煙絲庫自動化箱式存儲物流系統(tǒng)設計與實現

盧志敏，李文燦，余根麗，饒 偉，袁建明，謝春銘

(龍巖煙草工業(yè)有限責任公司，福建 龍巖 364021)

0 引言

目前，國內煙絲存儲方式主要有柜式存儲和箱式存儲。存儲方式由早期人工作業(yè)箱式存儲到現在自動化柜式存儲，可滿足大批量、大規(guī)模生產要求。很多卷煙企業(yè)采用柜式存儲來滿足生產需求[1]。隨著中細支卷煙高速發(fā)展，小批量、多規(guī)格品種逐漸增加，煙絲箱式存儲的柔性化生產特征愈發(fā)重要，柜式存儲已很難適應發(fā)展趨勢。箱式存儲有利于改善煙絲存儲環(huán)境，減少煙蟲滋生風險，使煙絲存儲時間更長，可滿足卷煙分組加工、均質化加工、信息化加工的需求[2]。

同時，隨著工業(yè)4.0和自動化物流技術的高速發(fā)展，制造工廠逐步走向智能化、數字化?，F代化企業(yè)物流能夠極大地降低企業(yè)運行成本，提高企業(yè)的生產制造效率和制造水平，為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經濟效益[3-7]。因此，如何合理設計煙絲庫自動化箱式存儲以突破卷煙生產制造企業(yè)的瓶頸，已成為眾多卷煙廠發(fā)展的關鍵問題。張其東[8]等通過對高架庫物流系統(tǒng)精益流程工藝布局與仿真可塑性應用設計研究，實現了生產過程歷史回放、生產批次管理和質量追溯功能，提高了企業(yè)的質量管理能力和質量控制能力。李磊[9]等在異地技改中對卷煙產品煙絲箱特征碼技術進行研究，提高了倉庫管理信息化水平、節(jié)約了管理成本、提升了管理效率。

本文以某卷煙廠煙絲庫改造為研究對象，結合實踐經驗，對煙絲庫箱式物流自動化系統(tǒng)設計與實現進行研究。該研究提高了該卷煙廠的柔性敏捷制造能力。

1 參數設定

1.1 工作時間設定

某卷煙廠采用“三班兩運轉”模式，每天生產16 h?？鄢ｐB(yǎng)維護工作時長，煙絲庫每天運行時間為15 h。為保障設備穩(wěn)定運行，每年需對設備進行升級改造而停產10 d，故每年工作日約為250 d。

1.2 基礎參數設定

本次設定的煙絲箱規(guī)格為方體箱子。箱子尺寸規(guī)格為1 283 mm×1 283 mm×1 240 mm。額定裝箱質量為單箱成品煙絲180 kg。存儲形式是以箱子為載體的密集庫形式進行自動化存儲，2箱疊放為1垛，1垛1層，2層放置。系統(tǒng)存儲目標是存放完整批次不少于20批。每批煙絲存儲不少于9 360 kg。對從貯柜出料的成品絲，使用裝箱系統(tǒng)進行煙絲裝箱。

1.3 流量參數設定

裝箱入庫設置2條生產線。2條生產線的裝箱最大能力流量分別為A線11 000 kg/h和B線11 000 kg/h[10]。煙絲出庫設2臺翻箱機，配套9臺送絲機構供絲，供24臺卷接機組使用。每臺卷接機組生產能力為8 000支/min，煙絲耗量為0.7 g/支。

入庫采用1臺堆垛機，帶2個穿梭板小車；出庫采用同一個軌道2臺堆垛機，且每臺堆垛機帶2個穿梭板小車。

煙絲入庫流量=(11 000 kg/h+11 000 kg/h)÷180 kg/箱=122.2 箱/h=61.1 垛/h。空箱出庫流量為61.1垛/h。煙絲出庫流量=8 000支/min×60×24組×0.7 g/支÷180 kg/箱=44.8箱/h=22.4垛/h。配套空箱回庫流量為22.4垛/h。

流量統(tǒng)計如表1所示。

表1 流量統(tǒng)計表

2 自動化箱式存儲物流系統(tǒng)設計

箱式存儲物流系統(tǒng)設計范圍從裝箱系統(tǒng)開始至翻箱倒料后的風力送絲系統(tǒng)為止，包括混絲、裝箱、堆垛機出入庫、貨架存儲、翻箱機倒料、煙絲箱自動清掃裝置等設備布局和信息系統(tǒng)設計及集成，滿足自動化物流系統(tǒng)箱式存儲工藝要求。

