作者：李坤 周廣振 孫梅

山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司滕州卷煙廠

物流系統(tǒng)自動化技術(shù)逐漸成熟，并為各行業(yè)常規(guī)需求的物流系統(tǒng)自動化應(yīng)用提供便利[1]。但隨著物流自動化系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，新的多工況柔性化生產(chǎn)需求逐漸增多，如果柔性應(yīng)用不解決，可能影響后續(xù)物流系統(tǒng)的自動化運行，解決柔性應(yīng)用對生產(chǎn)至關(guān)重要。目前，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)柔性應(yīng)用需求時，多采用人工搬運解決柔性應(yīng)用，會產(chǎn)生大量的人工成本和勞動時間。

為使物流系統(tǒng)更加靈活應(yīng)對柔性應(yīng)用需求，本文以卷煙輔料物流系統(tǒng)為例，采用“黑箱模型”提出柔性化需求；采用“白箱模型”找出柔性化解決方案。通過應(yīng)用實踐驗證，物流系統(tǒng)柔性化應(yīng)用為企業(yè)節(jié)約大量人工成本和勞動時間，有很好的推廣價值。

一

物流系統(tǒng)柔性化應(yīng)用架構(gòu)數(shù)學(xué)模型

如圖1所示，建立物流系統(tǒng)數(shù)學(xué)架構(gòu)，架構(gòu)對卷煙輔料物流系統(tǒng)采用“黑箱模型”，提出多工況物流的柔性化需求，模型中用值域Y表示。企業(yè)為保障生產(chǎn)給出人工搬運的柔性化解決方案（沒有物流系統(tǒng)參與），模型中用方法集f1表示[2]。

圖1 物流系統(tǒng)柔性化應(yīng)用數(shù)學(xué)架構(gòu)

將卷煙輔料物流系統(tǒng)采用“白箱模型”，對物流系統(tǒng)各組成部分進行詳細介紹，模型中用定義域X表示；找出物流系統(tǒng)常用基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的自動化運行物流和控制流，模型中分別用方法集g1、g2表示，并分析出柔性化應(yīng)用的控制流，模型中用方法集g3表示。在g2和g3的基礎(chǔ)，提出基于多種生產(chǎn)工況的卷煙輔料物流系統(tǒng)的柔性化解決方案，模型中用方法集f2表示。

模型中相關(guān)術(shù)語的含義如下：

（1）黑箱模型：不清楚物流系統(tǒng)內(nèi)部運行原理。此模型可以方便物流應(yīng)用企業(yè)，在不清晰物流系統(tǒng)運行原理的情況下，根據(jù)各自的生產(chǎn)工況，提出不同的柔性化應(yīng)用需求。

（2）白箱模型：清晰物流系統(tǒng)內(nèi)部運行原理。介紹各物流子系統(tǒng)自動化運行原理，在不改變物流程序的條件下，提供基于物流系統(tǒng)的柔性化解決方案。

（3）物流的柔性化需求Y：具有多樣性、更新快、無法自動運行等特點。柔性需求不解決時，可能影響物流系統(tǒng)的后續(xù)自動化運行。

（4）方法集f1：為柔性化需求提供人工搬運解決方案，保障后續(xù)物流系統(tǒng)自動化運行。

（5）定義域X：對各物流子系統(tǒng)進行自動化維度的介紹。

（6）物流方法集g1：提供基礎(chǔ)常用業(yè)務(wù)的具體流轉(zhuǎn)過程的物流設(shè)備。

（7）控制流方法集g2：常用物流自動化運行業(yè)務(wù)的各物流子系統(tǒng)間控制過程原理。

（8）控制流方法集g3：各物流子系統(tǒng)間的柔性化應(yīng)用控制過程原理。

（9）方法集f2：在g2和g3的基礎(chǔ)上，對柔性化需求Y提供具體的物流系統(tǒng)自動化解決方案。

二

基于人工搬運的柔性化解決方案

1.卷煙輔料物流的柔性化需求（Y）

結(jié)合卷煙包裝企業(yè)的生產(chǎn)特點，針對卷煙輔料物流提出了柔性化需求。

（1）由于包裝機臺經(jīng)過大修等需要進行調(diào)試，調(diào)試期間需要將輔料由立庫輸送到機臺，產(chǎn)生了試車生產(chǎn)供料需求。

