異型煙雙碼垛自動(dòng)分揀虛擬托盤(pán)和合單算法技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025; 2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

系統(tǒng)仿真是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，依靠計(jì)算機(jī)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(shí)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(guò)這個(gè)模型進(jìn)行調(diào)試分析，得到正確策略的試驗(yàn)手段[3]。通過(guò)系統(tǒng)仿真可達(dá)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(dòng)化研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[5]。

隨著人們對(duì)香煙個(gè)性化需求加大，異型香煙的銷(xiāo)量逐年快速增長(zhǎng)，在2017年，細(xì)支卷煙等異型煙全年銷(xiāo)量同比增長(zhǎng)93.0%，已成為企業(yè)增長(zhǎng)的新亮點(diǎn)[6]，這也對(duì)異型煙分揀系統(tǒng)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。日益增長(zhǎng)的異型煙需求導(dǎo)致人工分揀效率已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)的出單需求[7]，如何準(zhǔn)確、高效、便捷地實(shí)現(xiàn)異型煙的自動(dòng)分揀，也是企業(yè)亟待解決的新課題[8]。

目前，國(guó)內(nèi)的條煙自動(dòng)化分揀線(xiàn)主要對(duì)于形狀規(guī)格一致的標(biāo)準(zhǔn)煙進(jìn)行分揀包裝，標(biāo)準(zhǔn)煙的自動(dòng)化分揀包裝技術(shù)已較為成熟，但有關(guān)異型煙自動(dòng)分揀線(xiàn)的研究很少。對(duì)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套針對(duì)異型煙的自動(dòng)化分揀線(xiàn)，并對(duì)分揀線(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)仿真試驗(yàn)。

由于煙草商品的特殊性，無(wú)法提供大量的物品來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)大規(guī)模的試驗(yàn)還會(huì)導(dǎo)致煙草市場(chǎng)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(kāi)支和對(duì)市場(chǎng)的影響，還可以模擬一些較為少見(jiàn)的工況，為試驗(yàn)提供有力支持。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

整個(gè)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(gè)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(bǔ)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(gè)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(xiàn)路數(shù)據(jù)、卷煙數(shù)據(jù)、客戶(hù)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(jìn)行優(yōu)化，確定各品規(guī)對(duì)應(yīng)的分揀倉(cāng)，并生成分揀線(xiàn)分揀作業(yè)計(jì)劃，為自動(dòng)分揀、包裝提供作業(yè)計(jì)劃和數(shù)據(jù)，確定每張訂單在相應(yīng)分揀倉(cāng)分揀的數(shù)量以及各品規(guī)分別占用哪個(gè)或哪幾個(gè)煙倉(cāng)進(jìn)行分揀作業(yè)。

(3)補(bǔ)煙系統(tǒng)

補(bǔ)貨小車(chē)根據(jù)每個(gè)倉(cāng)的出煙量，從煙庫(kù)中調(diào)配相應(yīng)件數(shù)的箱煙，進(jìn)行拆箱補(bǔ)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(jī)械的原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重組分配，并以分揀效率最優(yōu)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后根據(jù)訂單分配，給每一個(gè)訂單設(shè)置一組虛擬托盤(pán)，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(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)煙倉(cāng)寬度和出煙高度調(diào)整簡(jiǎn)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(xiāo)集中分揀或?qū)崟r(shí)訪銷(xiāo)實(shí)時(shí)分揀模式進(jìn)行分揀；3)分揀系統(tǒng)可根據(jù)銷(xiāo)售數(shù)據(jù)自動(dòng)分配品種與倉(cāng)位關(guān)系，提高系統(tǒng)分揀效率。

(5)打碼系統(tǒng)

打碼機(jī)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(duì)的情況，則會(huì)報(bào)警提示處理。

(6)碼垛系統(tǒng)

異型煙規(guī)格各異，無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)煙常用的疊煙機(jī)進(jìn)行碼垛，故需采用專(zhuān)用的機(jī)械手升降式碼垛托盤(pán)系統(tǒng)進(jìn)行碼垛。將皮帶上的條煙抓取至碼垛托盤(pán)上，逐層碼放，自動(dòng)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(dòng)送膜機(jī)構(gòu)及封刀機(jī)構(gòu)將煙垛裹成包，送入熱收縮機(jī)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(mén)子公司開(kāi)發(fā)的一套仿真軟件，可以對(duì)各種規(guī)模的工廠和生產(chǎn)線(xiàn)，包括大規(guī)模的跨國(guó)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)是由異步、突發(fā)的事件驅(qū)動(dòng)狀態(tài)演化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[10]，由于每個(gè)訂單的差異，時(shí)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(xiàn)為例建立仿真模型，分揀線(xiàn)框架如圖2所示。

