劉 勇 ，劉福蓉

（湖南省煙草公司衡陽市公司，湖南 衡陽 421000）

0 引言

地市級煙草物流配送中心會將各中煙公司生產(chǎn)的卷煙分類匯聚，然后分批發(fā)放給卷煙零售客戶，最后流通到消費者手中。在此過程中，煙草的物流系統(tǒng)起到了十分重要的作用。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，客戶對卷煙有著不同的消費需求；同時，由于物流系統(tǒng)的日益完善，客戶對物流配送的時效性以及配套服務(wù)要求越來越高。事實上，卷煙分揀作業(yè)占據(jù)了較大的地市級煙草物流配送中心作業(yè)比重，一般來說，分揀作業(yè)會耗費總作業(yè)時間的50%左右，而分揀作業(yè)所花費的成本大約占比60%?？梢?，分揀作業(yè)的效率及質(zhì)量會直接影響到物流中心的效益，甚至影響到整個行業(yè)的發(fā)展。卷煙分揀系統(tǒng)是煙草物流系統(tǒng)的核心部分，伴隨卷煙分揀量的增加及配送時效性的提高，越來越多的煙草物流中心都在努力開發(fā)適用的卷煙自動分揀系統(tǒng)。

目前，煙草行業(yè)標準條煙的尺寸規(guī)格為（270～285）mm×（85～90）mm×（45～50）mm，在此之外的尺寸規(guī)格卷煙被稱為異型包裝卷煙。而伴隨國家煙草專賣局供給側(cè)結(jié)構(gòu)性調(diào)整的不斷發(fā)展，煙草行業(yè)相比以往更加重視卷煙包裝個性化，開發(fā)大量的異型包裝卷煙來滿足客戶的消費需求，伴隨異型煙品規(guī)以及數(shù)量的遞增，各地煙草物流中心承擔了比以往更多的異型煙分揀任務(wù)，要求提高異型煙分揀效率的呼聲也越來越高。

在異型煙分揀系統(tǒng)中，目前主流方法是使用半自動化甚至電子標簽輔助人工分揀的模式，其問題在于人工分揀勞動強度較大、分揀率低、錯誤率高，難以盤點。由此，需要針對異型煙包裝特點以及卷煙的訂單結(jié)構(gòu)，來調(diào)整異型煙設(shè)備分揀調(diào)度系統(tǒng)模型，構(gòu)建出效率較高的異型煙分揀系統(tǒng)，以提高地市級煙草物流配送中心的分揀效率，這是目前煙草物流的重點研究方向[1]。

1 分揀設(shè)備種類

1.1 電子標簽分揀設(shè)備

該設(shè)備是位于貨倉儲物架的電子設(shè)備，在工控機讀取訂單后，會點亮對應(yīng)標簽，顯示拾取數(shù)量，工作人員進行人工操作，拾取條煙，按下完成按鈕，完成分揀?？梢?，這種分揀設(shè)備應(yīng)用時間較早，極為依賴人工，分揀率低且勞動強度大，并且伴隨一定的錯誤率。不過由于其成本低、技術(shù)含量低，小型的煙草物流配送中心依然使用這種設(shè)備。

1.2 半自動分揀設(shè)備

其主要構(gòu)件為立式分揀機，工作流程是給每種品牌卷煙提供儲藏倉位，在分揀作業(yè)前，需要人工給對應(yīng)儲存?zhèn)}位填充條煙，然后由立式分揀機代替人工自動分揀。有效提高了分揀效率，降低了錯誤率及人工勞動強度。由于半自動分揀設(shè)備的分揀速度較快，成本相對較低，在中型的卷煙物流配送中心較為適用，也是目前使用最多的卷煙分揀設(shè)備[2]。

1.3 全自動分揀設(shè)備

全自動分揀設(shè)備的自動化程度高，實現(xiàn)了出庫、填充、分揀以及包裝的全過程自動化。目前使用最多的全自動分揀設(shè)備，每小時可以分揀卷煙20 000 條。然而成本較高，一套設(shè)備需投資約2 億元，占地面積大且維護成本和難度較高，主要適用于大型煙草物流配送中心，目前這種設(shè)備的靈活度較低、結(jié)構(gòu)較為復雜，使用較少。

