烟丝库自动化箱式存储系统设计与实现

前言

目前,国内烟丝存储方式主要有柜式存储和箱式存储。存储方式由早期人工作业箱式存储到现在自动化柜式存储,可满足大批量、大规模生产要求。很多卷烟企业采用柜式存储来满足生产需求。随着中细支卷烟高速发展,小批量、多规格品种逐渐增加,烟丝箱式存储的柔性化生产特征愈发重要,柜式存储已很难适应发展趋势。箱式存储有利于改善烟丝存储环境,减少烟虫滋生风险,使烟丝存储时间更长,可满足卷烟分组加工、均质化加工、信息化加工的需求。

同时,随着工业4.0和自动化物流技术的高速发展,制造工厂逐步走向智能化、数字化。现代化企业物流能够极大地降低企业运行成本,提高企业的生产制造效率和制造水平,为企业创造可观的经济效益。因此,如何合理设计烟丝库自动化箱式存储以突破卷烟生产制造企业的瓶颈,已成为众多卷烟厂发展的关键问题。

本文以某卷烟厂烟丝库改造为研究对象,结合实践经验,对烟丝库箱式物流自动化系统设计与实现进行研究。该研究提高了该卷烟厂的柔性敏捷制造能力。

一、参数设定

1.1 工作时间设定

某卷烟厂采用“三班两运转”模式,每天生产16h。扣除保养维护工作时长,烟丝库每天运行时间为15h。为保障设备稳定运行,每年需对设备进行升级改造而停产10d,故每年工作日约为250d。

1.2 基础参数设定

本次设定的烟丝箱规格为方体箱子。箱子尺寸规格为1283mm×1283mm×1240mm。额定装箱质量为单箱成品烟丝180kg。存储形式是以箱子为载体的密集库形式进行自动化存储,2箱叠放为1垛,1垛1层,2层放置。系统存储目标是存放完整批次不少于20批。每批烟丝存储不少于9360kg。对从贮柜出料的成品丝,使用装箱系统进行烟丝装箱。

1.3 流量参数设定

装箱入库设置2条生产线。2条生产线的装箱最大能力流量分别为A线11000kg/h和B线11000kg/h。烟丝出库设2台翻箱机,配套9台送丝机构供丝,供24台卷接机组使用。每台卷接机组生产能力为8000支/min,烟丝耗量为0.7g/支。

入库采用1台堆垛机,带2个穿梭板小车;出库采用同一个轨道2台堆垛机,且每台堆垛机带2个穿梭板小车。

烟丝入库流量=(11000kg/h+11000kg/h)÷180kg/箱=122.2箱/h=61.1垛/h。空箱出库流量为61.1垛/h。烟丝出库流量=8000支/min×60×24组×0.7g/支÷180kg/箱=44.8箱/h=22.4垛/h。配套空箱回库流量为22.4垛/h。流量统计如表1所示。

表1 流量统计表

二、自动化箱式存储物流系统设计

箱式存储物流系统设计范围从装箱系统开始至翻箱倒料后的风力送丝系统为止,包括混丝、装箱、堆垛机出入库、货架存储、翻箱机倒料、烟丝箱自动清扫装置等设备布局和信息系统设计及集成,满足自动化物流系统箱式存储工艺要求。

2.1 系统工艺流程设计

图1 系统工艺流程图

为了满足生产需求,新的工艺过程主要包括混丝、烟丝装箱、箱式贮丝、翻箱倒料、缓存送丝、空箱清扫等工段。系统工艺流程如图1所示。混丝工段配置1组混丝对顶柜(5000kg/半柜)和2组混丝单柜(10000kg/柜),混后烟丝进入烟丝定量装箱系统,也可以经带式输送机后装入纸箱。大线、小线配置2组装箱系统。需要出料时,烟丝经皮带输送机送入装箱系统。装箱堆叠后的烟丝箱由入库堆垛机送至指定货架,首先经穿梭板送至指定位置储存,醇化合格后,经出库堆垛机送至相应站进行翻箱倒料,最后空箱经清扫送至装箱系统继续使用或货架存储。

2.2 信息管理系统设计

2.2.1 系统架构设计

信息管理系统围绕智能企业建设规划,以“物流高质量发展纲要”中信息化建设规划要求及“智慧物流方案”为技术依据,结合两化融合管理体系建设,持续推进物流信息化和工业化的深度融合。信息管理系统需聚焦“快、柔、稳、精”目标要求,全面建成物流标准化体系,优化重组现有业务流程,实现“精益物流、智慧物流”建设目标。信息管理系统需借助“云大物移”技术,遵循“统一平台、统一数据、统一网络、统一规范”的信息化建设思路,满足客户与市场服务需求,建设聚焦“业界领先、开放、充分解耦、容易扩展”的支撑平台。系统架构设计框架如图2所示。

