卷烟企业成品高架库自适应入库模式应用研究

文/ 彭海 陈建军 李全晶

一、现状与需求分析

成品高架库是指采用几层或十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行载烟托盘入库和出库作业的仓库[1,2]。随着烟草行业发展，成品高架库在越来越多的卷烟生产企业中得到应用。作为联接卷烟工商企业的桥梁，成品高架库具有成品入库、成品存储、成品发货的多重功能。在智能制造的背景下，卷包车间为快速满足市场需求，生产模式正在向柔性化转变，“单品海量，多品微量”成为生产常态。生产模式的转变，质量要求的提升，对于成品高架库入库环节提出更高的要求。

长期以来，现有的成品高架库在入库环节存在以下难点和痛点：

1.入库件烟实物与属性信息的不完全匹配

为了在面对商业公司不同订单的发货请求时正确响应，成品高架库在成品入库环节必须确保入库件烟实物与属性信息的完全匹配。在成品高架库的应用环境下，依靠人眼识别来确保件烟属性的正确已经不可能实现。入库时件烟属性的正确将最终决定出库时系统发货的正确，入库件烟属性信息的错误将很有可能引起出库的质量事故。

成品高架库物流系统通过下达入库计划来获得入库成品件烟的属性信息。入库计划将件烟的属性作为下达入库计划的必需字段，在件烟入库时通过条码识别件烟，码垛入库，将件烟属性信息与入库件烟实物绑定。现有的入库计划通过入库操作工进行人工下达，或者通过MES同步卷包车间的生产计划来生成，由于沟通不及时，或者MES的生产计划颗粒度不够，或者生产计划临时变动，入库计划无法做到与生产计划完全匹配，导致入库件烟属性信息与入库件烟实物出现偏差，影响质量追溯和出库作业。

2.缴库数据不准和无法核对

在成品高架库的应用环境下，如何确保车间生产的件烟数和成品高架库接收的件烟数量一致，成为一个技术难题。传统的缴库通过人工现场核对来实现，费时费力，而且在高架库环境下根本不可能实现。通过基于光电计数的比对，受环境干扰大，而且在缴库数不准时无法提供进一步的分析数据。

3.质量追溯的效率低

随着质量管理的加强，卷包车间对于生产过程中的质量问题基本上是“零容忍”，成品高架库物流系统的质量追溯功能必须快速而有效。但在现有的设计下，成品高架库入库的件烟信息只能绑定到装封箱机台，无法绑定到包装机台。而且，同一包装机台的条烟是随机进入装封箱系统，50件条烟可能来自不同的包装机台。这样在质量追溯时，必须把来自同一个装封箱机台的件烟拆箱，人工识别不同包装机台的条烟，效率低且费时费力。

4.入库通道的负载不均衡

目前的入库计划下达，没有对车间的不同区域、不同装封箱机的生产能力进行统计，入库计划没有与机台的生产能力匹配，经常导致不同的入库线设备忙闲程度差异过大，加速了部分设备的老化，也使现场维修的工作量加大。

近年来，随着大数据技术、云计算、人工智能等新兴技术兴起，“物联网+大数据+云计算+人工智能结合”的智能制造，成为制造业未来的发展趋势及重心。国务院颁发的《中国制造2025》中提出我国推进信息化与工业化深度融合的战略任务，并强调智能制造作为两化深度融合的主攻方向［3］。随着《中国制造2025》战略与技术在烟草行业的逐步深入推广应用，智能制造的思想在卷烟工业企业获得广泛关注。

智能制造的核心是数字化，数字化工厂、数字化产线、数字化产品等。数字化的基础是数据，数据的实时、准确、完整决定了数字化水平的高低。智能制造时代，卷烟工业企业需要根据用户需求进行大规模定制化生产并控制生产成本，这无疑对其物流系统提出更高要求，智能物流建设成为发展的必然。

智能物流要求通过互联网、物联网和智能产品、智能单元化物流技术实现数据与信息的实时采集、传输与处理，为大数据分析和决策提供依据，数字化仓储在物流高架库中的应用已经成为大势所趋。

二、设计思路

针对成品高架库在入库环节存在的难点和痛点，本文提出基于条码比对的自适应入库模式设计思路：

摒弃传统的人工下达和MES接口获取入库计划的做法，利用卷包车间成品件烟输送到成品高架库的时间差，通过信息接口将件烟的属性信息提前传递给成品高架库物流系统。成品高架库物流系统根据件烟的属性字段来动态调整入库计划，确保入库计划与实际入库件烟的属性完全一致。设计思路由以前的“下了计划等烟来”变为“烟来了自动下计划”。

