烟包水分检测赋值技术在配方库管理中的研究与应用

李 磊，林 敏，曹云祥，罗雨迪，王 芳，蒋鹏冲，李 虹

（1.湖北中烟工业有限责任公司武汉卷烟厂，湖北武汉 430040；2.北京航天拓扑高科技有限责任公司，北京 100176）

0 引言

在卷烟厂的回潮生产工艺流程中对水分控制是一项很重要的内容，涉及到烟叶含水率的检测，烟草行业的智能制造发展过程中，都会更新迭代使用不同的水分检测仪，研究新的检测工艺及合理数据统计分析。现在常用检测烟叶的技术是在烟包入配方库时利用微波水分检测仪或红外水分检测仪，但由于此时的烟叶还存储在纸质烟箱里面，导致检测到的水分偏差范围较大，准确度不够高，利用这些水分数据来指导配方出库效果不理想，没有实际性意义。为了得到烟叶水分真实值，排除纸箱对水分检测的影响，实施对拆包之后的烟叶检测水分真实值，将数据归档，当采集烟包数量到达一定规模之后，利用数据分析得到烟叶等级、年份的水分经验值。配方库依据各等级的水分经验值，调整相应的入库、出库分配策略，按照指定模式排序出库，即实现出库效率高，同时出库的烟包水分能更好适应回潮阶段进行水分柔性控制。

主要介绍烟包水分检测赋值技术相关理论分析、实施方案、水分赋值对配方库管理中出库策略调整进行剖析，为今后烟包水分检测赋值技术在配方库管理中提供一定的参考。

1 相关理论分析

1.1 烟包水分检测赋值路线

叶片处理段和配方库工作过程理论研究→水分仪的安装位置选择及水分计算方法分析→新增水分检测通道的PLC 程序开发及信息传递接口建立→烟包水分信息的接收和发送系统测试及改进→依据设定顺序，如水分高低的烟包出库功能实现→回潮控制系统加水流量研究。

1.2 出入库策略分析

出入库策略通常按照入库计划、出库计划、货位状态、设备状态等相关的货位分配元素计算出最优的入库巷道、出库巷道，在加入烟包水分赋值技术之后，需要加入物料水分经验值的元素，最终实现货物高效的存储及发送，保证系统的运转效率同时满足回潮阶段的水分柔性控制。出入库策略如图1 所示。

图1 出入库策略

2 方案设计

2.1 实施步骤

在回潮机入口皮带输送机（切片机出口）上新增一台水分仪，用于检测烟包切片后的水分，取每个烟包至少3 片的水分均值作为该产地、年份和等级烟包的实际水分。制丝车间管理系统通过与底层回潮机控制系统建立通信连接，读取该烟包的真实水分并存入数据库，（经过该等级烟包的多次实测水分数据的测量并进行平均取值后）并通过接口形式将该值传给配方库物流系统，替换同产地、年份和等级烟包的水分，其步骤如图2 所示。获取大量不同烟包的真实水分后，配方库将原计划出库的烟包重新按水分高低（或者指定方式）进行排序，生成新的出库单为叶片处理段供料，回潮机控制系统将按照水分变化趋势进行等比例或微调整更改加水流量，保证出口水分。

图2 实施步骤

2.2 信息交互与设计

配方库一批烟包投料结束，将该批的每一包烟按照出库顺序汇总起来发送给制丝车间生产管理系统；制丝车间生产管理系统根据水分仪采集到的水分通过序号关联起来进行归档，有多批投料数据之后计算出等级相应的水分平均值，传给配方库管理系统进行归档；配方库管理系统维护水分数据，关联到库存数据；配方库管理系统设计多种按水分投料出库方式，并能在投料时选定投料方式出库，也能通过接口接收制丝车间生产管理系统的投料方式进行出库。信息接口交互如图3 所示，接口列表见表1。

