異型煙分揀系統碼垛作業優化研究

楊旭東，胡淵富，蒲睿強，徐明陽

（貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025）

1 引言

提升分揀系統的效率一直是物流自動化領域研究的重點。國外為達到提升分揀系統效率降低物流成本的目的，研究了多線碼垛系統的分配策略［1］，機器人碼垛解決高通量需求等問題［2］；在條煙分揀領域已實現同一分揀線采用多臺碼垛機對不同品規（品牌）的條煙在同一垛位進行碼垛并包裝的技術。然而，目前國內的條煙自動化分揀包裝線主要用于分揀標煙（外包裝規格標準的條煙），對銷量與日俱增的異型煙（外包裝尺寸各異的條煙）大多采用效率低的手工分揀包裝。盡管國內已有許多研究人員對異型煙分揀機、異型煙打碼、異型煙分揀策略等問題進行了研究［3-6］；但對異型煙碼垛包裝的研究并不多見。由于煙草商品的特殊性，無法提供大量的條煙進行試驗，仿真建模就成了分析和優化異型煙分揀過程的強有力工具。基于上述原因，使用Plant Simulation這種先進的計算機仿真工具可以實現在異型煙分揀系統的規劃設計階段通過仿真的方法評價和論證設計方案的可行性；通過動態模擬異型煙分揀線的運行過程預測分揀線的運行狀態和驗證設備布局的合理性。其在仿真運行上采用的時鐘離散化推進機制，對于異型煙分揀包裝這樣的典型離散化系統能全面地建模仿真，并且其內置的SimTalk語言能夠實現模型的精細控制和靈活控制。

2 異型煙分揀系統的組成及工作原理

整套異型煙分揀系統主要包括由工控機、PLC等組成的信息控制部分和分揀設備、傳送皮帶、激光打碼皮帶、自動碼垛設備以及裹膜包裝設備等組成的機械部分，如圖1所示。

圖1 異型煙分揀流程Fig.1 Sorting Process of Special-Shaped Cigarettes

使用的碼垛設備有翻板疊煙機和機械手。翻板疊煙機碼垛效率高但只能碼標煙或類標煙（與標煙外包裝尺寸差別較小的條煙），且單次碼煙數量必須是5或5的倍數，當單個訂單中條煙數量含有5的余數或訂單中含有異型煙時需要用到機械手碼垛，因此需優化訂單隊列來配合碼垛作業。在信息系統對訂單數據進行優化后將分揀信息發送至異型煙分揀系統的PLC，根據排列好的訂單品規和數量由PLC來控制分揀設備的出煙機構執行條煙的分揀操作。常使用的分揀設備有占地面積小的可調立式分揀機，單次出煙量大的臥式通道分揀機和布置靈活的手工電子標簽貨柜。條煙分揀到主線皮帶上形成完整的客戶訂單隊列后依次進入打碼皮帶機，按照訂單流水號上的信息進行激光打碼，然后進入擺臂皮帶機。依據訂單隊列結構，條煙通過擺臂皮帶機分流成上下兩層，進入各自的緩存皮帶后碼垛機器人（翻版或機械手）進行自動碼垛。翻版碼垛工位碼垛完畢后經鏈板自動前移到煙垛合單工位，在煙垛合單工位上按照訂單流水號同機械手碼好的煙垛進行煙垛合單，然后經鏈板往包裝設備的橫移機構送煙，橫移機構自動將煙垛移至裹膜機入口，推煙機構將其送入裹膜機自動裹膜封切，包裝機通過熱收縮形成煙包，然后貼標轉移到配送區。

3 異型煙分揀系統的建模仿真

3.1 數據采集與分析

通過對某煙草物流配送中心目前在銷卷煙品規、數量和各卷煙外包裝尺寸情況進行分析確定分揀機的數量和類型，通過對客戶訂單長度（單個訂單中所有條煙的寬度之和）分析確定碼垛方案。為該中心設計了可調立式分揀機80個用于分揀常見品規的異型煙，5個臥式通道分揀機用于分揀類標煙，16個手工電子標簽貨柜用于分揀不易入倉的品規；為該套異型煙分揀系統設置主線皮帶一條，手工補貨皮帶一條，打碼皮帶一條，擺臂皮帶一條；采用雙層分流碼垛模式，下層條煙采用翻版疊煙機碼垛，上層條煙采用機械手碼垛，煙垛合單后由同一臺裹膜包裝機包裝。設計方案，如圖2所示。