车间生产的每一件烟都必须带条码，条码信息通过接口传递给成品物流系统。成品高架库收货时按照接口条码来进行，对于条码的接收情况能够进行实时监测与统计，确保缴库的一致。当缴库出问题时能够快速定位到出问题的条码，通过现场检查和视频监控定位问题。

质量追溯所需要的机台信息，通过装封箱系统绑定到件烟条码，装封箱系统在设计时同一个包装机台的条烟入同一个模盒，50条烟来自同一个包装机台。

在成品高架库自适应入库算法设计时考虑车间不同区域，不同装封箱机的生产能力，作为自适应算法的基础配置数据。

自适应的入库模式流程设计，如图1所示。

图1 自适应入库流程图

自适应的入库模式流程说明如下：

1.所有的成品件烟在入成品库之前，必须打印一号工程码/质量追溯码。

2.装封箱系统动态采集件烟所对应的装封箱机台号、烟箱类型等相关生产信息，并且在打印件烟条码时将条码与相关信息绑定。

3.在件烟输送主通道上通过扫码设备获取件烟的一号工程码/质量追溯码，将件烟的牌号、机台号、有/无码、烟箱类型等下达入库计划所有必需的信息，通过信息接口的方式发生给成品物流系统。

4.成品物流系统接收到相关信息后，对当前上线的件烟入库计划属性进行分析，没有变化的维持当前入库计划，有变化的结束当前入库计划，根据新的属性生成下一个入库计划。

5.根据现场生产情况统计各个装封箱机台的流量大小，将流量大的装封箱机台平均分配到成品入库设备上，做到流量均衡分配。

三、系统应用

1.一号工程码和质量追溯码的设计

条码是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记，“条”指对光线反射率较低的部分，“空”指对光线反射率较高的部分，这些条和空组成的数据表达一定的信息，并能够用特定的设备识读，转换成与计算机兼容的二进制和十进制信息。

通常对于每一种物品，它的编码是唯一的，对于普通的一维条码来说，还要通过数据库建立条码与商品信息的对应关系，当条码的数据传到计算机上时，由计算机上的应用程序对数据进行操作和处理。因此，普通的一维条码在使用过程中仅作为识别信息，主要是通过在计算机系统的数据库中提取相应的信息而实现。

图2为一个一号工程条码样例，通过扫描条码可以得到件烟的品牌，有/无码（一号工程码标准长度32位）。

图2 一号工程码样例

图3为一个质量追溯码的设计样例，设计的原则应该匹配一号工程码的信息内容，通过扫码条码可以得到件烟的品牌，有/无码（质量追溯码标准长度25位）。

图3 质量追溯码样例

通过一号工程码和质量追溯码的应用，车间到成品高架库的每一件烟都可以通过条码信息解析出卷烟品牌和有/无码信息。

2.装封箱信息系统的设计

（1）生产信息的实时获取

装封箱系统设计自带RFID芯片的模盒来存储条烟。每一个包装机的成品条烟都分别进入各自模盒，模盒芯片中存储包装机机台信息、装封箱系统所使用的烟箱信息（循环烟箱、新烟箱），装封箱所使用的打码设备的设备编号等。模盒满50条后进行封箱操作。

（2）一次扫描和信息绑定与上报

封箱完成，件烟进入扫描工位，激活扫码任务，出料工位出料并且有扫码任务时激活扫码器，出料完成时（出料辊筒动作且该工位光电开关没有信号）扫码结束复位扫码任务。装封箱电控系统将扫描到的条码信息与当前装箱的模盒RFID芯片中的生产信息绑定。

绑定后的扫码信息按照先进先出的顺序存放到PLC DB块中的信息队列中，信息队列可存放400条缓存数据。当上报区无数据时，将队列中最早的扫码信息存放至上报数据区，并将该扫码信息的索引赋为1，上位检测到此索引为1时，保存数据且将索引赋值为2，下位CPU检测到2时清除索引赋值为1，上报数据区清零。程序以此类推，对信息队列中的信息逐条上报。

（3）二次扫描与信息过滤

完成生产信息与条码信息自动绑定的件烟，在件烟输送设备上输送，由于质量检验、设备故障等，在经过垂直提升机前有可能被人工下线。为了精确定位车间输送到成品高架库的件烟信息，经过垂直提升机后，在件烟输送的主通道上安装扫描器进行二次扫描。电控将二次扫描扫到的条码上报给上位系统，上位根据条码信息在一次扫描的基础上进行过滤，生成输送到成品高架库的最终条码信息视图。

