異型件煙入庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

詹玉銘，李林高，黃 通，黃增達(dá)，溫居亮，張 聰，賴新添，黃澤華

中國(guó)煙草總公司深圳市公司，廣東省深圳市南山區(qū)茶光路1083 號(hào) 518055

異型條煙的包裝與標(biāo)準(zhǔn)條煙的包裝尺寸規(guī)格［（270～286）mm×（86～90）mm×（44～49）mm］差別較大，將異型條煙包裝成件，則為異型件煙［1-2］。由于不同品種規(guī)格的異型條煙尺寸、形狀、質(zhì)量各異，其包裝而成的異型件煙也千差萬(wàn)別。近年來(lái)隨著煙草行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，異型卷煙的品種和規(guī)格越來(lái)越多，產(chǎn)量也越來(lái)越大［3］。煙草商業(yè)企業(yè)對(duì)于異型煙的研究主要集中在異型條煙的分揀設(shè)備和包裝設(shè)備改造等方面，而對(duì)于異型件煙（以下簡(jiǎn)稱異型煙）入庫(kù)的研究報(bào)道較少［4-7］。由于異型煙的包裝特性，異型煙入庫(kù)大多采用手持式條碼掃描器人工掃碼入庫(kù)，入庫(kù)效率低［8］，無(wú)法滿足現(xiàn)有件煙入庫(kù)系統(tǒng)的生產(chǎn)需要，設(shè)計(jì)新型異型煙入庫(kù)系統(tǒng)已成為煙草物流中心的當(dāng)務(wù)之急。組網(wǎng)式條碼識(shí)別裝置由多個(gè)條碼識(shí)別器組成，可以對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行全方位識(shí)別，已成功應(yīng)用于民航機(jī)場(chǎng)行李分揀系統(tǒng)［9-10］。但機(jī)場(chǎng)行李標(biāo)簽條碼格式以及粘貼方式與煙草物流均存在差異，系統(tǒng)控制方式也與件煙入庫(kù)不同，無(wú)法直接應(yīng)用于煙草物流系統(tǒng)［11-12］。為此，以深圳市煙草物流中心為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于組網(wǎng)式條碼識(shí)別技術(shù)的異型煙入庫(kù)系統(tǒng)，以期提高件煙入庫(kù)效率，提高煙草物流自動(dòng)化程度。

1 問(wèn)題分析

深圳市煙草物流中心現(xiàn)設(shè)有2 個(gè)入庫(kù)口，每個(gè)入庫(kù)口均配有一臺(tái)伸縮皮帶機(jī)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)件煙（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)煙）入庫(kù)時(shí)，件煙通過(guò)伸縮皮帶機(jī)、件煙分揀線到達(dá)機(jī)械手碼垛工位區(qū)自動(dòng)碼垛，再由托盤(pán)輸送線將件煙轉(zhuǎn)運(yùn)到立體高架庫(kù)。件煙入庫(kù)作業(yè)流程見(jiàn)圖1。

實(shí)際工作中，異型煙入庫(kù)作業(yè)流程與標(biāo)準(zhǔn)煙不同。當(dāng)裝有異型煙的工業(yè)送貨車(chē)到達(dá)物流中心時(shí)，首先要根據(jù)車(chē)內(nèi)所裝貨物選擇入庫(kù)口。如果送貨車(chē)內(nèi)全部為異型煙，則選擇1 號(hào)口進(jìn)行異型煙入庫(kù)作業(yè)；如果送貨車(chē)內(nèi)同時(shí)裝有標(biāo)準(zhǔn)煙和異型煙（以下簡(jiǎn)稱混裝車(chē)輛），則選擇1 號(hào)口或2 號(hào)口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)煙入庫(kù)作業(yè)。如果混裝車(chē)輛在1 號(hào)口入庫(kù)，則標(biāo)準(zhǔn)煙通過(guò)輸送皮帶直接進(jìn)入件煙分揀線，異型煙必須在1 號(hào)口進(jìn)行人工碼垛后再轉(zhuǎn)運(yùn)入庫(kù)；如果混裝車(chē)輛在2 號(hào)口入庫(kù)，由于2 號(hào)口無(wú)法對(duì)異型煙進(jìn)行人工碼垛入庫(kù)，只能待標(biāo)準(zhǔn)煙入庫(kù)后，“二次倒車(chē)”到入庫(kù)口1 進(jìn)行異型煙入庫(kù)作業(yè)，入庫(kù)流程見(jiàn)圖2。

圖1 改造前件煙入庫(kù)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of cigarette case handling process before modification

