李文燦,盧達(dá)輝,廖和濱,林 郁

(龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司,福建 龍巖 364000)

0 引言

隨著工業(yè)4.0的不斷推進(jìn)，制造工廠逐步走向智能化、現(xiàn)代化。如今，物流系統(tǒng)水平已成為衡量企業(yè)智能化程度的重要指標(biāo)?，F(xiàn)代化企業(yè)物流具有決策智能化、作業(yè)自動(dòng)化以及管理網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，能夠極大程度地取代人的勞作，降低企業(yè)成本，提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1-9]。對(duì)現(xiàn)代化物流系統(tǒng)而言，自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)是其核心樞紐，是企業(yè)進(jìn)行物流調(diào)度和物質(zhì)存儲(chǔ)的重要手段[10-12]。如何合理設(shè)計(jì)自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)、有效提高企業(yè)存儲(chǔ)效率，已成為企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題。因此，本文將結(jié)合自身的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司為研究對(duì)象，對(duì)濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，以促進(jìn)現(xiàn)代企業(yè)物流在煙草領(lǐng)域的應(yīng)用，提高煙草企業(yè)存儲(chǔ)效率，實(shí)現(xiàn)廠部的柔性化生產(chǎn)。

1 參數(shù)設(shè)計(jì)

本文在進(jìn)行濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，對(duì)一些基本參數(shù)情況進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具體如下所示。

1.1 工作時(shí)間設(shè)計(jì)

作業(yè)期間，公司采取“三班倒”的工作模式，每個(gè)班次工作時(shí)長為8 h。在排除設(shè)備例行保養(yǎng)和日常保養(yǎng)時(shí)間外，高架庫堆垛機(jī)每日需要維持19 h的工作量。為了延長設(shè)備的使用期限，每年都會(huì)停產(chǎn)幾天，用于設(shè)備的升級(jí)與改造。由此，每年的工作時(shí)間為251 d。

1.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

濾棒固化庫主要存儲(chǔ)貨物為兩種規(guī)格的空料盤組和濾棒料盤組[13-16]。兩種長度規(guī)格的濾棒分別為108 mm、120 mm。其中，規(guī)格為108 mm的濾棒盒尺寸為705 mm×134 mm×400 mm；規(guī)格為120的濾棒盒尺寸為705 mm×146 mm×400 mm。所有濾棒盤能夠容納400支濾棒，而現(xiàn)階段濾棒固化庫高度僅為6 000 mm。如今，濾棒固化庫不但與濾棒發(fā)射機(jī)組的卸盤機(jī)連接，而且還與成形機(jī)組的裝盤機(jī)連接，而卷包工房總共設(shè)計(jì)了5組FILTROMAT1S濾棒發(fā)射機(jī)和8組KDF4濾棒成形機(jī)。其中，每臺(tái)KDF4濾棒成形機(jī)均具有600 m/min的生產(chǎn)能力，濾棒發(fā)射機(jī)的卸盤機(jī)型號(hào)為MAGOMAT-SL，裝盤機(jī)型號(hào)為HCF-SL。需要注意的是，成形機(jī)裝盤機(jī)不需要借助機(jī)械手進(jìn)行裝盤，可以直接接受濾棒盒。在初期階段，配備FILTROMAT1S濾棒發(fā)射機(jī)2組，配備KDF4濾棒成形機(jī)4組，而剩余的3臺(tái)濾棒發(fā)射機(jī)和4臺(tái)濾棒成形機(jī)預(yù)留到后期使用。根據(jù)工藝需求，濾棒固化儲(chǔ)存時(shí)間應(yīng)≥4 h。此外，出入庫作業(yè)時(shí)間均為18 h。

1.3 濾棒盤組設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的濾棒盤組有2種:第一種是由14個(gè)規(guī)格為705 mm×146 mm×400 mm的濾棒盒組成的濾棒盤組；第二種是由15個(gè)規(guī)格為705 mm×134 mm×400 mm的濾棒盒組成的濾棒盤組。其中，單元質(zhì)量為150 kg，單元尺寸為2 050 mm×710 mm×405 mm。