圖2 異型煙分揀系統設計方案Fig.2 Design Scheme of Special-Shaped Cigarette Sorting System

在分揀開始前就要對訂單進行EIQ（訂單張數Entry，貨品種類Item，數量Quantity）分析以確定各品規的卷煙對應的分揀機煙倉，從而減少分揀過程中分揀機的貨品調配次數。在劃分訂單隊列結構確定訂單排序時，除了考慮不同的碼垛機器人有不同的碼垛方式，還需要注意訂單中包含的異形條煙外包裝尺寸。采用算法先按照條煙高度進行升序排列，然后根據條煙的寬度進行分類，各個寬度區間按照降序排列。綜上，采用EIQ分析法得出訂單基本規律，結合碼垛包裝等約束條件加以修正后的客戶訂單確定了訂單次序、條煙隊列、條煙品規等內容。

為了便于建模仿真，采用虛擬托盤隊列思想對分揀系統的工作原理進行研究。假設一條無線長的傳送帶，在傳送帶上劃分無數單元格作為托盤，每個托盤位對應一條卷煙，托盤的排列次序根據訂單隊列結構固定。在開始分揀后，虛擬托盤由分揀區入口進，分揀機內的條煙被分揀裝入對應的虛擬托盤后離開分揀區。后續才能對條煙進行打碼、碼垛和包裝等操作。虛擬托盤分揀示意圖，如圖3所示。

圖3 虛擬托盤隊列示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Virtual Tray Queue

切單打碼需要一定的時間，所以在訂單與訂單間留出了訂單間距。設皮帶速度為v，虛擬托盤寬度為d，訂單間距為ε，日分揀條煙數為a，日訂單數為b。記虛擬托盤段所占總長度為L，則：

記全部通過分揀區的時間為T，則：

假設訂單i中含有ji條卷煙，設訂單i到達分揀區入口的距離為Di，則：

對于訂單i中的第k條卷煙C，記分揀區的入口到第k條卷煙所對應品規C的分揀機的距離為Sik=SC，訂單i中第k條煙到達對應分揀機的距離為Lik，則：

訂單i中第k條煙的出煙時刻為Tik，則：

由此可以通過設置虛擬托盤控制相應分揀機對條煙的分揀時機。

3.2 仿真模型的搭建與驗證

使用離散事件掃描法對該異型煙分揀系統進行仿真，依據仿真時鐘掃描到的最早事件以及內部處理事件推進，按優先級激活實體進行活動，使測試通過的事件得以發生并改變系統狀態。為充分使用仿真軟件已有模型庫，本次針對某異型煙分揀系統的建模仿真主要使用到的Plant Simulation軟件模型庫如下所列：

Source：按系列從訂單表中生成MU（移動單元）；

Station：用于設置處理單個MU的時間和進出條件；

Buffer：用于分揀機的倉儲處理功能；

Conveyor：用于傳送帶模塊，其靈活的傳感器設置功能方便處理傳送帶上的MU；

PickAndPlace：設置為條煙的碼垛機械手；

Part：設置為條煙類MU；

Method：用于SimTalk編程；

Chart：用于資源信息和數據統計。

根據異型煙分揀系統的工作原理和信息流動方向設計的仿真控制邏輯，如圖4所示。

圖4 仿真控制邏輯流程Fig.4 Simulation Control Logic Flow

把前處理中優化好的客戶訂單導入模型中設置好的訂單表。編寫的訂單讀取程序，如圖5 所示。從訂單表中讀取訂單流水號、計算單張訂單條煙總數和開始分揀后已進入分揀區條煙總數等信息為后續控制條煙分揀、分流、碼垛等提供依據。在使用Source按訂單表生成條煙類MU時，為條煙MU賦予“Name”屬性，即是品規。依據“Name”屬性和讀取的訂單信息把條煙類MU補入模型中對應品規的分揀機煙倉Buffer等待分揀。

圖5 訂單讀取程序截圖Fig.5 Screenshot of the Order Reading Program

為了在模型中達到使用虛擬托盤控制分揀的目的，需要設置一條虛擬支路，在支路中根據訂單表按順序產生托盤類MU，根據設計方案中各分揀機煙倉距離分揀區入口的距離在支路皮帶上設置傳感器模擬PLC點位控制煙倉出煙，當托盤類MU到達傳感器位置，傳感器程序就會讀取托盤的“Name”屬性，如果“Name”屬性同分揀機煙倉存儲的品規一致則觸發分揀機出煙到主線皮帶上，出煙的同時為條煙MU賦予自定義的“danhao”屬性，即是訂單流水號。虛擬托盤支路，如圖6所示。通過對圖6中的虛擬皮帶速度的設置，可以控制虛擬托盤的寬度，設置流水號改變時圖6中Station對托盤類MU的處理時間來控制訂單間距。當條煙類MU被揀選到主線皮帶上后便形成了有序的條煙隊列，且每條煙都被賦予了“Name”屬性和“danhao”屬性，后續的打碼、分流、碼垛、煙垛合單和裹膜包裝等環節都主要依據這兩個屬性進行控制。最終構建的模型，如圖7所示。

