基于控制流的卷烟物流系统柔性化应用.pdf

156AUTHORITATIVE FORM权威物流系统自动化技术逐渐成熟，并为各行业常规需求的物流系统自动化应用提供便利1。但随着物流自动化系统广泛应用，新的多工况柔性化生产需求逐渐增多，如果柔性应用不解决，可能影响后续物流系统的自动化运行，解决柔性应用对生产至关重要。目前，生产过程中出现柔性应用需求时，多采用人工搬运解决柔性应用，会产生大量的人工成本和劳动时间。为使物流系统更加灵活应对柔性应用需求，本文以卷烟辅料物流系统为例，采用“黑箱模型”提出柔性化需求；采用“白箱模型”找出柔性化解决方案。通过应用实践验证，物流系统柔性化应用为企业节约大量人工成本和劳动时间，有很好的推广价值。一、物流系统柔性化应用架构数学模型如图1所示，建立物流系统数学架构，架构对卷烟辅料物流系统采用“黑箱模型”，提出多工况物流的柔性化需求，模型中用值域Y表示。企业为保障生产给出人工搬运的柔性化解决方案（没有物流系统参与），模型中用方法集f1表示2。将卷烟辅料物流系统采用“白箱模型”，对物流系统各组成部分进行详细介绍，模型中用定义域X表示；找出物流系统常用基础业务的自动化运行物流和控制流，模型中分别用方法集g1、g2表示，并分析出柔性化应用的控制流，模型中用方法集g3表示。在g2和g3的基础，提出基于多种生产工况的卷烟辅料物流系统的柔性化解决方案，模型中用方法集f2表示。模型中相关术语的含义如下：（1）黑箱模型：不清楚物流系统内部运行原理。此模型可以方便物流应用企业，在不清晰物流系统运行原理的情况下，根据各自的生产工况，提出不同的柔性化应用需求。（2）白箱模型：清晰物流系统内部运行原理。介绍各物流子系统自动化运行原理，在不改变物流程序的条件下，提供基于物流系统的柔性化解决方案。基于控制流的卷烟物流系统柔性化应用摘要：为提高卷烟辅料物流系统柔性化应用程度和智能应用水平，使包装物流系统更加灵活，满足多工况生产需求。本文建立基于物流系统柔性化应用的数学模型，模型中采用“黑箱”对现有物流系统提出多工况柔性化需求，介绍原有人工搬运的多工况解决方案；采用“白箱”对物流系统进行剖析，找出卷烟辅料物流系统柔性化应用的核心为控制流技术；提出基于多种生产工况的卷烟辅料物流系统柔性化解决方案。并且，结合滕州卷烟厂的应用实践发现，与原有人工搬运的多工况方案相比，卷烟辅料物流系统柔性化方案可节约大量人工成本和劳动时间，从而为其他行业生产物流系统柔性化应用提供参考。关键词：物流系统、柔性化应用、控制流分析、解决方案文/李坤 周广振 孙梅1572023/物流技术与应用（3）物流的柔性化需求Y：具有多样性、更新快、无法自动运行等特点。柔性需求不解决时，可能影响物流系统的后续自动化运行。（4）方法集f1：为柔性化需求提供人工搬运解决方案，保障后续物流系统自动化运行。（5）定义域X：对各物流子系统进行自动化维度的介绍。（6）物流方法集g1：提供基础常用业务的具体流转过程的物流设备。（7）控制流方法集g2：常用物流自动化运行业务的各物流子系统间控制过程原理。（8）控制流方法集g3：各物流子系统间的柔性化应用控制过程原理。（9）方法集f2：在g2和g3的基础上，对柔性化需求Y提供具体的物流系统自动化解决方案。二、基于人工搬运的柔性化解决方案1.卷烟辅料物流的柔性化需求（Y）结合卷烟包装企业的生产特点，针对卷烟辅料物流提出了柔性化需求。（1）由于包装机台经过大修等需要进行调试，调试期间需要将辅料由立库输送到机台，产生了试车生产供料需求。（2）因生产过程中，需要将辅料由一台包装机搬运到另一台包装机，产生了机台辅料搬运需求。（3）因特殊情况下，需要对辅料进行抽检，抽查检验后的辅料需要搬运到包装机台，产生了快速抽检供料需求。（4）由于包装机台多余的空托盘需要回收到立库，产生了多余空盘回收需求。（5）由于生产过程中，需要快速牌号更换，产生了班中换牌需求。