對(duì)濾棒成形機(jī)而言，每臺(tái)成形機(jī)具有600 m/min的生產(chǎn)能力，每個(gè)濾棒盒可裝4 000支濾棒，8臺(tái)濾棒成形機(jī)每小時(shí)總共可獲得2 400 000支的產(chǎn)量，入庫濾棒最大輸出量為43 PL/H。對(duì)濾棒出庫能力需求而言，以卷包機(jī)組設(shè)備能力為基礎(chǔ)，設(shè)置其能力為45 PL/H。對(duì)出庫最大頻率而言，以設(shè)備能力為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)成形機(jī)組端為86 PL/H、發(fā)射機(jī)組端為90 PL/H。

2 系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)

2.1 空濾棒盒供給設(shè)計(jì)

空濾棒盒指的是未安裝濾棒的儲(chǔ)存單元。為滿足生產(chǎn)所需，龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司共有兩種規(guī)格的空濾棒盒，分別是21盤/組、19盤/組。這些空濾棒盒以組的形式存放在濾棒高架庫內(nèi)。對(duì)成形機(jī)組而言，空濾棒盒供給功能是指成形機(jī)組在進(jìn)行濾棒生產(chǎn)時(shí)，成組的空濾棒盒被對(duì)應(yīng)的分離機(jī)構(gòu)分離成單個(gè)空盒，并在升位移機(jī)作用下送往裝盒機(jī)中。此外，若上層空盒輸送機(jī)數(shù)量無法滿足設(shè)定的數(shù)值，需要借助調(diào)度上位系統(tǒng)申請(qǐng)出庫任務(wù)。上位系統(tǒng)此時(shí)會(huì)對(duì)庫存狀況進(jìn)行檢驗(yàn)與條件判斷。在達(dá)到出庫標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)會(huì)接收到一條出庫作業(yè)任務(wù)。緊接著由調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)命令，由堆垛機(jī)執(zhí)行出庫作業(yè)命令。此時(shí)，堆垛機(jī)會(huì)取出指定貨物，并將其放入到申請(qǐng)出庫的成形機(jī)站臺(tái)中，如此便完成了空濾棒盒組的出庫任務(wù)。

2.2 實(shí)濾棒盒入庫設(shè)計(jì)

實(shí)濾棒盒是指裝滿濾棒的存儲(chǔ)單元。濾棒規(guī)格不同，那么其放入的存儲(chǔ)單元就會(huì)不同。例如長度為120 mm的濾棒放入的是19盤/組存儲(chǔ)單元中，長度為108 mm的濾棒放入的是21盤/組存儲(chǔ)單元中。此處實(shí)濾棒盒入庫是指龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司自產(chǎn)濾棒的成形機(jī)直接生產(chǎn)入庫。在入庫之前，需要將該組濾棒信息填入射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)標(biāo)簽中以作標(biāo)示，為后期的追溯工作提供便利。濾棒從裝盤機(jī)中卸下后，通過輸送機(jī)將其傳輸?shù)诫娮訕?biāo)簽處填寫濾棒相關(guān)信息。若寫入成功，那么滿盤濾棒塑格會(huì)進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，并依照順序在輸送機(jī)上一字排開；若寫入不成功，輸送機(jī)的報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)響應(yīng)，同時(shí)滿盤塑格不會(huì)進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，需要等待相應(yīng)工作人員的處理——要么更換新的電子標(biāo)簽進(jìn)行重新填寫，要么退回重寫嘗試填寫。為實(shí)現(xiàn)批次化管理，工作人員不可擅自動(dòng)用向前移動(dòng)且未填寫相關(guān)信息的濾棒滿格。若成形機(jī)端的下層濾棒數(shù)量已處于飽和狀態(tài)，即達(dá)到相應(yīng)的預(yù)設(shè)值，當(dāng)光電管感應(yīng)到該狀態(tài)后，停止后面輸送管送來的濾棒。此時(shí)，輸送皮帶也會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，滿盤入庫任務(wù)的信息也會(huì)申請(qǐng)至上位系統(tǒng)。當(dāng)上位系統(tǒng)接收申請(qǐng)后，需要檢查并校對(duì)濾棒品牌信息與庫內(nèi)貨位情況。核對(duì)無誤后，由上位通知調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。最終，由調(diào)度系統(tǒng)命令堆垛機(jī)前往入庫站臺(tái)收取貨物，并將其運(yùn)輸值高架庫內(nèi)，由此實(shí)現(xiàn)成形機(jī)端的入庫作業(yè)任務(wù)。

