī)對應(yīng)關(guān)系配置表

5.算法設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

（1）成品高架庫物流系統(tǒng)初始化時，所有入庫通道上的入庫計劃全部清零。

（2）當(dāng)成品高架庫物流系統(tǒng)通過接口接收到卷包主通道上的件煙條碼屬性信息后，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)定義中各個裝封箱機(jī)臺對應(yīng)的入庫通道和件煙條碼屬性自動下達(dá)入庫計劃。

（3）當(dāng)某個裝封箱機(jī)臺發(fā)生件煙屬性的變化時，成品高架庫物流系統(tǒng)通過接口上的條碼檢測到該屬性變化。確認(rèn)屬性變化后先結(jié)束之前的入庫計劃，然后下達(dá)變化后的件煙屬性入庫計劃。

（4）當(dāng)某一個裝封箱機(jī)臺長時間沒有件煙上線時，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時間自動結(jié)束入庫計劃。

（5）系統(tǒng)必須支持人工調(diào)整入庫計劃。

四、實(shí)施效果

成品高架庫的自適應(yīng)入庫模式，采用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，以高效的信息處理體系為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了車間和成品高架庫的生產(chǎn)信息實(shí)時共享，打通了生產(chǎn)環(huán)節(jié)的“最后一公里”，具有以下顯著特點(diǎn)與優(yōu)勢：

1.計劃精準(zhǔn)匹配生產(chǎn)，信息準(zhǔn)確對應(yīng)實(shí)物。

采用自適應(yīng)入庫模式的成品高架庫系統(tǒng)，入庫計劃根據(jù)車間裝封箱機(jī)臺實(shí)時上線的件煙屬性來動態(tài)生成和實(shí)時調(diào)整，入庫計劃與生產(chǎn)的實(shí)際情況完全匹配，減少了人為溝通和MES系統(tǒng)生產(chǎn)工單不準(zhǔn)確的干擾。入庫計劃與生產(chǎn)的完美匹配，使得件煙的入庫信息能夠準(zhǔn)確對應(yīng)實(shí)物，為成品高架庫的準(zhǔn)確出庫打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

2.生產(chǎn)數(shù)據(jù)智能感知，質(zhì)量追溯實(shí)時準(zhǔn)確。

裝封箱系統(tǒng)能夠?qū)⒚考煹臈l碼信息、生產(chǎn)信息綁定后通過接口傳遞給成品高架庫系統(tǒng)。成品高架庫自適應(yīng)入庫模式下，相同的裝封箱機(jī)臺的件煙對應(yīng)于同一個入庫通道，入庫時碼放到同一個入庫托盤上。這樣件煙在成品高架庫掃碼入庫后，通過入庫的條碼可以反向查詢到車間的具體生產(chǎn)機(jī)臺。當(dāng)某一個機(jī)臺發(fā)生生產(chǎn)質(zhì)量問題時，能夠通過條碼或者裝封箱機(jī)臺號快速定位到入庫托盤號，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追溯。

3.繳庫計數(shù)基于條碼，統(tǒng)計數(shù)據(jù)精準(zhǔn)到位。

成品高架庫的自適應(yīng)入庫模式下，一煙一碼，每一件煙在入庫時都會先在接口平臺中生成一個條碼。通過對相應(yīng)條碼的接收情況進(jìn)行統(tǒng)計，能夠?qū)崟r監(jiān)控車間繳庫的情況。當(dāng)班生產(chǎn)結(jié)束后，可以通過條碼的接收情況對繳庫總數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。對比根據(jù)光電管觸發(fā)計數(shù)而言，基于條碼的繳庫比對更加準(zhǔn)確，而且在條碼沒有收到的情況下可以根據(jù)條碼的打印時間進(jìn)行現(xiàn)場的視頻監(jiān)控追溯，大大提高了繳庫統(tǒng)計的準(zhǔn)確性。

4.入庫負(fù)荷智能調(diào)配，入庫作業(yè)平衡高效。

成品高架庫自適應(yīng)入庫模式下，系統(tǒng)對成品高架庫的所有入庫通道所對應(yīng)的裝封箱機(jī)臺號的實(shí)時上線流量進(jìn)行統(tǒng)計分析，在車間生產(chǎn)相對穩(wěn)定的情況下，能夠根據(jù)流量的大小來動態(tài)提示系統(tǒng)維護(hù)人員定期更新入庫計劃的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)流量盡量平均的分配到入庫通道中去。通過這種設(shè)計，可優(yōu)化入庫流程，保證入庫設(shè)備的均衡作業(yè)，延長設(shè)備的使用壽命。