卷煙制絲生產智能物流系統研究與設計

文/劉劍敏 方利梅 張其東 徐大飛 余文濤

一、引言

目前我國煙草行業的競爭越來越激烈，為滿足市場需要，不同要求的訂單生產已成為常態化，從而對卷煙工廠的物流水平也提出了新挑戰。浙江中煙工業有限責任公司寧波卷煙廠以提升自身管理水平和提高產品質量為目標，打造工業4.0、“中國制造2025”智慧卷煙工廠為導向，企業全體上下秉承“憂患、拼搏、創新”的企業文化核心理念和“敢想敢拼、善謀善為”的企業精神，不斷完善和發展各項技術水平，致力于打造國內一流卷煙工廠。

從卷煙制造的整個工藝流程來看，半成品煙絲仍采用柜式存儲，勢必會對分組加工的工藝升級產生諸多限制；成品與半成品箱式儲絲分開獨立布置運行會導致設備的重復投資、煙箱等周轉單元重復投入，煙絲降級、殘煙絲流轉等需要在兩個系統中進行人工搬運等問題。

針對上述問題，浙江中煙寧波卷煙廠在進行“十二五”易地技術改造高架庫系統的項目建設之初，對如何實現成品與半成品煙絲儲存一體化進行了全面細致地考慮。為實現上述目標，在“十二五”異地技術改造項目中首次將半成品、成品煙絲庫采用一體化設計，在減少設備投資的基礎上實現了兩庫之間自動化功能分區作業的統一調度和統一管理，為箱式存儲工藝提供一種新的模式，填補了國內外該領域技術空白。對行業工藝提升發展與提升企業核心競爭力，具有重要輻射意義。

二、系統工藝流程研究與設計

本系統涵蓋了卷煙生產整個過程中的生產物流、存儲物流、工藝物流、包裝物流和回收物流等各個方面，突破了生產、存儲及運輸等各個方面的傳統流程設計模式，利用現代化物流技術和裝備，對各環節工藝模式進行整合，增強了系統的擴展性。

寧波卷煙廠制絲生產智能物流系統

本系統必須適應成品與半成品煙絲精細化分組加工、精細化配方、順序投料、柔性生產、批次管理、按訂單生產、質量跟蹤、均勻摻兌、廢品剔出、信息跟蹤不斷線、提前警示、配方無限替換等需求。通過借鑒國內外卷煙生產物流系統的先進經驗和現代物流技術裝備的水平，經過物流仿真系統的反復分析與驗證，提出了系統工藝流程圖，參見圖1。

1.系統范圍

本系統主要包含：半成品煙絲裝箱（含梗絲、膨絲、A/B/C三線葉絲裝箱）區、半成品煙絲摻配區、成品煙絲裝箱區、成品煙絲喂絲區、回用煙絲裝箱區、余料煙箱回庫區、半成品和成品煙絲高架庫進出庫區、EMS小車輸送系統和外購再生煙絲進庫區等作業區。

2.系統功能要求

（1）煙箱進出庫加去蓋設備須具備以下功能：煙箱進庫可采用機械手自動加蓋，出庫可采用機械手自動去蓋功能；煙箱進出庫也可采用不加去蓋功能，以上功能由煙箱進出庫WMS與WCS系統定義自動選擇。

（2）煙箱倒料后具備自動清除余料和清潔功能，每個箱子都必須清潔。

（3）按“先進先出”、“出庫優先”等原則進行出庫作業，并可按要求指定貨位進出庫。

（4）在接受一個批次生產指令時，系統對于不能滿足生產要求的庫存發出預警信息。

圖1：系統工藝流程圖

（5）實現全過程信息采集、跟蹤。

（6）系統設計時考慮外運煙絲的裝箱、暫存及進出輸送。

（7）消防配合要求：由于消防采用預作用噴淋滅火系統、空氣采樣早期煙霧探測系統，所以貨架設計過程中須考慮留出消防系統設備安裝的空間。

（8）環境溫濕度范圍：溫度：26±2℃；相對濕度：58±5%。

（9）考慮貨位管理功能，能夠對貨位進行多狀態管理。

（10）考慮RFID檢測及實托盤剔除環節。

（11）系統設計還擴展了以下需求：①按摻配和喂絲配方比例、裝箱重量等信息確定庫存分布；②可按版本號（在授權情況下，WMS具有定義貨物的功能）裝箱入庫；③庫位管理采用不定期的休閑時段堆垛機提前布貨（即實現不定期整倉功能）；④余料煙箱優先出庫；⑤具備虛擬進退庫功能；⑥煙箱出庫、翻箱摻配機前、喂絲機前對煙箱品牌具有RFID再確認功能；⑦庫區任何一個煙箱都具有品牌更改與降級修改（在ID CODE特別授權下）功能，對于降級的煙箱在WMS數據庫更改數據后，應具有根據WMS指令自動將煙箱RFID電子標簽信息重寫的功能；⑧具備某些指定煙箱只能裝某種牌號煙絲的功能；⑨具備成品煙絲降為摻配煙絲使用的功能；⑩系統應具有EMS小車數量、EMS小車接送貨站臺等增減的功能。