2.1 系統(tǒng)工藝流程設計

為了滿足生產需求，新的工藝過程主要包括混絲、煙絲裝箱、箱式貯絲、翻箱倒料、緩存送絲、空箱清掃等工段。系統(tǒng)工藝流程如圖1所示?；旖z工段配置1組混絲對頂柜(5 000 kg/半柜)和2組混絲單柜(10 000 kg/柜)，混后煙絲進入煙絲定量裝箱系統(tǒng)，也可以經帶式輸送機后裝入紙箱。大線、小線配置2組裝箱系統(tǒng)。需要出料時，煙絲經皮帶輸送機送入裝箱系統(tǒng)。裝箱堆疊后的煙絲箱由入庫堆垛機送至指定貨架，首先經穿梭板送至指定位置儲存，醇化合格后，經出庫堆垛機送至相應站進行翻箱倒料，最后空箱經清掃送至裝箱系統(tǒng)繼續(xù)使用或貨架存儲。

圖1 系統(tǒng)工藝流程圖

2.2 信息管理系統(tǒng)設計

2.2.1 系統(tǒng)架構設計

信息管理系統(tǒng)圍繞智能企業(yè)建設規(guī)劃，以“物流高質量發(fā)展綱要”中信息化建設規(guī)劃要求及“智慧物流方案”為技術依據，結合兩化融合管理體系建設，持續(xù)推進物流信息化和工業(yè)化的深度融合。信息管理系統(tǒng)需聚焦“快、柔、穩(wěn)、精”目標要求，全面建成物流標準化體系，優(yōu)化重組現有業(yè)務流程，實現“精益物流、智慧物流”建設目標。信息管理系統(tǒng)需借助“云大物移”技術，遵循“統(tǒng)一平臺、統(tǒng)一數據、統(tǒng)一網絡、統(tǒng)一規(guī)范”的信息化建設思路，滿足客戶與市場服務需求，建設聚焦“業(yè)界領先、開放、充分解耦、容易擴展”的支撐平臺。

系統(tǒng)架構設計框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構設計框架圖

信息管理系統(tǒng)基于物流可視化開發(fā)配置平臺，通過構建倉儲管理系統(tǒng)(warehouse management system，WMS)、倉儲控制系統(tǒng)(warehouse control system，WCS)，實現煙絲庫裝箱區(qū)煙絲裝箱自動入庫、翻箱區(qū)煙絲翻箱倒料、煙絲在庫等業(yè)務的統(tǒng)一管理、調度；通過物流數字孿生管控系統(tǒng)1∶1還原真實場景，實現生產過程的全程、實時、可視化監(jiān)控和管理。

2.2.2 業(yè)務架構設計

煙絲庫物流信息系統(tǒng)縱向被劃分為3層(設備執(zhí)行層、調度監(jiān)控層、信息管理層)進行管理。設備執(zhí)行層通過接收調度監(jiān)控層分解指令，控制物流設備的執(zhí)行，并將運行數據向上傳輸給調度監(jiān)控層，具有良好的實時性和高可靠性。調度監(jiān)控層通過WCS接收信息管理層的指令，實現生產任務分解、物流設備監(jiān)控、流程參數監(jiān)控。信息管理層通過WMS接收生產任務，并將任務發(fā)送給調度監(jiān)控層，采集、跟蹤、存儲各種物流信息，實現對信息的分析和作業(yè)的計劃管理、批次管理、物料管理。同時，WMS與企業(yè)資源計劃(enterprise resource planning，ERP)系統(tǒng)、生產制造執(zhí)行(manufacturing execution system，MES)系統(tǒng)、制絲集控系統(tǒng)等進行信息交互，為企業(yè)信息管理系統(tǒng)提供實時庫存、庫位、計劃執(zhí)行信息等，實現承上啟下的系統(tǒng)管理功能。

