異型煙設(shè)施設(shè)備調(diào)度管理系統(tǒng)模型構(gòu)建與應(yīng)用*

劉 勇 ，劉福蓉

（湖南省煙草公司衡陽(yáng)市公司，湖南 衡陽(yáng) 421000）

0 引言

地市級(jí)煙草物流配送中心會(huì)將各中煙公司生產(chǎn)的卷煙分類匯聚，然后分批發(fā)放給卷煙零售客戶，最后流通到消費(fèi)者手中。在此過(guò)程中，煙草的物流系統(tǒng)起到了十分重要的作用。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，客戶對(duì)卷煙有著不同的消費(fèi)需求；同時(shí)，由于物流系統(tǒng)的日益完善，客戶對(duì)物流配送的時(shí)效性以及配套服務(wù)要求越來(lái)越高。事實(shí)上，卷煙分揀作業(yè)占據(jù)了較大的地市級(jí)煙草物流配送中心作業(yè)比重，一般來(lái)說(shuō)，分揀作業(yè)會(huì)耗費(fèi)總作業(yè)時(shí)間的50%左右，而分揀作業(yè)所花費(fèi)的成本大約占比60%。可見，分揀作業(yè)的效率及質(zhì)量會(huì)直接影響到物流中心的效益，甚至影響到整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。卷煙分揀系統(tǒng)是煙草物流系統(tǒng)的核心部分，伴隨卷煙分揀量的增加及配送時(shí)效性的提高，越來(lái)越多的煙草物流中心都在努力開發(fā)適用的卷煙自動(dòng)分揀系統(tǒng)。

目前，煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)條煙的尺寸規(guī)格為（270～285）mm×（85～90）mm×（45～50）mm，在此之外的尺寸規(guī)格卷煙被稱為異型包裝卷煙。而伴隨國(guó)家煙草專賣局供給側(cè)結(jié)構(gòu)性調(diào)整的不斷發(fā)展，煙草行業(yè)相比以往更加重視卷煙包裝個(gè)性化，開發(fā)大量的異型包裝卷煙來(lái)滿足客戶的消費(fèi)需求，伴隨異型煙品規(guī)以及數(shù)量的遞增，各地?zé)煵菸锪髦行某袚?dān)了比以往更多的異型煙分揀任務(wù)，要求提高異型煙分揀效率的呼聲也越來(lái)越高。

在異型煙分揀系統(tǒng)中，目前主流方法是使用半自動(dòng)化甚至電子標(biāo)簽輔助人工分揀的模式，其問(wèn)題在于人工分揀勞動(dòng)強(qiáng)度較大、分揀率低、錯(cuò)誤率高，難以盤點(diǎn)。由此，需要針對(duì)異型煙包裝特點(diǎn)以及卷煙的訂單結(jié)構(gòu)，來(lái)調(diào)整異型煙設(shè)備分揀調(diào)度系統(tǒng)模型，構(gòu)建出效率較高的異型煙分揀系統(tǒng)，以提高地市級(jí)煙草物流配送中心的分揀效率，這是目前煙草物流的重點(diǎn)研究方向[1]。

1 分揀設(shè)備種類

1.1 電子標(biāo)簽分揀設(shè)備

該設(shè)備是位于貨倉(cāng)儲(chǔ)物架的電子設(shè)備，在工控機(jī)讀取訂單后，會(huì)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)標(biāo)簽，顯示拾取數(shù)量，工作人員進(jìn)行人工操作，拾取條煙，按下完成按鈕，完成分揀。可見，這種分揀設(shè)備應(yīng)用時(shí)間較早，極為依賴人工，分揀率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且伴隨一定的錯(cuò)誤率。不過(guò)由于其成本低、技術(shù)含量低，小型的煙草物流配送中心依然使用這種設(shè)備。