圖2 改造前2 號(hào)口異型煙入庫(kù)流程圖Fig.2 Flowchart of cigarette case handling process from entrance No.2 before modification

分析可見(jiàn)，異型煙入庫(kù)過(guò)程中存在以下問(wèn)題：①裝有異型煙的送貨車(chē)不能直接在2 號(hào)口進(jìn)行異型煙入庫(kù)作業(yè)，需要倒車(chē)至1 號(hào)口，如果裝有異型煙的送貨車(chē)均安排在1 號(hào)口，則送貨車(chē)排隊(duì)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；②異型煙入庫(kù)時(shí)，首先要人工利用手持式條碼識(shí)別器對(duì)“一號(hào)工程”條碼進(jìn)行掃描確認(rèn)，再利用叉車(chē)將碼垛好的異型煙轉(zhuǎn)運(yùn)至輸送工位，在此過(guò)程中需要穿過(guò)出庫(kù)卷煙緩存區(qū)，存在交叉作業(yè)現(xiàn)象，具有安全隱患；③入庫(kù)環(huán)節(jié)所需人工較多，工作效率低；④由于異型煙入庫(kù)流程與標(biāo)準(zhǔn)煙不一樣，在混裝車(chē)輛進(jìn)行件煙入庫(kù)作業(yè)時(shí)，需要不斷切換條碼掃描和件煙碼垛方式，操作繁瑣。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

由于異型煙包裝尺寸變化較大，且異型煙包裝上的條碼位置和方向也與標(biāo)準(zhǔn)煙存在差異，原固定式條碼識(shí)別器不能直接對(duì)異型煙上的條碼進(jìn)行識(shí)別，機(jī)械手也無(wú)法對(duì)異型煙自動(dòng)碼垛。改進(jìn)后件煙入庫(kù)系統(tǒng)主要由伸縮皮帶機(jī)、組網(wǎng)式條碼識(shí)別器、件煙分揀線、異型煙下滑道、人工碼垛工位等部分組成，見(jiàn)圖3。其中，組網(wǎng)式條碼識(shí)別器位于件煙分揀線的前端，可同時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)煙和異型煙條碼，并將條碼信息分別傳送到分揀線控制系統(tǒng)和“一號(hào)工程”系統(tǒng)；異型煙下滑道位于件煙分揀線末端，采用彎道設(shè)計(jì)，以減小件煙下滑速度；人工碼垛工位位于托盤(pán)碼分機(jī)的左側(cè)，以利于快速補(bǔ)充托盤(pán)；人工碼垛工位與標(biāo)準(zhǔn)煙機(jī)械碼垛區(qū)分離，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

由圖4 可見(jiàn)，當(dāng)混裝車(chē)輛到達(dá)2 號(hào)口時(shí)，異型煙和標(biāo)準(zhǔn)煙均可通過(guò)伸縮皮帶機(jī)直接進(jìn)入件煙分揀線，經(jīng)組網(wǎng)式條碼識(shí)別器對(duì)件煙條碼進(jìn)行識(shí)別后，由件煙分揀線將標(biāo)準(zhǔn)煙分發(fā)至機(jī)械手碼垛區(qū)，再由機(jī)械手自動(dòng)碼垛；將異型煙分發(fā)至人工碼垛工位進(jìn)行人工碼垛，碼垛后自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)入庫(kù)。

2.2 組網(wǎng)式條碼識(shí)別器

圖3 改進(jìn)后件煙入庫(kù)流程示意圖Fig.3 Schematic diagram cigarette case handling process after modification

圖4 改進(jìn)后2 號(hào)口異型煙入庫(kù)流程圖Fig.4 Flowchart of cigarette case handling process from entrance No.2 after modification

條碼識(shí)別器是異型煙入庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，其識(shí)別準(zhǔn)確率會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的入庫(kù)效率。由于標(biāo)準(zhǔn)煙的煙箱高度差別不大，條碼位置和方向基本固定，改進(jìn)前采用的是固定式條碼識(shí)別器，掃描方向和焦距均固定，其工作原理見(jiàn)圖5。當(dāng)件煙在輸送皮帶上經(jīng)過(guò)光電開(kāi)關(guān)時(shí)，條碼識(shí)別器產(chǎn)生光束即可快速采集到條碼信息。