图2 系统架构设计框架图

信息管理系统基于物流可视化开发配置平台,通过构建仓储管理系统(warehouse management system,WMS)、仓储控制系统(warehouse control system,WCS),实现烟丝库装箱区烟丝装箱自动入库、翻箱区烟丝翻箱倒料、烟丝在库等业务的统一管理、调度;通过物流数字孪生管控系统1∶1还原真实场景,实现生产过程的全程、实时、可视化监控和管理。

2.2.2 业务架构设计

烟丝库物流信息系统纵向被划分为3层(设备执行层、调度监控层、信息管理层)进行管理。设备执行层通过接收调度监控层分解指令,控制物流设备的执行,并将运行数据向上传输给调度监控层,具有良好的实时性和高可靠性。调度监控层通过WCS接收信息管理层的指令,实现生产任务分解、物流设备监控、流程参数监控。信息管理层通过WMS接收生产任务,并将任务发送给调度监控层,采集、跟踪、存储各种物流信息,实现对信息的分析和作业的计划管理、批次管理、物料管理。同时,WMS与企业资源计划(enterprise resource planning,ERP)系统、生产制造执行(manufacturing execution system,MES)系统、制丝集控系统等进行信息交互,为企业信息管理系统提供实时库存、库位、计划执行信息等,实现承上启下的系统管理功能。业务架构设计框架如图3所示。

图3 业务架构设计框架图

2.2.3 技术架构设计

技术架构采用层次化、组件化、平台化技术路线,利用面向对象技术进行设计。技术架构设计框架如图4所示。

图4 技术架构设计框架图

应用中间件技术实现系统的开放性以及对技术发展的适应性,采用组件技术进行开发,以提高系统可扩展性。技术架构在设计上支持灵活构建系统。前端采用标准技术线HTML5、CSS3、Javascript,使用兼容性良好的Jquery类库、EasyUI组件库,通过Ajax技术访问后端数据。后端采用面向服务的架构(service oriented architecture,SOA)微服务架构和拆分服务,比如用户接口、权限接口、日志接口、消息接口等。后端组件包括缓存管理、控制反转(inversion of control,IOC)容器、服务追踪、性能监控。数据存储采用大型数据库Oracle存储相关数据,语言采用C#10。自动化集成部署的流程包括接收需求、代码编写、上传到GitHub和线上版本自动完成拉取代码、打包构建、安装重启服务等。

2.2.4 网络架构设计

网络系统架构分为信息管理层、调度监控层以及设备执行层。各系统分层实现不同功能,相应配备不同硬件设施,通过千兆以太网进行连接,实现各系统无缝集成、实时互通、快速响应。网络架构设计框架如图5所示。

图5 网络架构设计框架图

①信息管理层。数据库服务器、应用服务器部署时应充分考虑冗余机制,采用双机热备方式部署,保证在主服务器意外宕机或应用崩溃时能自动切换到备份服务器,从而保障服务的高可用性。在信息管理层,WMS与上位系统之间通过千兆以太网互联,实现无缝集成、接口兼容、实时互通、资源共享。

②调度监控层。烟丝库中控室管理交换机通过千兆以太网实现调度监控层与信息管理层的实时、稳定通信。调度监控层设备(如管理终端、数字孪生管控系统客户端、工业安全监测审计系统等)集中部署在中控室,实现对烟丝库现场设备系统的统一调度与监控。

③设备执行层。烟丝库现场交换机通过光纤上联到烟丝库中控室管理交换机,实现设备执行层与调度监控层的实时、稳定通信;此外,现场交换机提供千兆网络接入能力。自动化设备与其他计算机设备通过可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)(如输送机等)或者以太网(如堆垛机子系统、现场电脑终端、视觉识别系统、液晶显示屏等)接入信息网络,实现设备运行的过程控制及信息的传递。

2.3 系统功能设计

2.3.1 WMS

WMS设计按照当前主流的模块化、组件化、平台化、移动化建设理念,遵循高内聚、低耦合、跨平台的原则,同时需具备良好的扩展性。WMS采用微服务技术,支持业务流可视化配置和云化部署,满足企业未来物流系统“统一平台、统一数据、统一运维”的信息化发展需要。WMS通过物料信息的采集、管理、维护,实现烟丝箱出入库任务全过程轨迹闭环管控。WMS包含射频识别(radio frequency identification,RFID)信息校验,支持按箱号、任务号进行全过程的查询。