圖2 分揀線(xiàn)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(guò)建立系統(tǒng)內(nèi)不同元素間的信息傳輸關(guān)系實(shí)現(xiàn)元素間的聯(lián)系[11]，所有的內(nèi)部元素被視為對(duì)象處理，每一個(gè)對(duì)象包含對(duì)象的屬性及方法函數(shù)，用以表示元素的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特征[12]。離散事件系統(tǒng)的包含事件調(diào)度法、活動(dòng)掃描法以及進(jìn)程交互法三種仿真策略[13]。此系統(tǒng)采用活動(dòng)掃描法。活動(dòng)掃描法中，仿真鐘推進(jìn)依據(jù)掃描最早事件，內(nèi)部處理事件條件，用各成分時(shí)間元的最小值推進(jìn)仿真時(shí)鐘， 按優(yōu)先序執(zhí)行激活實(shí)體的活動(dòng)處理，使測(cè)試通過(guò)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(shí)間，適用于成分相關(guān)性很強(qiáng)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(jiǎn)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(wú)法體現(xiàn)出來(lái)，故可以省去。打碼系統(tǒng)及貼標(biāo)系統(tǒng)僅有一臺(tái)打碼機(jī)及貼標(biāo)機(jī)進(jìn)行作業(yè)，且工作效率遠(yuǎn)高于其他系統(tǒng)，故對(duì)系統(tǒng)效率影響極小，可以略去。實(shí)際建立的仿真模型中主要包含以下無(wú)個(gè)系統(tǒng)：訂單分配系統(tǒng)、補(bǔ)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(xiàn)分成兩條煙倉(cāng)線(xiàn)，分別排放1～90號(hào)和91～180號(hào)煙倉(cāng)，和單排煙倉(cāng)相比，縮短煙倉(cāng)排放長(zhǎng)度，使煙倉(cāng)排布更為集中，減小分揀線(xiàn)的占地面積，縮短補(bǔ)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(guò)機(jī)械手碼垛來(lái)完成各層合單工作，最后裹膜貼標(biāo)后輸出進(jìn)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(gè)環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)主要依據(jù)每個(gè)貨物的name和liushuihao屬性來(lái)對(duì)貨物進(jìn)行操作，這兩個(gè)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(gè)難點(diǎn)在于虛擬托盤(pán)的劃分以及兩條線(xiàn)的合單工作。

圖4 分揀線(xiàn)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(pán)

每一個(gè)物件在皮帶上都有一段預(yù)設(shè)的托盤(pán)位置，因?yàn)檫@托盤(pán)不是現(xiàn)實(shí)意義上的托盤(pán)，只是我們?nèi)藶樵谄蟿澐值?，所以我們稱(chēng)這一段空間為虛擬托盤(pán)[15]。通過(guò)控制皮帶速度和分揀機(jī)的下煙速度，可以控制每個(gè)托盤(pán)的距離，每單條煙占據(jù)一個(gè)小托盤(pán)，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(gè)大托盤(pán)，每一個(gè)訂單之間有較大間隔以區(qū)分訂單并控制打碼機(jī)執(zhí)行切單操作。

圖5 虛擬托盤(pán)示意圖Fig.5 Virtual tray sketch

如圖5所示，假設(shè)每個(gè)小虛擬托盤(pán)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(pán)的寬度l為：

lj=di+ε

(1)

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

(2)

設(shè)傳送帶的速度為v，分揀機(jī)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(yàn)證每一訂單的煙數(shù)量是否正確，故基于SimTalk語(yǔ)言設(shè)計(jì)了以下算法來(lái)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(cāng)線(xiàn)的煙依據(jù)流水號(hào)分別分成了上下層兩條皮帶，同一流水號(hào)的煙要打包在一起，故碼垛時(shí)需要進(jìn)行合單碼垛。

由于異型煙的特殊性，在碼垛的時(shí)候要依照前期處理過(guò)的煙的順序進(jìn)行碼垛，才能保證垛型穩(wěn)定。為了防止順序錯(cuò)亂，要按照l(shuí)iushuihao值小的先進(jìn)行碼垛，值相等時(shí)，主線(xiàn)先碼垛的順序，且需在某段流水號(hào)斷層時(shí)能正常工作，基于SimTalk語(yǔ)言設(shè)計(jì)了以下合單算法來(lái)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(guò)對(duì)從某市煙草物流中心獲得的實(shí)際訂單數(shù)據(jù)中六天的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。采集得數(shù)據(jù)如下圖6所示。

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

圖6 機(jī)械手占用統(tǒng)計(jì)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(dá)到9 174條/小時(shí)，相較于單碼垛分揀系統(tǒng)的平均工作效率4 777條/小時(shí)，雙碼垛效率是單碼垛的1.92倍。將單日異型煙分揀時(shí)間縮短至7小時(shí)以?xún)?nèi)，相較于單碼垛最多12小時(shí)的工作時(shí)長(zhǎng)，極大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。A線(xiàn)上的機(jī)械手占用率達(dá)到94.85%，B線(xiàn)上的機(jī)械手占用率達(dá)到84.39%，這是由于B線(xiàn)上的煙量較少與A線(xiàn)。在此分揀系統(tǒng)下，機(jī)械手空閑時(shí)間很少，占用率較高。

僅需要增加一個(gè)碼垛機(jī)構(gòu)便能達(dá)到接近兩條單碼垛自動(dòng)分揀線(xiàn)的工作效率，且機(jī)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(guò)增加碼垛機(jī)構(gòu)來(lái)提升系統(tǒng)效率是十分經(jīng)濟(jì)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(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求。

預(yù)計(jì)在某市投入使用后，可節(jié)約分揀線(xiàn)工人6人，按月工資4 200元/人月計(jì)算，預(yù)計(jì)年節(jié)約人工成本30萬(wàn)元，硬件投入約20萬(wàn)元，回收期約8個(gè)月，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

結(jié)果表明，采用實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，通過(guò)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(dá)到9 174條/小時(shí)。通過(guò)對(duì)分揀線(xiàn)路和碼垛策略的修改，增加一個(gè)碼垛輸出，充分調(diào)動(dòng)利用了系統(tǒng)各部分的剩余工作能力，能滿(mǎn)足某市煙草物流中心的工作效率需求。

利用仿真技術(shù)對(duì)異型煙自動(dòng)分揀線(xiàn)進(jìn)行分析，可一定程度上減少資金浪費(fèi)以及對(duì)生產(chǎn)造成的影響，并能很好的達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)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(dá)出來(lái)并快速進(jìn)行優(yōu)化。