2 全自動異型煙分揀系統(tǒng)整體模型分析

2.1 異型煙分揀方案分析

2.1.1 分揀流程

中煙公司生產(chǎn)的各類卷煙會匯聚在物流中心，經(jīng)過分揀作業(yè)之后，配送到零售端。分揀流程的起始是接收到訂單，然后將商品快速精確地分揀出來，打印客戶代碼，碼垛裝箱。目前半自動以及全自動分揀系統(tǒng)的分揀流程都是接收訂單→判斷是否為標準條煙→進行分揀→打碼→碼垛裝箱→出庫配送。以往異型煙的種類較少，由此，更多使用異型煙人工分揀、打碼、裝箱，存在效率較低、錯誤率較高的問題。特別是目前煙草市場個性化發(fā)展，越來越多的異型煙流入市場，人工分揀方式已經(jīng)不能滿足異型煙的分揀需求。

2.1.2 異型煙特點

異型煙的尺寸規(guī)格異于標準條煙，要自動化完成異型煙的分揀工作，就需要針對異型煙的尺寸規(guī)格在分揀設(shè)備中設(shè)定對應(yīng)程序。目前，主要使用的分揀設(shè)備有立式、臥式、通道式三類。其中臥式和通道式更加偏向于全自動化，利用設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點設(shè)定了標準尺寸條煙的自動上煙方式，但是無法自動上異型煙，甚至會卡住導致故障。如果要利用通道式或者臥式分揀設(shè)備自動分揀異型煙就勢必要改造其結(jié)構(gòu)，這無疑會擴大占地面積，增加技術(shù)難度。而立式分揀設(shè)備本身可以調(diào)整煙倉寬度，更加容易完成自動化分揀異型煙的工作[3]。物流中心所接受的異型煙品牌約100種，其尺寸規(guī)格迥異，而零售商對每種的需求并不多，每天需求不固定。由此，如果給每個品牌設(shè)定單獨的煙倉，在成本上并不適宜。主要使用的物流系統(tǒng)中煙倉位置固定，需要人工調(diào)整煙倉，面對較多的調(diào)整工作，會存在錯誤率高、難度大的問題。

2.1.3 異型煙和標準煙的分揀區(qū)別

在碼垛上由于異型煙的尺寸規(guī)格不同，而出于工序流程需求，碼垛需要維持在一定規(guī)格，由此異型煙目前使用人工碼垛的方式更為適宜。標準條煙可以使用疊煙機自動碼垛裝箱以及塑封包裝，一般30 條煙為同一批次碼垛。而異型煙需要人工碼垛裝箱，并且在裝箱容量統(tǒng)一的情況下，需要合理分配異型煙裝箱。在碼垛順序上，標準煙尺寸規(guī)格相同，工序為順序進行。而異型煙碼垛需要考慮穩(wěn)定性問題，所以更多使用人工碼垛調(diào)整方式來提高分揀效率。在打碼上，標準煙大多使用分部位打碼方式，皮帶輸送到打碼位置即可。但是異型煙的尺寸結(jié)構(gòu)不一，不能確保位于皮帶居中位置，需要使用整形滾筒歸整到靠邊位置進行打碼。

2.2 異型煙分揀方案設(shè)計

針對異型煙的特點及諸多問題，需要在分揀系統(tǒng)模型中單獨設(shè)計異型煙的分揀方案。目前異型煙最大的問題在于整形打碼，需要根據(jù)訂單需求來設(shè)置條煙隊列，并計算出倉時間，達到出煙效率最大化的目的。

