基于Em-plant原煙卸車裝框物流系統(tǒng)的設計與仿真

盛小賀，楊玉才，楊劍鋒，鄒 問，張 維，梁 嘉，王 龍

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司曲靖卷煙廠，云南 曲靖 655000）

1 引言

經過相關調研發(fā)現，長期以來我國在工商交接原煙收購及存儲過程中，大多采用人工卸料、記錄信息的模式，煙葉收購量大且始終存在著收購效率低、煙葉造碎率高、用工數量多勞動強度大、收購場混亂、信息傳遞不通暢、安全隱患大等問題[1-3]。近年來，為響應國家“建設現代煙草農業(yè)”的偉大目標，提高煙葉工商交接科學化、信息化、自動化水平，加快推進煙葉收購管理現代化進程，全國各煙草公司和工業(yè)企業(yè)紛紛開始自動化輸送系統(tǒng)的研究[4-5]。早在2002年湖北省?？悼h煙草公司針對上述問題進行研究，并且在馬良煙草站建立了一套煙葉自動化控制收購系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點是實現“三室分離”（預檢室、主檢室及計量室），有效提高了煙葉收購的效率和質量[6]。阮旭艷設計了一種打葉復烤原煙麻包自動卸貨系統(tǒng)，極大地降低了原煙的造碎率和工人的勞動強度；但該系統(tǒng)對于麻包外形尺寸及擺放姿態(tài)的適應性較差，在自動裝框時存在容易掉包的現象[7]。薛寶燕、王道支等對于皖南煙區(qū)煙葉原料收購模式的現狀及對策進行了分析研究，并提出了相關對策和建議，可為規(guī)范收購工作流程及相關的研究提供參考[8]。遵義復烤廠在原煙收儲環(huán)節(jié)采用自動收儲管理系統(tǒng)，其特點是通過可伸縮式皮帶與卸車臺連接，實現煙包在裝運車輛任何位置的輸送，并且利用變速軌道的速度差調整煙包之間的距離。吳昊、胡章山等對該系統(tǒng)進行試驗研究，結果表明其收儲效率提高了80%；但該系統(tǒng)不具備卸貨平臺隨著卸煙堆高的變化而調整的功能，煙葉造碎問題沒有得到較好的解決[9]。楊志杰、張漢千等對福建龍巖商業(yè)煙站煙葉收購物流系統(tǒng)進行了介紹，通過應用PLC、RFID 等技術實現從煙葉評級區(qū)到煙葉倉庫的全自動化輸送，但本系統(tǒng)采用貨車尾部卸煙的模式，無法滿足分層卸車的功能需求[10]。

原煙煙葉屬于高價值農產品，工商交接過程中涉及到的原煙數量多，所交易的經濟價值非常高。以曲靖卷煙廠為例，每年工商交接原煙收購量高達80 萬擔，金額接近30 億元。每年在卸車環(huán)節(jié)造成的原煙造碎損失大、勞動用工多、收購效率低的問題亟待解決。另外，由于在工商交接過程中，每輛運煙貨車存在著分層分等級堆放的情況，為避免不同等級煙葉的錯混，卸煙的過程應嚴格按照分等級分層卸車，而在本文采用的升降平臺分層卸車的物流模式在國內應用尚不成熟[11-12]。

本文針對工商交接原煙卸車特點，通過對卸煙模式的探索創(chuàng)新，綜合應用PLC（可編程邏輯控制器）控制技術、RFID（無線射頻識別）自動識別技術、電機變頻技術、紅外感應計數技術等對卸煙裝框物流系統(tǒng)進行詳細設計，并利用Em-plant仿真軟件（即eMPower 軟件工具，又稱為SiMPLE++，是用C++實現的關于生產、物流和工程的仿真軟件）進行仿真分析[13-15]，優(yōu)化設計方案，構建一套科學合理的自動化物流系統(tǒng)，具有較強的實際應用價值和廣泛推廣意義。

2 原煙卸車及裝框物流系統(tǒng)作業(yè)流程

該物流系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 原煙收購物流系統(tǒng)作業(yè)流程圖

2.1 卸車

卸車環(huán)節(jié)主要是依靠皮帶輸送機以及垂直升降平臺來完成的，皮帶輸送機的一端與垂直升降平臺相連，且皮帶在水平方向可伸縮，這樣系統(tǒng)可實現煙包在不同位置的輸送。運送煙包的貨車按照現場要求開到卸貨通道平臺側面，由人工搬運的方式將煙包送到皮帶輸送機上，隨后煙包經過伸縮式皮帶輸送機、升降平臺，最后在平臺整形后滑到地面的水平皮輸送機，進入下一個工序。該系統(tǒng)靈活性較強，在工作過程中能夠根據實際情況對煙包進行水平和垂直方向的調整，既減少了煙葉造碎，又很好的實現了煙包柔性化的卸車。