業(yè)務架構設計框架如圖3所示。

圖3 業(yè)務架構設計框架圖

2.2.3 技術架構設計

技術架構采用層次化、組件化、平臺化技術路線，利用面向對象技術進行設計。

技術架構設計框架如圖4所示。

圖4 技術架構設計框架圖

應用中間件技術實現系統(tǒng)的開放性以及對技術發(fā)展的適應性，采用組件技術進行開發(fā)，以提高系統(tǒng)可擴展性。技術架構在設計上支持靈活構建系統(tǒng)。前端采用標準技術線HTML5、CSS3、Javascript，使用兼容性良好的Jquery類庫、EasyUI組件庫，通過Ajax技術訪問后端數據。后端采用面向服務的架構(service oriented architecture,SOA)微服務架構和拆分服務，比如用戶接口、權限接口、日志接口、消息接口等。后端組件包括緩存管理、控制反轉(inversion of control,IOC)容器、服務追蹤、性能監(jiān)控。數據存儲采用大型數據庫Oracle存儲相關數據，語言采用C#10。自動化集成部署的流程包括接收需求、代碼編寫、上傳到GitHub和線上版本自動完成拉取代碼、打包構建、安裝重啟服務等。

2.2.4 網絡架構設計

公開宣告的動態(tài)邏輯 公開宣告邏輯PAL的語言是通過增加行動到EL中，加上動態(tài)模態(tài)算子組成，可通過下面的語形規(guī)則定義：

網絡系統(tǒng)架構分為信息管理層、調度監(jiān)控層以及設備執(zhí)行層。各系統(tǒng)分層實現不同功能，相應配備不同硬件設施，通過千兆以太網進行連接，實現各系統(tǒng)無縫集成、實時互通、快速響應。網絡架構設計框架如圖5所示。

①信息管理層。數據庫服務器、應用服務器部署時應充分考慮冗余機制，采用雙機熱備方式部署，保證在主服務器意外宕機或應用崩潰時能自動切換到備份服務器，從而保障服務的高可用性。在信息管理層，WMS與上位系統(tǒng)之間通過千兆以太網互聯，實現無縫集成、接口兼容、實時互通、資源共享。

②調度監(jiān)控層。煙絲庫中控室管理交換機通過千兆以太網實現調度監(jiān)控層與信息管理層的實時、穩(wěn)定通信。調度監(jiān)控層設備(如管理終端、數字孿生管控系統(tǒng)客戶端、工業(yè)安全監(jiān)測審計系統(tǒng)等)集中部署在中控室，實現對煙絲庫現場設備系統(tǒng)的統(tǒng)一調度與監(jiān)控。

③設備執(zhí)行層。煙絲庫現場交換機通過光纖上聯到煙絲庫中控室管理交換機，實現設備執(zhí)行層與調度監(jiān)控層的實時、穩(wěn)定通信；此外，現場交換機提供千兆網絡接入能力。自動化設備與其他計算機設備通過可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)(如輸送機等)或者以太網(如堆垛機子系統(tǒng)、現場電腦終端、視覺識別系統(tǒng)、液晶顯示屏等)接入信息網絡，實現設備運行的過程控制及信息的傳遞。

2.3 系統(tǒng)功能設計

2.3.1 WMS

WMS設計按照當前主流的模塊化、組件化、平臺化、移動化建設理念，遵循高內聚、低耦合、跨平臺的原則，同時需具備良好的擴展性。WMS采用微服務技術，支持業(yè)務流可視化配置和云化部署，滿足企業(yè)未來物流系統(tǒng)“統(tǒng)一平臺、統(tǒng)一數據、統(tǒng)一運維”的信息化發(fā)展需要。WMS通過物料信息的采集、管理、維護，實現煙絲箱出入庫任務全過程軌跡閉環(huán)管控。WMS包含射頻識別(radio frequency identification,RFID)信息校驗，支持按箱號、任務號進行全過程的查詢。

2.3.2 WCS

WCS是倉庫實現信息化的基礎，通過集成各種設備系統(tǒng)接口，對各設備系統(tǒng)進行統(tǒng)一調度、管理。WCS協調各個輸送設備完成出入庫任務需求，并通過實時收集設備層反饋，實現對設備的實時監(jiān)控及對任務執(zhí)行狀況的實時跟蹤。WCS在調度設計時遵循均衡負載(平衡路徑任務)、優(yōu)先級任務等原則，對出入庫任務組合進行優(yōu)化，以實現最佳的出入庫雙循環(huán)作業(yè)。同時，WCS采用前后端分離技術，支持“分布調度、集中監(jiān)控”，在同一界面掌控整體設備運行情況。

