馮仁宇，張 翼，夏 凱，張 霖

（1.上海煙草集團有限責(zé)任公司，上海 200082；2.東實自動化科技（上海）有限公司，上海 200333）

0 引 言

隨著仿真系統(tǒng)的深入應(yīng)用，很多企業(yè)已將流程仿真應(yīng)用到模擬生產(chǎn)分析及模擬調(diào)試領(lǐng)域。葛新鋒等提出基于LABVIEW自帶的圖像處理模塊對條煙進行快速準確識別的機器人——條煙分揀系統(tǒng)[1]。紀昌峰通過對系統(tǒng)策略的研究實現(xiàn)了對WMS系統(tǒng)精準的貨位和貨品的有效管理[2]。孫壯志等提出的攻陷分揀優(yōu)化策略能夠解決細標一體化分揀線的產(chǎn)能發(fā)揮不充分的問題[3]。王文才等通過研究堆垛機、AGV穿梭車等主要設(shè)備的選型和布局，論述了WMS/WCS的設(shè)計方案[4]。周政偉提出了基于MES、WMS、WCS、件煙條碼信息等的智能分揀[5]。周敏提出了利用立式分揀機實現(xiàn)自動分揀，提高異型卷煙的分揀效率，提出整線運用預(yù)分揀、雙層輸送等技術(shù)，減少訂單的等待排隊時間[6]。蔡俊凱提出了結(jié)合EIQ-ABC分析法與離散差分進化算法優(yōu)化自動化條煙分揀系統(tǒng)的倉位分配問題[7]。雷國星等通過對條煙姿勢調(diào)整滑道和第二水平輸送皮帶輪進行改進，提高了卷煙分揀的工作效率[8]。丁成杰通過實際分揀調(diào)試和規(guī)?；治鰴z驗了異型煙分揀線設(shè)計的合理性，有利于卷煙智能分揀的優(yōu)化[9]。王楷設(shè)計了基于PLC的異型卷煙分揀控制與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了異型卷煙的高速分揀，證明了使用PLC進行卷煙分揀的可靠性[10]。

本文采用通過搭建仿真模型，利用模擬數(shù)據(jù)或歷史訂單數(shù)據(jù)，將WMS/WCS以及PLC控制程序融入仿真模型進行模擬生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)物流瓶頸，驗證及優(yōu)化調(diào)度和控制邏輯，使PLC控制程序在脫離現(xiàn)場、脫離物理控制器的情況下也能組織調(diào)試。使用離線運行方式，能快速對優(yōu)化策略進行模擬驗證，最終達到縮短調(diào)試時間、提升調(diào)試效率、降低調(diào)試風(fēng)險的目的。

1 卷煙分揀系統(tǒng)仿真需求

結(jié)合工業(yè)卷煙分揀的實際生產(chǎn)過程，搭建一套基于仿真模型、倉儲管理系統(tǒng) WMS (Warehouse Management System) 、倉庫控制系統(tǒng)WCS (Warehouse Control System)、 模擬PLC控制程序[11]以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模擬調(diào)試環(huán)境，在測試環(huán)境中進行模擬生產(chǎn)。通過模擬生產(chǎn)運行狀態(tài)或者利用歷史訂單數(shù)據(jù)，對方案和策略進行評價、發(fā)現(xiàn)程序的邏輯漏洞，對程序的邏輯漏洞進行修復(fù)，以達到驗證和優(yōu)化調(diào)度、控制邏輯的目的，最終實現(xiàn)高效、穩(wěn)定、有序的模擬生產(chǎn)過程。其中，WMS能夠準確、高效地管理客戶訂單、采購訂單以及對倉庫進行綜合管理，而WCS則通過與WMS系統(tǒng)進行信息交互，驅(qū)動立體倉庫及輸送設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的機械動作，并將PLC系統(tǒng)的狀態(tài)及數(shù)據(jù)實時反映在界面上，最終實現(xiàn)高效的倉庫數(shù)字化管理[12]。

