煙草行業(yè)物流機器人的應(yīng)用分析

文 / 張獻軍 蘇運春 時呂

云南昆船智能裝備有限公司

煙草行業(yè)利潤豐厚，生產(chǎn)過程自動化水平較高，目前90%以上的煙草企業(yè)都使用了物流機器人。物流機器人已經(jīng)融入煙草企業(yè)的生產(chǎn)工藝，應(yīng)用主要集中在制絲、卷接包裝、成品存儲及分揀配送等環(huán)節(jié)。隨著智能制造發(fā)展與數(shù)字化轉(zhuǎn)型，煙草行業(yè)對物流機器人提出新需求，推動物流技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。

一、煙草行業(yè)現(xiàn)狀與物流機器人需求分析

我國的煙草產(chǎn)業(yè)鏈由煙葉種植、煙葉購銷、煙葉加工與卷煙制造、卷煙批發(fā)、卷煙零售五個主要環(huán)節(jié)構(gòu)成。這條產(chǎn)業(yè)鏈的中間三個環(huán)節(jié)構(gòu)成通常意義上所說的“煙草行業(yè)”。截至2022年9月，全國共有18家中煙工業(yè)公司，下轄77家卷煙廠，同時還有33家省級商業(yè)企業(yè)。目前，我國煙草行業(yè)的產(chǎn)量和消費量都位于世界第一位。2021年煙草行業(yè)實現(xiàn)工商稅利總額13581億元、同比增長6.08%，財政總額12442億元、增長3.36%，實現(xiàn)稅利總額和財政總額創(chuàng)歷史新高。煙草行業(yè)作為國家稅收的重要組成部分，為國家財政和經(jīng)濟發(fā)展等方面做出了巨大的貢獻。

由于煙草行業(yè)利潤豐厚，整個行業(yè)的生產(chǎn)過程自動化水平較高，其中90%以上的卷煙企業(yè)都有物流機器人的使用，部分企業(yè)更是經(jīng)過了幾次升級換代。早期煙草行業(yè)的設(shè)備升級換代頻次較高，有“五年一小改、十年一大改”的說法，近年來部分煙草企業(yè)技改的頻次有所放緩，但單次技改的規(guī)模也不容小覷。每次技改，煙草企業(yè)都有意愿使用新的技術(shù)及裝備，來提升卷煙的生產(chǎn)工藝水平、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。由于物流機器人融入煙草企業(yè)的眾多生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，大部分技改都有物流機器人的升級換代需求。

張獻軍云南昆船智能裝備有限公司總經(jīng)理

煙草企業(yè)在升級換代時，多以能滿足其生產(chǎn)制造工藝需求、技術(shù)先進且成熟為主要考慮因素，其次是廠家項目經(jīng)驗及價格等其他因素，以此來選擇合適的物流機器人解決方案提供商。

二、物流機器人在煙草行業(yè)的應(yīng)用情況

1.發(fā)展歷程

在20世紀90年代，煙草企業(yè)選擇的物流機器人多以進口品牌為主，如三星、大福、Rcola等品牌。當時國內(nèi)的自動化水平還很低，物流機器人應(yīng)用不多，僅限于個別規(guī)模較大的卷煙廠。

2000年前后，國內(nèi)部分廠家針對煙草行業(yè)的特點，開發(fā)出了適應(yīng)煙草企業(yè)生產(chǎn)制造需求的物流機器人產(chǎn)品，并逐步推廣應(yīng)用到各個煙草企業(yè)。同時，由于進口品牌企業(yè)的后續(xù)服務(wù)不能滿足煙草企業(yè)的需求，原來使用進口物流機器人的企業(yè)相繼選擇將其由國內(nèi)廠家改造或替換。

近年來，隨著自動化技術(shù)、計算機控制技術(shù)、機器人技術(shù)的發(fā)展，煙草行業(yè)生產(chǎn)過程的自動化程度越來越高，大量機械重復(fù)勞動的崗位逐步被機器所替代。物流機器人已成為煙草行業(yè)自動化物流系統(tǒng)以及柔性生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。

當前，煙草行業(yè)的物流機器人產(chǎn)品均以國產(chǎn)品牌為主，從數(shù)量來看占比超過90%。國內(nèi)煙草行業(yè)使用的物流機器人主要品牌有昆船、今天國際等。其中以昆船的物流機器人應(yīng)用為主，在煙草行業(yè)占比達70%左右。部分物流機器人新興品牌也十分關(guān)注煙草行業(yè)的應(yīng)用需求，并嘗試在部分新場景應(yīng)用方面有所突破。