1.2 半自動(dòng)分揀設(shè)備

其主要構(gòu)件為立式分揀機(jī)，工作流程是給每種品牌卷煙提供儲(chǔ)藏倉(cāng)位，在分揀作業(yè)前，需要人工給對(duì)應(yīng)儲(chǔ)存?zhèn)}位填充條煙，然后由立式分揀機(jī)代替人工自動(dòng)分揀。有效提高了分揀效率，降低了錯(cuò)誤率及人工勞動(dòng)強(qiáng)度。由于半自動(dòng)分揀設(shè)備的分揀速度較快，成本相對(duì)較低，在中型的卷煙物流配送中心較為適用，也是目前使用最多的卷煙分揀設(shè)備[2]。

1.3 全自動(dòng)分揀設(shè)備

全自動(dòng)分揀設(shè)備的自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)了出庫(kù)、填充、分揀以及包裝的全過(guò)程自動(dòng)化。目前使用最多的全自動(dòng)分揀設(shè)備，每小時(shí)可以分揀卷煙20 000 條。然而成本較高，一套設(shè)備需投資約2 億元，占地面積大且維護(hù)成本和難度較高，主要適用于大型煙草物流配送中心，目前這種設(shè)備的靈活度較低、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使用較少。

2 全自動(dòng)異型煙分揀系統(tǒng)整體模型分析

2.1 異型煙分揀方案分析

2.1.1 分揀流程

中煙公司生產(chǎn)的各類卷煙會(huì)匯聚在物流中心，經(jīng)過(guò)分揀作業(yè)之后，配送到零售端。分揀流程的起始是接收到訂單，然后將商品快速精確地分揀出來(lái)，打印客戶代碼，碼垛裝箱。目前半自動(dòng)以及全自動(dòng)分揀系統(tǒng)的分揀流程都是接收訂單→判斷是否為標(biāo)準(zhǔn)條煙→進(jìn)行分揀→打碼→碼垛裝箱→出庫(kù)配送。以往異型煙的種類較少，由此，更多使用異型煙人工分揀、打碼、裝箱，存在效率較低、錯(cuò)誤率較高的問(wèn)題。特別是目前煙草市場(chǎng)個(gè)性化發(fā)展，越來(lái)越多的異型煙流入市場(chǎng)，人工分揀方式已經(jīng)不能滿足異型煙的分揀需求。

2.1.2 異型煙特點(diǎn)

異型煙的尺寸規(guī)格異于標(biāo)準(zhǔn)條煙，要自動(dòng)化完成異型煙的分揀工作，就需要針對(duì)異型煙的尺寸規(guī)格在分揀設(shè)備中設(shè)定對(duì)應(yīng)程序。目前，主要使用的分揀設(shè)備有立式、臥式、通道式三類。其中臥式和通道式更加偏向于全自動(dòng)化，利用設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)尺寸條煙的自動(dòng)上煙方式，但是無(wú)法自動(dòng)上異型煙，甚至?xí)ㄗ?dǎo)致故障。如果要利用通道式或者臥式分揀設(shè)備自動(dòng)分揀異型煙就勢(shì)必要改造其結(jié)構(gòu)，這無(wú)疑會(huì)擴(kuò)大占地面積，增加技術(shù)難度。而立式分揀設(shè)備本身可以調(diào)整煙倉(cāng)寬度，更加容易完成自動(dòng)化分揀異型煙的工作[3]。物流中心所接受的異型煙品牌約100種，其尺寸規(guī)格迥異，而零售商對(duì)每種的需求并不多，每天需求不固定。由此，如果給每個(gè)品牌設(shè)定單獨(dú)的煙倉(cāng)，在成本上并不適宜。主要使用的物流系統(tǒng)中煙倉(cāng)位置固定，需要人工調(diào)整煙倉(cāng)，面對(duì)較多的調(diào)整工作，會(huì)存在錯(cuò)誤率高、難度大的問(wèn)題。