2.3.2 WCS

WCS是仓库实现信息化的基础,通过集成各种设备系统接口,对各设备系统进行统一调度、管理。WCS协调各个输送设备完成出入库任务需求,并通过实时收集设备层反馈,实现对设备的实时监控及对任务执行状况的实时跟踪。WCS在调度设计时遵循均衡负载(平衡路径任务)、优先级任务等原则,对出入库任务组合进行优化,以实现最佳的出入库双循环作业。同时,WCS采用前后端分离技术,支持“分布调度、集中监控”,在同一界面掌控整体设备运行情况。

2.4 系统集成设计

系统集成设计主要从软件集成管理和设备集成控制2个方面入手。软件集成管理包括WMS、WCS之间的系统集成,实现与上位系统(如ERP、MES、制丝集控等)接口兼容、互联互通、无缝连接、资源共享。软件集成管理从管理层、应用层、执行层实现了物流入库、存储、出库等各环节的信息互通,实现全程任务管理和自动化立体库的系统统一管理。同时,WMS与上位系统协同作业,既可以保证自动化立体仓库独立运行,又可以实现自动化立体仓库信息化管理,从而及时、准确地反映库存信息、货位可用信息等仓库信息。设备集成控制包括接收上位系统下发的入库计划、出库订单。WCS首先根据入库计划、出库订单产生物流搬运任务;然后分解任务并下达指令至物流设备子系统,监控调度物流设备的运行,完成烟丝入库、存储、出库的综合管理;最后向上位系统反馈出入库完成情况及库存情况。

2.5 关键工序工艺质量安全设计

烟丝箱的信息载体为RFID芯片。在业务流转的过程中,通过设备读取RFID烟丝箱信息,并将读取到的烟丝箱信息交互传递到WMS、WCS等系统中,从而保证业务的自动化运转。RFID烟丝箱信息校验是整个自动化业务流转的重中之重。因此,系统针对烟丝箱出入库等环节设置了多重质量安全校验。

2.5.1 烟丝装箱入库校验机制设计

烟丝装箱完成后,系统将烟丝品牌、规格、批次、重量、时间等信息写入RFID芯片,并读取出来与视觉识别的烟丝箱号进行对比。如匹配不通过,则需等待人工处理。烟丝箱入库申请校验包括产生任务前校验烟丝箱号范围是否正确、上下烟丝箱号是否重复、箱号是否在库内、任务中是否重复、上下箱牌号是否正确、批次号是否一致。如果不一致,则声光报警,等待人工处理。行口校验流程如下:堆垛机到达行口,调用WMS接口,校验任务里的牌号、批次号和所存储行的牌号、批次号是否一致。如果不一致,则堆垛机报警,等待人工处理。

2.5.2 烟丝箱出库校验机制的设计

①货位行口校验。货位行口校验将任务中的牌号、批次号信息与指定站台的牌号、批次号信息进行对比校验。如果不匹配,则堆垛机报警,等待人工处理。

②翻箱倒料校验。翻箱前读取RFID芯片中的牌号、批次号信息和下发计划的牌号、批次号信息以及传递任务中的牌号、批次号信息,将其进行一一对比。如三者有任一不一致,则剔除到人工处理站台,等待人工处理。

2.6 一轨双车调度策略设计

一轨双车调度策略的建立基于以下原则：

①搭建烟丝库3D立体模型,获取计划指令的起始地址、目标地址信息,并根据数据模型进行建模分析,以实现在现阶段产能情况下对相应任务的起止地址和最终目标地址的最小运输距离和堆垛机自身效率的计算。同时,在后台数据库中读取堆垛机的运行调度状态,组合排列出最新可用或将可用的堆垛机。

②烟丝库的出入库规则采用“就近原则”的逻辑,对于物料的仓库存放时间设置一定的期限,从而在一定的时间内确保就近出库。这可以避免在同一时间同一地点,2台堆垛机取同一箱烟丝进行出库,实现了堆垛机的双车调度而不相互干扰,以达到错峰运行。

