异型条烟预分拣关键技术研究

钟 亮

（湖南省烟草公司衡阳市公司，湖南 衡阳 421000）

随着异型卷烟品规与销量不断增加，传统的电子标签分拣线分拣效率低、差错率高，异型烟分拣已成为行业迫切需要解决的问题[1-2]。异型烟分拣线按照自动化程度可分为手工分拣线和半自动分拣线。由于条烟尺寸的差异性，目前很难做到全自动化的异型烟分拣。

为此，某烟草物流中心分析现有模式，在充分利旧的基础上，对分拣设备进行了改造，效率从800条/h提高到2 000条/h，效率问题得到初步提升。但由于烟仓数量有限或者某些品种尺寸特殊等缘故需要手工拣选，导致手工拣选停机时间长、停机等待浪费、柔性分拣能力差[3]等问题。因此本文在尝试较少硬件改动的情况下，通过流程优化让手工拣选和自动拣选同步进行，并采用自动合单的方式，减少人工干预，提高效率。

1.1 工艺布局

传统异型烟分拣工艺是一种串行的流水线工艺，如图1所示。完整的异型烟分拣线由立式机组、输送装置、手工拣选工位、打码机、裹包机组成。其流程为：立式机组将条烟按照订单将条烟弹射到主皮带上，经过人工拣选工位、打码工位打码，最后进入包装机打包、贴标机贴标后进入配送环节。人工拣选工位为非必要项，假如某个订单有手工拣选的条烟，则进入手工拣选流程，该流程可以细分为订单尾进入拣选点、输送带停止、显示条烟抓取信息、抓取条烟、核对信息、放置条烟、启动输送带等7个环节，如图2所示。当任意环节出现问题时，全线停止等待，而且需要手工拣选的条烟较多时，整个工艺流程重复次数多，差错率快速提升。

图1 工艺布局

图2 工艺流程

1.2 流程优化

预分拣就是在立式机分拣过程中，手工拣选同步进行，即并行分拣，从而减少分拣时间。改进后的工艺如图3所示。当开始分拣时，立式机自动分拣条烟，同时显示条烟抓取信息（后5单）。在立式机分拣的条烟输送至拣选点的过程中，人工完成条烟抓取、信息核对并放置条烟。当自动分拣的条烟尾部输送至拣选点时，如果该户订单有需要拣选的条烟，那么将人工拣选的条烟合并到输送带，同时，自动刷新显示屏（隐藏刚过去的一个订单，显示后5个订单）。

图3 并行流程

为清晰反映流程优化后所节省的时间，按操作流程对各环节平均耗时进行分析。从图3可以看出，手工拣选的操作流程中耗时最多的集中在条烟抓取、放置条烟、信息核对环节，运用ECRS分析法重新梳理流程，在前订单尾离开拣选点立即给出下一单抓烟信息，抓取条烟、核对信息在下一单进入拣选点时完成，那么将大大减少停机等待的时间。

2.1 合单皮带装置

上述流程还可以进一步优化，将流程中的设备停机、启动环节直接优化掉，也就是实现自动合单。与上述优化流程类似，同样提前显示信息、条烟抓取、核定信息之后，将抓取的条烟放置在一条叫做合单皮带的装置上，如图4所示。其中119号编码即为自动合单装置，它可以放置3-5个需要拣选的订单。当需要拣选的订单尾进入拣选点后，合单装置启动，将需要合单的条烟输送至主皮带后停机，等待下一个需要拣选的到达拣选点，以此取代主皮带需要进行启停控制来人工放置条烟。需要指出的是：合单皮带较宽，非常适合特异型烟的分拣。

图4 合单皮带位置图

合单皮带是一条长3m的皮带，安装垂直于主皮带。其宽度为400mm，高度为520mm，略高于中心带20mm。合单皮带采用变频器控制，功率为0.37kw，速度为1.2m/s；
拣选带末端带有一对光电管，用于计算分拣条烟数量。

合单皮带需要一个显示屏配合使用，订单加载到PLC之初，会显示后面连续需要抓取的5单条烟，人工拣选条烟将按照15mm/条的间距摆放；
控制系统采用步进电机控制模式，根据需要出烟的数量，依靠光电管计数分拣条烟，每分拣一个订单控制系统自动刷新后续需要拣选的条烟。当预拣选带上的条烟分拣完成，缺烟情况下系统会自动预警；
当需要合单而缺烟时，主皮带会自动停机报警等待，直到拣选完成。