圖5 固定式條碼識(shí)別器工作原理圖Fig.5 Working principle of fixed barcode reader

異型煙的煙箱尺寸變化較大，尤其是煙箱厚度與標(biāo)準(zhǔn)煙箱差別較大，且部分異型煙箱上的條碼方向與標(biāo)準(zhǔn)煙箱相差90°。根據(jù)異型煙箱特點(diǎn)，改進(jìn)后采用了組網(wǎng)式條碼識(shí)別器，主要由一臺(tái)固定式焦距可變條碼識(shí)別器和一臺(tái)振鏡式焦距可變條碼識(shí)別器組網(wǎng)而成，見(jiàn)圖6。其中，固定式條碼識(shí)別器與煙箱前進(jìn)方向成90°放置，用于識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)煙箱以及條碼方向與標(biāo)準(zhǔn)煙箱相同的異型煙箱；振鏡式條碼識(shí)別器的安裝位置與煙箱前進(jìn)方向一致，用于識(shí)別條碼位置不確定、條碼方向與標(biāo)準(zhǔn)煙箱相差90°，且高度不固定的異型煙箱。

圖6 組網(wǎng)式條碼識(shí)別器工作原理圖Fig.6 Working principle of networking barcode readers

組網(wǎng)式條碼識(shí)別器由兩臺(tái)條碼識(shí)別器通過(guò)CAN 網(wǎng)絡(luò)組成主從系統(tǒng)，見(jiàn)圖7。由于進(jìn)行入庫(kù)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)煙數(shù)量多于異型煙數(shù)量，條碼識(shí)別系統(tǒng)將固定式條碼識(shí)別器定為主識(shí)別器（MASTER），振鏡式條碼識(shí)別器定為從識(shí)別器（SLAVE），兩臺(tái)條碼識(shí)別器采用同一觸發(fā)光電作為觸發(fā)源。當(dāng)件煙觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)時(shí)，主從識(shí)別器同時(shí)發(fā)光掃碼，當(dāng)其中一個(gè)識(shí)別器采集到條碼信號(hào)后，通過(guò)主識(shí)別器控制盒與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，再采用RS232 方式將采集到的條碼數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)RS485 方式傳輸給件煙分揀系統(tǒng)中的流程系統(tǒng)控制器FSC（Flow System Controller）。

圖7 組網(wǎng)式條碼識(shí)別器信號(hào)傳輸示意圖Fig.7 Schematic diagram of signal transmission of networking barcode readers

2.3 異型煙下滑道

改進(jìn)前件煙分揀線有5 條采用機(jī)械手自動(dòng)碼垛的下滑道，由于異型煙尺寸、質(zhì)量變化較大，無(wú)法采用機(jī)械手自動(dòng)碼垛。為了實(shí)現(xiàn)異型煙與標(biāo)準(zhǔn)煙共線分揀入庫(kù)，在分揀線的末端增加了一條異型煙下滑道，下滑道盡量延長(zhǎng)至緩沖區(qū)，以便存儲(chǔ)更多件煙，見(jiàn)圖8。此外，異型煙下滑道上還安裝有氣動(dòng)剎車(chē)裝置，用于控制件煙到達(dá)人工碼垛平臺(tái)時(shí)的速度，使碼垛過(guò)程更加流暢。

圖8 異型煙下滑道示意圖Fig.8 Schematic diagram of chute for diverting cigarette cases of special sizes

2.4 人工碼垛工位托盤(pán)輸送環(huán)節(jié)

托盤(pán)輸送環(huán)節(jié)主要將碼垛好的件煙自動(dòng)運(yùn)輸至立體高架庫(kù)存儲(chǔ)。為避免人工轉(zhuǎn)運(yùn)托盤(pán)，在輸送線上設(shè)計(jì)了人工碼垛工位，托盤(pán)碼分機(jī)除自動(dòng)補(bǔ)充托盤(pán)至機(jī)械手碼垛工位外，還需要將托盤(pán)補(bǔ)充到異型煙碼垛工位。為提高托盤(pán)補(bǔ)充速度，減少等待時(shí)間，對(duì)PLC 程序進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，新增了托盤(pán)緩存工位，且托盤(pán)緩存工位優(yōu)先于補(bǔ)充異型煙碼垛工位，見(jiàn)圖9。

2.5 碼垛平臺(tái)

