鐘 亮

（湖南省煙草公司衡陽(yáng)市公司，湖南 衡陽(yáng) 421000）

0 引言

隨著異型卷煙品規(guī)與銷量不斷增加，傳統(tǒng)的電子標(biāo)簽分揀線分揀效率低、差錯(cuò)率高，異型煙分揀已成為行業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題[1-2]。異型煙分揀線按照自動(dòng)化程度可分為手工分揀線和半自動(dòng)分揀線。由于條煙尺寸的差異性，目前很難做到全自動(dòng)化的異型煙分揀。

為此，某煙草物流中心分析現(xiàn)有模式，在充分利舊的基礎(chǔ)上，對(duì)分揀設(shè)備進(jìn)行了改造，效率從800條/h提高到2 000條/h，效率問(wèn)題得到初步提升。但由于煙倉(cāng)數(shù)量有限或者某些品種尺寸特殊等緣故需要手工揀選，導(dǎo)致手工揀選停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、停機(jī)等待浪費(fèi)、柔性分揀能力差[3]等問(wèn)題。因此本文在嘗試較少硬件改動(dòng)的情況下，通過(guò)流程優(yōu)化讓手工揀選和自動(dòng)揀選同步進(jìn)行，并采用自動(dòng)合單的方式，減少人工干預(yù)，提高效率。

1 預(yù)分揀技術(shù)

1.1 工藝布局

傳統(tǒng)異型煙分揀工藝是一種串行的流水線工藝，如圖1所示。完整的異型煙分揀線由立式機(jī)組、輸送裝置、手工揀選工位、打碼機(jī)、裹包機(jī)組成。其流程為：立式機(jī)組將條煙按照訂單將條煙彈射到主皮帶上，經(jīng)過(guò)人工揀選工位、打碼工位打碼，最后進(jìn)入包裝機(jī)打包、貼標(biāo)機(jī)貼標(biāo)后進(jìn)入配送環(huán)節(jié)。人工揀選工位為非必要項(xiàng)，假如某個(gè)訂單有手工揀選的條煙，則進(jìn)入手工揀選流程，該流程可以細(xì)分為訂單尾進(jìn)入揀選點(diǎn)、輸送帶停止、顯示條煙抓取信息、抓取條煙、核對(duì)信息、放置條煙、啟動(dòng)輸送帶等7個(gè)環(huán)節(jié)，如圖2所示。當(dāng)任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，全線停止等待，而且需要手工揀選的條煙較多時(shí)，整個(gè)工藝流程重復(fù)次數(shù)多，差錯(cuò)率快速提升。

圖1 工藝布局

圖2 工藝流程

1.2 流程優(yōu)化

預(yù)分揀就是在立式機(jī)分揀過(guò)程中，手工揀選同步進(jìn)行，即并行分揀，從而減少分揀時(shí)間。改進(jìn)后的工藝如圖3所示。當(dāng)開(kāi)始分揀時(shí)，立式機(jī)自動(dòng)分揀條煙，同時(shí)顯示條煙抓取信息（后5單）。在立式機(jī)分揀的條煙輸送至揀選點(diǎn)的過(guò)程中，人工完成條煙抓取、信息核對(duì)并放置條煙。當(dāng)自動(dòng)分揀的條煙尾部輸送至揀選點(diǎn)時(shí)，如果該戶訂單有需要揀選的條煙，那么將人工揀選的條煙合并到輸送帶，同時(shí)，自動(dòng)刷新顯示屏（隱藏剛過(guò)去的一個(gè)訂單，顯示后5個(gè)訂單）。

圖3 并行流程

為清晰反映流程優(yōu)化后所節(jié)省的時(shí)間，按操作流程對(duì)各環(huán)節(jié)平均耗時(shí)進(jìn)行分析。從圖3可以看出，手工揀選的操作流程中耗時(shí)最多的集中在條煙抓取、放置條煙、信息核對(duì)環(huán)節(jié)，運(yùn)用ECRS分析法重新梳理流程，在前訂單尾離開(kāi)揀選點(diǎn)立即給出下一單抓煙信息，抓取條煙、核對(duì)信息在下一單進(jìn)入揀選點(diǎn)時(shí)完成，那么將大大減少停機(jī)等待的時(shí)間。

2 自動(dòng)合單技術(shù)