（12）高架庫的每個煙箱需要有自動鎖定功能（煙箱不可以出庫但可以在庫內流轉），當煙箱進庫時自動鎖定，拿到質檢合格報告后才可以解鎖，同時要求有手動鎖定和解鎖的功能；高架庫的每個倉位也需要手動鎖定功能，即鎖定的倉位不能進出庫。

（13）庫存信息能夠關聯顯示，當操作人員需要查詢某個牌號的物料時，點擊該牌號，庫內所有該牌號的貨位全部顯示。

（14）具有對某一版本號的貨物拒絕入庫功能。

（15）對于監控系統，要求實時跟蹤貨物信息，并且在監控畫面中可以查詢到貨物的信息。若貨物在某個位置信息丟失，需要人工寫入、修改信息的功能。

（16）系統中，凡是有人工處理站臺的都放置WMS/WCS工作終端。

3. 煙絲箱式存儲

目前箱式和柜式兩種儲絲方式在國內外煙草行業的卷煙生產過程中共同存在，各有其優缺點，然而采用自動化箱式儲絲方式優勢明顯。近年來，國內煙廠如上海卷煙廠、昆明卷煙廠、曲靖卷煙廠、杭州卷煙廠等都采用了煙絲箱式存儲技術。根據自動化物流技術裝備發展特點，以及國內外卷煙廠最新實踐，本系統采用煙絲箱式存儲方式。

4. 成品與半成品煙絲箱式存儲一體化

煙絲箱式存儲一體化，包含了成品與半成品煙絲庫之間的信息一體化，即煙箱以及托盤信息、物料信息、設備狀態信息的一體化；也包含了設備的一體化，即可以實現兩庫設備的互通及共用。在信息和設備的一體化的基礎上，最終實現兩庫的一體化，即“一體化設計、邏輯分離，一庫多用、互通共享”，參見圖2。

基于不同庫的工藝需求，兩庫軟件系統均包含WMS（倉庫管理系統）、WCS（倉庫控制系統）及底層設備的控制系統；硬件系統包含貨架及堆垛機、EMS、輸送機、加去蓋機器人、清掃機器人、AGV，以及煙箱、托盤等。

硬件層面采用了EMS系統，可將兩庫硬件互聯，具備設備一體化的基礎，軟件層面通過WMS、WCS及控制系統的整體架構設計，實現WMS、WCS層數據庫的共享、控制系統層PLC間的信息傳遞及追蹤，同時也具備了信息一體化的基礎，可以實現一體化及邏輯分離的設計思路，因而從整體系統層面，具有一體化設計的可行性，實現了各項數據統一調度共用共享作業。

煙絲箱式存儲一體化應用優點：

圖2：成品與半成品煙絲箱式存儲一體化

圖3：原料煙包智能排序出庫

圖4：系統工藝流程圖

（1）提高煙絲的品質質量。傳統的柜式儲絲是將煙絲按照4000kg（或8000kg、12000kg）的規格存儲在一個柜子里，對煙絲的水分控制有一定影響；同時，由于柜子是敞開的，外界的氣味或者雜物均有可能對煙絲的質量造成影響。而煙絲箱式存儲是將煙絲按照每120kg一個存儲單元，對煙絲的水分影響較少，同時能夠減少煙絲發生串香、串味的可能性。

（2）節約生產制造的場地。傳統的柜式儲絲采用單層存放，占地面積大，采用箱式儲絲實現了高架庫貨位存儲，能夠向上延伸，節約生產制造的場地。

（3）靈活調度滿足市場需求。采用箱式儲絲，能夠靈活排產，可以滿足小批量多規格的市場需求。

（4）更為方便地實現信息化管理。采用RFID電子標簽記錄煙絲信息，信息化程度高，質量把控度高。

（5）滿足不斷升級的工藝需求。隨著卷煙生產工藝的不斷升級，傳統的全配方生產已經無法滿足工藝需求，分組加工模式正處于探索階段。煙絲箱式存儲給分組加工的模式提供有力的信息、設備技術保障。

