馮仁宇，張 翼，夏 凱，張 霖

（1.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海 200082；2.東實(shí)自動(dòng)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(duì)條煙進(jìn)行快速準(zhǔn)確識(shí)別的機(jī)器人——條煙分揀系統(tǒng)[1]。紀(jì)昌峰通過(guò)對(duì)系統(tǒng)策略的研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)WMS系統(tǒng)精準(zhǔn)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(xì)標(biāo)一體化分揀線的產(chǎn)能發(fā)揮不充分的問(wèn)題[3]。王文才等通過(guò)研究堆垛機(jī)、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(jì)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(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀，提高異型卷煙的分揀效率，提出整線運(yùn)用預(yù)分揀、雙層輸送等技術(shù)，減少訂單的等待排隊(duì)時(shí)間[6]。蔡俊凱提出了結(jié)合EIQ-ABC分析法與離散差分進(jìn)化算法優(yōu)化自動(dòng)化條煙分揀系統(tǒng)的倉(cāng)位分配問(wèn)題[7]。雷國(guó)星等通過(guò)對(duì)條煙姿勢(shì)調(diào)整滑道和第二水平輸送皮帶輪進(jìn)行改進(jìn)，提高了卷煙分揀的工作效率[8]。丁成杰通過(guò)實(shí)際分揀調(diào)試和規(guī)?；治鰴z驗(yàn)了異型煙分揀線設(shè)計(jì)的合理性，有利于卷煙智能分揀的優(yōu)化[9]。王楷設(shè)計(jì)了基于PLC的異型卷煙分揀控制與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了異型卷煙的高速分揀，證明了使用PLC進(jìn)行卷煙分揀的可靠性[10]。

本文采用通過(guò)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(jìn)行模擬生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)物流瓶頸，驗(yàn)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(chǎng)、脫離物理控制器的情況下也能組織調(diào)試。使用離線運(yùn)行方式，能快速對(duì)優(yōu)化策略進(jìn)行模擬驗(yàn)證，最終達(dá)到縮短調(diào)試時(shí)間、提升調(diào)試效率、降低調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，搭建一套基于仿真模型、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng) WMS (Warehouse Management System) 、倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)WCS (Warehouse Control System)、 模擬PLC控制程序[11]以及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的模擬調(diào)試環(huán)境，在測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行模擬生產(chǎn)。通過(guò)模擬生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)或者利用歷史訂單數(shù)據(jù)，對(duì)方案和策略進(jìn)行評(píng)價(jià)、發(fā)現(xiàn)程序的邏輯漏洞，對(duì)程序的邏輯漏洞進(jìn)行修復(fù)，以達(dá)到驗(yàn)證和優(yōu)化調(diào)度、控制邏輯的目的，最終實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、有序的模擬生產(chǎn)過(guò)程。其中，WMS能夠準(zhǔn)確、高效地管理客戶訂單、采購(gòu)訂單以及對(duì)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行綜合管理，而WCS則通過(guò)與WMS系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，驅(qū)動(dòng)立體倉(cāng)庫(kù)及輸送設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械動(dòng)作，并將PLC系統(tǒng)的狀態(tài)及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映在界面上，最終實(shí)現(xiàn)高效的倉(cāng)庫(kù)數(shù)字化管理[12]。

本仿真系統(tǒng)通過(guò)四個(gè)約束條件[13]實(shí)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(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，解決分揀調(diào)度策略更優(yōu)化問(wèn)題，本文在出入庫(kù)不同、先入先出、按序出貨不交叉和月臺(tái)不變四個(gè)約束條件下，實(shí)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(píng)估等功能。