2.2 輸送取樣

為了檢驗煙包是否達到等級標準，在裝框之前需隨機取樣。貨車報到時，由計算機隨機確定各個等級煙包的取樣數量及序號；卸車過程中，按照原煙等級進行卸車，當煙包經過輸送機上的計數裝置時，會根據輸送的先后順序給對應的煙包進行編號，并統(tǒng)計煙包的數量。如果計算機顯示的取樣序號與計數裝置統(tǒng)計的煙包序號相同時，剔除裝置會自動將煙包剔除到取樣區(qū)進行取樣檢查，反之則不剔除，煙包按照運輸流程最后被裝入框中。已剔除的取樣煙包送至驗級室進行相關的檢驗，如果檢驗結果為合格，則將其縫合后送至輸送機繼續(xù)進行下一工序。

2.3 自動裝框

為便于堆碼，皮帶輸送機在輸送煙包過程中將煙包分為兩個輸送線路，鋪設裝框時每個框裝16 個煙包，共4 層，每層裝4 個，以4 包為1 個單元進行。煙框裝滿后通過叉車送至稱重平臺進行稱重，運送完畢后叉車前往空煙框暫存區(qū)，將空煙框叉送到裝框點進行空煙框補給。裝框時每個煙筐內只能裝有同樣信息（即同一產地、同一等級、同一批次）的煙包，不可混裝，以便后續(xù)環(huán)節(jié)的信息追蹤、管理。

2.4 稱重計量

稱重平臺上設有RFID寫入裝置，煙框底部設有RFID 標簽，當實煙框被送到稱重平臺稱重時，其重量、煙葉等級、煙葉產地等信息將通過RFID 讀寫器寫入RFID 標簽，并傳輸到上位服務器中存儲，實現煙框信息的跟蹤及追溯。

2.5 煙框暫存

由人工叉車叉取裝框完畢的實煙框，并將實煙框進行堆垛，完成實煙框的暫存及空煙框的周轉，為實煙框的入庫做準備。

3 系統(tǒng)特點

與傳統(tǒng)的原煙卸車裝框方式相比，本系統(tǒng)具有如下特點：

（1）傳統(tǒng)原煙卸車時，煙包由工人直接從貨車扔到地上或轉到其它貨車，而貨車上的煙包距地面的最大高度可達5m左右，這種直接丟到地面的方式會導致原煙煙葉造碎嚴重。本系統(tǒng)在地面與貨車之間利用輸送機及斜坡等機械輔助裝置，將煙包從貨車緩慢運輸至地面，極大地降低了煙葉的造碎率，保證煙葉質量，減少原煙浪費。

（2）本系統(tǒng)采用輸送機等物流設備，將煙包搬運、稱重、裝框等系列工作實現機械自動化，提高了原煙收購的效率，原煙收購的管理成本和人工成本得到了有效降低。

（3）本系統(tǒng)運用新型紅外感應技術，通過計算機對貨車上的煙包按照不同等級隨機設定抽樣序號和抽樣數量，同時利用計數計序裝置對在線煙包編號、計數，通過核對兩個序號進行取樣，使得煙包的取樣實現全自動化。這種抽樣方式完全隨機化、自動化，不受人為因素的影響，不僅極大地減輕了取樣人員的勞動強度，而且有效杜絕了原煙收購中的“關系煙”和“人情煙”等不正之風。

（4）本系統(tǒng)通過計算機、RFID電子標簽識別等技術實現了煙包在收購全過程信息的自動跟蹤及追溯，完全替代紙質單據的使用、流通和審核，有效避免了因人工失誤等原因造成煙包在運輸過程中各個環(huán)節(jié)信息的失真、丟失，極大地提高了原煙收購環(huán)節(jié)信息化管理水平。

（5）本系統(tǒng)對作業(yè)面積進行有效利用，物流設備布局科學合理，使得原煙收購流程變得高效順暢，收購秩序混亂等現場管理問題得到改善，便于實現現場5S 管理和業(yè)務管理的推進，使得整個收購環(huán)鏡變的干凈整潔。

4 原煙卸車裝框物流系統(tǒng)設計方案

4.1 系統(tǒng)能力要求

煙包卸車裝框能力≥600 包/h，裝卸所用人工應不超過12 人，相對傳統(tǒng)卸煙模式原煙造碎率降低不低于0.02%，每個框籃裝載16個煙包。

4.2 煙包基礎數據

（1）煙包為麻片包裝，原煙凈重40kg，每只麻片重量：0.8kg；

（2）煙包尺寸：正常尺寸800mm×600mm×400mm，不規(guī)則煙包尺寸900mm×700mm×500mm。

4.3 流量設計

（1）卸車環(huán)節(jié)：卸車時，在貨車上設計4組搬運卸車工位，每組配置2 名搬運工。最大能力按每組每15s 搬運一件煙包計算，人工卸貨能力=60×60/15×4=960包/h，能夠滿足600包/h的系統(tǒng)要求。