2.2.1 分揀隊列

利用虛擬托盤概念，可以讓分揀系統(tǒng)先計算條煙出倉速率和時間，然后在最大化出煙效率情況下，達到控制間距的效果。其原理在于接收訂單后，在模型中先預(yù)設(shè)皮帶上存在相等間距的虛擬托盤，在分揀開始后，托盤和皮帶線速度相等，進入分揀區(qū)，讓訂單的條煙單獨占用托盤，由此計算條煙出煙時間，統(tǒng)一調(diào)配[4]。分揀系統(tǒng)可以精確控制煙倉出煙時間，避免多條異型煙堆積，導致無法控制間距，整形失效。

2.2.2 條煙順序

條煙順序影響工作人員的碼垛效果。由于異型煙的尺寸規(guī)格各異，需使用人工碼垛方式，依據(jù)周轉(zhuǎn)箱的寬度來計算寬度，確保煙垛的穩(wěn)定性，避免倒塌。在標準煙的碼垛方式上，一般是排序碼垛以充分利用周轉(zhuǎn)箱的空間。但是，異型煙由于長寬高差異較大，如此碼垛后，無法確保煙垛高度是否平整，需要優(yōu)化條煙順序以確保順序碼垛下異型煙垛的穩(wěn)定性。在模型設(shè)計上，讓訂單中寬度最大的異型煙先出，其次是寬度較小的異型煙，如此可以確保周轉(zhuǎn)箱的煙垛呈現(xiàn)底寬上窄的趨勢，提升煙垛穩(wěn)定性。

2.2.3出煙時間

在分揀隊列中條煙占據(jù)單一托盤，通過托盤運輸?shù)臅r間即可得到出煙時間。在工序中途，虛擬托盤以皮帶線速度運輸，計算出空托盤數(shù)、托盤間距、煙倉間距、皮帶線速度，則可得到出煙時間。依照出煙時間排序，可以生成出煙隊列，實現(xiàn)分訂單分揀，實現(xiàn)出煙效率最大化[5]。

2.3 異型煙分揀流程

在確定異型煙的分揀方案后，可以分析分揀流程來優(yōu)化分揀系統(tǒng)模型。大多數(shù)物流中心是通過電控系統(tǒng)以及信息管理系統(tǒng)來調(diào)配異型煙的分揀。在分揀開始后，會通過PLC 依據(jù)出煙隊列控制煙倉電機，推出條煙落在皮帶中，經(jīng)由煙姿調(diào)整后靠邊整形再激光打碼，由擺臂導向不同下線口碼垛裝箱。

2.3.1 機械結(jié)構(gòu)

依照目前使用最多的半自動分揀設(shè)備以及所指定的異型煙分揀模型，需要使用異型煙立式分揀機，這種分揀機的機械結(jié)構(gòu)由煙倉、電機、推煙結(jié)構(gòu)、出煙運動傳感器以及煙倉傳感器構(gòu)成。1）煙倉，可以調(diào)節(jié)大小以確保符合異型煙的標準。2）傳輸皮帶，通過傳輸皮帶來運輸條煙，連通各個環(huán)節(jié)。3）煙姿轉(zhuǎn)向皮帶，針對條煙尺寸規(guī)格不一的情況，利用轉(zhuǎn)向皮帶使條煙長邊平行皮帶運行方向以便于整形。4）整形滾筒，由于異型煙尺寸規(guī)格不一，所以需要靠邊整形后打碼，由此通過整形滾筒，沿斜向傳輸條煙，配合限位導桿使條煙靠邊對齊，便于打碼。5）打碼皮帶，在整形后，打碼，運輸?shù)较戮€口。6）下線口皮帶，根據(jù)訂單需求，將一個訂單的條煙運輸?shù)酱a垛裝箱平臺，經(jīng)人工處理將條煙裝箱。

2.3.2 控制系統(tǒng)