（2）因生產(chǎn)過程中，需要將輔料由一臺包裝機搬運到另一臺包裝機，產(chǎn)生了機臺輔料搬運需求。

（3）因特殊情況下，需要對輔料進行抽檢，抽查檢驗后的輔料需要搬運到包裝機臺，產(chǎn)生了快速抽檢供料需求。

（4）由于包裝機臺多余的空托盤需要回收到立庫，產(chǎn)生了多余空盤回收需求。

（5）由于生產(chǎn)過程中，需要快速牌號更換，產(chǎn)生了班中換牌需求。

因此，卷煙輔料物流的柔性化需求（定義為值域Y）為試車生產(chǎn)供料、機臺輔料搬運、快速抽檢供料、多余空盤回收以及班中換牌。

2.基于柔性化需求的人工搬運方法集（f1）

針對卷煙輔料物流的柔性化需求，所采用的人工搬運方法如下：

（1）試車生產(chǎn)供料：物流操作人員將試車輔料從立庫抽檢到抽檢站臺，叉車工搬運到地面，由人工操作液壓車搬運到機臺.

（2）機臺輔料搬運：人工操作液壓車將輔料搬運到其他機臺。

（3）抽檢供料：物流操作人員將試車輔料從立庫抽檢到抽檢站臺，叉車工搬運到地面，由人工操作液壓車搬運到機臺。

（4）多余空盤回收：由人工操作液壓車將多余空盤搬運到物流入庫區(qū)。

（5）班中換牌：某機臺生產(chǎn)結(jié)束，由人工將結(jié)束的牌號的輔料拉到平庫，再由人工將新牌號的輔料由平庫拉到機臺。此過程需要中控人員、搬運人員等共同完成。

3.基于人工搬運的柔性化方案成本分析

針對卷煙輔料的多工況生產(chǎn)供料問題，選取中間位置的9號機組進行分析。為了實現(xiàn)柔性化需求，統(tǒng)計基于人工搬運方案，所需的最少人員數(shù)量；在不考慮環(huán)境、測量工具、協(xié)調(diào)時間等因素的情況下，統(tǒng)計所需的完成時間。分析結(jié)果如表1所示。

表1 基于人工搬運的多工況生產(chǎn)供料成本分析

由表1可知，采用基于人工搬運的柔性化方案時，在各柔性化需求應(yīng)用中都需要中控人員1人，現(xiàn)場搬運人員1～3人（試車生產(chǎn)供料和機臺搬運輔料均需要1人，抽檢供料和控盤回收均需要2人，班中換牌需要3人），采用人工液壓車的方式實施搬運；各柔性化需求應(yīng)用所需的完成時間分別為20、10、25、20、100分鐘。

由此可見，基于人工搬運的柔性化解決方案，需要較多現(xiàn)場實施人員參與，人工成本較高；完成時間較長，作業(yè)效率較低。而物流系統(tǒng)在柔性化應(yīng)用過程中處于閑置狀態(tài)。

三

基于物流系統(tǒng)的柔性化解決方案

1.卷煙輔料物流系統(tǒng)（X）

卷煙輔料物流系統(tǒng)（定義域X）由物流管理系統(tǒng)（WMS）、物流調(diào)度系統(tǒng)（WCS）、AGV調(diào)度系統(tǒng)、PLC電控系統(tǒng)、堆垛機電控系統(tǒng)和相關(guān)的物流設(shè)備組成。各組成部分實現(xiàn)的功能較多，下面詳細介紹各部分的柔性化應(yīng)用。

（1）定義域X1：物流管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)與外圍信息和操作人員進行信息交互，實現(xiàn)物流信息設(shè)置和統(tǒng)計查詢等功能。柔性化應(yīng)用功能包括機臺計劃管理和任務(wù)信息維護等功能。

（2）定義域X2：物流調(diào)度系統(tǒng)，能將物流管理系統(tǒng)任務(wù)下達給底層信息化系統(tǒng)（包括AGV調(diào)度系統(tǒng)、PLC電控系統(tǒng)、堆垛機電控系統(tǒng)），并將底層系統(tǒng)的運行狀態(tài)集中顯示。

（3）定義域X3：AGV調(diào)度系統(tǒng)，接收WCS的指令，調(diào)度AGV小車完成自動搬運功能；實時查看AGV小車運行狀態(tài)，并將任務(wù)完成情況實時反饋給WCS。

（4）定義域X4：PLC電控系統(tǒng)，接收WCS的指令，控制輸送機、穿梭車、碼分機等設(shè)備自動運行；并將任務(wù)完成情況和設(shè)備監(jiān)控狀態(tài)（例如故障狀態(tài)）實時反饋給WCS。

（5）定義域X5：堆垛機電控系統(tǒng)，接收WCS的指令，控制堆垛機按固定程序運行；并將任務(wù)完成情況和設(shè)備監(jiān)控狀態(tài)實時反饋給WCS。