③建立任务优先级策略和任务池策略,结合实际业务运行场景设定任务数阈值和入库任务等待时间阈值(任务数阈值可以一开始设定为5条,入库任务等待时间阈值可设定初始时间为5min,然后根据实际业务场景的运转,调整任务阈值数值)。判断入库任务等待时间是否大于或等于阈值。如大于或等于阈值,则执行入库任务。如果所有入库任务等待时间小于阈值,则判断所有任务池中的任务个数是否大于或等于设置的阈值。如果任务个数大于或等于阈值,则执行出库任务。如果任务个数小于阈值,则按任务优先级从大到小排序依次执行任务。

2.7 应急预案设计

①堆垛机故障：当入库堆垛机出现故障时,实箱经货架旁新设的输送系统输送至出库堆垛机取货站台,由出库堆垛机取货后送至库中存放。出库设置2台堆垛机。2台堆垛机可同时使用,也可互为备用。当某台出库堆垛机故障时,另外1台可继续做出库工作。经计算堆垛机能力和仿真动作过程可知,单台堆垛机可满足出库作业需求。3台堆垛机共设置6台穿梭板小车,穿梭板小车之间可以互为备用。当其中某台出现故障,其余穿梭板小车可以满足生产所需。

②装箱系统故障：系统设置2套装箱站且2套装箱站为相互独立的系统。1套装箱系统出现故障进行维修时,不会影响另外1套系统的正常运行。同时,大小线可互为备用。

③翻箱系统故障：系统设置2台翻箱倒料机。当1台翻箱倒料机发生故障,另外1台翻箱倒料机仍可基本满足生产所需。

④机器人清扫故障：系统设置人工清扫站台。当清扫机器人出现故障时,将烟丝箱输送到翻转机处自动去盖后,再将烟丝箱翻转120°,待人工清扫干净后投入使用。

2.8 数字孪生系统设计

数字孪生作为实现数字化转型和促进智能化升级的重要使能途径,一直备受各行各业关注,已从理论研究走向了实际应用阶段。当前,针对数字孪生要素建模的研究或应用主要集中在几何模型的构建,包括利用三维软件直接建模、利用仪器设备测量方式建模、利用视频或图像进行建模等。系统以支持车间状态的监控用烟丝库的库区、垛位、设备信息、库存信息、物料状态等基本数据,构建了全库作业3D场景,对车间状态进行实时同步还原。该3D场景实现了当前设备状态反馈、当日库区作业任务进度和近几日作业任务趋势反馈、库存状态和库存物料信息实时反馈、烟丝库区实时信息反馈,使烟丝库管理可视化、透明化,提高了业务的作业效率,为管理层的管理和决策提供了有力的信息化支撑。

三、自动化箱式存储物流系统运行

3.1 箱式存储的实现

烟丝库存储容量设置为1328个烟丝箱,可存放烟丝23批次,高于目标值20批次。同时,对烟丝库进行科学、严谨的仿真校验,可确保烟丝箱供给和入库的连续性,保证供料的即时性。烟丝箱按照单牌号批次顺序进入存储通道。每个通道允许存储同一个品牌、规格、批次的烟丝箱,不允许交叉混存。WMS系统存储策略要求1条通道有且仅有1个品牌、规格、批次的烟丝箱进行存储。若不同品牌、规格、批次的烟丝箱存储货位为同一通道,需立即进行报错并提示。烟丝箱在库区内作全闭环的RFID校验,实现了物流与信息流的一致性与同步性。

3.2 数字孪生技术的实现

本系统设计根据CAD平面图或者卫星图对现场环境进行三维建模,确保1∶1还原,构建与真实环境一致的3D场景,实现了库区3D场景实时同步还原和设备实时状态监控预警管理。这将对烟丝库业务的正常快速运转起到保障作用。同时,通过3D建模可立体、直观地展示当前库位中已占用库位和可用库位。展示的重要信息包含物料类型、名称、数量、牌号等,以实现直观查看和展示,并结合商业智能(business intelligence,BI)分析进行统计展示。实时信息报告用于对库区实时作业、异常监控的消息进行日志报告,方便运营定位问题、分析问题等。因此,通过数字孪生技术建立的智能化设备管理平台、数字化库区,在业务上可实现透明化、可视化管理,提高了生产效率。

四、结论

为了顺应国家智能制造和智慧物流发展需求,本文以某卷烟厂烟丝库为平台,构建了烟丝库自动化箱式存储物流系统,提高了卷烟厂柔性化加工水平。同时,随着5G等更多新技术的应用,卷烟厂对自动化物流系统的建设提出了更高的要求,需要开展更加深入的研究和探讨。该系统的建立为企业智慧物流建设迈出了重要的一步。