2 卷煙分揀仿真系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(dāng)日的出庫(kù)訂單得出每個(gè)拆垛工位應(yīng)該對(duì)應(yīng)的品規(guī)。除此以外，系統(tǒng)還能夠優(yōu)化裝車順序，實(shí)時(shí)對(duì)車倆所使用的月臺(tái)進(jìn)行分配，減少車輛的等待時(shí)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(kāi)始時(shí)間讀取庫(kù)存數(shù)據(jù)庫(kù)里的最近一條庫(kù)存記錄，按照每個(gè)品規(guī)平分到南北兩個(gè)倉(cāng)庫(kù)中。仿真程序通過(guò)計(jì)算每類品規(guī)在南北庫(kù)中的庫(kù)存決定入庫(kù)或出庫(kù)訂單從哪個(gè)庫(kù)執(zhí)行；然后，通過(guò)查詢相關(guān)出入庫(kù)訂單任務(wù)的完成情況決定站臺(tái)的占用及釋放；接著，策略仿真程序統(tǒng)計(jì)出庫(kù)訂單各品規(guī)全部的散件數(shù)量，調(diào)用WMS移庫(kù)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(jìn)行出入庫(kù)訂單仿真。該分揀調(diào)度策略合理運(yùn)用了南北兩個(gè)倉(cāng)庫(kù)[14]，使得當(dāng)前時(shí)間段以前的庫(kù)存產(chǎn)品優(yōu)先出庫(kù)，月臺(tái)的使用率達(dá)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(kāi)發(fā)[15]，主要包含出入庫(kù)訂單模擬數(shù)據(jù)管理模塊、策略仿真管理模塊、WMS庫(kù)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(kù)訂單模擬數(shù)據(jù)管理模塊是選用歷史實(shí)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(kù)訂單及出入庫(kù)庫(kù)位分配策略生成出入庫(kù)和倒庫(kù)任務(wù)作業(yè)指令，通過(guò)接口發(fā)給WMS仿真模塊，完成出入口及倒庫(kù)作業(yè)任務(wù)，并且通過(guò)接口發(fā)給WCS仿真系統(tǒng)，完成指定的出入庫(kù)和倒庫(kù)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(kù)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(duì)象管理平臺(tái)中的底層數(shù)據(jù)庫(kù)采用不同類型的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎完成不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)訪問(wèn)需求。數(shù)據(jù)庫(kù)引擎包括實(shí)時(shí)分析搜索引擎Elasticsearch、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)引擎MySQL、時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)引擎InfluxDB、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)引擎Redis。其中，Elasticsearch數(shù)據(jù)庫(kù)用于仿真計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)分析；MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)用于模擬WMS庫(kù)位及作用流程的建模數(shù)據(jù)；InfluxDB數(shù)據(jù)庫(kù)用于仿真計(jì)算過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；Redis用于仿真計(jì)算模型的參數(shù)管理；WMS庫(kù)存管理模擬主要模擬了WMS系統(tǒng)庫(kù)存管理的一些主要功能，比如基礎(chǔ)信息管理、出入庫(kù)管理、庫(kù)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(kù)、倒庫(kù)等；入庫(kù)、出庫(kù)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(guò)接口傳送任務(wù)至WCS仿真模塊執(zhí)行，并通過(guò)接口返回任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果。

2.2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

WCS虛擬仿真模塊接收數(shù)字化對(duì)象管理平臺(tái)WMS系統(tǒng)下達(dá)的卷煙廠出入庫(kù)任務(wù)和單據(jù)，將這些任務(wù)信息分解后下達(dá)給各虛擬設(shè)備對(duì)象（如堆垛機(jī)、機(jī)器人、穿梭車、分揀輸送設(shè)備等），實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬設(shè)備的調(diào)度控制，進(jìn)行物流流程仿真，從而驗(yàn)證物流的運(yùn)行效率和方案設(shè)計(jì)的合理性。其中，WCS數(shù)據(jù)仿真模塊與數(shù)字化對(duì)象管理平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)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?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程圖

2.3 策略仿真系統(tǒng)的交互設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)策略仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與出入庫(kù)及庫(kù)存模擬數(shù)據(jù)管理。通過(guò)策略仿真的主界面選擇開(kāi)始時(shí)間與終止時(shí)間，開(kāi)始仿真即可實(shí)時(shí)觀察到策略仿真的運(yùn)行狀態(tài)及結(jié)果信息，隨時(shí)可終止并清空當(dāng)前仿真的運(yùn)行動(dòng)態(tài)交互信息；根據(jù)模擬出入庫(kù)訂單數(shù)據(jù)記錄每筆訂單策略運(yùn)行后的數(shù)據(jù)，便于后續(xù)策略效果的分析、評(píng)估；全部入庫(kù)訂單、出庫(kù)訂單、初始化庫(kù)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(jī)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(tái)搭建）直觀地將仿真結(jié)果呈現(xiàn)出來(lái)。

3 總 結(jié)

本項(xiàng)目擬通過(guò)搭建仿真模型，將WMS/WCS以及PLC控制程序融入仿真模型進(jìn)行模擬生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)物流瓶頸，驗(yàn)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(chǎng)、脫離物理控制器的情況下也能組織調(diào)試。通過(guò)半年的實(shí)際應(yīng)用，不斷迭代更新，訂單分揀結(jié)果顯示，在月臺(tái)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(shí)的件煙出庫(kù)要求；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，訂單結(jié)構(gòu)對(duì)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(gè)過(guò)程用時(shí)更短、效率更高、準(zhǔn)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(dòng)化水平與分揀效率，同時(shí)也為WMS/WCS在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的其他應(yīng)用提供了參考。