5.原料煙包入庫收貨單自動匹配

本系統采用了模糊對應的方式，收貨人員在確認煙葉收貨單有效后就確認收貨，操作人員按照就近原則進行煙包上線作業，入庫煙包在輸送過程中，系統自動掃描煙包條碼，并將掃描到的條碼信息與煙葉收貨單進行匹配，自動完成煙包的入庫作業。匹配算法遵循時間優先原則，即先開的單據優先匹配，既保證了批次系統的物料跟蹤原則，又最大限度簡化了工作流程、降低工作強度，節省了資源，提高了效率。

6.原料煙包智能排序出庫

根據制絲線柔性加工、精確加工的要求，需要原料煙包按照設定的順序嚴格出庫。在以往的情況下，排序越嚴格，煙包出庫效率越低，甚至會影響生產，故絕大部分煙廠都沒有做到嚴格的排序。在本系統中，采用了優化的巷道任務分配策略、EMS 小車接貨前二次排序、EMS 小車系統智能排序、緊急補料排序等多種策略，實現了原料的嚴格排序的行業難題，在保證投料速度的前提下，實現了對四條生產的同時投料，開創性地解決了行業難題。參見圖3。

表1：主要設備數量與使用率

模式一：根據生產計劃，煙包托盤從庫中調出，經每個巷道出庫站臺上的托盤信息一級校驗，合格后的由EMS系統按制絲線投料順序將實托盤送至夾抱合分機，進行煙包與托盤分離。 夾抱合分機自動將托盤與煙包分離，分離后的煙包經輸送線送至鋼平臺輸送線。在煙包進入每條緩存輸送線入口處，進行二級信息核對，正確的進入對應緩存線，不正確的通過環線調整后進入正確的緩存輸送線。

模式二：平臺緩存輸送線上的煙包，由垂直提升機分別送至生產工房一層3條制絲線入口。 進入制絲線前系統再次對煙包信息進行校驗，合格的進入制絲線，不合格的由剔除口剔除，同時從庫內緊急調用同批次、品牌的煙包進行緊急補料。

模式三：煙包托盤經每個巷道出庫站臺上的托盤信息校驗不合格的，由EMS系統送至整理站臺人工處理。信息識別不出的正確煙包人工確認后繼續出庫供制絲線使用，出錯煙包托盤由操作人員查明出錯原因。同時從庫內調用同批次、品牌的煙包托盤進行補充。

模式四：夾抱合分機自動將托盤與煙包分離，分離后的托盤由托盤碼分機碼垛成組，經條碼掃描、外形檢測合格后經EMS系統、輸送系統入庫存儲。

7.出庫煙包智能返庫

出庫至緩存線前的煙包須要返庫時，自動輸送至夾抱合分機處。夾抱合分機自動將托盤與煙包組盤，并經托盤條碼讀取，將煙包信息綁定及外形檢測。煙包實托盤經EMS系統、輸送系統入庫存儲。見圖4。

8.霉變煙包智能補料

在煙包開箱后，在切片時如果發現煙包霉變，需要在原位進行補料。但由于此時煙包已經開箱，人工對煙葉原料進行判別困難，因此在補料時只能反復辨別、確認，才能保證補料準確。在本項目中采用了信息全程跟蹤的技術，當物流系統把煙包輸送到制絲線時，這包煙的牌號、批次、順序等信息一起傳送至制絲線。制絲線實時顯示當前正在切片的煙包信息，當發現有霉變時，只要在制絲線確認霉變，信息就會自動傳送回物流系統，物流系統根據此信息自動補料。

三、系統仿真分析與設備的優化配置

本系統以AutoMod軟件為平臺，以項目各種參數、布局、仿真的模式、物料流程為基礎，對項目進行了全系統仿真。利用Path Mover、Conveyor、Warehouse和Kinematics等多個物流設備建模子系統，建立EMS系統、輸送機、回轉輸送臺和自動立體倉庫等物流輸送設備的仿真模型，并對物料輸送流程、設備控制邏輯和設備使用效率等進行仿真分析與不斷改進，最終確定的設備與使用率參見表1。

四、結論

本系統實施后完全實現半成品與成品煙絲庫兩庫打通與分離自動切換、自動分區管理，具備煙絲箱式存儲與調度的一體化作業能力和庫存存儲與數據兩庫共享的目標。取得了明顯的經濟效益和社會效益，提高了制絲生產線的自動化控制水平，方便操作人員操作，煙絲庫（CT1與CT2）有效作業率提高15%，節約設備固定資產投資500萬元，同時設備維護量減少，備品備件數量減少。實現生產過程歷史回放、生產批次管理和質量追溯功能，提高了企業的質量管理能力和質量控制能力。