濾棒庫自動化立體倉儲控制系統設計與實現

李文燦,盧達輝,廖和濱,林 郁

(龍巖煙草工業有限責任公司,福建 龍巖 364000)

0 引言

隨著工業4.0的不斷推進，制造工廠逐步走向智能化、現代化。如今，物流系統水平已成為衡量企業智能化程度的重要指標。現代化企業物流具有決策智能化、作業自動化以及管理網絡化的特點，能夠極大程度地取代人的勞作，降低企業成本，提高生產效率，為企業創造可觀的經濟效益[1-9]。對現代化物流系統而言，自動化立體倉儲是其核心樞紐，是企業進行物流調度和物質存儲的重要手段[10-12]。如何合理設計自動化立體倉儲系統、有效提高企業存儲效率，已成為企業發展的關鍵問題。因此，本文將結合自身的實踐經驗，以龍巖煙草工業有限責任公司為研究對象，對濾棒庫自動化立體倉儲控制系統的設計與實現進行研究，以促進現代企業物流在煙草領域的應用，提高煙草企業存儲效率，實現廠部的柔性化生產。

1 參數設計

本文在進行濾棒庫自動化立體倉儲控制系統設計前，對一些基本參數情況進行了設計，具體如下所示。

1.1 工作時間設計

作業期間，公司采取“三班倒”的工作模式，每個班次工作時長為8 h。在排除設備例行保養和日常保養時間外，高架庫堆垛機每日需要維持19 h的工作量。為了延長設備的使用期限，每年都會停產幾天，用于設備的升級與改造。由此，每年的工作時間為251 d。

1.2 基礎設計

濾棒固化庫主要存儲貨物為兩種規格的空料盤組和濾棒料盤組[13-16]。兩種長度規格的濾棒分別為108 mm、120 mm。其中，規格為108 mm的濾棒盒尺寸為705 mm×134 mm×400 mm；規格為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射機組的卸盤機連接，而且還與成形機組的裝盤機連接，而卷包工房總共設計了5組FILTROMAT1S濾棒發射機和8組KDF4濾棒成形機。其中，每臺KDF4濾棒成形機均具有600 m/min的生產能力，濾棒發射機的卸盤機型號為MAGOMAT-SL，裝盤機型號為HCF-SL。需要注意的是，成形機裝盤機不需要借助機械手進行裝盤，可以直接接受濾棒盒。在初期階段，配備FILTROMAT1S濾棒發射機2組，配備KDF4濾棒成形機4組，而剩余的3臺濾棒發射機和4臺濾棒成形機預留到后期使用。根據工藝需求，濾棒固化儲存時間應≥4 h。此外，出入庫作業時間均為18 h。

1.3 濾棒盤組設計

本次設計的濾棒盤組有2種:第一種是由14個規格為705 mm×146 mm×400 mm的濾棒盒組成的濾棒盤組；第二種是由15個規格為705 mm×134 mm×400 mm的濾棒盒組成的濾棒盤組。其中，單元質量為150 kg，單元尺寸為2 050 mm×710 mm×405 mm。

對濾棒成形機而言，每臺成形機具有600 m/min的生產能力，每個濾棒盒可裝4 000支濾棒，8臺濾棒成形機每小時總共可獲得2 400 000支的產量，入庫濾棒最大輸出量為43 PL/H。對濾棒出庫能力需求而言，以卷包機組設備能力為基礎，設置其能力為45 PL/H。對出庫最大頻率而言，以設備能力為基礎，設計成形機組端為86 PL/H、發射機組端為90 PL/H。

2 系統工藝流程設計

2.1 空濾棒盒供給設計

空濾棒盒指的是未安裝濾棒的儲存單元。為滿足生產所需，龍巖煙草工業有限責任公司共有兩種規格的空濾棒盒，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。對成形機組而言，空濾棒盒供給功能是指成形機組在進行濾棒生產時，成組的空濾棒盒被對應的分離機構分離成單個空盒，并在升位移機作用下送往裝盒機中。此外，若上層空盒輸送機數量無法滿足設定的數值，需要借助調度上位系統申請出庫任務。上位系統此時會對庫存狀況進行檢驗與條件判斷。在達到出庫標準時，調度系統會接收到一條出庫作業任務。緊接著由調度系統下發命令，由堆垛機執行出庫作業命令。此時，堆垛機會取出指定貨物，并將其放入到申請出庫的成形機站臺中，如此便完成了空濾棒盒組的出庫任務。