在異型煙分揀調(diào)度系統(tǒng)模型中，控制系統(tǒng)必不可少，目前主流物流中心所使用的控制系統(tǒng)構(gòu)件主要有PLC 控制系統(tǒng)、服務(wù)器和工控機。其中工控機通過工業(yè)交換機連接服務(wù)器，讀取訂單信息并處理，通過以太網(wǎng)和PLC 連接，使得通信具有實時性。PLC控制系統(tǒng)由傳感器、主站、從站等設(shè)備構(gòu)建，利用變頻器來控制分揀流程中的所有邏輯判斷控制。在分揀模型中，要依靠控制系統(tǒng)對訂單完成處理，需要提取訂單信息并自動存入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中還需要存放異型煙尺寸規(guī)格的信息[6]。在處理訂單時，需要控制系統(tǒng)讀取異型煙的尺寸規(guī)格，計算分裝，自動給予出煙工序。

2.3.3 數(shù)據(jù)庫

對于分揀系統(tǒng)模型而言，數(shù)據(jù)是重中之重，不僅需要錄入異型煙的尺寸規(guī)格信息以用于計算工序等相關(guān)問題，還要錄入各類產(chǎn)品信息存檔，并且保存當天的使用信息。SQL數(shù)據(jù)庫是目前常用的數(shù)據(jù)庫，需要建設(shè)如表1 所示的訂單信息表，定義各類信息。然后，對尺寸規(guī)格、煙倉儲存、出煙隊列、故障信息依次建表，用于定義控制系統(tǒng)中各類參數(shù)的信息。

表1 訂單信息定義表

2.3.4 信息檢索

在分揀模型運行時，需要大量查詢數(shù)據(jù)庫中的信息來代入模型計算，因此檢索信息的效率和速度將會極大影響模型的品質(zhì)?？梢允褂?NET 框架的Dictionary 泛型類來解決這個問題。泛型類public class Dictionary＜TKey，TValue＞在命名空間System.Collections.Generic 下定義，TKey 為字典中的鍵的類型，TValue 為字典中的值的類型。Dictionary 泛型類提供了從一組鍵到一組值的映射。通過鍵來檢索值的速度非?？?，時間復雜度接近于O(1)，這是因為Dictionary 類是作為一個哈希表來實現(xiàn)的。哈希表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它通過把關(guān)鍵碼值映射到表中一個位置來訪問記錄，從而加快查找的速度[7]。

2.3.5 控制程序流程

在運行分揀系統(tǒng)模型時，控制程序流程從讀取訂單開始，在讀取到訂單信息后，會根據(jù)定義的訂單信息建立數(shù)據(jù)表并存入數(shù)據(jù)庫中。讀取訂單后，需要向數(shù)據(jù)庫查詢訂單中所需的香煙品類，根據(jù)香煙的代碼以及名稱匹配數(shù)據(jù)庫的信息。匹配成功后根據(jù)異型煙的體積信息拆分訂單，在算法計算后，對比周裝箱的參數(shù)信息來分配訂單工作任務(wù)，生成每一個周裝箱對應(yīng)的出煙隊列。根據(jù)出煙隊列來調(diào)整煙倉，制定工序。

3 模型應(yīng)用

在實際應(yīng)用中控制系統(tǒng)讀取訂單信息，PLC 會執(zhí)行任務(wù)，讀取煙倉表，匹配訂單香煙信息，讀取周轉(zhuǎn)箱訂單信息，計算條煙出煙時刻，將條煙對應(yīng)的煙倉編號、訂單號、出煙時刻添加到出煙隊列中，依照出煙時刻排序，并計算兩條煙的相對出煙時刻用以控制間距，結(jié)果如表2 所示。模型應(yīng)用表輸出每條煙的執(zhí)行順序、出煙時間、相對出煙時間、訂單號以及煙倉號，由此，可以給PLC 傳遞相對出煙時間、訂單號以及煙倉號三個控制信號，來控制煙倉動作。每條煙含有訂單信息，可以憑借模型應(yīng)用表查詢訂單完成情況并進行分揀操作[8]。

