異型條煙預分揀關(guān)鍵技術(shù)研究

鐘 亮

（湖南省煙草公司衡陽市公司，湖南 衡陽 421000）

0 引言

隨著異型卷煙品規(guī)與銷量不斷增加，傳統(tǒng)的電子標簽分揀線分揀效率低、差錯率高，異型煙分揀已成為行業(yè)迫切需要解決的問題[1-2]。異型煙分揀線按照自動化程度可分為手工分揀線和半自動分揀線。由于條煙尺寸的差異性，目前很難做到全自動化的異型煙分揀。

為此，某煙草物流中心分析現(xiàn)有模式，在充分利舊的基礎上，對分揀設備進行了改造，效率從800條/h提高到2 000條/h，效率問題得到初步提升。但由于煙倉數(shù)量有限或者某些品種尺寸特殊等緣故需要手工揀選，導致手工揀選停機時間長、停機等待浪費、柔性分揀能力差[3]等問題。因此本文在嘗試較少硬件改動的情況下，通過流程優(yōu)化讓手工揀選和自動揀選同步進行，并采用自動合單的方式，減少人工干預，提高效率。

1 預分揀技術(shù)

1.1 工藝布局

傳統(tǒng)異型煙分揀工藝是一種串行的流水線工藝，如圖1所示。完整的異型煙分揀線由立式機組、輸送裝置、手工揀選工位、打碼機、裹包機組成。其流程為：立式機組將條煙按照訂單將條煙彈射到主皮帶上，經(jīng)過人工揀選工位、打碼工位打碼，最后進入包裝機打包、貼標機貼標后進入配送環(huán)節(jié)。人工揀選工位為非必要項，假如某個訂單有手工揀選的條煙，則進入手工揀選流程，該流程可以細分為訂單尾進入揀選點、輸送帶停止、顯示條煙抓取信息、抓取條煙、核對信息、放置條煙、啟動輸送帶等7個環(huán)節(jié)，如圖2所示。當任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時，全線停止等待，而且需要手工揀選的條煙較多時，整個工藝流程重復次數(shù)多，差錯率快速提升。

圖1 工藝布局

圖2 工藝流程

1.2 流程優(yōu)化

預分揀就是在立式機分揀過程中，手工揀選同步進行，即并行分揀，從而減少分揀時間。改進后的工藝如圖3所示。當開始分揀時，立式機自動分揀條煙，同時顯示條煙抓取信息（后5單）。在立式機分揀的條煙輸送至揀選點的過程中，人工完成條煙抓取、信息核對并放置條煙。當自動分揀的條煙尾部輸送至揀選點時，如果該戶訂單有需要揀選的條煙，那么將人工揀選的條煙合并到輸送帶，同時，自動刷新顯示屏（隱藏剛過去的一個訂單，顯示后5個訂單）。

圖3 并行流程

為清晰反映流程優(yōu)化后所節(jié)省的時間，按操作流程對各環(huán)節(jié)平均耗時進行分析。從圖3可以看出，手工揀選的操作流程中耗時最多的集中在條煙抓取、放置條煙、信息核對環(huán)節(jié)，運用ECRS分析法重新梳理流程，在前訂單尾離開揀選點立即給出下一單抓煙信息，抓取條煙、核對信息在下一單進入揀選點時完成，那么將大大減少停機等待的時間。

2 自動合單技術(shù)

2.1 合單皮帶裝置

上述流程還可以進一步優(yōu)化，將流程中的設備停機、啟動環(huán)節(jié)直接優(yōu)化掉，也就是實現(xiàn)自動合單。與上述優(yōu)化流程類似，同樣提前顯示信息、條煙抓取、核定信息之后，將抓取的條煙放置在一條叫做合單皮帶的裝置上，如圖4所示。其中119號編碼即為自動合單裝置，它可以放置3-5個需要揀選的訂單。當需要揀選的訂單尾進入揀選點后，合單裝置啟動，將需要合單的條煙輸送至主皮帶后停機，等待下一個需要揀選的到達揀選點，以此取代主皮帶需要進行啟停控制來人工放置條煙。需要指出的是：合單皮帶較寬，非常適合特異型煙的分揀。

圖4 合單皮帶位置圖

合單皮帶是一條長3m的皮帶，安裝垂直于主皮帶。其寬度為400mm，高度為520mm，略高于中心帶20mm。合單皮帶采用變頻器控制，功率為0.37kw，速度為1.2m/s；揀選帶末端帶有一對光電管，用于計算分揀條煙數(shù)量。

合單皮帶需要一個顯示屏配合使用，訂單加載到PLC之初，會顯示后面連續(xù)需要抓取的5單條煙，人工揀選條煙將按照15mm/條的間距擺放；控制系統(tǒng)采用步進電機控制模式，根據(jù)需要出煙的數(shù)量，依靠光電管計數(shù)分揀條煙，每分揀一個訂單控制系統(tǒng)自動刷新后續(xù)需要揀選的條煙。當預揀選帶上的條煙分揀完成，缺煙情況下系統(tǒng)會自動預警；當需要合單而缺煙時，主皮帶會自動停機報警等待，直到揀選完成。

2.2 自動合單技術(shù)