圖6 虛擬托盤仿真模型Fig.6 Virtual Pallet Simulation Model

圖7 某異型煙分揀系統仿真模型Fig.7 Simulation Model of a Special-Shaped Cigarette Sorting System

已知為某煙草物流配送中心規劃設計的主線皮帶速度v=1m/s；主線訂單間距ε=732mm；虛擬托盤寬度為d=224mm；翻版碼垛效率為16000條/小時；機械手碼垛頻次為3.5秒/次，每次最多抓取4條；裹膜包裝機效率為14包/分鐘。輸入該煙草物流配送中心某日的訂單數據運行仿真模型來驗證搭建的模型。已知某日訂單有18501條卷煙，1941張客戶訂單，則虛擬托盤所占總長度L=ad+ε（b-1）=5546.844m，全部通過分揀區的時間T=L/v≈1.54h，即分揀區段效率約為η1=12014條/小時。分流緩存區段的效率折損系數為β1（0.75-0.9），碼垛合單區段的效率折損系數為β2（0.85-0.98），取中間系數，預估效率η=η1β1β2≈9300條/小時。取該日第3張訂單的第1條煙C011（品規代號）驗證分揀機分揀出煙的準確性，已知SC011=S31=1870mm，則D3=d∑ji-1+ε（i-1）=7736mm，L31=D3+S31，則T31=L31/v=9.606s。運行仿真檢驗這兩個數據，分揀完畢共用時2.01小時，分揀機出煙準確，符合預期。

4 仿真結果分析與優化

評價異型煙分揀系統的重要指標是分揀效率（條/小時）。在搭建好并驗證后的仿真模型中輸入該中心實際訂單中某7天的數據，運行仿真后統計的分揀效率，如表1所示。

表1 分揀效率統計表Tab.1 Statistics of Sorting Efficiency

在前處理中確定訂單隊列結構后，分流碼垛只能按訂單條數和條煙尺寸范圍進行分流，難以在仿真中研究分流緩存區段的效率折損系數β1。因此要優化該異型煙分揀系統提高分揀效率，只有提高碼垛合單區段的效率折損系數β2。碼垛區段，如圖8所示。在仿真模型設置為無故障運行的條件下分析碼垛合單區段的機械手（PickAndPlace）、機械手前的緩存皮帶（huancunLine1）、翻板疊煙機（fanban）和合單工位（hedan）幾個關鍵位置的設備利用率。

圖8 碼垛包裝模型Fig.8 Palletizing Packaging Model

運行后的設備利用率，如圖9所示。其結果表明翻板疊煙機的工作（Working）狀態較好，機械手有較長時間處于等待（Waiting）狀態，緩存皮帶和合單工位處都存在一定的阻塞（Blocked）。

圖9 設備利用率Fig.9 Equipment Utilization

造成這一現象的原因是機械手碼好煙垛后等待翻板處的煙垛合單或者當翻板碼好的煙垛到達合單工位等待合單時，機械手并未碼好垛無法完成合單，這樣在碼垛合單工位處造成了一定的產能不平衡。由于機械手本身的碼垛效率低于翻板疊煙機的碼垛效率，在此考慮優化機械手碼垛模式。利用機械手布置靈活的特點對碼垛包裝區段的設計方案進行優化。在機械手原有的碼垛工位A的基礎上再增加一個機械手碼垛工位B，形成機械手雙工位碼垛模式，機械手在碼垛工位A碼垛完畢后轉向碼垛工位B碼垛以減少煙垛等待合單的時間，如圖10所示。通過仿真運行得出的優化后的設備利用率，如圖11所示。優化后的數據表明機械手等待時長變短，緩存皮帶的阻塞現象也有所緩解。

圖10 機械手碼垛工位優化設計Fig.10 Optimized Design of Palletizing Station for Robot

圖11 優化后設備利用率Fig.11 Equipment Utilization after Optimization

在優化后的模型中輸入表1中的客戶訂單數據，運行仿真后統計的分揀效率，如表2所示。

表2 優化后效率統計表Tab.2 Statistical Table of Efficiency after Optimization

5 結論

系統地介紹了異型煙分揀系統的工作流程和原理；在分析訂單優化要點的基礎上利用仿真平臺依據訂單隊列結構和虛擬托盤技術完成了系統建模和驗證；在分析仿真結果的基礎上提出了一種優化異型煙分揀系統的方法。優化后模擬實驗的結果以及多工位碼垛合單的思想為以后的分揀系統設計提供參考，具有實際意義。