2.2 自动合单技术

完成上述自动合单功能的关键，在于实时计算订单进入拣选点。条烟自动分拣示意如图5所示。分拣顺序从左往右，即先分拣1号烟仓，依次向后；
皮带输送方向同样从左往右；
皮带中，正中间是第X个订单，右侧是第X-1个订单（较X的前一个），左侧是第X+1个订单（较X的后一个）；
订单之间的距离为订单间距；
订单长度是指订单内条烟宽度总和。

图5 条烟分拣示意图

设通道个数为M，订单集合为X=[X-1,X,X+1,...,X+N]，nij表示第i个订单在j个通道上的分拣条烟数。

假定每个通道分拣速度一致，用fv表示每条烟的分拣速度，用l表示条烟长度，则每条烟分拣时长：

考虑条烟拨打间隔用t0表示，单通道条烟分拣时长：

考虑订单间距为L，同时将订单间距换算为条烟拨打时间用tl表示，则：

设皮带速度一定，用V0表示，则每个订单长度为：

其中，m表示最大通道序号。

进一步推导合单位置算法模型，如图6所示。

图6 合单示意图

首先当前订单（X1）尾部离开拣选点（合单位置），显示屏立即提示操作工后三个需要拣选的订单具体信息，操作工根据提示将条烟放置在缓存上，如图6的订单（X1+3，X1+13）；
待主线上订单（X1+3）尾部进入拣选点，由合单装置将人工拣选订单（X1+3）的条烟弹射到主线上，从而完成合单。这相当于环节并行的同时，对人工拣选环节进行了缓存，消除拣选条烟较多而引起停机等待的因素，合单装置节省了主线电机频繁启停的时间与不利影响。

设定0时刻为基准时刻，设拣选点到皮带起点距离为l0，那么订单I尾部进入拣选点的时刻为：

由此，以判断出订单尾进入拣选点。

3.1 电控系统

自动合单电控系统主要实现两个功能，其一计算订单尾到达拣选点；
其二控制自动合单皮带合单、补货及报警。原有分拣设备采用西门子S7-1500 CPU 1516-3PN/DP[4],仅需要增加两个对应功能块及光电传感信号、输出控制点，控制变频器驱动合单皮带运动，从而实现自动合单。如图7所示。

图7 自动合单示意图

控制流程如图8所示。在订单下达PLC时，获取前一订单的计算值作为当前订单的基准控制值，在这个值的基础上，加上当前订单长度和拣选点绝对位置，得到拣选点相对于本订单的相对位置。在该位置与计数器当前位置做差，如果大于等于零表示当前订单还未进入拣选点，那么就返回订单池继续轮寻订单，并重复本步骤；
如果小于零，表示当前订单已经进入拣选点。对于进入拣选点的订单，进一步获取需要拣选的条数，并启动合单设备，条烟经过合单设备进入主皮带输送线，每经过合单设备光电检测装置一次，PLC对需要拣选条烟条数进行减一操作，直到拣选条烟条数为零，计数完成；
当然减数操作过程中，可能会出现缺烟。

图8 自动合单控制流程图

计数完成并不是终点，合单设备还需要继续运行，进行补烟操作，为下次拣选做准备，是否补烟到位同样依靠合单装置光电传感器检测，当检测到信号时，PLC控制设备补货停止，未检测到则继续补货。当发生缺烟时，由PLC控制信号输出，驱动声光报警器。

3.2 数据分析

以2021年5月分拣数据与2021年8月分拣数据作为对比分析，分别代表改造前和改造后的设备运行状况，以此判断预拣选技术的效果。设备运行条件：设备连续运行，直到完成当天分拣量，期间设备每天一次保养；
数据统计10个分拣工作日；
为忽略每天订单总量的波动，采用每小时拣选停机时间来度量。手工拣选时间=拣选等待/故障总时间*60，见表1。

表1 分拣停机数据统计（min）

本文从工艺流程、位置算法模型两个方面介绍了异型烟预分拣技术，并对该技术进行了仿真对比。作为预拣选关键技术，位置算法模型在虚拟队列的基础上计算而来，通过缓存装置的多订单缓存及自动合单实现了手工拣选与自动分拣并行作业。目前，此技术已在某烟草物流配送中心异型烟分拣线实际应用，结果表明：手工拣选时间下降66%左右，大大降低了异型烟手工拣选停机时间，具有较强的实用价值。后续将进一步优化此技术，将手工拣选时间消耗在条烟输送途中，实现无缝并行作业。

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