（2）升降平臺上皮帶輸送機輸送環(huán)節(jié)：考慮煙包間距100mm，每個煙包單位長度為900mm+100mm=1 000mm。按照600 包/h 系統(tǒng)能力計算，輸送速度為600×1 000/60=10m/min。

（3）陡坡緩下輸送至平臺輸送環(huán)節(jié)：由于該輸送段要對煙包進行計數，為保證計數準確性，需通過加大后端速度以拉開煙包之間的間隙，設計平臺鏈板輸送機速度為15m/min。

（4）取樣及分列環(huán)節(jié)：取樣推出行程等于輥道輸送機的寬度為1.5m，刮板推出速度按15m/min 設計，則推出時間為1.5/15×60=6s 復位時間按照3s 計算。樣包推出后刮板執(zhí)行分列作業(yè)，行程按輥道輸送機寬度1/2 則為1.5/2=0.75m，分列時間為0.75/15×60=3s 計算，實現兩包一個循環(huán)的時間為6+3+3=12s，則單包處理時間為6s，該環(huán)節(jié)處理能力為60×60/6=600包/h。能夠滿足600包/h的要求。左右分列及取樣動作循環(huán)作業(yè)加之輥道輸送機向前輸送作業(yè)過程較為復雜，需進行仿真分析。

（5）自動裝框環(huán)節(jié)：煙框共四層，分層裝框，以16包為一個裝框單元，通過升降機、伸縮鏈板機配合擋板作業(yè)，前端輸送機速度按20m/min 設計，前端輸送效率可達720 包/h，考慮分層裝框等待時間等因素，按15%的效率損失，裝框效率流量為612 包/h，滿足系統(tǒng)能力600包/h的需求。

基于以上分析，設計本方案，原煙卸車裝框物流系統(tǒng)設施設備布置如圖2所示。

5 仿真分析及優(yōu)化

5.1 仿真模型構建

基于本設計方案，以Em-plant 仿真軟件構建仿真模型如圖3所示。

圖3 原煙卸車裝框物流系統(tǒng)仿真圖

5.2 仿真分析

（1）假設條件。模型24h運行；模型預熱時間1d，運行10d；人工上件位置固定（上料位置占用則等待）。

（2）仿真結果及分析。①人工卸車仿真結果（按4組工位計算）如圖4所示。

仿真結果顯示：按照4 組（每2 人一組）仿真，第四個工位的作業(yè)人員長時間處于等待狀態(tài)，人工工位效率降低。

②取樣及分列環(huán)節(jié)輥道輸送機仿真結果如圖5所示。

仿真結果顯示：由于輥道輸送機上要執(zhí)行取樣和左右分列動作，煙包在清空后后面煙包方可進入該工位，按照600 包/h 的上位輸入能力仿真，每小時的吞吐量僅為439 包/h，存在著堵塞現象，故需對該處進行優(yōu)化設計。

圖4 人工卸車仿真結果

5.3 方案優(yōu)化及仿真驗證

基于以上分析，將人工工位調減至3 組即6 人，將取樣分列輥道輸送工位設置為兩個獨立運行的輥道機，分別執(zhí)行取樣和分列工位，其他條件不變進行仿真驗證。

（1）假設條件。24h運行；模型預熱時間1d，運行10d；人工上件位置固定（上料位置占用則等待）；上位輸入能力：720包/h。

圖5 取樣及分列環(huán)節(jié)輥道輸送機仿真結果

（2）仿真結果及分析。圖6 仿真結果顯示：①停用第四組工位后，三組工位作業(yè)人員作業(yè)效率為85.3%，人工基本都處于正常作業(yè)狀態(tài)，不存在長時間的等待。改進后的系統(tǒng)在滿足設計需求的同時，減少了卸煙人工需求量，降低了勞動成本。②通過分析發(fā)現，導致堵塞主要是因為該工位需要共同完成樣包取樣和由單排輸送變成雙排輸送兩個作業(yè)動作所造成的，因此考慮將原設計方案的一個工位拆分為取樣工位及分列工位兩個工位，取樣工位位于分列工位前端，煙包經過取樣工位后再進行分列動作，減少了該工位的等待時間及由取樣動作轉為分列動作的轉換時間，通過仿真驗證發(fā)現該工位每小時吞吐量可提高至672 包，不存在擁堵現象，滿足系統(tǒng)能力需求。

6 結論

通過對原煙卸車裝框物流系統(tǒng)的仿真分析及優(yōu)化設計，降低了勞動用工，避免了煙包在輸送過程中的堵塞、不順暢現象。該系統(tǒng)的應用能夠滿足同車多等級、多批次的裝車需求，對于保證原煙質量、降低原煙造碎率、節(jié)約收購成本、降低勞動強度、提高工作效率具有較大的促進作用，對于推動煙草行業(yè)在原煙收購環(huán)節(jié)的優(yōu)化改進具有較好的實用和推廣價值。

圖6 人工卸車及分列環(huán)節(jié)輥道輸送機仿真結果