卷煙從生產(chǎn)到銷售的全流程

2.應(yīng)用環(huán)節(jié)

根據(jù)煙草企業(yè)的生產(chǎn)工藝特點，整個煙草制造環(huán)節(jié)分為打葉復(fù)烤、制絲、卷包、配送等幾大階段。煙草企業(yè)與生產(chǎn)直接有關(guān)的物料主要有4種，即配方原料（葉片、煙梗、薄片、膨脹煙絲）、卷煙輔料、卷煙成品和備品備件，此外還有廢棄物、廢品等?，F(xiàn)在整個煙草行業(yè)的物流機器人使用十分普遍，各企業(yè)根據(jù)產(chǎn)品的工藝需求及企業(yè)規(guī)模等，在不同的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，可以選擇不同類型的物流機器人產(chǎn)品。目前，物流機器人的應(yīng)用主要集中在制絲、卷接包裝、成品存儲及分揀配送等環(huán)節(jié)。

（1）打葉復(fù)烤階段

在打葉復(fù)烤處理階段，有原煙存儲—備料—預(yù)處理—打葉去梗—葉片處理—煙梗處理—成品暫存等工藝環(huán)節(jié)。這是整個煙草行業(yè)用工量最大的階段，需要使用大量的人工進行煙葉選葉定級、煙葉配比、煙葉雜質(zhì)剔除等工作。這個階段的自動化程度相對較低，僅有備料及成品煙包環(huán)節(jié)有少量企業(yè)使用物流機器人。

在備料環(huán)節(jié)，物流機器人需要負責(zé)煙框的出入庫運輸，并在庫區(qū)自動堆疊煙框；與真空回潮輸送線進行配合進行批次輸送及緩存；回潮完成的煙框運輸至配比緩存區(qū)。在這個環(huán)節(jié)中的物流機器人應(yīng)用難點主要集中在煙框的4層自動堆疊上，需要用到激光和視覺二次定位等技術(shù)，對物流機器人的運行控制及末端二次定位都有很高的要求。業(yè)內(nèi)目前能實現(xiàn)此項技術(shù)的廠家不多。

在原煙存儲環(huán)節(jié)，由于麻包的大小不固定，想實現(xiàn)物流機器人的自動搬運還需要進行相關(guān)設(shè)備的研發(fā)和場景應(yīng)用的驗證工作。

物流機器人在煙葉備料環(huán)節(jié)的應(yīng)用

物流機器人在制絲階段的應(yīng)用

物流機器人在輔料供應(yīng)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

物流機器人在嘴棒生產(chǎn)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

（2）制絲階段

在制絲階段，有醇化—配方—葉片處理—葉絲處理—梗處理—梗絲處理—摻配加香等工藝環(huán)節(jié)。在這個階段，醇化庫、配方庫、煙絲庫、摻配加香等都有物流機器人的成功使用。在制絲階段是否適合使用物流機器人，需要綜合考慮多方面的因素。首先與企業(yè)的規(guī)模及產(chǎn)品批量有關(guān)。當企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較大、單個產(chǎn)品的批量較大時，不需要頻繁地更換產(chǎn)品型號，企業(yè)會更多地選擇輸送線運輸。但大部分煙草企業(yè)仍維持著多品種、小批量的生產(chǎn)模式，一種品牌的配方品種多、數(shù)量少，需要頻繁地更換生產(chǎn)型號，這種場合物流機器人的柔性特性就會得以充分發(fā)揮。同時在輸送距離較遠時，輸送線的成本會比物流機器人高，企業(yè)也會優(yōu)先選擇物流機器人方案。

（3）卷包階段

在卷包階段，有輔料供應(yīng)—嘴棒供應(yīng)—煙支卷接—煙支包裝—裝箱—成品存儲等工藝環(huán)節(jié)。卷包階段的輔料供應(yīng)是整個煙草行業(yè)物流機器人使用率最高，也是使用規(guī)模最大的環(huán)節(jié)。大部分重點骨干煙草企業(yè)從“九五”規(guī)劃開始就將自動化物流系統(tǒng)列入技術(shù)改造議程，從此大量的物流機器人被用于卷包車間的輔料運輸。目前，全國絕大部分煙草企業(yè)的輔料都使用物流機器人進行運輸。各煙廠的輔料品種繁多、用量也較大，一般以自動化立體庫的形式進行存儲。根據(jù)工藝不同，有的煙廠輔料根據(jù)需要進行預(yù)先配盤，然后再存儲；有的煙廠根據(jù)輔料品類直接存儲。分散在卷接車間的眾多卷接機相對獨立，根據(jù)生產(chǎn)需要產(chǎn)生相應(yīng)的輔料需求。物流機器人成為輔料庫的集中存儲與獨立孤島式的卷接機之間最佳的運輸工具。