表1 接口列表

图3 信息接口交互

3 配方库系统管理

3.1 烟包水分值归档管理

配方库管理系统建立相应的水分数据维护界面实现水分数据的增删改查，同时相关的库存信息查询需要通过等级关联到相应的水分值进行相关的数据展示。

考虑到有些等级没有水分数据，系统增加默认水分平均值的参数设置，当投料计划按照水分模式投料时，如果某种等级没有水分值数据，将默认值赋予该等级进行水分排序。

3.2 投料模式管理

在配方库投料提供多种可选择的投料模式如下：

（1）配方顺序投料：按照配方现有的等级顺序，出完一个等级再出下一个等级依次进行出库。

（2）等级水分升序投料：按照配方的等级水分经验值按照升序顺序依次进行出库（薄片先出，烟叶后出）。

（3）等级水分降序投料：按照配方的等级水分经验值按照降序顺序依次进行出库（薄片先出，烟叶后出）。

（4）等级轮循分解排序：按照配方等级顺序，每种等级每次出一包，依次轮循，直到所有等级出库完成。

选择不同模式对投料出库的等级出库顺序进行相应的排序。配方库管理系统不仅能支持制丝管理系统通过接口发送投料模式指令，也能支持投料人员对投料模式的修改。

3.3 出入库分配策略

3.3.1 货位分配元素

3.3.1.1 入库计划

根据入库计划中获得入库的烟叶信息，其中包含烟叶的等级、年份、数量等多种维度的信息。根据烟叶信息判断出需要存储货位的总数，根据同一种烟叶进行巷道的均分设置，保证每个巷道拥有相对较平均的同种烟叶，防止某一个巷道完全存储同一种烟叶而造成货物堆积情况。从而根据计划、设备数量、货位存储状态优先算出所需巷道数量，作为巷道分配算法先决条件之一。

3.3.1.2 出库计划

根据出库计划获得出库的货位信息，其中包含烟叶的等级、年份、数量等多种维度的信息。根据出库的烟叶的等级、年份、总数、先进先出、设备状态等出库原则对货位上存储的烟叶进行计算，计算出出库烟叶在巷道中的分布，根据每个巷道所存在的出库烟叶进行数量的排序，依据该条件进行出库任务的下达。

3.3.1.3 货位状态

货位状态包含入库货位状态、出库货位状态、空闲状态、载货状态。

（1）入库货位状态代表将要有烟叶存储。在烟叶入库输送过程中对货位进行预绑定，在烟叶抵达该位置时入库状态变更载货状态。

（2）出库货位状态代表烟叶即将离开货位，按照计划计算出出库烟叶，对其所在货位进行出库预绑定，在烟叶离开该货位时出库状态变更为空闲状态。

（3）空闲状态代表货位没有存储烟叶。

（4）载货状态代表货位已经有烟叶存储。

上述4 种货位状态都将成为货位分配的重要维度。

3.3.1.4 设备状态

设备状态主要包堆垛机的设备入库状态、设备出库状态、设备空闲状态、设备故障状态。

（1）入库状态代表堆垛机正在执行入库任务状态。

（2）出库状态代表堆垛机正在执行出库任务状态。

（3）空闲状态代表堆垛机无任务状态。

（4）故障状态代表堆垛机处于故障状态不可使用。

针对这4 种状态在执行物料出入库时作为计算路径的主要维度。

3.3.1.5 烟叶水份经验值

烟叶水分经验值是大量采集同一种等级、年份烟叶的水分值后计算出来的一个均值，在入库的时候各巷道的水份经验值不同的烟叶均分设置，保证每个巷道拥有相对较平均的水分经验值烟叶，防止某一个巷道完全存储较高或者较低的水分经验值而造成按水分出库时各巷道的任务分配不均导致效率降低。

3.3.2 巷道分配算法

（1）水分经验值计算。巷道烟包水份经验值总和：

式中，Wtotal为巷道所有烟包水分经验值总和，T 为巷道单个烟包的水分经验值，n为巷道所有烟包数。

所有烟包水分经验值的平均值：

式中，Wave为所有烟包水分经验值的平均值。

巷道入库任务水分经验值总和：

式中，Win为巷道入库烟包水分经验值总和，I 为巷道入库烟包的水分经验值，m 为巷道入库烟包数。

巷道出库任务水分经验值总和：

式中，WOut为巷道所有烟包水分经验值总和，O 为巷道出库烟包的水分经验值，k 为巷道出库烟包数。

（2）入库巷道分配算法根据出入库计划、货位状态、设备状态、烟叶水分经验值来计算出最优巷道选择。计算公式如下：

如果入库烟包水分经验值大于整个库的烟包水分平均值Wave，查找的最小水分经验平均值巷道：

如果入库烟包水分经验值小于整个库的烟包水分平均值Wave，查找的最大水分经验平均值巷道：

（3）出库巷道分配算法根据出入库计划、货位状态、设备状态、烟叶水分经验值来计算出最优巷道选择。计算公式如下：

如果出库烟叶等级水分经验值大于整个库的烟包水分平均值Wave，查找的最小水分经验平均值巷道：

如果出库烟叶等级水分经验值小于整个库的烟包水分平均值Wave，查找的最小水分经验平均值巷道：

式中，WMin为最优入库巷道选择，WMax为最优出库巷道选择。

3.3.3 入库货位分配

入库时根据入库计划的内容对货位进行一个数量的统计，结合入库的数量、堆垛机任务数量、货位存储情况、出库数量、烟包水分经验值分析等各种维度，通过货位分配计算原则最终确定最优巷道的分配，将物料存放至货位。入库策略计算流程如图4 所示。