異型煙碼垛平臺(tái)主要用于人工進(jìn)行核對(duì)、碼垛、確認(rèn)入庫(kù)等操作，由緩沖平臺(tái)、人工站立位、護(hù)欄等部分組成，見(jiàn)圖10。由于碼垛平臺(tái)上的托盤(pán)底部距離地面60 cm，托盤(pán)高度15 cm，為方便人員操作和托盤(pán)補(bǔ)充，將人工站立位距離地面高度設(shè)計(jì)為80 cm。在下滑道末端增加了一段緩沖平臺(tái)，用于停放通過(guò)下滑道的異型煙。為避免人員在搬運(yùn)件煙時(shí)彎腰，使雙手前臂基本水平，以身高170 cm 左右人員，站在人工站立位上進(jìn)行碼垛為例進(jìn)行試驗(yàn)，確定緩沖平臺(tái)高度140 cm、長(zhǎng)度85 cm、寬度70 cm最合適。平臺(tái)上增加護(hù)欄可以保證碼垛人員的安全。

圖9 自動(dòng)補(bǔ)充托盤(pán)流程圖Fig.9 Flowchart of automatic pallet supplement

圖10 異型煙碼垛平臺(tái)示意圖Fig.10 Schematic diagram of palletizing platform for cigarette cases of special sizes

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：為避免煙箱尺寸和質(zhì)量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾，選取“芙蓉王（硬細(xì)支）”、“玉溪（硬細(xì)支初心）”兩種尺寸和質(zhì)量相近的異型煙，以及“芙蓉王（硬）”、“玉溪（硬）”兩種尺寸和質(zhì)量相近的標(biāo)準(zhǔn)煙（湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司和云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)）。

設(shè)備：YD5 型五層伸縮皮帶機(jī)（廣東信源物流設(shè)備有限公司）；件煙分揀系統(tǒng)（范德蘭德物流自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司）；SP100X 機(jī)器人（首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司）；托盤(pán)輸送系統(tǒng)（昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司）。

方法：①在異型煙入庫(kù)期間，早晚班（早班時(shí)間為8∶00—16∶00，晚班時(shí)間為16∶00—24∶00）分別任意選取20 min 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每班次2 次，連續(xù)統(tǒng)計(jì)10 個(gè)工作日，計(jì)算識(shí)別成功率和碼垛成功率。識(shí)別成功率=（條碼識(shí)別器識(shí)別成功件煙數(shù)量/件煙總數(shù)量）×100%；碼垛成功率=（通過(guò)異型煙碼垛下滑道成功碼垛的件煙數(shù)量/件煙總數(shù)量）×100%。②在混裝車(chē)輛裝載的件煙數(shù)量和種類相同情況下，分別記錄利用手持式條碼識(shí)別器和改進(jìn)后系統(tǒng)完成件煙入庫(kù)所需時(shí)間，入庫(kù)初始站臺(tái)均為2號(hào)口。其中，第一次為750 件標(biāo)準(zhǔn)煙和750 件異型煙，第二次為250 件標(biāo)準(zhǔn)煙和500 件異型煙，第三次為150 件異型煙和600 件標(biāo)準(zhǔn)煙。

3.2 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，改進(jìn)后件煙入庫(kù)系統(tǒng)的識(shí)別成功率和碼垛成功率均達(dá)到100%，表明組網(wǎng)式條碼識(shí)別器能夠?qū)ξ恢貌淮_定、方向相差90°的條碼進(jìn)行有效識(shí)別，所有異型煙均能通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)碼垛和入庫(kù)。由表1 可見(jiàn)，件煙入庫(kù)系統(tǒng)改進(jìn)后可減少作業(yè)人員1 名，入庫(kù)效率平均提高52%。

表1 改進(jìn)前后異型煙入庫(kù)效率對(duì)比①Tab.1 Comparison of efficiency of special size cigarette case handling before and after modification

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)條碼識(shí)別器、件煙分揀線、托盤(pán)輸送系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)異型煙和標(biāo)準(zhǔn)煙共線分揀的入庫(kù)系統(tǒng)。利用組網(wǎng)式條碼識(shí)別器對(duì)位置不確定、方向相差90°的條碼進(jìn)行識(shí)別，解決了異型煙入庫(kù)無(wú)法自動(dòng)掃碼問(wèn)題；通過(guò)優(yōu)化異型煙入庫(kù)流程，減少了交叉作業(yè)環(huán)節(jié)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。以“芙蓉王（硬細(xì)支）”、“玉溪（硬細(xì)支初心）”兩種異型煙以及“芙蓉王（硬）”、“玉溪（硬）”兩種標(biāo)準(zhǔn)煙為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：與利用手持式條碼識(shí)別器完成入庫(kù)方式相比，所有異型煙均能通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)碼垛和入庫(kù)，件煙入庫(kù)系統(tǒng)的識(shí)別成功率和碼垛成功率均達(dá)到100%，減少作業(yè)人員1 名，入庫(kù)效率提高52%，有效提升了煙草物流自動(dòng)化水平。