林煒民，李少波，楊旭東，穆康奇

(1.貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025; 2.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

系統(tǒng)仿真是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，依靠計算機軟件，搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，添加關(guān)鍵分析要素，建立能夠模擬實際系統(tǒng)工作、具有一定邏輯關(guān)系及數(shù)量關(guān)系的模型[1-2]，通過這個模型進行調(diào)試分析，得到正確策略的試驗手段[3]。通過系統(tǒng)仿真可達到預(yù)估分揀設(shè)備工作情況的目的[4]，已成為煙草物流自動化研究的熱點問題[5]。

隨著人們對香煙個性化需求加大，異型香煙的銷量逐年快速增長，在2017年，細支卷煙等異型煙全年銷量同比增長93.0%，已成為企業(yè)增長的新亮點[6]，這也對異型煙分揀系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)。日益增長的異型煙需求導(dǎo)致人工分揀效率已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)線的出單需求[7]，如何準(zhǔn)確、高效、便捷地實現(xiàn)異型煙的自動分揀，也是企業(yè)亟待解決的新課題[8]。

目前，國內(nèi)的條煙自動化分揀線主要對于形狀規(guī)格一致的標(biāo)準(zhǔn)煙進行分揀包裝，標(biāo)準(zhǔn)煙的自動化分揀包裝技術(shù)已較為成熟，但有關(guān)異型煙自動分揀線的研究很少。對此，我們設(shè)計了一套針對異型煙的自動化分揀線，并對分揀線進行了系統(tǒng)仿真試驗。

由于煙草商品的特殊性，無法提供大量的物品來進行試驗，同時大規(guī)模的試驗還會導(dǎo)致煙草市場混亂，在各方面因素的制約下，采取系統(tǒng)仿真分析不僅僅可以降低研發(fā)的開支和對市場的影響，還可以模擬一些較為少見的工況，為試驗提供有力支持。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

整個異型煙柔性分揀系統(tǒng)分為上位管理系統(tǒng)和分揀系統(tǒng)兩大部分，每個部分又分為若干小環(huán)節(jié)，系統(tǒng)骨架如圖1所示，包括：煙草上位管理系統(tǒng)、訂單分配系統(tǒng)、補煙系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、打碼系統(tǒng)、碼垛系統(tǒng)、裹膜包裝系統(tǒng)以及人工裝箱幾個環(huán)節(jié)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

(1)煙草上位管理系統(tǒng)

每日從上層信息系統(tǒng)取得線路數(shù)據(jù)、卷煙數(shù)據(jù)、客戶數(shù)據(jù)和訂單數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)下發(fā)給訂單分配系統(tǒng)。

(2)訂單分配系統(tǒng)

將數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，確定各品規(guī)對應(yīng)的分揀倉，并生成分揀線分揀作業(yè)計劃，為自動分揀、包裝提供作業(yè)計劃和數(shù)據(jù)，確定每張訂單在相應(yīng)分揀倉分揀的數(shù)量以及各品規(guī)分別占用哪個或哪幾個煙倉進行分揀作業(yè)。

(3)補煙系統(tǒng)

補貨小車根據(jù)每個倉的出煙量，從煙庫中調(diào)配相應(yīng)件數(shù)的箱煙，進行拆箱補煙工作。

(4)異型煙柔性分揀系統(tǒng)

接收訂單信息后，根據(jù)相關(guān)的策略并結(jié)合機械的原理對數(shù)據(jù)進行重組分配，并以分揀效率最優(yōu)方式進行數(shù)據(jù)分析，然后根據(jù)訂單分配，給每一個訂單設(shè)置一組虛擬托盤，并按碼垛順序?qū)熛轮疗渲付ㄎ恢谩?/p>

異型煙柔性分揀系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點：1)煙倉寬度和出煙高度調(diào)整簡單，具有柔性，用于不同尺寸異型煙和標(biāo)準(zhǔn)煙的分揀；2)分揀系統(tǒng)按集中訪銷集中分揀或?qū)崟r訪銷實時分揀模式進行分揀；3)分揀系統(tǒng)可根據(jù)銷售數(shù)據(jù)自動分配品種與倉位關(guān)系，提高系統(tǒng)分揀效率。

(5)打碼系統(tǒng)

打碼機采用激光打碼，將條煙碼依次打到相應(yīng)的條煙底部，若出現(xiàn)訂單煙數(shù)不對的情況，則會報警提示處理。

(6)碼垛系統(tǒng)

異型煙規(guī)格各異，無法使用標(biāo)準(zhǔn)煙常用的疊煙機進行碼垛，故需采用專用的機械手升降式碼垛托盤系統(tǒng)進行碼垛。將皮帶上的條煙抓取至碼垛托盤上，逐層碼放，自動優(yōu)化碼垛垛型，遵循上窄下寬，上矮下高的原則，優(yōu)化煙垛穩(wěn)定性，提高煙垛容量。