2.1 合單皮帶裝置

上述流程還可以進(jìn)一步優(yōu)化，將流程中的設(shè)備停機(jī)、啟動(dòng)環(huán)節(jié)直接優(yōu)化掉，也就是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)合單。與上述優(yōu)化流程類似，同樣提前顯示信息、條煙抓取、核定信息之后，將抓取的條煙放置在一條叫做合單皮帶的裝置上，如圖4所示。其中119號(hào)編碼即為自動(dòng)合單裝置，它可以放置3-5個(gè)需要揀選的訂單。當(dāng)需要揀選的訂單尾進(jìn)入揀選點(diǎn)后，合單裝置啟動(dòng)，將需要合單的條煙輸送至主皮帶后停機(jī)，等待下一個(gè)需要揀選的到達(dá)揀選點(diǎn)，以此取代主皮帶需要進(jìn)行啟?？刂苼?lái)人工放置條煙。需要指出的是：合單皮帶較寬，非常適合特異型煙的分揀。

圖4 合單皮帶位置圖

合單皮帶是一條長(zhǎng)3m的皮帶，安裝垂直于主皮帶。其寬度為400mm，高度為520mm，略高于中心帶20mm。合單皮帶采用變頻器控制，功率為0.37kw，速度為1.2m/s；揀選帶末端帶有一對(duì)光電管，用于計(jì)算分揀條煙數(shù)量。

合單皮帶需要一個(gè)顯示屏配合使用，訂單加載到PLC之初，會(huì)顯示后面連續(xù)需要抓取的5單條煙，人工揀選條煙將按照15mm/條的間距擺放；控制系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)控制模式，根據(jù)需要出煙的數(shù)量，依靠光電管計(jì)數(shù)分揀條煙，每分揀一個(gè)訂單控制系統(tǒng)自動(dòng)刷新后續(xù)需要揀選的條煙。當(dāng)預(yù)揀選帶上的條煙分揀完成，缺煙情況下系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)預(yù)警；當(dāng)需要合單而缺煙時(shí)，主皮帶會(huì)自動(dòng)停機(jī)報(bào)警等待，直到揀選完成。

2.2 自動(dòng)合單技術(shù)

完成上述自動(dòng)合單功能的關(guān)鍵，在于實(shí)時(shí)計(jì)算訂單進(jìn)入揀選點(diǎn)。條煙自動(dòng)分揀示意如圖5所示。分揀順序從左往右，即先分揀1號(hào)煙倉(cāng)，依次向后；皮帶輸送方向同樣從左往右；皮帶中，正中間是第X個(gè)訂單，右側(cè)是第X-1個(gè)訂單（較X的前一個(gè)），左側(cè)是第X+1個(gè)訂單（較X的后一個(gè)）；訂單之間的距離為訂單間距；訂單長(zhǎng)度是指訂單內(nèi)條煙寬度總和。

圖5 條煙分揀示意圖

設(shè)通道個(gè)數(shù)為M，訂單集合為X=[X-1,X,X+1,...,X+N]，nij表示第i個(gè)訂單在j個(gè)通道上的分揀條煙數(shù)。

假定每個(gè)通道分揀速度一致，用fv表示每條煙的分揀速度，用l表示條煙長(zhǎng)度，則每條煙分揀時(shí)長(zhǎng)：

考慮條煙撥打間隔用t0表示，單通道條煙分揀時(shí)長(zhǎng)：

考慮訂單間距為L(zhǎng)，同時(shí)將訂單間距換算為條煙撥打時(shí)間用tl表示，則：

設(shè)皮帶速度一定，用V0表示，則每個(gè)訂單長(zhǎng)度為：

其中，m表示最大通道序號(hào)。

進(jìn)一步推導(dǎo)合單位置算法模型，如圖6所示。

圖6 合單示意圖

首先當(dāng)前訂單（X1）尾部離開(kāi)揀選點(diǎn)（合單位置），顯示屏立即提示操作工后三個(gè)需要揀選的訂單具體信息，操作工根據(jù)提示將條煙放置在緩存上，如圖6的訂單（X1+3，X1+13）；待主線上訂單（X1+3）尾部進(jìn)入揀選點(diǎn)，由合單裝置將人工揀選訂單（X1+3）的條煙彈射到主線上，從而完成合單。這相當(dāng)于環(huán)節(jié)并行的同時(shí)，對(duì)人工揀選環(huán)節(jié)進(jìn)行了緩存，消除揀選條煙較多而引起停機(jī)等待的因素，合單裝置節(jié)省了主線電機(jī)頻繁啟停的時(shí)間與不利影響。