2.4 系統(tǒng)集成設計

2.5 關鍵工序工藝質量安全設計

煙絲箱的信息載體為RFID芯片。在業(yè)務流轉的過程中，通過設備讀取RFID煙絲箱信息，并將讀取到的煙絲箱信息交互傳遞到WMS、WCS等系統(tǒng)中，從而保證業(yè)務的自動化運轉。RFID煙絲箱信息校驗是整個自動化業(yè)務流轉的重中之重。因此，系統(tǒng)針對煙絲箱出入庫等環(huán)節(jié)設置了多重質量安全校驗。

2.5.1 煙絲裝箱入庫校驗機制設計

煙絲裝箱完成后，系統(tǒng)將煙絲品牌、規(guī)格、批次、重量、時間等信息寫入RFID芯片，并讀取出來與視覺識別的煙絲箱號進行對比。如匹配不通過，則需等待人工處理。煙絲箱入庫申請校驗包括產生任務前校驗煙絲箱號范圍是否正確、上下煙絲箱號是否重復、箱號是否在庫內、任務中是否重復、上下箱牌號是否正確、批次號是否一致。如果不一致，則聲光報警，等待人工處理。行口校驗流程如下：堆垛機到達行口，調用WMS接口，校驗任務里的牌號、批次號和所存儲行的牌號、批次號是否一致。如果不一致，則堆垛機報警，等待人工處理。

2.5.2 煙絲箱出庫校驗機制的設計

①貨位行口校驗。貨位行口校驗將任務中的牌號、批次號信息與指定站臺的牌號、批次號信息進行對比校驗。如果不匹配，則堆垛機報警，等待人工處理。

②翻箱倒料校驗。翻箱前讀取RFID芯片中的牌號、批次號信息和下發(fā)計劃的牌號、批次號信息以及傳遞任務中的牌號、批次號信息，將其進行一一對比。如三者有任一不一致，則剔除到人工處理站臺，等待人工處理。

2.6 一軌雙車調度策略設計

一軌雙車調度策略[11]的建立基于以下原則。

①搭建煙絲庫3D立體模型，獲取計劃指令的起始地址、目標地址信息，并根據數據模型進行建模分析，以實現在現階段產能情況下對相應任務的起止地址和最終目標地址的最小運輸距離和堆垛機自身效率的計算。同時，在后臺數據庫中讀取堆垛機的運行調度狀態(tài)，組合排列出最新可用或將可用的堆垛機。

②煙絲庫的出入庫規(guī)則采用“就近原則”的邏輯，對于物料的倉庫存放時間設置一定的期限，從而在一定的時間內確保就近出庫。這可以避免在同一時間同一地點，2臺堆垛機取同一箱煙絲進行出庫，實現了堆垛機的雙車調度而不相互干擾，以達到錯峰運行。

③建立任務優(yōu)先級策略和任務池策略，結合實際業(yè)務運行場景設定任務數閾值和入庫任務等待時間閾值(任務數閾值可以一開始設定為5條，入庫任務等待時間閾值可設定初始時間為5 min，然后根據實際業(yè)務場景的運轉，調整任務閾值數值)。判斷入庫任務等待時間是否大于或等于閾值。如大于或等于閾值，則執(zhí)行入庫任務。如果所有入庫任務等待時間小于閾值，則判斷所有任務池中的任務個數是否大于或等于設置的閾值。如果任務個數大于或等于閾值，則執(zhí)行出庫任務。如果任務個數小于閾值，則按任務優(yōu)先級從大到小排序依次執(zhí)行任務。

2.7 應急預案設計

①堆垛機故障。

當入庫堆垛機出現故障時，實箱經貨架旁新設的輸送系統(tǒng)輸送至出庫堆垛機取貨站臺，由出庫堆垛機取貨后送至庫中存放。出庫設置2臺堆垛機。2臺堆垛機可同時使用，也可互為備用。當某臺出庫堆垛機故障時，另外1臺可繼續(xù)做出庫工作。經計算堆垛機能力和仿真動作過程可知，單臺堆垛機可滿足出庫作業(yè)需求。3臺堆垛機共設置6臺穿梭板小車，穿梭板小車之間可以互為備用。當其中某臺出現故障，其余穿梭板小車可以滿足生產所需。

