生产物流系统的自动化是烟草行业步入现代化的重要标志。自动化物流系统可解决烟草生产厂家在大规模卷接包生产中, 多个品种、多种规格、多类材料的储存、供应, 并能够对大量的生产物流信息数据进行灵活处理, 对生产过程进行实时监控和调整。其中烟草立体仓库是卷烟生产自动化物流系统的重要组成部分。国内许多厂家已经在多个生产环节应用自动化立体仓库, 如在制丝车间采用立体仓库进行自动配料, 输入供给制丝生产线;在卷包车间采用立体库供给包装辅料及运送成品等。实践证明, 自动化立体仓库能够大大提高烟草企业的仓库管理水平和物流输送效率。在自动化立体仓库中, 各种出入库信息均可通过计算机集成管理技术得到行之有效的管理, 计算机根据信息的属性进行标准化、规范化甚至智能化的物料管理。自动化物流系统能够做到信息处理速度快、准确率高, 可缩短物资积压周期, 增强企业活力[1]。

近年来, 国内外烟草企业通过应用自动化物流系统, 获得了巨大经济效益。随着现代科学技术的飞速发展, 自动化物流系统性能得到了不断的提高和改进, 从初期单一的仓储、转运等工作, 发展成为具有高智能的集物料储存、输送、产品的制造工艺中转等为一体的智能化生产物料输送系统。

自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下, 自动地完成物品仓储和取出的系统。它以高层立体货架为主体, 以成套搬运设备为基础, 是集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率、大容量存储机构。自动化立体仓库的出现, 实现了仓库功能从单纯保管型向综合流通型的转变[2,3]。用PLC控制的自动化立体仓库能够实现仓储技术的全面自动化。自动化立体库的主要组成部分如表1所示。

表1 自动化立体库的主要组成  下载原图

自动化立体仓库的控制系统包括集中控制、分离式控制和分布式控制3种形式, 烟草厂商多采用分布式控制。采用PLC对控制的优点在于成本较低、可靠性高、有较强的抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便等[4]。

烟草自动化仓库一般采用包含自动高架仓库、运输带和AGV自动物流运输车等一体化系统为卷烟车间服务, 其中包含成品仓库、辅料仓库等自动化仓库, 生产物流的存储、流动和供料全部自动完成。辊链式输送机主要用于连接成品库进口、辅料库出口和AGV自走车系统。控制系统主要对出进货站台、堆垛机和辊链式输送机的电控系统以及货架进行控制。将系统中的传感器、执行器和可编程控制器连接, 通过编制相应的程序, 就可以用可编程序控制器来控制卷烟生产过程的物流工序。控制系统主要包含3个部分:辊道控制、垛机控制和货架控制。该控制系统采用两台PLC作为立体仓库的控制装置, 如图1所示。其中1号PLC主要用来控制堆垛机和辊链式输送机的电控系统, 2号PLC主要用来控制托盘及机台等其他部分。系统通过网络将两台PLC连接, PLC利用网络进行数据交换, 实现控制系统各个部分之间的协调动作和综合控制。在控制系统中, PLC控制程序的编制、修改、调试等使用一台上位机完成, 同时该上位机还具有监视自动化立体仓库系统的功能。

图1 卷烟车间立体仓库PLC控制系统示意图  下载原图

该自动化立体仓库控制系统采用分布式控制, 可编程控制器PLC不但是堆垛机等设备的主控制器, 同时还具有联机通信功能, 方便系统实现全自动控制。

根据卷烟生产的特点, 将仓库堆垛机控制设计为3种控制方式, 即完全手动控制、半自动控制和自动控制。其中全自动控制完全由PLC程序发送作业命令再由堆垛机执行, 运行过程由上位机对堆垛机运行状态实时监控。手动、半自动控制是操作员通过手动设置命令完成对堆垛机的控制。以全自动控制为主, 其他控制辅助控制的方式的结合, 有利于实现柔性化生产存储。

具体来讲, PLC在堆垛机控制系统实现的主要控制包括以下6个主要功能: (1) 作业命令设置功能。主要作用一是确定当前的控制方式, 全自动、手动或半自动;二是确定作业指令, 即取出还是存储卷烟配料, 同时还对存取地址就行控制。 (2) 位置控制。通过PLC通过检测货架的位置信息, 来判断当前堆垛机的位置和货架位置, 到达命令位置时堆垛机自动停车。 (3) 堆垛机的速度控制。堆垛机在存取卷烟配料的过程中, 经历加速、减速的过程, 为了满足定位精度, 实现精确存取, 一般采用模糊控制等实现堆垛机的加、减速控制和定位。 (4) 堆垛机的位置校验控制。堆垛机到达命令指定货架位置时, 位置校验系统开始判断进行位置精度检测, 当堆垛机和指定货架的位置偏差超出允许误差范围, PLC控制堆垛机进行位置调整, 直到到达满足偏差范围的位置。 (5) 堆垛机的安全限位控制。由于仓库货架、托盘的距离等都有严格限制, 堆垛机在巷道内行走、载货台升降、货叉伸缩等基本动作都必须有严格限位控制, 防止堆垛机撞到货架、托盘造成损失。 (6) 故障报警等其他辅助功能的控制。

图1所示的烟草立体仓库控制系统, 上位监控机与下位PLC之间的通信拓扑结构为总线型。上下位机交换的信息主要包括卷烟配料的出入库作业命令、堆垛机的当前位置和作业位置, PLC对各项作业的反馈信息、上位机对下位机所有作业完成情况的查询信息反馈、堆垛机等的当前任务完成情况以及是否故障等。上位机监控系统和PLC之间的数据通信保证了仓库中各个组成部分集中监控和协调作业的任务, 并实时跟踪各设备的运行情况和生产原料的运送和存储, 从而确保系统在安全准确执行任务信息的同时, 还能控制下一步工作的执行与否。这种上下位机实时通信的多任务控制方式, 能够大大提高系统运行效率。

仓库管理信息系统对于全自动立体仓库高效运行必不可少。卷烟车间内使用条形码对各种原料的仓储各环节实施全过程控制管理, 包含出入库管理信息系统和仓库盘点管理信息系统2个部分。仓储管理信息系统基于数据库和组态王软件进行构建。基本原理是利用DDE完成与组态王之间动态数据交换, 然后把不同货物的各种参数传送到系统主程序中, 再通过数据库连接把数据写入到数据库中, 同时还包括仓库存储信息的查询、添加、删除等多种功能。

随着现代科学技术的飞速发展, 自动化物流系统性能到了不断的提高和改进。本文提出一种基于PLC的卷烟车间生产物流自动化立体仓库, 并对系统的框架和主要技术作了详尽说明。全自动立体仓库与卷烟车间生产流水线相连接能够组成自动化程度较高的柔性烟草生产流水线, 大大节省劳动力并提高生产效率。随着PLC技术的不断发展, 烟草生产物流自动化程度必将越来越高, 最终实现生产流水线的无人化和智能化。