本仿真系統(tǒng)通過四個約束條件[13]實現(xiàn)了仿真系統(tǒng)的功能，如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)的約束條件與功能

為了實現(xiàn)高度自動化，解決分揀調(diào)度策略更優(yōu)化問題，本文在出入庫不同、先入先出、按序出貨不交叉和月臺不變四個約束條件下，實現(xiàn)了仿真系統(tǒng)的訂單調(diào)度分配、發(fā)貨訂單規(guī)劃流程、物流仿真及模擬收發(fā)貨、策略效果評估等功能。

2 卷煙分揀仿真系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 調(diào)度策略

如圖2所示，該仿真系統(tǒng)采用了智能分配調(diào)度策略與發(fā)貨分揀調(diào)度策略。

圖2 調(diào)度策略

根據(jù)智能分配策略，系統(tǒng)可根據(jù)當日的出庫訂單得出每個拆垛工位應(yīng)該對應(yīng)的品規(guī)。除此以外，系統(tǒng)還能夠優(yōu)化裝車順序，實時對車倆所使用的月臺進行分配，減少車輛的等待時間，以此提高卷煙的發(fā)貨效率。發(fā)貨分揀調(diào)度策略中，根據(jù)仿真開始時間讀取庫存數(shù)據(jù)庫里的最近一條庫存記錄，按照每個品規(guī)平分到南北兩個倉庫中。仿真程序通過計算每類品規(guī)在南北庫中的庫存決定入庫或出庫訂單從哪個庫執(zhí)行；然后，通過查詢相關(guān)出入庫訂單任務(wù)的完成情況決定站臺的占用及釋放；接著，策略仿真程序統(tǒng)計出庫訂單各品規(guī)全部的散件數(shù)量，調(diào)用WMS移庫接口完成拆垛工位的品規(guī)分配，其中，每天的仿真任務(wù)完成后需重置拆垛或緩存道；最后進行出入庫訂單仿真。該分揀調(diào)度策略合理運用了南北兩個倉庫[14]，使得當前時間段以前的庫存產(chǎn)品優(yōu)先出庫，月臺的使用率達到最高。

2.2 策略仿真系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

策略仿真系統(tǒng)采用了B/S架構(gòu)開發(fā)[15]，主要包含出入庫訂單模擬數(shù)據(jù)管理模塊、策略仿真管理模塊、WMS庫位模擬模塊、WCS和設(shè)備仿真模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

出入庫訂單模擬數(shù)據(jù)管理模塊是選用歷史實際訂單數(shù)據(jù)作為輸入。策略仿真管理模塊是根據(jù)出入庫訂單及出入庫庫位分配策略生成出入庫和倒庫任務(wù)作業(yè)指令，通過接口發(fā)給WMS仿真模塊，完成出入口及倒庫作業(yè)任務(wù)，并且通過接口發(fā)給WCS仿真系統(tǒng)，完成指定的出入庫和倒庫作業(yè)任務(wù)。 WCS和設(shè)備仿真模塊（由WCS模擬系統(tǒng)提供）、模擬WCS和相關(guān)設(shè)備的功能。WMS庫位模擬模塊包含的功能如圖4所示。

圖4 調(diào)度策略和WMS仿真模塊功能層次結(jié)構(gòu)