(7)裹膜包裝系統(tǒng)

利用滾動送膜機構(gòu)及封刀機構(gòu)將煙垛裹成包，送入熱收縮機加熱使塑料膜收縮裹緊。

(8)貼標(biāo)系統(tǒng)

將從上層系統(tǒng)獲得的煙包信息打印成小標(biāo)簽，貼在煙包頂部。

2 仿真模型建立

2.1 仿真框架搭建

此次系統(tǒng)仿真是基于Tecnomatix Plant Simulation 13.0軟件研究的，Tecnomatix Plant Simulation是西門子公司開發(fā)的一套仿真軟件，可以對各種規(guī)模的工廠和生產(chǎn)線，包括大規(guī)模的跨國企業(yè)，建模、仿真和優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)，分析和優(yōu)化生產(chǎn)布局、資源利用率、產(chǎn)能和效率、物流和供需鏈等[9]。

離散事件動態(tài)系統(tǒng)是由異步、突發(fā)的事件驅(qū)動狀態(tài)演化的動態(tài)系統(tǒng)[10]，由于每個訂單的差異，時間的不確定性，條煙分揀系統(tǒng)可以被視為一種離散事件系統(tǒng)，此次以某市分揀線為例建立仿真模型，分揀線框架如圖2所示。

圖2 分揀線框架Fig.2 sorting line frame

2.2 仿真調(diào)度策略確定

面向?qū)ο蟮碾x散事件系統(tǒng)仿真通過建立系統(tǒng)內(nèi)不同元素間的信息傳輸關(guān)系實現(xiàn)元素間的聯(lián)系[11]，所有的內(nèi)部元素被視為對象處理，每一個對象包含對象的屬性及方法函數(shù)，用以表示元素的靜態(tài)及動態(tài)特征[12]。離散事件系統(tǒng)的包含事件調(diào)度法、活動掃描法以及進程交互法三種仿真策略[13]。此系統(tǒng)采用活動掃描法?；顒訏呙璺ㄖ?，仿真鐘推進依據(jù)掃描最早事件，內(nèi)部處理事件條件，用各成分時間元的最小值推進仿真時鐘， 按優(yōu)先序執(zhí)行激活實體的活動處理，使測試通過的事件得以發(fā)生改變系統(tǒng)狀態(tài)，確定相關(guān)事件的發(fā)生時間，適用于成分相關(guān)性很強的系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 仿真策略流程Fig.3 The simulation strategy process

2.3 系統(tǒng)模型簡化

煙草上位管理系統(tǒng)屬于前期數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在模型中無法體現(xiàn)出來，故可以省去。打碼系統(tǒng)及貼標(biāo)系統(tǒng)僅有一臺打碼機及貼標(biāo)機進行作業(yè)，且工作效率遠高于其他系統(tǒng)，故對系統(tǒng)效率影響極小，可以略去。實際建立的仿真模型中主要包含以下無個系統(tǒng)：訂單分配系統(tǒng)、補煙系統(tǒng)、異型煙柔性分揀系統(tǒng)、碼垛系統(tǒng)以及裹膜包裝系統(tǒng)。

2.4 仿真模型建立

分揀線分成兩條煙倉線，分別排放1～90號和91～180號煙倉，和單排煙倉相比，縮短煙倉排放長度，使煙倉排布更為集中，減小分揀線的占地面積，縮短補貨路徑。在兩條分揀皮帶上完成打碼作業(yè)后各分成上下兩層，在碼垛流程通過機械手碼垛來完成各層合單工作，最后裹膜貼標(biāo)后輸出進入配送環(huán)節(jié)?；赥ecnomatix Plant Simulation建立的仿真模型如圖4所示[14]。

在整個環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)主要依據(jù)每個貨物的name和liushuihao屬性來對貨物進行操作，這兩個屬性是分揀前輸入的貨物自帶屬性。仿真環(huán)節(jié)主要的兩個難點在于虛擬托盤的劃分以及兩條線的合單工作。

圖4 分揀線仿真模型Fig.4 Sorting line simulation model

2.5 關(guān)鍵技術(shù)

2.5.1異型煙虛擬托盤

每一個物件在皮帶上都有一段預(yù)設(shè)的托盤位置，因為這托盤不是現(xiàn)實意義上的托盤，只是我們?nèi)藶樵谄蟿澐值?，所以我們稱這一段空間為虛擬托盤[15]。通過控制皮帶速度和分揀機的下煙速度，可以控制每個托盤的距離，每單條煙占據(jù)一個小托盤，在每條煙之間有小間隔以防止疊煙現(xiàn)象，每單煙占據(jù)一個大托盤，每一個訂單之間有較大間隔以區(qū)分訂單并控制打碼機執(zhí)行切單操作。