2.1.3 異型煙和標(biāo)準(zhǔn)煙的分揀區(qū)別

在碼垛上由于異型煙的尺寸規(guī)格不同，而出于工序流程需求，碼垛需要維持在一定規(guī)格，由此異型煙目前使用人工碼垛的方式更為適宜。標(biāo)準(zhǔn)條煙可以使用疊煙機(jī)自動(dòng)碼垛裝箱以及塑封包裝，一般30 條煙為同一批次碼垛。而異型煙需要人工碼垛裝箱，并且在裝箱容量統(tǒng)一的情況下，需要合理分配異型煙裝箱。在碼垛順序上，標(biāo)準(zhǔn)煙尺寸規(guī)格相同，工序?yàn)轫樞蜻M(jìn)行。而異型煙碼垛需要考慮穩(wěn)定性問(wèn)題，所以更多使用人工碼垛調(diào)整方式來(lái)提高分揀效率。在打碼上，標(biāo)準(zhǔn)煙大多使用分部位打碼方式，皮帶輸送到打碼位置即可。但是異型煙的尺寸結(jié)構(gòu)不一，不能確保位于皮帶居中位置，需要使用整形滾筒歸整到靠邊位置進(jìn)行打碼。

2.2 異型煙分揀方案設(shè)計(jì)

針對(duì)異型煙的特點(diǎn)及諸多問(wèn)題，需要在分揀系統(tǒng)模型中單獨(dú)設(shè)計(jì)異型煙的分揀方案。目前異型煙最大的問(wèn)題在于整形打碼，需要根據(jù)訂單需求來(lái)設(shè)置條煙隊(duì)列，并計(jì)算出倉(cāng)時(shí)間，達(dá)到出煙效率最大化的目的。

2.2.1 分揀隊(duì)列

利用虛擬托盤概念，可以讓分揀系統(tǒng)先計(jì)算條煙出倉(cāng)速率和時(shí)間，然后在最大化出煙效率情況下，達(dá)到控制間距的效果。其原理在于接收訂單后，在模型中先預(yù)設(shè)皮帶上存在相等間距的虛擬托盤，在分揀開始后，托盤和皮帶線速度相等，進(jìn)入分揀區(qū)，讓訂單的條煙單獨(dú)占用托盤，由此計(jì)算條煙出煙時(shí)間，統(tǒng)一調(diào)配[4]。分揀系統(tǒng)可以精確控制煙倉(cāng)出煙時(shí)間，避免多條異型煙堆積，導(dǎo)致無(wú)法控制間距，整形失效。

2.2.2 條煙順序

條煙順序影響工作人員的碼垛效果。由于異型煙的尺寸規(guī)格各異，需使用人工碼垛方式，依據(jù)周轉(zhuǎn)箱的寬度來(lái)計(jì)算寬度，確保煙垛的穩(wěn)定性，避免倒塌。在標(biāo)準(zhǔn)煙的碼垛方式上，一般是排序碼垛以充分利用周轉(zhuǎn)箱的空間。但是，異型煙由于長(zhǎng)寬高差異較大，如此碼垛后，無(wú)法確保煙垛高度是否平整，需要優(yōu)化條煙順序以確保順序碼垛下異型煙垛的穩(wěn)定性。在模型設(shè)計(jì)上，讓訂單中寬度最大的異型煙先出，其次是寬度較小的異型煙，如此可以確保周轉(zhuǎn)箱的煙垛呈現(xiàn)底寬上窄的趨勢(shì)，提升煙垛穩(wěn)定性。

2.2.3出煙時(shí)間

在分揀隊(duì)列中條煙占據(jù)單一托盤，通過(guò)托盤運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間即可得到出煙時(shí)間。在工序中途，虛擬托盤以皮帶線速度運(yùn)輸，計(jì)算出空托盤數(shù)、托盤間距、煙倉(cāng)間距、皮帶線速度，則可得到出煙時(shí)間。依照出煙時(shí)間排序，可以生成出煙隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)分訂單分揀，實(shí)現(xiàn)出煙效率最大化[5]。