2.3 實(shí)濾棒盒出庫設(shè)計(jì)

實(shí)濾棒盒出庫作業(yè)核心功能是以發(fā)射機(jī)下達(dá)的品牌任務(wù)為基礎(chǔ)，將庫內(nèi)存放的濾棒精準(zhǔn)送至發(fā)射機(jī)上層輸送機(jī)出庫站臺(tái)。

實(shí)濾棒盒放置于發(fā)送機(jī)的上層傳輸機(jī)中，實(shí)濾棒盒組上的濾棒有序排開，由卸盤機(jī)負(fù)責(zé)卸盤。若上層滿盒數(shù)量無法達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，即低于預(yù)設(shè)數(shù)值情況時(shí)，光電管或作出反應(yīng)，向上位系統(tǒng)提交出庫申請(qǐng)。上位系統(tǒng)在接受到申請(qǐng)信息后，會(huì)核實(shí)可用的濾棒盒。核實(shí)無誤后，生成出庫任務(wù)，并下發(fā)到調(diào)度系統(tǒng)中，由調(diào)度系統(tǒng)控制調(diào)度堆垛機(jī)運(yùn)輸實(shí)濾棒盒前往發(fā)射機(jī)出庫站臺(tái)。此外，若發(fā)送機(jī)實(shí)際發(fā)送的濾棒與從高架庫內(nèi)運(yùn)輸來的濾棒存在差異，相關(guān)人員會(huì)及時(shí)收到信息提醒，避免濾棒錯(cuò)用事件的發(fā)生。

2.4 空濾棒盒回庫設(shè)計(jì)

空濾棒盒回庫是針對(duì)發(fā)送機(jī)空盤入庫而言的。卸盤機(jī)卸盤后的空盤會(huì)存放到發(fā)送機(jī)的下層，而濾棒品牌是具體存放數(shù)量的決定性因素。

卸盤機(jī)將空濾棒盒放置下層輸送線上，而后在下層輸送線皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)下，將其傳輸至翻轉(zhuǎn)機(jī)中。此時(shí)，翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)90°，旨在將空濾棒盒中的殘留物清除干凈。當(dāng)翻轉(zhuǎn)次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，皮帶將會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，向上位提交入庫申請(qǐng)信息。當(dāng)上位接收到申請(qǐng)信息后，向調(diào)度系統(tǒng)下達(dá)相應(yīng)的入庫指示；由調(diào)度系統(tǒng)控制堆垛機(jī)核實(shí)相關(guān)入庫信息后，將空濾棒盒運(yùn)輸至任務(wù)指定位置，實(shí)現(xiàn)空濾棒盒的回庫任務(wù)。

2.5 特殊處理流程設(shè)計(jì)

特殊處理流程設(shè)計(jì)主要包括人工抽檢返庫和退庫(轉(zhuǎn)平庫)兩方面內(nèi)容。

①人工抽檢返庫。實(shí)濾棒盒組是人工抽檢返庫的操作對(duì)象。若質(zhì)檢員發(fā)現(xiàn)濾棒在自檢環(huán)節(jié)中出現(xiàn)問題時(shí)，需要借助人工進(jìn)行再次檢查，并由人為的方式對(duì)濾棒進(jìn)行抽檢出庫。詳細(xì)操作設(shè)計(jì)為：首先，通過人工的方式在上位系統(tǒng)中查找出問題濾棒所在的位置；其次，由上位系統(tǒng)生成抽檢任務(wù)，并下達(dá)到調(diào)度系統(tǒng)中；最后，由調(diào)度系統(tǒng)控制堆垛機(jī)取出任務(wù)指定的問題濾棒并運(yùn)輸至人工站臺(tái)，由質(zhì)檢員進(jìn)行再次檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)改組濾棒進(jìn)行處理。