表2 模型應(yīng)用表

3.1 監(jiān)控

分揀時，除了分揀模型外還需要獨立運行分揀監(jiān)控系統(tǒng)來讀取PLC 的分揀數(shù)據(jù)，用于監(jiān)督工序是否正常執(zhí)行。監(jiān)控需要顯示出是否存在故障、存在何種故障，并且和數(shù)據(jù)庫連通，能夠?qū)⒎謷?shù)據(jù)信息、故障信息、工作人員操作記錄都自動錄入數(shù)據(jù)庫。要實現(xiàn)監(jiān)控就需要在PLC 儲存區(qū)設(shè)置監(jiān)控點，讀取到監(jiān)控點的儲存地址后，可以確定運行狀態(tài)是否正常。當存在故障時，向主控程序發(fā)送報警信號，及時通知工作人員執(zhí)行維修處理操作[9]。

3.2 模型應(yīng)用原則

在異型煙市場擴大的情況下，構(gòu)建分揀系統(tǒng)模型是有必要的。但首先需要考慮適用性和經(jīng)濟性，高效穩(wěn)定的系統(tǒng)不僅依賴設(shè)備的先進性和自動化程度，還需要考慮到系統(tǒng)思維，照顧到成本等相關(guān)問題。利用異型煙分揀系統(tǒng)，可以降低勞動強度并減少差錯，縮短分揀時間，同時要兼顧易操作性、可擴展性、可維護性原則。目前，分揀系統(tǒng)更多向模型化、標準化、參數(shù)化的方向發(fā)展。異型煙分揀模型的構(gòu)建需要依托于物流中心的工程模式，根據(jù)訂單信息，自動分配品種和倉位，提高分揀效率。

3.2.1 差錯控制

異型煙分揀，差錯控制是必要的，自動化分揀下，最容易出現(xiàn)問題的地方就是沒有及時補貨、及時改錯。需要利用工控機提示分揀、補貨，避免工作人員分揀出錯，在大多數(shù)物流中心中，會使用實物托盤來控制卷煙分揀。這就需要確保條煙不串戶，搭配編碼器復核煙倉出貨，避免條煙錯分、漏分的問題。

3.2.2 性能保障

應(yīng)用分揀系統(tǒng)需要注重安全性和可維護性。在整套分揀系統(tǒng)中，要確保機電設(shè)備不外露電線，各個接頭、穿管、橋架完全封閉，分開扎束內(nèi)部的強電和弱電線路，并對各個設(shè)備做好安全標識，設(shè)置醒目的顏色標識，避免工作人員誤觸。尤其在半自動的物流中心，人工導致的故障和誤差問題比比皆是。只有做好人員的安全培訓工作，才能夠充分解決好工作人員的安全問題以及分揀任務(wù)的效益問題[10]。

在模型中皮帶等傳輸機構(gòu)都是外露的，需要確保各個傳動機構(gòu)的鏈輪、皮帶輪都有防止串動的措施以及安全保護罩，避免操作人員操作失誤而導致人員損傷、設(shè)備損壞。尤其需要在容易發(fā)生危險的地方，設(shè)立安全警示牌，在各個電機上加裝過載保護裝置，確定可以及時斷電，避免危害進一步擴大。在設(shè)備金屬外殼上設(shè)置安全接地裝置。對于可以拆卸的部件要留出操作空間，在皮帶傳動設(shè)計中，要留出人員行動的空間，提高分揀系統(tǒng)的可維護性。

4 結(jié)論

異型煙的訂單數(shù)量不斷增多，異型煙的品類也在逐年增多。因此，設(shè)置調(diào)配異型煙分揀系統(tǒng)模型是必要的，預(yù)計之后每年異型煙分揀任務(wù)將會遞增，早做準備早使用異型煙分揀系統(tǒng)可以解決人工分揀產(chǎn)生的錯誤率高等諸多問題。特別是根據(jù)國家煙草專賣局的最新政策導向，煙草市場的各類產(chǎn)品未來將更加個性化發(fā)展，市場也需要包裝各異的產(chǎn)品來帶動消費者需求，這決定了未來異型煙的分揀任務(wù)將會不斷加重。利用異型煙分揀系統(tǒng)可以彌補人工分揀作業(yè)的不足，有效解決煙草行業(yè)存在的異型煙分揀效率低、差錯率高、勞動強度大、勞動力密集、過于依靠人力的問題，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。