图4 入库策略计算流程

（1）S1：对入库计划计算，其中包含烟叶种类、等级、年份、入库数量信息。计划数量代表着入库上架的单据数量，其中包含入库站台，首先对入库站台上所含单据的总数进行分析计算，按照计划计算出对应的站台要执行的计划，确定执行的计划后计算出烟叶种类、烟叶数量等信息总和作为巷道选择的计算维度。

（2）S2：对出库计划计算，其中包含烟叶种类、等级、年份、出库数量信息。计划数量代表着出库的单据数量，首先对下达计划中的物料种类、物料数量进行计算汇总，计算结果作为巷道选择的计算维度。

（3）S3：对货位所在巷道的设备状态判断、计算，其中包含货位状态、货位存储信息。计算出设备状态正常的巷道，再根据货位计算是根据货位的存储状态、货位存储信息算出整个库区每个巷道所含有的可入库数量并按照巷道进行降序排序，目的是为了均衡每一个巷道的物料等级和物料数量。计算出的巷道可用数作为巷道选择的计算维度。

（4）S4：对烟叶水分经验值计算。烟叶水分经验值计算用于计算出每一个巷道内的烟叶水分经验值的平均值。入库时以平均值的升序进行排序。烟叶水分经验值的平均值作为巷道选择的计算维度。

最优货位选择利用上述S1～S4 步骤提供的计算维度，根据入库巷道分配算法的公式计算返回出最优巷道的结果。

3.3.4 出库货位分配

出库时根据出库计划的内容对货位进行一个数量的统计，结合堆垛机任务数量、货位存储情况、出库数量、烟包水分经验值分析等各种维度，通过货位分配计算原则最终确定出库巷道的分配。出库策略计算流程如图5 所示。

图5 出库策略计算流程

（1）S1：对出库计划计算，其中包含烟叶种类、等级、年份、入库数量信息。出库计划根据现有的计划总数，针对每一个执行计划中相同的烟叶种类进行合并计算，计算出每种烟叶的出库数量作为出库货位分配的计算维度。

（2）S2：对货位所在巷道的设备状态判断，货位计算。计算出设备状态正常的巷道，根据出库计划中计算出的结果，结合货位存储的情况，对烟叶出库进行预分配计算，对计算结果按照巷道进行烟叶种类、等级、年份、数量排序，作为出库货位分配的计算维度。

（3）S3：对烟叶水分经验值计算。烟叶水分经验值计算用于计算出每一个巷道内的烟叶水分经验值的平均值。出库时以平均值的降序进行排序。烟叶水分经验值的平均值作为巷道选择的计算维度。

出库货位分配利用上述S1～S3 步骤提供的计算维度，根据出库巷道分配算法的公式计算返回出最优巷道货位的结果。

4 烟包水分赋值对库存分布和出库排序的影响

4.1 库存分布影响

在未加入烟包水分经验值因素，烟包入库时按照等级均分到各个巷道，库存烟包水分分布不均匀，在加入烟包水分经验值后，每个巷道的等级水分经验的均值都比较平均；巷道水分经验值分布如图6 所示。

图6 巷道水分经验值分布

4.2 出库排序影响

在未加入烟包水分经验值因素，烟包出库时按照配方等级的排序依次出库，出库在设备正常情况下遵从先入先出的原则进行出库，出库后的烟包水份值波动比较大，在后续回潮加水阶段不能很好控制，加入烟包水分经验值之后，出库按照等级烟包水分经验值升序或者降序出库，更利于回潮加水阶段柔性控制。某配方出库排序经验水分值分布如图7 所示。

图7 某配方出库排序经验水分值分布

5 结束语

通过新增与制丝车间生产管理系统关于水分平均值、出库工单的信息接口，实现在配方管理系统中对等级烟包水分平均值的归档记录及库存关联，以及多种出库模式功能，满足烟厂在烟包水分检测赋值技术在回潮工序的研究与应用中，配方管理系统中加入水份经验值后对出入库策略的调整，既保证出入库效率又能按照一定水分规则进行出库满足回潮阶段水分的柔性控制的实现，记录、提供立库收发存环节，全生命周期的烟包水分检测赋值技术在回潮工序涉及的水分值基础数据，作为研究基础辅助依据。实现关键质量点水分数据采集与应用，打通质量数字化建设和水分智能控制研究，充分实现数据挖掘与运用，夯实质量数字化转型，提升制丝过程稳态控制水平。