在嘴棒供應(yīng)環(huán)節(jié)，絲束包一般與輔料一樣利用自動化立體庫進行存儲，在生產(chǎn)時需要運送到各個嘴棒生產(chǎn)機旁，絲束包的輸送也大都由物流機器人執(zhí)行。在部分企業(yè)，成品嘴棒生產(chǎn)與存儲距離較遠，出入庫的運輸也有由物流機器人完成的案例。

在成品存儲環(huán)節(jié)中，在部分輸送距離較遠的場景，物流機器人替代輸送線也是一種比較合適的解決方案，正在被部分煙草企業(yè)選擇。

（4）配送階段

在配送階段，有托盤庫—件箱庫—條煙存儲—訂單分揀—訂單包裝—配送等工藝環(huán)節(jié)。這一階段的煙草企業(yè)主要是各地方的商業(yè)配送中心，物流機器人在其中有較零星的應(yīng)用。部分業(yè)內(nèi)企業(yè)也在積極探索商業(yè)配送環(huán)節(jié)物流機器人的使用場景，如訂單分揀與物流分揀機器人結(jié)合的場景等。

除上述各階段的主要環(huán)節(jié)外，物流機器人在中試線、加香加料、廢煙支回收、嘴棒庫等環(huán)節(jié)也有部分的應(yīng)用。這些應(yīng)用的規(guī)模不大，場景較少，不是煙草物流機器人的應(yīng)用主流，但在企業(yè)進行技術(shù)升級與改造時也可以作為一種參考的選項。

三、煙草行業(yè)物流機器人應(yīng)用的新需求

1.智能輔料配送機器人

傳統(tǒng)的輔料配送機器人以托盤為主要操作對象，單品種輔料或是配盤的輔料以托盤為載體，通過物流機器人運到卷接車間機組旁，機器人與卷接機沒有直接的信息和操作交互。新的智能輔料配送機器人以輔料為主要操作對象，在進行輔料的自動搬運時還需要帶有協(xié)作機械手，能與智能卷接機進行對接，實現(xiàn)輔料的自動裝卸。這樣不僅可以減少人員的勞動強度，還能實現(xiàn)輔料任務(wù)的自動呼叫，提高物流系統(tǒng)的工作效率。這種新的智能輔料配送機器人已有個別煙草企業(yè)在進行嘗試，如果到達預(yù)期的效果，后續(xù)將會有更多的企業(yè)加入其中。

2.備品備件運輸機器人

一般大型煙草企業(yè)都有專門的備品備件庫，雖然大部分企業(yè)都有備品備件庫管理系統(tǒng)，但傳統(tǒng)的備品備件領(lǐng)用流程還是線上查詢、申請，線下再由人工到庫房進行領(lǐng)用及運輸，信息傳遞與物品管理是脫節(jié)的。利用備品備件運輸機器人，可以在線上查詢及申請批準，再由機器人直接與備品備件庫對接取貨出庫，并自動搬運至維修地點，信息自動傳遞，實現(xiàn)備品備件領(lǐng)用全流程線上作業(yè)，一定程度上節(jié)約維修人員的工作時間，提高工作效率。

打造行業(yè)內(nèi)高水平的智能卷煙產(chǎn)線全鏈精準追溯系統(tǒng)

3.雪茄銀行巡檢及管理機器人

雪茄銀行，并不是通常我們了解的貨幣流通銀行，而是大量品質(zhì)上乘、陳年、限量的雪茄集中珍藏養(yǎng)護所。在這里不僅存放著各種各樣不同價值、不同類型的雪茄，而且還是最佳的雪茄養(yǎng)護場所，能標準地養(yǎng)護出最佳品質(zhì)的雪茄。傳統(tǒng)的雪茄銀行日常維護管理，需要工作人員定期進行開柜檢查及清點維護，工作強度大、容易出現(xiàn)差錯。雪茄銀行為實現(xiàn)智能化升級改造，需要采用智能雪茄巡檢及管理機器人。