②退庫(轉(zhuǎn)平庫)。高架庫內(nèi)的實(shí)濾棒盒組和空濾棒盒組是退庫作業(yè)的操作對(duì)象。為避免高架庫因堆垛機(jī)故障導(dǎo)致空格或?yàn)V棒短缺現(xiàn)象，龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司在平庫內(nèi)備用了空格和濾棒。當(dāng)出現(xiàn)這種短缺現(xiàn)象時(shí)，通過人工站臺(tái)執(zhí)行空格和濾棒退庫的操作，使人工出庫任務(wù)傳輸至上位系統(tǒng)，而后由上位系統(tǒng)將任務(wù)指令下達(dá)給調(diào)度系統(tǒng)。調(diào)度系統(tǒng)在接收到上位系統(tǒng)下達(dá)的指令時(shí)，會(huì)調(diào)度控制堆垛機(jī)將所需的空格或?yàn)V棒運(yùn)輸?shù)饺斯ふ九_(tái)，最終通過人工方式實(shí)現(xiàn)空格或?yàn)V棒的搬運(yùn)工作。在此之前，需要對(duì)高架庫內(nèi)的庫存狀態(tài)進(jìn)行改寫。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 空濾棒盒供給流程實(shí)現(xiàn)

為了更好地體現(xiàn)濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)情況，本文給出了濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)平面簡圖，如圖1所示。

圖1 濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)平面簡圖

同時(shí)，為更好地描述各站臺(tái)情況，本文還在圖1中以字母的形式對(duì)各站臺(tái)進(jìn)行了區(qū)分。根據(jù)生產(chǎn)需要，系統(tǒng)下發(fā)空濾棒盒出庫指令，由堆垛機(jī)將指定空濾棒盒輸送到成形機(jī)組站臺(tái)(即B站臺(tái))，而后又傳輸?shù)紸站臺(tái)，最后進(jìn)入成形機(jī)，實(shí)現(xiàn)空濾棒盒子供給?？諡V棒盒供給流程如圖2所示。

圖2 空濾棒盒供給流程圖

3.2 實(shí)濾棒盒入庫流程實(shí)現(xiàn)

從圖1可以直觀看出，實(shí)濾棒盒從成形機(jī)出發(fā)來到E站臺(tái)，接著又被運(yùn)輸?shù)紽站臺(tái)。此時(shí)，需要將濾棒信息填入RFID標(biāo)簽中。若寫入失敗，電控信息會(huì)進(jìn)行報(bào)警，等待人工處理，即更換載碼體后再入庫；若寫入正確，由上位系統(tǒng)調(diào)度堆垛機(jī)將實(shí)濾棒盤組運(yùn)輸至制定位置，完成入庫。實(shí)濾棒盒入庫流程如圖3所示。

圖3 實(shí)濾棒盒入庫流程圖

3.3 實(shí)濾棒盒出庫流程實(shí)現(xiàn)

根據(jù)生產(chǎn)需要，系統(tǒng)下發(fā)實(shí)濾棒盒出庫任務(wù)。首先，控制調(diào)度堆垛機(jī)運(yùn)輸指定貨物至發(fā)射站臺(tái)中的C站臺(tái)；其次，再借助輸送機(jī)將實(shí)濾棒盒運(yùn)輸至D站臺(tái)中；最后，將實(shí)濾棒盒送入發(fā)射機(jī)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)濾棒盒的出庫任務(wù)。實(shí)濾棒盒出庫流程如圖4所示。

圖4 實(shí)濾棒盒出庫流程圖

3.4 空濾棒盒回庫流程實(shí)現(xiàn)