設(shè)定0時(shí)刻為基準(zhǔn)時(shí)刻，設(shè)揀選點(diǎn)到皮帶起點(diǎn)距離為l0，那么訂單I尾部進(jìn)入揀選點(diǎn)的時(shí)刻為：

由此，以判斷出訂單尾進(jìn)入揀選點(diǎn)。

3 自動(dòng)合單控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 電控系統(tǒng)

自動(dòng)合單電控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，其一計(jì)算訂單尾到達(dá)揀選點(diǎn)；其二控制自動(dòng)合單皮帶合單、補(bǔ)貨及報(bào)警。原有分揀設(shè)備采用西門(mén)子S7-1500 CPU 1516-3PN/DP[4],僅需要增加兩個(gè)對(duì)應(yīng)功能塊及光電傳感信號(hào)、輸出控制點(diǎn)，控制變頻器驅(qū)動(dòng)合單皮帶運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)合單。如圖7所示。

圖7 自動(dòng)合單示意圖

控制流程如圖8所示。在訂單下達(dá)PLC時(shí)，獲取前一訂單的計(jì)算值作為當(dāng)前訂單的基準(zhǔn)控制值，在這個(gè)值的基礎(chǔ)上，加上當(dāng)前訂單長(zhǎng)度和揀選點(diǎn)絕對(duì)位置，得到揀選點(diǎn)相對(duì)于本訂單的相對(duì)位置。在該位置與計(jì)數(shù)器當(dāng)前位置做差，如果大于等于零表示當(dāng)前訂單還未進(jìn)入揀選點(diǎn)，那么就返回訂單池繼續(xù)輪尋訂單，并重復(fù)本步驟；如果小于零，表示當(dāng)前訂單已經(jīng)進(jìn)入揀選點(diǎn)。對(duì)于進(jìn)入揀選點(diǎn)的訂單，進(jìn)一步獲取需要揀選的條數(shù)，并啟動(dòng)合單設(shè)備，條煙經(jīng)過(guò)合單設(shè)備進(jìn)入主皮帶輸送線，每經(jīng)過(guò)合單設(shè)備光電檢測(cè)裝置一次，PLC對(duì)需要揀選條煙條數(shù)進(jìn)行減一操作，直到揀選條煙條數(shù)為零，計(jì)數(shù)完成；當(dāng)然減數(shù)操作過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)缺煙。

圖8 自動(dòng)合單控制流程圖

計(jì)數(shù)完成并不是終點(diǎn)，合單設(shè)備還需要繼續(xù)運(yùn)行，進(jìn)行補(bǔ)煙操作，為下次揀選做準(zhǔn)備，是否補(bǔ)煙到位同樣依靠合單裝置光電傳感器檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，PLC控制設(shè)備補(bǔ)貨停止，未檢測(cè)到則繼續(xù)補(bǔ)貨。當(dāng)發(fā)生缺煙時(shí)，由PLC控制信號(hào)輸出，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器。

3.2 數(shù)據(jù)分析

以2021年5月分揀數(shù)據(jù)與2021年8月分揀數(shù)據(jù)作為對(duì)比分析，分別代表改造前和改造后的設(shè)備運(yùn)行狀況，以此判斷預(yù)揀選技術(shù)的效果。設(shè)備運(yùn)行條件：設(shè)備連續(xù)運(yùn)行，直到完成當(dāng)天分揀量，期間設(shè)備每天一次保養(yǎng)；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)10個(gè)分揀工作日；為忽略每天訂單總量的波動(dòng)，采用每小時(shí)揀選停機(jī)時(shí)間來(lái)度量。手工揀選時(shí)間=揀選等待/故障總時(shí)間*60，見(jiàn)表1。

表1 分揀停機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（min）

4 結(jié)語(yǔ)

本文從工藝流程、位置算法模型兩個(gè)方面介紹了異型煙預(yù)分揀技術(shù)，并對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了仿真對(duì)比。作為預(yù)揀選關(guān)鍵技術(shù)，位置算法模型在虛擬隊(duì)列的基礎(chǔ)上計(jì)算而來(lái)，通過(guò)緩存裝置的多訂單緩存及自動(dòng)合單實(shí)現(xiàn)了手工揀選與自動(dòng)分揀并行作業(yè)。目前，此技術(shù)已在某煙草物流配送中心異型煙分揀線實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明：手工揀選時(shí)間下降66%左右，大大降低了異型煙手工揀選停機(jī)時(shí)間，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化此技術(shù)，將手工揀選時(shí)間消耗在條煙輸送途中，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫并行作業(yè)。