3.车间和成品物流之间信息接口的设计

装封箱信息系统将条码信息视图通过接口的方式共享给成品高架库物流系统。成品高架库物流系统采用定时扫描的方式，扫描视图中的数据改动，将新增的条码数据同步到成品高架库数据库中去，同时也得到每个条码关联的生产信息。车间和成品物流接口图,如图4。

图4 车间和成品物流接口图

4.成品高架库入库线的负载均衡

成品高架库的入库通道与机械手的对应关系，如图5所示。每台机械手对应四条入库通道，每一个入库通道对应于一个装封箱机台。每个机械手每分钟的作业能力是固定的，四条入库通道的流量总和不能大于机械手的作业能力。如果每个入库通道的入库计划在生成时没有考虑该通道对应的装封箱机台的流量，可能会引起某一个机械手的四条入库通道流量总和大于机械手的处理能力，造成入库时堵烟；同时有些机械手的四条入库通道流量又过小，设备长时间闲置。在自适应的成品高架库入库模式下，系统在自动生成入库计划的同时，会考虑到实际运行过程中每个装封箱机台的流量，将流量大的装封箱机台平均分配到不同的机械手上去，做到入库负载均衡。

图5 入库通道与机械手对应关系

通过统计分析，将各个装封箱机与入库通道的对应关系做成成品高架库自适应入库的基础数据，如下表所示。成品高架库物流系统在自动生成入库计划时将以表中的定义为准，将相应的通道和装封箱机台对应起来自动生成入库计划，这样就能保证所有的机械手流量均衡，不会产生忙闲不均的情况。

在表1中，大、中、小表示装封箱机台的流量大小，人标识人工上线口。

表1中定义的基础数据可以由WMS系统维护人员根据现场实际情况灵活配置。

表1 入库通道与装封箱机对应关系配置表

5.算法设计与实现

（1）成品高架库物流系统初始化时，所有入库通道上的入库计划全部清零。

（2）当成品高架库物流系统通过接口接收到卷包主通道上的件烟条码属性信息后，根据基础数据定义中各个装封箱机台对应的入库通道和件烟条码属性自动下达入库计划。

（3）当某个装封箱机台发生件烟属性的变化时，成品高架库物流系统通过接口上的条码检测到该属性变化。确认属性变化后先结束之前的入库计划，然后下达变化后的件烟属性入库计划。

（4）当某一个装封箱机台长时间没有件烟上线时，系统根据预先设定的时间自动结束入库计划。

（5）系统必须支持人工调整入库计划。

四、实施效果

成品高架库的自适应入库模式，采用先进的计算机技术、网络技术、数据库技术，以高效的信息处理体系为基础，实现了车间和成品高架库的生产信息实时共享，打通了生产环节的“最后一公里”，具有以下显著特点与优势：

1.计划精准匹配生产，信息准确对应实物。

采用自适应入库模式的成品高架库系统，入库计划根据车间装封箱机台实时上线的件烟属性来动态生成和实时调整，入库计划与生产的实际情况完全匹配，减少了人为沟通和MES系统生产工单不准确的干扰。入库计划与生产的完美匹配，使得件烟的入库信息能够准确对应实物，为成品高架库的准确出库打下坚实基础。

2.生产数据智能感知，质量追溯实时准确。

装封箱系统能够将每件烟的条码信息、生产信息绑定后通过接口传递给成品高架库系统。成品高架库自适应入库模式下，相同的装封箱机台的件烟对应于同一个入库通道，入库时码放到同一个入库托盘上。这样件烟在成品高架库扫码入库后，通过入库的条码可以反向查询到车间的具体生产机台。当某一个机台发生生产质量问题时，能够通过条码或者装封箱机台号快速定位到入库托盘号，实现质量追溯。

3.缴库计数基于条码，统计数据精准到位。

成品高架库的自适应入库模式下，一烟一码，每一件烟在入库时都会先在接口平台中生成一个条码。通过对相应条码的接收情况进行统计，能够实时监控车间缴库的情况。当班生产结束后，可以通过条码的接收情况对缴库总数进行统计。对比根据光电管触发计数而言，基于条码的缴库比对更加准确，而且在条码没有收到的情况下可以根据条码的打印时间进行现场的视频监控追溯，大大提高了缴库统计的准确性。

4.入库负荷智能调配，入库作业平衡高效。

成品高架库自适应入库模式下，系统对成品高架库的所有入库通道所对应的装封箱机台号的实时上线流量进行统计分析，在车间生产相对稳定的情况下，能够根据流量的大小来动态提示系统维护人员定期更新入库计划的基础数据，将系统流量尽量平均的分配到入库通道中去。通过这种设计，可优化入库流程，保证入库设备的均衡作业，延长设备的使用寿命。