2.3 異型煙分揀流程

在確定異型煙的分揀方案后，可以分析分揀流程來(lái)優(yōu)化分揀系統(tǒng)模型。大多數(shù)物流中心是通過(guò)電控系統(tǒng)以及信息管理系統(tǒng)來(lái)調(diào)配異型煙的分揀。在分揀開始后，會(huì)通過(guò)PLC 依據(jù)出煙隊(duì)列控制煙倉(cāng)電機(jī)，推出條煙落在皮帶中，經(jīng)由煙姿調(diào)整后靠邊整形再激光打碼，由擺臂導(dǎo)向不同下線口碼垛裝箱。

2.3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

依照目前使用最多的半自動(dòng)分揀設(shè)備以及所指定的異型煙分揀模型，需要使用異型煙立式分揀機(jī)，這種分揀機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由煙倉(cāng)、電機(jī)、推煙結(jié)構(gòu)、出煙運(yùn)動(dòng)傳感器以及煙倉(cāng)傳感器構(gòu)成。1）煙倉(cāng)，可以調(diào)節(jié)大小以確保符合異型煙的標(biāo)準(zhǔn)。2）傳輸皮帶，通過(guò)傳輸皮帶來(lái)運(yùn)輸條煙，連通各個(gè)環(huán)節(jié)。3）煙姿轉(zhuǎn)向皮帶，針對(duì)條煙尺寸規(guī)格不一的情況，利用轉(zhuǎn)向皮帶使條煙長(zhǎng)邊平行皮帶運(yùn)行方向以便于整形。4）整形滾筒，由于異型煙尺寸規(guī)格不一，所以需要靠邊整形后打碼，由此通過(guò)整形滾筒，沿斜向傳輸條煙，配合限位導(dǎo)桿使條煙靠邊對(duì)齊，便于打碼。5）打碼皮帶，在整形后，打碼，運(yùn)輸?shù)较戮€口。6）下線口皮帶，根據(jù)訂單需求，將一個(gè)訂單的條煙運(yùn)輸?shù)酱a垛裝箱平臺(tái)，經(jīng)人工處理將條煙裝箱。

2.3.2 控制系統(tǒng)

在異型煙分揀調(diào)度系統(tǒng)模型中，控制系統(tǒng)必不可少，目前主流物流中心所使用的控制系統(tǒng)構(gòu)件主要有PLC 控制系統(tǒng)、服務(wù)器和工控機(jī)。其中工控機(jī)通過(guò)工業(yè)交換機(jī)連接服務(wù)器，讀取訂單信息并處理，通過(guò)以太網(wǎng)和PLC 連接，使得通信具有實(shí)時(shí)性。PLC控制系統(tǒng)由傳感器、主站、從站等設(shè)備構(gòu)建，利用變頻器來(lái)控制分揀流程中的所有邏輯判斷控制。在分揀模型中，要依靠控制系統(tǒng)對(duì)訂單完成處理，需要提取訂單信息并自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中還需要存放異型煙尺寸規(guī)格的信息[6]。在處理訂單時(shí)，需要控制系統(tǒng)讀取異型煙的尺寸規(guī)格，計(jì)算分裝，自動(dòng)給予出煙工序。

2.3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)

對(duì)于分揀系統(tǒng)模型而言，數(shù)據(jù)是重中之重，不僅需要錄入異型煙的尺寸規(guī)格信息以用于計(jì)算工序等相關(guān)問(wèn)題，還要錄入各類產(chǎn)品信息存檔，并且保存當(dāng)天的使用信息。SQL數(shù)據(jù)庫(kù)是目前常用的數(shù)據(jù)庫(kù)，需要建設(shè)如表1 所示的訂單信息表，定義各類信息。然后，對(duì)尺寸規(guī)格、煙倉(cāng)儲(chǔ)存、出煙隊(duì)列、故障信息依次建表，用于定義控制系統(tǒng)中各類參數(shù)的信息。