根據(jù)生產(chǎn)需要，卸盤機(jī)卸盤結(jié)束后，會(huì)產(chǎn)生空濾棒盒。這些空濾棒盒會(huì)傳輸至I站臺(tái)中，而后經(jīng)過傳輸機(jī)傳輸至H站臺(tái)。當(dāng)空濾棒盒在該站臺(tái)中放滿一組后，便可申請(qǐng)入庫，由系統(tǒng)向堆垛機(jī)下發(fā)空濾棒盒回庫任務(wù)，由堆垛機(jī)將空濾棒盒運(yùn)輸至指定貨位，完成回庫?？諡V棒盒回庫流程如圖5所示。

圖5 空濾棒盒回庫流程圖

3.5 特殊處理流程實(shí)現(xiàn)

特殊情況的處理有兩種。第一，卸盤機(jī)和裝盤機(jī)可能會(huì)存留沒有用完的滿濾棒盒。此時(shí)需要借助人工搬放到緊急出庫站臺(tái)中，由人工現(xiàn)場(chǎng)給系統(tǒng)退實(shí)料信息。當(dāng)信息經(jīng)系統(tǒng)核對(duì)無誤后，才能入庫，否則系統(tǒng)將出現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警現(xiàn)象。第二，卸盤機(jī)處的空盤數(shù)量無法達(dá)到規(guī)定的入庫數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)無法自動(dòng)處理。此時(shí)仍需要借助人工，將其搬運(yùn)到緊急出庫站臺(tái)中。待搬運(yùn)結(jié)束后，由人工現(xiàn)場(chǎng)給系統(tǒng)退空盤信息。系統(tǒng)此時(shí)再對(duì)貨物進(jìn)行外形檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)合格且滿足規(guī)定入庫數(shù)量后，再進(jìn)行入庫，實(shí)現(xiàn)特殊情況的處理。

4 濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)運(yùn)行效果

為體現(xiàn)濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果，本文對(duì)當(dāng)下濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)與龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司原濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)的執(zhí)行能力情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)執(zhí)行能力對(duì)比如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)執(zhí)行能力對(duì)比圖

由圖6可知，原濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)的執(zhí)行能力為103.6 PL/H，與目標(biāo)值110 PL/H仍存在一定的差距，但已然較為接近。而當(dāng)下的濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)的執(zhí)行能力為125.2 PL/H，已超過了目標(biāo)值，能較好地完成任務(wù)目標(biāo)。

為更好地觀察濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果，本文還對(duì)比了原濾棒庫控制系統(tǒng)與當(dāng)下濾棒庫控制系統(tǒng)在一年中任務(wù)量較大時(shí)期的任務(wù)完成時(shí)間情況。原濾棒庫系統(tǒng)一天任務(wù)完成時(shí)間低于200 s的柱狀圖如圖7所示。

圖7 原濾棒庫系統(tǒng)一天任務(wù)完成時(shí)間低于200 s的柱狀圖

由圖7可以看出，原濾棒庫系統(tǒng)任務(wù)完成時(shí)間大多分布在65～120 s之間，最短時(shí)間為50 s。

當(dāng)下濾棒庫系統(tǒng)一天任務(wù)完成時(shí)間低于120 s的柱狀圖如圖8所示。

圖8 當(dāng)下濾棒庫系統(tǒng)一天任務(wù)完成時(shí)間低于120 s的柱狀圖

從圖8可以看出，目前濾棒庫系統(tǒng)任務(wù)完成時(shí)間大多數(shù)分布在36～84 s之間，與原濾棒庫系統(tǒng)相比，存在較大的提升。因此，本文設(shè)計(jì)的濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)能有效提高公司的存儲(chǔ)效率，給公司帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

首先，本文以龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司為研究對(duì)象，對(duì)濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)的參數(shù)情況進(jìn)行了設(shè)計(jì)；其次，對(duì)空濾棒供給、實(shí)濾棒盒入庫等系統(tǒng)工藝流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)；最后，對(duì)濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)研究和運(yùn)行效果檢驗(yàn)。通過與原濾棒庫系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，證明了本濾棒庫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)的可行性。