因此，卷烟辅料物流的柔性化需求（定义为值域Y）为试车生产供料、机台辅料搬运、快速抽检供料、多余空盘回收以及班中换牌。2.基于柔性化需求的人工搬运方法集（f1）针对卷烟辅料物流的柔性化需求，所采用的人工搬运方法如下：（1）试车生产供料：物流操作人员将试车辅料从立库抽检到抽检站台，叉车工搬运到地面，由人工操作液压车搬运到机台。（2）机台辅料搬运：人工操作液压车将辅料搬运到其他机台。（3）抽检供料：物流操作人员将试车辅料从立库抽检到抽检站台，叉车工搬运到地面，由人工操作液压车搬运到机台。（4）多余空盘回收：由人工操作液压车将多余空盘搬运到物流入库区。（5）班中换牌：某机台生产结束，由人工将结束的牌号的辅料拉到平库，再由人工将新牌号的辅料由平库拉到机台。此过程需要中控人员、搬运人员等共同完成。3.基于人工搬运的柔性化方案成本分析针对卷烟辅料的多工况生产供料问题，选取中间位置的9号机组进行分析。为了实现柔性化需求，统计基于人工搬运方案，所需的最少人员数量；在不考虑环境、测量工具、协调时间等因素的情况下，统计所需的完成时间。分析结果如表1所示。由表1可知，采用基于人工搬运的柔性化方案时，在各柔性化需求应用中都需要中控人员1人，现场搬运图1 物流系统柔性化应用数学架构序号人工柔性流程机台完成时间（分钟）中控人员数量（人）现场实施人员数量（人）送料方式1试车生产供料9号机组1站台2011人工2机台辅料搬运9号机组1站台至10号机组1站台1011人工3抽检用料9号机组1站台2512人工4多余空盘回收9号机组1站台2012人工5班中换牌9号机组10013人工表1 基于人工搬运的多工况生产供料成本分析158AUTHORITATIVE FORM权威人员13人（试车生产供料和机台搬运辅料均需要1人，抽检供料和控盘回收均需要2人，班中换牌需要3人），采用人工液压车的方式实施搬运；各柔性化需求应用所需的完成时间分别为20、10、25、20、100分钟。由此可见，基于人工搬运的柔性化解决方案，需要较多现场实施人员参与，人工成本较高；完成时间较长，作业效率较低。而物流系统在柔性化应用过程中处于闲置状态。三、基于物流系统的柔性化解决方案1.卷烟辅料物流系统（X）卷烟辅料物流系统（定义域X）由物流管理系统（WMS）、物流调度系统（WCS）、AGV调度系统、PLC电控系统、堆垛机电控系统和相关的物流设备组成。各组成部分实现的功能较多，下面详细介绍各部分的柔性化应用。（1）定义域X1：物流管理系统，可实现与外围信息和操作人员进行信息交互，实现物流信息设置和统计查询等功能。柔性化应用功能包括机台计划管理和任务信息维护等功能。（2）定义域X2：物流调度系统，能将物流管理系统任务下达给底层信息化系统（包括AGV调度系统、PLC电控系统、堆垛机电控系统），并将底层系统的运行状态集中显示。（3）定义域X3：AGV调度系统，接收WCS的指令，调度AGV小车完成自动搬运功能；实时查看AGV小车运行状态，并将任务完成情况实时反馈给WCS。（4）定义域X4：PLC电控系统，接收WCS的指令，控制输送机、穿梭车、码分机等设备自动运行；并将任务完成情况和设备监控状态（例如故障状态）实时反馈给WCS。（5）定义域X5：堆垛机电控系统，接收WCS的指令，控制堆垛机按固定程序运行；并将任务完成情况和设备监控状态实时反馈给WCS。（6）定义域X6：相关的物流设备，接收控制系统指令，通过电控系统指导完成物流搬运。2.物流系统的基础业务的自动化输送方法集（g1）物流系统自动化运行要求精准可靠，底层物流信息化系统通过控制流控制相关物流设备（如图2所示），实现辅料自动入库、辅料自动出库、空托盘自动出库、抽检自动出库、余料自动返库、空盘自动返库等基础业务的自动化输送流程。图2 基础业务的自动化输送流程图3 基于WCS的自动化控制流程（基础业务）1592023/物流技术与应用3.