2.2 實濾棒盒入庫設計

實濾棒盒是指裝滿濾棒的存儲單元。濾棒規格不同，那么其放入的存儲單元就會不同。例如長度為120 mm的濾棒放入的是19盤/組存儲單元中，長度為108 mm的濾棒放入的是21盤/組存儲單元中。此處實濾棒盒入庫是指龍巖煙草工業有限責任公司自產濾棒的成形機直接生產入庫。在入庫之前，需要將該組濾棒信息填入射頻識別(radio frequency identification，RFID)標簽中以作標示，為后期的追溯工作提供便利。濾棒從裝盤機中卸下后，通過輸送機將其傳輸到電子標簽處填寫濾棒相關信息。若寫入成功，那么滿盤濾棒塑格會進入下一環節，并依照順序在輸送機上一字排開；若寫入不成功，輸送機的報警系統就會響應，同時滿盤塑格不會進入下一個環節，需要等待相應工作人員的處理——要么更換新的電子標簽進行重新填寫，要么退回重寫嘗試填寫。為實現批次化管理，工作人員不可擅自動用向前移動且未填寫相關信息的濾棒滿格。若成形機端的下層濾棒數量已處于飽和狀態，即達到相應的預設值，當光電管感應到該狀態后，停止后面輸送管送來的濾棒。此時，輸送皮帶也會停止轉動，滿盤入庫任務的信息也會申請至上位系統。當上位系統接收申請后，需要檢查并校對濾棒品牌信息與庫內貨位情況。核對無誤后，由上位通知調度系統進行調度。最終，由調度系統命令堆垛機前往入庫站臺收取貨物，并將其運輸值高架庫內，由此實現成形機端的入庫作業任務。

2.3 實濾棒盒出庫設計

實濾棒盒出庫作業核心功能是以發射機下達的品牌任務為基礎，將庫內存放的濾棒精準送至發射機上層輸送機出庫站臺。

實濾棒盒放置于發送機的上層傳輸機中，實濾棒盒組上的濾棒有序排開，由卸盤機負責卸盤。若上層滿盒數量無法達到相應標準，即低于預設數值情況時，光電管或作出反應，向上位系統提交出庫申請。上位系統在接受到申請信息后，會核實可用的濾棒盒。核實無誤后，生成出庫任務，并下發到調度系統中，由調度系統控制調度堆垛機運輸實濾棒盒前往發射機出庫站臺。此外，若發送機實際發送的濾棒與從高架庫內運輸來的濾棒存在差異，相關人員會及時收到信息提醒，避免濾棒錯用事件的發生。

2.4 空濾棒盒回庫設計

空濾棒盒回庫是針對發送機空盤入庫而言的。卸盤機卸盤后的空盤會存放到發送機的下層，而濾棒品牌是具體存放數量的決定性因素。

卸盤機將空濾棒盒放置下層輸送線上，而后在下層輸送線皮帶轉動下，將其傳輸至翻轉機中。此時，翻轉機翻轉90°，旨在將空濾棒盒中的殘留物清除干凈。當翻轉次數達到預設值時，皮帶將會停止轉動，向上位提交入庫申請信息。當上位接收到申請信息后，向調度系統下達相應的入庫指示；由調度系統控制堆垛機核實相關入庫信息后，將空濾棒盒運輸至任務指定位置，實現空濾棒盒的回庫任務。

2.5 特殊處理流程設計

特殊處理流程設計主要包括人工抽檢返庫和退庫(轉平庫)兩方面內容。

①人工抽檢返庫。實濾棒盒組是人工抽檢返庫的操作對象。若質檢員發現濾棒在自檢環節中出現問題時，需要借助人工進行再次檢查，并由人為的方式對濾棒進行抽檢出庫。詳細操作設計為：首先，通過人工的方式在上位系統中查找出問題濾棒所在的位置；其次，由上位系統生成抽檢任務，并下達到調度系統中；最后，由調度系統控制堆垛機取出任務指定的問題濾棒并運輸至人工站臺，由質檢員進行再次檢測，根據檢測結果對改組濾棒進行處理。

②退庫(轉平庫)。高架庫內的實濾棒盒組和空濾棒盒組是退庫作業的操作對象。為避免高架庫因堆垛機故障導致空格或濾棒短缺現象，龍巖煙草工業有限責任公司在平庫內備用了空格和濾棒。當出現這種短缺現象時，通過人工站臺執行空格和濾棒退庫的操作，使人工出庫任務傳輸至上位系統，而后由上位系統將任務指令下達給調度系統。調度系統在接收到上位系統下達的指令時，會調度控制堆垛機將所需的空格或濾棒運輸到人工站臺，最終通過人工方式實現空格或濾棒的搬運工作。在此之前，需要對高架庫內的庫存狀態進行改寫。