雪茄巡檢及管理機器人帶有機械臂及智能拍照系統(tǒng)，利用機器視覺及人工智能技術(shù)，實現(xiàn)雪茄日常維護的智能化。這種機器人已有雪茄銀行在進行測試，效果還不是特別理想，需要解決傳統(tǒng)雪茄存儲柜前后多列存放、造成視覺檢測準確率不高的問題。如果要高效使用雪茄巡檢及管理機器人，需要對雪茄存儲柜進行改進設(shè)計，并與機器人進行適度配合工作。

4.自動裝卸車機器人

在煙草行業(yè)，原輔料及成品的遠距離運輸都用卡車實現(xiàn)，卡車的貨物裝卸主要是由人工駕駛叉車完成。傳統(tǒng)物流機器人在面對搬運貨物位置不確定、搬運路徑不固定的貨物則顯得力不從心，特別是在直接對卡車所裝載貨物的識別、定位、裝卸等方面更是難以應(yīng)對，因卡車車型較多、卡車?？课恢?、?？孔藨B(tài)難以固定，導(dǎo)致卡車所裝載貨物的位置難以事先確定。因此，如何實現(xiàn)物流機器人對卡車所搬運貨物的準確定位，實現(xiàn)機器人對卡車所承載貨物的自動搬運、裝卸，成為物流機器人技術(shù)領(lǐng)域中的一個難題。

近年來，昆船公司研發(fā)了一種能自動裝卸車的物流機器人。該機器人利用激光+機器視覺末端導(dǎo)引技術(shù)，實現(xiàn)了對卡車位置及姿態(tài)的識別，不僅可以實現(xiàn)廂式貨車的自動裝卸貨，還能實現(xiàn)對平板卡車的自動裝卸貨。自動裝卸車機器人的應(yīng)用，打通了成品件煙整托盤出庫、運輸、并裝載至發(fā)運車輛的整個物流鏈路，實現(xiàn)了成品件煙整托盤發(fā)運環(huán)節(jié)的無人化作業(yè)，提升了成品件煙整托盤出庫、裝車、發(fā)運的效率，大幅度降低了人員的勞動強度，節(jié)省了人力資源成本。

5.物流機器人的預(yù)防性維護

近年來，隨著大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，物流機器人正朝著從感知、推理分析到自主決策及自主學(xué)習(xí)的智能化方向發(fā)展。我們提出的物流機器人的預(yù)防性維護就是要利用這些新技術(shù)，實現(xiàn)機器人健康度評價與故障自診斷、自主決策、自主執(zhí)行。關(guān)于物流機器人的預(yù)防性維護不僅是煙草行業(yè)的需求，在所有物流機器人的應(yīng)用場景中，都需要展開深入的研究與應(yīng)用，我們的最終目的是要保證物流機器人的安全、高效、穩(wěn)定運行。

四、煙草行業(yè)物流系統(tǒng)發(fā)展趨勢及物流機器人技術(shù)發(fā)展方向

“十四五”以來，煙草行業(yè)提出了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略要求，更多的煙草企業(yè)將從自動化向數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。什么樣的物流技術(shù)及產(chǎn)品能適應(yīng)新的場景應(yīng)用需求？這將對物流機器人產(chǎn)品研發(fā)及應(yīng)用提出更新更高的要求。

為全面提升煙草企業(yè)的智能制造水平，昆船公司提出了從卷煙生產(chǎn)的智能產(chǎn)線研發(fā)著手的行業(yè)應(yīng)用新思路。利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)，將智能裝備與統(tǒng)一協(xié)同管控系統(tǒng)建立無縫連接，既能實現(xiàn)系統(tǒng)智能管控，又能實現(xiàn)高效的自主協(xié)同；在產(chǎn)線數(shù)字化、虛擬仿真、智能排產(chǎn)方面進行深入研究，基于對物料全流程的排產(chǎn)仿真，既能實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析及輔助決策，還能拓展至供應(yīng)鏈上下游相關(guān)階段，實現(xiàn)業(yè)務(wù)需求的外延；在信息系統(tǒng)方面，實現(xiàn)生產(chǎn)透明化、過程記錄信息化、產(chǎn)線監(jiān)督多樣化，利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，對物料信息、設(shè)備狀態(tài)信息、工藝加工參數(shù)、質(zhì)量信息、人員信息、能耗信息等進行統(tǒng)一的分析與管理，實現(xiàn)打造行業(yè)內(nèi)高水平的智能產(chǎn)線全鏈精準追溯系統(tǒng)；在物流機器人等智能設(shè)備方面，達到自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)的“五自”水平，實現(xiàn)智能分析、智能管理、智能控制、智能服務(wù)的智能化要求。