物流系统的基础业务的自动化输送控制流方法集（g2）物流系统自动化运行要求控制流准确可靠。如图3所示，控制流方法集g2包括：操作人员根据生产要求，在WMS输入常用功能的控制操作，当物流系统满足自动触发条件，WMS生成控制任务并将信息存储在数据库中，WCS根据数据库信息，按不同的功能要求将任务信息分解后，分时段下达给底层信息化系统（如AGV调度系统、PLC电控系统、堆垛机电控系统）。当一个底层信息化系统完成该时段的物流自动化搬运，将完成信息发送给WCS，WCS再调度下一个底层信息化系统完成下一时段的物流自动化搬运，直到整个搬运任务完成；WCS将完成信息传达给WMS，自动化输送任务结束。物流系统自动化运行的核心是以WCS为调度核心，分别控制AGV调度系统、堆垛机电控系统和PLC电控系统，最终实现基本业务物流输送。例如辅料出库流程自动化控制的方法为：WMS产生辅料出库控制指令，WCS接受控制指令。WCS控制堆垛机电控系统将物料搬运到输送机上，WCS接受堆垛机电控系统的完成反馈信息。然后WCS控制PLC电控系统将物料输送到指定位置的输送机上，WCS接受堆垛机PLC电控系统的完成反馈信息。然后WCS控制AGV调度系统将物料搬运到包装机台，WCS接受AGV调度系统的完成反馈信息。WCS将辅料出库控制完成信息反馈给WMS，辅料出库流程完成。4.物流系统柔性化应用的控制流方法集（g3）物流系统柔性化应用，同样要求控制流和物流的准确可靠34。如图4所示，物流系统柔性化应用以中控人员为调度核心，按值域Y的柔性化需求，分别控制WMS、WCS或底层信息化系统，并通过WMS、WCS或底层信息化系统的监控界面，接收各过程段的反馈信息；最终实现试车生产供图4 基于WCS的自动化控制流程（柔性化需求）料、机台辅料搬运、快速抽检供料、多余空盘回收、班中换牌等柔性需求的自动输送。5.基于柔性化需求的物流系统方法集（f2）基于柔性化需求的物流系统方法集（f2）采用控制流方法集g2和g3的控制原理，对具体的柔性化需求Y，分别提供具体的解决方法，实现试车生产供料、快速抽检供料、多余空盘回收和班中换牌等柔性化应用。（1）试车生产供料中控人员在WMS系统建立工单并运行，配置相应的站台信息，操作人员通过操作WMS，由WMS将信息流传给WCS控制流，WCS调度底层物流设备，最终实现试车生产自动供料。（2）机台辅料搬运中控人员在AGV调度系统输入搬运调度指令，AGV调度系统驱动AGV小车，完成机台辅料自动搬运。（3）抽检供料如图5所示，中控人员先通过抽检任务，将辅料输送到抽检站台后，中控人员在WMS中进行平库发货信息操作，将信息由立库转移车间，然后执行基于中控人员为核心的控制流程，即，中控人员在PLC输入单机指令，PLC电控系统接收任务将物料自动输送到指定输送机处，中控人员在AGV调度系统输入辅料搬运指令，AGV小车自动将抽检的辅料自动输送到包装机台，最终实现快速抽检供料柔性化应用。（4）多余空盘回收如图6所示，中控人员在AGV调度系统输入搬运调度指令，AGV调度系统驱动AGV小车，将空盘自动输送到接收空盘的输送机处。中控人员在PLC输入单机指令，将空盘输送到码盘机，码盘机自动计数，当数量为8时，自动申请入库。160AUTHORITATIVE FORM权威（5）班中换牌如图7所示，首先通过物流系统将原牌号辅料余料返库。返库结束后，中控人员在物流系统和MES系统维护相关信息，最终在WMS中运行新牌号工单信息，通过物流自动化系统将需要生产的新牌号辅料自动输送到机台。班中换牌控制流程（如图7所示）能够通过物流系统实现辅料自动输送，但花费时间较长。需要对基于物流系统的班中换牌进行优化，优化后的操作流程（如图8所示）为：首先通过WMS在空闲机台执行试车生产供料，将辅料输送到空闲机台；在WMS系统中的换牌机台执行余料返库操作。