數(shù)字化對象管理平臺中的底層數(shù)據(jù)庫采用不同類型的數(shù)據(jù)庫引擎完成不同業(yè)務(wù)場景的數(shù)據(jù)存儲訪問需求。數(shù)據(jù)庫引擎包括實時分析搜索引擎Elasticsearch、關(guān)系數(shù)據(jù)庫引擎MySQL、時序數(shù)據(jù)庫引擎InfluxDB、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫引擎Redis。其中，Elasticsearch數(shù)據(jù)庫用于仿真計算結(jié)果的數(shù)據(jù)分析；MySQL數(shù)據(jù)庫用于模擬WMS庫位及作用流程的建模數(shù)據(jù)；InfluxDB數(shù)據(jù)庫用于仿真計算過程的實時數(shù)據(jù)；Redis用于仿真計算模型的參數(shù)管理；WMS庫存管理模擬主要模擬了WMS系統(tǒng)庫存管理的一些主要功能，比如基礎(chǔ)信息管理、出入庫管理、庫存管理、任務(wù)管理；作業(yè)及調(diào)度策略仿真管理模塊主要選定需要執(zhí)行的策略應(yīng)用在模擬數(shù)據(jù)上，完成出入庫、倒庫等；入庫、出庫訂單模擬主要選擇需要仿真的模擬數(shù)據(jù)執(zhí)行仿真任務(wù)；數(shù)據(jù)接口管理主要是WMS仿真模塊通過接口傳送任務(wù)至WCS仿真模塊執(zhí)行，并通過接口返回任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果。

2.2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

WCS虛擬仿真模塊接收數(shù)字化對象管理平臺WMS系統(tǒng)下達的卷煙廠出入庫任務(wù)和單據(jù)，將這些任務(wù)信息分解后下達給各虛擬設(shè)備對象（如堆垛機、機器人、穿梭車、分揀輸送設(shè)備等），實現(xiàn)對虛擬設(shè)備的調(diào)度控制，進行物流流程仿真，從而驗證物流的運行效率和方案設(shè)計的合理性。其中，WCS數(shù)據(jù)仿真模塊與數(shù)字化對象管理平臺采用標準的Web API作為數(shù)據(jù)接口，系統(tǒng)內(nèi)部采用自定義基于TCP/IP的Socket傳輸協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和準確性。系統(tǒng)實現(xiàn)過程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)實現(xiàn)過程圖

2.3 策略仿真系統(tǒng)的交互設(shè)計

系統(tǒng)可實現(xiàn)策略仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與出入庫及庫存模擬數(shù)據(jù)管理。通過策略仿真的主界面選擇開始時間與終止時間，開始仿真即可實時觀察到策略仿真的運行狀態(tài)及結(jié)果信息，隨時可終止并清空當前仿真的運行動態(tài)交互信息；根據(jù)模擬出入庫訂單數(shù)據(jù)記錄每筆訂單策略運行后的數(shù)據(jù)，便于后續(xù)策略效果的分析、評估；全部入庫訂單、出庫訂單、初始化庫存數(shù)據(jù)管理可以增加查詢條件，快速定位符合的仿真模擬數(shù)據(jù)。其設(shè)備仿真模塊的人機交互界面采用最新的數(shù)字孿生3D建模技術(shù)（使用UNITY平臺搭建）直觀地將仿真結(jié)果呈現(xiàn)出來。

3 總 結(jié)

本項目擬通過搭建仿真模型，將WMS/WCS以及PLC控制程序融入仿真模型進行模擬生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)物流瓶頸，驗證及優(yōu)化調(diào)度和控制邏輯，使PLC控制程序在脫離現(xiàn)場、脫離物理控制器的情況下也能組織調(diào)試。通過半年的實際應(yīng)用，不斷迭代更新，訂單分揀結(jié)果顯示，在月臺和訂單合理分配的情況下，系統(tǒng)分揀能力均大于5 500件/小時的件煙出庫要求；進一步分析發(fā)現(xiàn)，訂單結(jié)構(gòu)對分揀能力存在一定影響，訂單中的較大數(shù)量的合同品規(guī)越多，越有利于分揀。相較于人工分揀，整個過程用時更短、效率更高、準確率更高，人工參與度更低。WMS/WCS以及PLC控制程序的融入，提升了物流分揀的自動化水平與分揀效率，同時也為WMS/WCS在工業(yè)生產(chǎn)過程中的其他應(yīng)用提供了參考。