（6）定義域X6：相關(guān)的物流設(shè)備，接收控制系統(tǒng)指令，通過電控系統(tǒng)指導(dǎo)完成物流搬運。

2.物流系統(tǒng)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的自動化輸送方法集（g1）

物流系統(tǒng)自動化運行要求精準(zhǔn)可靠，底層物流信息化系統(tǒng)通過控制流控制相關(guān)物流設(shè)備（如圖2所示），實現(xiàn)輔料自動入庫、輔料自動出庫、空托盤自動出庫、抽檢自動出庫、余料自動返庫、空盤自動返庫等基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的自動化輸送流程。

圖2 基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的自動化輸送流程

3.物流系統(tǒng)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的自動化輸送控制流方法集（g2）

物流系統(tǒng)自動化運行要求控制流準(zhǔn)確可靠。如圖3所示，控制流方法集g2包括：操作人員根據(jù)生產(chǎn)要求，在WMS輸入常用功能的控制操作，當(dāng)物流系統(tǒng)滿足自動觸發(fā)條件，WMS生成控制任務(wù)并將信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，WCS根據(jù)數(shù)據(jù)庫信息，按不同的功能要求將任務(wù)信息分解后，分時段下達給底層信息化系統(tǒng)（如AGV調(diào)度系統(tǒng)、PLC電控系統(tǒng)、堆垛機電控系統(tǒng)）。當(dāng)一個底層信息化系統(tǒng)完成該時段的物流自動化搬運，將完成信息發(fā)送給WCS，WCS再調(diào)度下一個底層信息化系統(tǒng)完成下一時段的物流自動化搬運，直到整個搬運任務(wù)完成；WCS將完成信息傳達給WMS，自動化輸送任務(wù)結(jié)束。

圖3 基于WCS的自動化控制流程（基礎(chǔ)業(yè)務(wù)）

物流系統(tǒng)自動化運行的核心是以WCS為調(diào)度核心，分別控制AGV調(diào)度系統(tǒng)、堆垛機電控系統(tǒng)和PLC電控系統(tǒng)，最終實現(xiàn)基本業(yè)務(wù)物流輸送。例如輔料出庫流程自動化控制的方法為：WMS產(chǎn)生輔料出庫控制指令，WCS接受控制指令。WCS控制堆垛機電控系統(tǒng)將物料搬運到輸送機上，WCS接受堆垛機電控系統(tǒng)的完成反饋信息。然后WCS控制PLC電控系統(tǒng)將物料輸送到指定位置的輸送機上，WCS接受堆垛機PLC電控系統(tǒng)的完成反饋信息。然后WCS控制AGV調(diào)度系統(tǒng)將物料搬運到包裝機臺，WCS接受AGV調(diào)度系統(tǒng)的完成反饋信息。WCS將輔料出庫控制完成信息反饋給WMS，輔料出庫流程完成。

4.物流系統(tǒng)柔性化應(yīng)用的控制流方法集（g3）

物流系統(tǒng)柔性化應(yīng)用，同樣要求控制流和物流的準(zhǔn)確可靠[3][4]。如圖4所示，物流系統(tǒng)柔性化應(yīng)用以中控人員為調(diào)度核心，按值域Y的柔性化需求，分別控制WMS、WCS或底層信息化系統(tǒng)，并通過WMS、WCS或底層信息化系統(tǒng)的監(jiān)控界面，接收各過程段的反饋信息；最終實現(xiàn)試車生產(chǎn)供料、機臺輔料搬運、快速抽檢供料、多余空盤回收、班中換牌等柔性需求的自動輸送。

圖4 基于WCS的自動化控制流程（柔性化需求）

5.基于柔性化需求的物流系統(tǒng)方法集（f2）

基于柔性化需求的物流系統(tǒng)方法集（f2）采用控制流方法集g2和g3的控制原理，對具體的柔性化需求Y，分別提供具體的解決方法，實現(xiàn)試車生產(chǎn)供料、快速抽檢供料、多余空盤回收和班中換牌等柔性化應(yīng)用。

（1）試車生產(chǎn)供料

中控人員在WMS系統(tǒng)建立工單并運行，配置相應(yīng)的站臺信息，操作人員通過操作WMS，由WMS將信息流傳給WCS控制流，WCS調(diào)度底層物流設(shè)備，最終實現(xiàn)試車生產(chǎn)自動供料。

（2）機臺輔料搬運

中控人員在AGV調(diào)度系統(tǒng)輸入搬運調(diào)度指令，AGV調(diào)度系統(tǒng)驅(qū)動AGV小車，完成機臺輔料自動搬運。