表1 訂單信息定義表

2.3.4 信息檢索

在分揀模型運(yùn)行時(shí)，需要大量查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息來(lái)代入模型計(jì)算，因此檢索信息的效率和速度將會(huì)極大影響模型的品質(zhì)?？梢允褂?NET 框架的Dictionary 泛型類來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。泛型類public class Dictionary＜TKey，TValue＞在命名空間System.Collections.Generic 下定義，TKey 為字典中的鍵的類型，TValue 為字典中的值的類型。Dictionary 泛型類提供了從一組鍵到一組值的映射。通過(guò)鍵來(lái)檢索值的速度非常快，時(shí)間復(fù)雜度接近于O(1)，這是因?yàn)镈ictionary 類是作為一個(gè)哈希表來(lái)實(shí)現(xiàn)的。哈希表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它通過(guò)把關(guān)鍵碼值映射到表中一個(gè)位置來(lái)訪問(wèn)記錄，從而加快查找的速度[7]。

2.3.5 控制程序流程

在運(yùn)行分揀系統(tǒng)模型時(shí)，控制程序流程從讀取訂單開始，在讀取到訂單信息后，會(huì)根據(jù)定義的訂單信息建立數(shù)據(jù)表并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。讀取訂單后，需要向數(shù)據(jù)庫(kù)查詢訂單中所需的香煙品類，根據(jù)香煙的代碼以及名稱匹配數(shù)據(jù)庫(kù)的信息。匹配成功后根據(jù)異型煙的體積信息拆分訂單，在算法計(jì)算后，對(duì)比周裝箱的參數(shù)信息來(lái)分配訂單工作任務(wù)，生成每一個(gè)周裝箱對(duì)應(yīng)的出煙隊(duì)列。根據(jù)出煙隊(duì)列來(lái)調(diào)整煙倉(cāng)，制定工序。

3 模型應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中控制系統(tǒng)讀取訂單信息，PLC 會(huì)執(zhí)行任務(wù)，讀取煙倉(cāng)表，匹配訂單香煙信息，讀取周轉(zhuǎn)箱訂單信息，計(jì)算條煙出煙時(shí)刻，將條煙對(duì)應(yīng)的煙倉(cāng)編號(hào)、訂單號(hào)、出煙時(shí)刻添加到出煙隊(duì)列中，依照出煙時(shí)刻排序，并計(jì)算兩條煙的相對(duì)出煙時(shí)刻用以控制間距，結(jié)果如表2 所示。模型應(yīng)用表輸出每條煙的執(zhí)行順序、出煙時(shí)間、相對(duì)出煙時(shí)間、訂單號(hào)以及煙倉(cāng)號(hào)，由此，可以給PLC 傳遞相對(duì)出煙時(shí)間、訂單號(hào)以及煙倉(cāng)號(hào)三個(gè)控制信號(hào)，來(lái)控制煙倉(cāng)動(dòng)作。每條煙含有訂單信息，可以憑借模型應(yīng)用表查詢訂單完成情況并進(jìn)行分揀操作[8]。

表2 模型應(yīng)用表

3.1 監(jiān)控

分揀時(shí)，除了分揀模型外還需要獨(dú)立運(yùn)行分揀監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)讀取PLC 的分揀數(shù)據(jù)，用于監(jiān)督工序是否正常執(zhí)行。監(jiān)控需要顯示出是否存在故障、存在何種故障，并且和數(shù)據(jù)庫(kù)連通，能夠?qū)⒎謷?shù)據(jù)信息、故障信息、工作人員操作記錄都自動(dòng)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控就需要在PLC 儲(chǔ)存區(qū)設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，讀取到監(jiān)控點(diǎn)的儲(chǔ)存地址后，可以確定運(yùn)行狀態(tài)是否正常。當(dāng)存在故障時(shí)，向主控程序發(fā)送報(bào)警信號(hào)，及時(shí)通知工作人員執(zhí)行維修處理操作[9]。