完成上述自動合單功能的關(guān)鍵，在于實時計算訂單進入揀選點。條煙自動分揀示意如圖5所示。分揀順序從左往右，即先分揀1號煙倉，依次向后；皮帶輸送方向同樣從左往右；皮帶中，正中間是第X個訂單，右側(cè)是第X-1個訂單（較X的前一個），左側(cè)是第X+1個訂單（較X的后一個）；訂單之間的距離為訂單間距；訂單長度是指訂單內(nèi)條煙寬度總和。

圖5 條煙分揀示意圖

設通道個數(shù)為M，訂單集合為X=[X-1,X,X+1,...,X+N]，nij表示第i個訂單在j個通道上的分揀條煙數(shù)。

假定每個通道分揀速度一致，用fv表示每條煙的分揀速度，用l表示條煙長度，則每條煙分揀時長：

考慮條煙撥打間隔用t0表示，單通道條煙分揀時長：

考慮訂單間距為L，同時將訂單間距換算為條煙撥打時間用tl表示，則：

設皮帶速度一定，用V0表示，則每個訂單長度為：

其中，m表示最大通道序號。

進一步推導合單位置算法模型，如圖6所示。

圖6 合單示意圖

首先當前訂單（X1）尾部離開揀選點（合單位置），顯示屏立即提示操作工后三個需要揀選的訂單具體信息，操作工根據(jù)提示將條煙放置在緩存上，如圖6的訂單（X1+3，X1+13）；待主線上訂單（X1+3）尾部進入揀選點，由合單裝置將人工揀選訂單（X1+3）的條煙彈射到主線上，從而完成合單。這相當于環(huán)節(jié)并行的同時，對人工揀選環(huán)節(jié)進行了緩存，消除揀選條煙較多而引起停機等待的因素，合單裝置節(jié)省了主線電機頻繁啟停的時間與不利影響。

設定0時刻為基準時刻，設揀選點到皮帶起點距離為l0，那么訂單I尾部進入揀選點的時刻為：

由此，以判斷出訂單尾進入揀選點。

3 自動合單控制的實現(xiàn)

3.1 電控系統(tǒng)

自動合單電控系統(tǒng)主要實現(xiàn)兩個功能，其一計算訂單尾到達揀選點；其二控制自動合單皮帶合單、補貨及報警。原有分揀設備采用西門子S7-1500 CPU 1516-3PN/DP[4],僅需要增加兩個對應功能塊及光電傳感信號、輸出控制點，控制變頻器驅(qū)動合單皮帶運動，從而實現(xiàn)自動合單。如圖7所示。

圖7 自動合單示意圖

控制流程如圖8所示。在訂單下達PLC時，獲取前一訂單的計算值作為當前訂單的基準控制值，在這個值的基礎上，加上當前訂單長度和揀選點絕對位置，得到揀選點相對于本訂單的相對位置。在該位置與計數(shù)器當前位置做差，如果大于等于零表示當前訂單還未進入揀選點，那么就返回訂單池繼續(xù)輪尋訂單，并重復本步驟；如果小于零，表示當前訂單已經(jīng)進入揀選點。對于進入揀選點的訂單，進一步獲取需要揀選的條數(shù)，并啟動合單設備，條煙經(jīng)過合單設備進入主皮帶輸送線，每經(jīng)過合單設備光電檢測裝置一次，PLC對需要揀選條煙條數(shù)進行減一操作，直到揀選條煙條數(shù)為零，計數(shù)完成；當然減數(shù)操作過程中，可能會出現(xiàn)缺煙。

圖8 自動合單控制流程圖

計數(shù)完成并不是終點，合單設備還需要繼續(xù)運行，進行補煙操作，為下次揀選做準備，是否補煙到位同樣依靠合單裝置光電傳感器檢測，當檢測到信號時，PLC控制設備補貨停止，未檢測到則繼續(xù)補貨。當發(fā)生缺煙時，由PLC控制信號輸出，驅(qū)動聲光報警器。

3.2 數(shù)據(jù)分析

以2021年5月分揀數(shù)據(jù)與2021年8月分揀數(shù)據(jù)作為對比分析，分別代表改造前和改造后的設備運行狀況，以此判斷預揀選技術(shù)的效果。設備運行條件：設備連續(xù)運行，直到完成當天分揀量，期間設備每天一次保養(yǎng)；數(shù)據(jù)統(tǒng)計10個分揀工作日；為忽略每天訂單總量的波動，采用每小時揀選停機時間來度量。手工揀選時間=揀選等待/故障總時間*60，見表1。

表1 分揀停機數(shù)據(jù)統(tǒng)計（min）

4 結(jié)語

本文從工藝流程、位置算法模型兩個方面介紹了異型煙預分揀技術(shù)，并對該技術(shù)進行了仿真對比。作為預揀選關(guān)鍵技術(shù)，位置算法模型在虛擬隊列的基礎上計算而來，通過緩存裝置的多訂單緩存及自動合單實現(xiàn)了手工揀選與自動分揀并行作業(yè)。目前，此技術(shù)已在某煙草物流配送中心異型煙分揀線實際應用，結(jié)果表明：手工揀選時間下降66%左右，大大降低了異型煙手工揀選停機時間，具有較強的實用價值。后續(xù)將進一步優(yōu)化此技術(shù)，將手工揀選時間消耗在條煙輸送途中，實現(xiàn)無縫并行作業(yè)。