（3）抽檢供料

如圖5所示，中控人員先通過抽檢任務(wù)，將輔料輸送到抽檢站臺后，中控人員在WMS中進行平庫發(fā)貨信息操作，將信息由立庫轉(zhuǎn)移車間，然后執(zhí)行基于中控人員為核心的控制流程，即，中控人員在PLC輸入單機指令，PLC電控系統(tǒng)接收任務(wù)將物料自動輸送到指定輸送機處，中控人員在AGV調(diào)度系統(tǒng)輸入輔料搬運指令，AGV小車自動將抽檢的輔料自動輸送到包裝機臺，最終實現(xiàn)快速抽檢供料柔性化應(yīng)用。

圖5 快速抽檢供料柔性化控制流程

（4）多余空盤回收

如圖6所示，中控人員在AGV調(diào)度系統(tǒng)輸入搬運調(diào)度指令，AGV調(diào)度系統(tǒng)驅(qū)動AGV小車，將空盤自動輸送到接收空盤的輸送機處。中控人員在PLC輸入單機指令，將空盤輸送到碼盤機，碼盤機自動計數(shù)，當(dāng)數(shù)量為8時，自動申請入庫。

圖6 多余空盤回收柔性化控制流程

（5）班中換牌

如圖7所示，首先通過物流系統(tǒng)將原牌號輔料余料返庫。返庫結(jié)束后，中控人員在物流系統(tǒng)和MES系統(tǒng)維護相關(guān)信息，最終在WMS中運行新牌號工單信息，通過物流自動化系統(tǒng)將需要生產(chǎn)的新牌號輔料自動輸送到機臺。

圖7 班中換牌柔性化控制流程

班中換牌控制流程（如圖7所示）能夠通過物流系統(tǒng)實現(xiàn)輔料自動輸送，但花費時間較長。需要對基于物流系統(tǒng)的班中換牌進行優(yōu)化，優(yōu)化后的操作流程（如圖8所示）為：首先通過WMS在空閑機臺執(zhí)行試車生產(chǎn)供料，將輔料輸送到空閑機臺；在WMS系統(tǒng)中的換牌機臺執(zhí)行余料返庫操作。返庫結(jié)束后，在AGV調(diào)度系統(tǒng)執(zhí)行機臺輔料搬運操作流程，將空閑機臺輔料輸送到換牌機臺，在MES和WMS系統(tǒng)維護班中換牌信息流，后續(xù)可執(zhí)行正常的輔料出庫流程。

圖8 班中換牌優(yōu)化柔性化控制流程

6.基于物流系統(tǒng)的柔性化方案成本分析

為了方便與人工搬運方案進行對比，也針對卷煙輔料的多工況生產(chǎn)供料問題，選取中間位置的9號機組進行分析。在物流系統(tǒng)和設(shè)備正常運行時，分析實現(xiàn)柔性化需求所需的人員數(shù)量；在不考慮環(huán)境、測量工具、協(xié)調(diào)時間等因素影響的情況下，統(tǒng)計所需的完成時間。分析與統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

由表1和表2可知，基于物流系統(tǒng)的柔性化應(yīng)用流程（f2）與基于人工搬運的柔性化應(yīng)用流程（f1）相比，試車生產(chǎn)節(jié)約20分鐘，機臺輔料搬運節(jié)約4分鐘，抽檢用料節(jié)約15分鐘，多余空盤回收節(jié)約12分鐘，班中換牌節(jié)約80分鐘。此外，f2只需中控人員1人，不需要現(xiàn)場實施人員；而f1除需中控1人外，還需要現(xiàn)場實施人員1～3人。

表2 基于物流系統(tǒng)的多工況生產(chǎn)供料成本分析

由此可見，f2與f1相比，可節(jié)約大量勞動力，提高作業(yè)效率，同時物流信息化系統(tǒng)得到充分使用。

四

結(jié)論

本文通過數(shù)學(xué)模型給出物流系統(tǒng)柔性化應(yīng)用思路：在卷煙輔料物流系統(tǒng)X基礎(chǔ)上，中控人員采用g2技術(shù)，將g1流程進行組合；或者中控人員采用g3技術(shù)，模擬物流系統(tǒng)中WCS的分段控制；最終實現(xiàn)物流系統(tǒng)的Y集合多變性的柔性化應(yīng)用。通過f2與f1的分析對比發(fā)現(xiàn)，基于物流系統(tǒng)的柔性化方案可以節(jié)約大量勞動力，提高作業(yè)效率。物流系統(tǒng)柔性化應(yīng)用具有廣泛的推廣價值。

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