3.2 模型應(yīng)用原則

在異型煙市場(chǎng)擴(kuò)大的情況下，構(gòu)建分揀系統(tǒng)模型是有必要的。但首先需要考慮適用性和經(jīng)濟(jì)性，高效穩(wěn)定的系統(tǒng)不僅依賴設(shè)備的先進(jìn)性和自動(dòng)化程度，還需要考慮到系統(tǒng)思維，照顧到成本等相關(guān)問(wèn)題。利用異型煙分揀系統(tǒng)，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度并減少差錯(cuò)，縮短分揀時(shí)間，同時(shí)要兼顧易操作性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性原則。目前，分揀系統(tǒng)更多向模型化、標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化的方向發(fā)展。異型煙分揀模型的構(gòu)建需要依托于物流中心的工程模式，根據(jù)訂單信息，自動(dòng)分配品種和倉(cāng)位，提高分揀效率。

3.2.1 差錯(cuò)控制

異型煙分揀，差錯(cuò)控制是必要的，自動(dòng)化分揀下，最容易出現(xiàn)問(wèn)題的地方就是沒有及時(shí)補(bǔ)貨、及時(shí)改錯(cuò)。需要利用工控機(jī)提示分揀、補(bǔ)貨，避免工作人員分揀出錯(cuò)，在大多數(shù)物流中心中，會(huì)使用實(shí)物托盤來(lái)控制卷煙分揀。這就需要確保條煙不串戶，搭配編碼器復(fù)核煙倉(cāng)出貨，避免條煙錯(cuò)分、漏分的問(wèn)題。

3.2.2 性能保障

應(yīng)用分揀系統(tǒng)需要注重安全性和可維護(hù)性。在整套分揀系統(tǒng)中，要確保機(jī)電設(shè)備不外露電線，各個(gè)接頭、穿管、橋架完全封閉，分開扎束內(nèi)部的強(qiáng)電和弱電線路，并對(duì)各個(gè)設(shè)備做好安全標(biāo)識(shí)，設(shè)置醒目的顏色標(biāo)識(shí)，避免工作人員誤觸。尤其在半自動(dòng)的物流中心，人工導(dǎo)致的故障和誤差問(wèn)題比比皆是。只有做好人員的安全培訓(xùn)工作，才能夠充分解決好工作人員的安全問(wèn)題以及分揀任務(wù)的效益問(wèn)題[10]。

在模型中皮帶等傳輸機(jī)構(gòu)都是外露的，需要確保各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的鏈輪、皮帶輪都有防止串動(dòng)的措施以及安全保護(hù)罩，避免操作人員操作失誤而導(dǎo)致人員損傷、設(shè)備損壞。尤其需要在容易發(fā)生危險(xiǎn)的地方，設(shè)立安全警示牌，在各個(gè)電機(jī)上加裝過(guò)載保護(hù)裝置，確定可以及時(shí)斷電，避免危害進(jìn)一步擴(kuò)大。在設(shè)備金屬外殼上設(shè)置安全接地裝置。對(duì)于可以拆卸的部件要留出操作空間，在皮帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，要留出人員行動(dòng)的空間，提高分揀系統(tǒng)的可維護(hù)性。

4 結(jié)論

異型煙的訂單數(shù)量不斷增多，異型煙的品類也在逐年增多。因此，設(shè)置調(diào)配異型煙分揀系統(tǒng)模型是必要的，預(yù)計(jì)之后每年異型煙分揀任務(wù)將會(huì)遞增，早做準(zhǔn)備早使用異型煙分揀系統(tǒng)可以解決人工分揀產(chǎn)生的錯(cuò)誤率高等諸多問(wèn)題。特別是根據(jù)國(guó)家煙草專賣局的最新政策導(dǎo)向，煙草市場(chǎng)的各類產(chǎn)品未來(lái)將更加個(gè)性化發(fā)展，市場(chǎng)也需要包裝各異的產(chǎn)品來(lái)帶動(dòng)消費(fèi)者需求，這決定了未來(lái)異型煙的分揀任務(wù)將會(huì)不斷加重。利用異型煙分揀系統(tǒng)可以彌補(bǔ)人工分揀作業(yè)的不足，有效解決煙草行業(yè)存在的異型煙分揀效率低、差錯(cuò)率高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)力密集、過(guò)于依靠人力的問(wèn)題，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。