返库结束后，在AGV调度系统执行机台辅料搬运操作流程，将空闲机台辅料输送到换牌机台，在MES和WMS系统维护班中换牌信息流，后续可执行正常的辅料出库流程。6.基于物流系统的柔性化方案成本分析为了方便与人工搬运方案进行对比，也针对卷烟辅料的多工况生产供料问题，选取中间位置的9号机组进行分析。在物流系统和设备正常运行时，分析实现柔性化需求所需的人员数量；在不考虑环境、测量工具、协调时间等因素影响的情况下，统计所需的完成时间。分析与统计结果如表2所示。由表1和表2可知，基于物流系统的柔性化应用流程（f2）与基于人工搬运的柔性化应用流程（f1）相比，试车生产节约20分钟，机台辅料搬运节约4分钟，抽检用料节约15分钟，多余空盘回收节约12分钟，班中换牌节约80分钟。此外，f2只需中控人员1人，不需要现场实施人员；而f1除需中控1人外，还需要现场实施人员13人。图5 快速抽检供料柔性化控制流程图7 班中换牌柔性化控制流程图6 多余空盘回收柔性化控制流程图8 班中换牌优化柔性化控制流程 1612023/物流技术与应用（作者单位为山东中烟工业有限责任公司滕州卷烟厂）参考文献:1刘文浩,于斌,陈勇,夏宇.中小型智能制造企业生产物流方案的调研与优化J.物流技术.2022,41(11):125-1292赵树欣.计算机技术在数学建模中的应用J.电子技术.2023,52(01):284-2853张春峰,武志斌.整车厂柔性化产线精益生产研究J.时代汽车.2023,(02):140-146.4王永红.一种货到机器人的柔性化拣选系统J.现代工业经济和信息化.2021,11(10):137-139.由此可见，f2与f1相比，可节约大量劳动力，提高作业效率，同时物流信息化系统得到充分使用。四、结论本文通过数学模型给出物流系统柔性化应用思路：在卷烟辅料物流系统X基础上，中控人员采用g2技术，将g1流程进行组合；或者中控人员采用g3技术，模拟物流系统中WCS的分段控制；最终实现物流系统的Y集合多变性的柔性化应用。通过f2与f1的分析对比发现，基于物流系统的柔性化方案可以节约大量劳动力，提高作业效率。物流系统柔性化应用具有广泛的推广价值。序号系统自动化柔性流程机台f2完成时间（分钟）f2中控人员数量（人）f2现场实施人员数量（人）送料方式1试车生产供料9号机组1站台1010自动2机台辅料搬运9号机组1站台至10号机组1站台610自动3抽检用料9号机组1站台1010自动4多余空盘回收（物流系统无空盘信息）9号机组1站台810自动5班中换牌9号机组9010自动6班中换牌优化9号机组2010自动表2 基于物流系统的多工况生产供料成本分析物流技术与应用杂志广泛分析报道物流行业的热点与难点问题、先进适用的物流技术和解决方案、国内外经典物流案例以及业界最新资讯，已成为中国物流行业的精品名刊。“权威”栏目是物流技术与应用的特色栏目之一，定位于刊登权威专家、企业、科研院所的综合型、应用型、实用型文章，现已成为物流界人士推广新技术、交流新观点、介绍先进管理与运作经验的平台。为了使杂志的内容更加丰富、更具可读性，特向专家学者、企业界人士诚征稿件。“权威”栏目来稿要求如下:1.可以就某一专门领域或具体技术问题进行系统、详尽的阐述，应突出先进性、实用性，避免空洞的理论论述。要求观点鲜明、资料翔实、数据完整。每篇文章不超过6000字，正文前要有中文摘要、关键词，最好附英文标题。2.希望能够提供相关配图资料，图片、图表清晰可用。3.欢迎深入分析介绍国外物流与供应链管理领域以及物流技术应用状况、发展趋势的文章。4.作者须提供详尽的联系方式，包括单位名称、联系地址、邮编、电话（手机）、电子信箱等。文后请附作者个人简介，以便于我刊编辑部与作者建立长期定向联系。如需进一步了解投稿的相关事宜，可与本刊编辑部联系。电话：[phone] E-mail： 联系人：林振强征稿启事