3 系統實現

3.1 空濾棒盒供給流程實現

為了更好地體現濾棒庫自動化立體倉儲控制系統的實現情況，本文給出了濾棒庫自動化立體倉儲控制系統平面簡圖，如圖1所示。

圖1 濾棒庫自動化立體倉儲控制系統平面簡圖

同時，為更好地描述各站臺情況，本文還在圖1中以字母的形式對各站臺進行了區分。根據生產需要，系統下發空濾棒盒出庫指令，由堆垛機將指定空濾棒盒輸送到成形機組站臺(即B站臺)，而后又傳輸到A站臺，最后進入成形機，實現空濾棒盒子供給。空濾棒盒供給流程如圖2所示。

圖2 空濾棒盒供給流程圖

3.2 實濾棒盒入庫流程實現

從圖1可以直觀看出，實濾棒盒從成形機出發來到E站臺，接著又被運輸到F站臺。此時，需要將濾棒信息填入RFID標簽中。若寫入失敗，電控信息會進行報警，等待人工處理，即更換載碼體后再入庫；若寫入正確，由上位系統調度堆垛機將實濾棒盤組運輸至制定位置，完成入庫。實濾棒盒入庫流程如圖3所示。

圖3 實濾棒盒入庫流程圖

3.3 實濾棒盒出庫流程實現

根據生產需要，系統下發實濾棒盒出庫任務。首先，控制調度堆垛機運輸指定貨物至發射站臺中的C站臺；其次，再借助輸送機將實濾棒盒運輸至D站臺中；最后，將實濾棒盒送入發射機中，實現實濾棒盒的出庫任務。實濾棒盒出庫流程如圖4所示。

圖4 實濾棒盒出庫流程圖

3.4 空濾棒盒回庫流程實現

根據生產需要，卸盤機卸盤結束后，會產生空濾棒盒。這些空濾棒盒會傳輸至I站臺中，而后經過傳輸機傳輸至H站臺。當空濾棒盒在該站臺中放滿一組后，便可申請入庫，由系統向堆垛機下發空濾棒盒回庫任務，由堆垛機將空濾棒盒運輸至指定貨位，完成回庫。空濾棒盒回庫流程如圖5所示。

圖5 空濾棒盒回庫流程圖

3.5 特殊處理流程實現

特殊情況的處理有兩種。第一，卸盤機和裝盤機可能會存留沒有用完的滿濾棒盒。此時需要借助人工搬放到緊急出庫站臺中，由人工現場給系統退實料信息。當信息經系統核對無誤后，才能入庫，否則系統將出現自動報警現象。第二，卸盤機處的空盤數量無法達到規定的入庫數量時，系統無法自動處理。此時仍需要借助人工，將其搬運到緊急出庫站臺中。待搬運結束后，由人工現場給系統退空盤信息。系統此時再對貨物進行外形檢測。當檢測合格且滿足規定入庫數量后，再進行入庫，實現特殊情況的處理。

4 濾棒庫自動化立體倉儲控制系統運行效果

為體現濾棒庫自動化立體倉儲控制系統的運行效果，本文對當下濾棒庫自動化立體倉儲控制系統與龍巖煙草工業有限責任公司原濾棒庫自動化立體倉儲控制系統的執行能力情況進行了統計。系統執行能力對比如圖6所示。

圖6 系統執行能力對比圖

由圖6可知，原濾棒庫自動化立體倉儲控制系統的執行能力為103.6 PL/H，與目標值110 PL/H仍存在一定的差距，但已然較為接近。而當下的濾棒庫自動化立體倉儲控制系統的執行能力為125.2 PL/H，已超過了目標值，能較好地完成任務目標。

為更好地觀察濾棒庫自動化立體倉儲控制系統的運行效果，本文還對比了原濾棒庫控制系統與當下濾棒庫控制系統在一年中任務量較大時期的任務完成時間情況。原濾棒庫系統一天任務完成時間低于200 s的柱狀圖如圖7所示。

圖7 原濾棒庫系統一天任務完成時間低于200 s的柱狀圖

由圖7可以看出，原濾棒庫系統任務完成時間大多分布在65～120 s之間，最短時間為50 s。

當下濾棒庫系統一天任務完成時間低于120 s的柱狀圖如圖8所示。

圖8 當下濾棒庫系統一天任務完成時間低于120 s的柱狀圖

從圖8可以看出，目前濾棒庫系統任務完成時間大多數分布在36～84 s之間，與原濾棒庫系統相比，存在較大的提升。因此，本文設計的濾棒庫自動化立體倉儲控制系統能有效提高公司的存儲效率，給公司帶來良好的經濟效益。

5 結論

首先，本文以龍巖煙草工業有限責任公司為研究對象，對濾棒庫自動化立體倉儲控制系統的參數情況進行了設計；其次，對空濾棒供給、實濾棒盒入庫等系統工藝流程進行了設計；最后，對濾棒庫自動化立體倉儲控制系統進行了實現研究和運行效果檢驗。通過與原濾棒庫系統進行對比，證明了本濾棒庫自動化立體倉儲系統的可行性。