圖5 虛擬托盤示意圖Fig.5 Virtual tray sketch

如圖5所示，假設(shè)每個小虛擬托盤間距為ε，條煙厚度為di(i為品規(guī)代碼)，則訂單中第j小虛擬托盤的寬度l為：

lj=di+ε

(1)

每個訂單間的間距可以根據(jù)打碼器的識別速度來定，為固定值η，則每個訂單的寬度L為：

(2)

設(shè)傳送帶的速度為v，分揀機條與條的出煙間隔t可以由此得出：

(3)

訂單與訂單的出煙間隔T可以由此得出：

(4)

后續(xù)的打碼環(huán)節(jié)需要驗證每一訂單的煙數(shù)量是否正確，故基于SimTalk語言設(shè)計了以下算法來控制訂單間的間距：

if bijiao=0

bijiao:=@.liushuihao

else

if bijiao/=@.liushuihao

if Mudi<25 or Mudi>114

A0.entrancelocked:=true

bijiao:=@.liushuihao

wait T

A0.entrancelocked:=false

else

B0.entrancelocked:=true

bijiao:=@.liushuihao

wait 0.66

B0.entrancelocked:=false

end

end

end

2.5.2合單碼垛

兩條煙倉線的煙依據(jù)流水號分別分成了上下層兩條皮帶，同一流水號的煙要打包在一起，故碼垛時需要進行合單碼垛。

由于異型煙的特殊性，在碼垛的時候要依照前期處理過的煙的順序進行碼垛，才能保證垛型穩(wěn)定。為了防止順序錯亂，要按照liushuihao值小的先進行碼垛，值相等時，主線先碼垛的順序，且需在某段流水號斷層時能正常工作，基于SimTalk語言設(shè)計了以下合單算法來控制碼垛順序：

if A1.empty=true and A1_1.empty=true and A1_2.empty=true and A1_3.empty=true and bufferA1.empty=true

hdB1.exitlocked := false

hdA1.exitlocked := false

else

hdA1.exitlocked := false

hdB1.exitlocked := true

end

3 仿真結(jié)果分析

通過對從某市煙草物流中心獲得的實際訂單數(shù)據(jù)中六天的數(shù)據(jù)進行仿真實驗，得到以下實驗數(shù)據(jù)，見表1。采集得數(shù)據(jù)如下圖6所示。

表1 分揀效率統(tǒng)計表Tab.1 Sorting efficiency statistical table

圖6 機械手占用統(tǒng)計圖Fig.6 Manipulator portion statistics chart

數(shù)據(jù)表明使用雙碼垛分揀系統(tǒng)的平均工作效率能達到9 174條/小時，相較于單碼垛分揀系統(tǒng)的平均工作效率4 777條/小時，雙碼垛效率是單碼垛的1.92倍。將單日異型煙分揀時間縮短至7小時以內(nèi)，相較于單碼垛最多12小時的工作時長，極大減輕了工人的勞動強度。A線上的機械手占用率達到94.85%，B線上的機械手占用率達到84.39%，這是由于B線上的煙量較少與A線。在此分揀系統(tǒng)下，機械手空閑時間很少，占用率較高。

僅需要增加一個碼垛機構(gòu)便能達到接近兩條單碼垛自動分揀線的工作效率，且機械手占用率高，表明了當(dāng)前限制單碼垛系統(tǒng)的工作效率的最重要的環(huán)節(jié)在于碼垛環(huán)節(jié)，通過增加碼垛機構(gòu)來提升系統(tǒng)效率是十分經(jīng)濟有效的方式。由于每天的煙量和訂單結(jié)構(gòu)的區(qū)別，工作效率略有差異，但在正常范圍內(nèi)，能夠滿足實際生產(chǎn)需求。

預(yù)計在某市投入使用后，可節(jié)約分揀線工人6人，按月工資4 200元/人月計算，預(yù)計年節(jié)約人工成本30萬元，硬件投入約20萬元，回收期約8個月，具有一定的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

結(jié)果表明，采用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行仿真，通過Tecnomatix Plant Simulation建立的異型煙雙碼垛分揀系統(tǒng)相較于老式單碼垛系統(tǒng)，分揀效率提高至1.92倍，平均效率達到9 174條/小時。通過對分揀線路和碼垛策略的修改，增加一個碼垛輸出，充分調(diào)動利用了系統(tǒng)各部分的剩余工作能力，能滿足某市煙草物流中心的工作效率需求。

利用仿真技術(shù)對異型煙自動分揀線進行分析，可一定程度上減少資金浪費以及對生產(chǎn)造成的影響，并能很好的達到實驗?zāi)康?，獲取實驗數(shù)據(jù)，同時將該分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的缺陷和分揀策略的不足更加直觀地表達出來并快速進行優(yōu)化。