②裝箱系統(tǒng)故障。

系統(tǒng)設置2套裝箱站且2套裝箱站為相互獨立的系統(tǒng)。1套裝箱系統(tǒng)出現故障進行維修時，不會影響另外1套系統(tǒng)的正常運行。同時，大小線可互為備用。

③翻箱系統(tǒng)故障。

系統(tǒng)設置2臺翻箱倒料機。當1臺翻箱倒料機發(fā)生故障，另外1臺翻箱倒料機仍可基本滿足生產所需。

④機器人清掃故障。

系統(tǒng)設置人工清掃站臺。當清掃機器人出現故障時，將煙絲箱輸送到翻轉機處自動去蓋后，再將煙絲箱翻轉120°，待人工清掃干凈后投入使用。

2.8 數字孿生系統(tǒng)設計

數字孿生作為實現數字化轉型和促進智能化升級的重要使能途徑,一直備受各行各業(yè)關注,已從理論研究走向了實際應用階段。當前，針對數字孿生要素建模的研究或應用主要集中在幾何模型的構建，包括利用三維軟件直接建模、利用儀器設備測量方式建模、利用視頻或圖像進行建模[12-15]等。系統(tǒng)以支持車間狀態(tài)的監(jiān)控用煙絲庫的庫區(qū)、垛位、設備信息、庫存信息、物料狀態(tài)等基本數據，構建了全庫作業(yè)3D場景，對車間狀態(tài)進行實時同步還原。該3D場景實現了當前設備狀態(tài)反饋、當日庫區(qū)作業(yè)任務進度和近幾日作業(yè)任務趨勢反饋、庫存狀態(tài)和庫存物料信息實時反饋、煙絲庫區(qū)實時信息反饋，使煙絲庫管理可視化、透明化，提高了業(yè)務的作業(yè)效率，為管理層的管理和決策提供了有力的信息化支撐。

3 自動化箱式存儲物流系統(tǒng)運行

3.1 箱式存儲的實現

煙絲庫存儲容量設置為1 328個煙絲箱，可存放煙絲23批次，高于目標值20批次。同時，對煙絲庫進行科學、嚴謹的仿真校驗，可確保煙絲箱供給和入庫的連續(xù)性，保證供料的即時性。煙絲箱按照單牌號批次順序進入存儲通道。每個通道允許存儲同一個品牌、規(guī)格、批次的煙絲箱，不允許交叉混存。WMS系統(tǒng)存儲策略要求1條通道有且僅有1個品牌、規(guī)格、批次的煙絲箱進行存儲。若不同品牌、規(guī)格、批次的煙絲箱存儲貨位為同一通道，需立即進行報錯并提示。煙絲箱在庫區(qū)內作全閉環(huán)的RFID校驗，實現了物流與信息流的一致性與同步性。

3.2 數字孿生技術的實現

本系統(tǒng)設計根據CAD平面圖或者衛(wèi)星圖對現場環(huán)境進行三維建模，確保1∶1還原，構建與真實環(huán)境一致的3D場景，實現了庫區(qū)3D場景實時同步還原和設備實時狀態(tài)監(jiān)控預警管理。這將對煙絲庫業(yè)務的正常快速運轉起到保障作用。同時，通過3D建?？闪Ⅲw、直觀地展示當前庫位中已占用庫位和可用庫位。展示的重要信息包含物料類型、名稱、數量、牌號等，以實現直觀查看和展示，并結合商業(yè)智能(business intelligence,BI)分析進行統(tǒng)計展示。實時信息報告用于對庫區(qū)實時作業(yè)、異常監(jiān)控的消息進行日志報告，方便運營定位問題、分析問題等。因此，通過數字孿生技術建立的智能化設備管理平臺、數字化庫區(qū)，在業(yè)務上可實現透明化、可視化管理，提高了生產效率。

4 結論

為了順應國家智能制造和智慧物流發(fā)展需求，本文以某卷煙廠煙絲庫為平臺，構建了煙絲庫自動化箱式存儲物流系統(tǒng)，提高了卷煙廠柔性化加工水平。同時，隨著5G等更多新技術的應用，卷煙廠對自動化物流系統(tǒng)的建設提出了更高的要求，需要開展更加深入的研究和探討。該系統(tǒng)的建立為企業(yè)智慧物流建設邁出了重要的一步。