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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。


(资料图)

关键词:物流系统、柔性化应用、控制流分析、解决方案

作者:李坤 周广振 孙梅

山东中烟工业有限责任公司滕州卷烟厂

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。

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]。

图1 物流系统柔性化应用数学架构

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。

(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。

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。

表1 基于人工搬运的多工况生产供料成本分析

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,现场搬运人员1~3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。

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

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。

图3 基于WCS的自动化控制流程(基础业务)

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[3][4]。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。

图4 基于WCS的自动化控制流程(柔性化需求)

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。

图5 快速抽检供料柔性化控制流程

(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。

图6 多余空盘回收柔性化控制流程

(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。

图7 班中换牌柔性化控制流程

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。

图8 班中换牌优化柔性化控制流程

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1~3人。

表2 基于物流系统的多工况生产供料成本分析

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。

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。

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):125-129

[2]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):284-285

[3]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.

编辑、排版:罗丹

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