異型條煙預分揀關鍵技術研究

鐘 亮

（湖南省煙草公司衡陽市公司，湖南 衡陽 421000）

0 引言

隨著異型卷煙品規與銷量不斷增加，傳統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

1.1 工藝布局

傳統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節。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個環節，如圖2所示。當任意環節出現問題時，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

為清晰反映流程優化后所節省的時間，按操作流程對各環節平均耗時進行分析。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、信息核對環節，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

2.1 合單皮帶裝置

上述流程還可以進一步優化，將流程中的設備停機、啟動環節直接優化掉，也就是實現自動合單。與上述優化流程類似，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；控制系統采用步進電機控制模式，根據需要出煙的數量，依靠光電管計數分揀條煙，每分揀一個訂單控制系統自動刷新后續需要揀選的條煙。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

完成上述自動合單功能的關鍵，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，右側是第X-1個訂單（較X的前一個），左側是第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條煙寬度總和。

圖5 條煙分揀示意圖

設通道個數為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。

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。這相當于環節并行的同時，對人工揀選環節進行了緩存，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

3.1 電控系統

自動合單電控系統主要實現兩個功能，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，控制變頻器驅動合單皮帶運動，從而實現自動合單。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輪尋訂單，并重復本步驟；如果小于零，表示當前訂單已經進入揀選點。對于進入揀選點的訂單，進一步獲取需要揀選的條數，并啟動合單設備，條煙經過合單設備進入主皮帶輸送線，每經過合單設備光電檢測裝置一次，PLC對需要揀選條煙條數進行減一操作，直到揀選條煙條數為零，計數完成；當然減數操作過程中，可能會出現缺煙。

圖8 自動合單控制流程圖

計數完成并不是終點，合單設備還需要繼續運行，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，未檢測到則繼續補貨。當發生缺煙時，由PLC控制信號輸出，驅動聲光報警器。

3.2 數據分析

以2021年5月分揀數據與2021年8月分揀數據作為對比分析，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的效果。設備運行條件：設備連續運行，直到完成當天分揀量，期間設備每天一次保養；數據統計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 分揀停機數據統計（min）

4 結語

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，并對該技術進行了仿真對比。作為預揀選關鍵技術，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了手工揀選與自動分揀并行作業。目前，此技術已在某煙草物流配送中心異型煙分揀線實際應用，結果表明：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。后續將進一步優化此技術，將手工揀選時間消耗在條煙輸送途中，實現無縫并行作業。