基于控制流的卷烟物流系统柔性化应用

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。

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]。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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.