高速異型煙自動分揀設備研究與應用

文/ 薛帥 賀國龍 袁文斌

目前行業內異型煙半自動分揀包裝系統，基本采用立式異型煙分揀機和通道式分揀機的組合方式或單一立式異型煙分揀機進行分揀，疊煙系統采用機械手疊煙，包裝系統采用熱縮膜進行包裝，系統效率基本在2500條/小時～3600條/小時。隨著煙草行業發展，近幾年來異型煙銷量增長迅速，已占到總銷量的7%～8%，并且還將在一段時間內持續增長。異型煙銷量的持續增長為煙草行業帶來可觀的經濟效益，也引發了一系列問題。異型煙銷量增加，導致每日條煙出庫分揀作業量增加。目前行業內2500條/小時～3600條/小時的異型煙分揀系統已經無法滿足生產需求，且工人勞動強度大，作業時間長，分揀作業滿足不了銷售訂單要求，造成客戶滿意度下降等一系列問題。為解決以上問題，盡快開發一種高速異型煙分揀設備是煙草物流行業當務之急。本文以陜西省煙草公司西安市公司物流分公司異型煙分揀項目為例，從市場需求、工作效率、分揀設備的選擇和應用等多個方面進行重點研究和解決。

圖1 分揀流程

圖2 分揀工藝流程

一、市場需求調研

根據調研匯總得出如下需求：

1.年工作日：250天；

2.每日有效工作時間：1班制，8小時（實際分揀按6小時）；

3.根據銷售數據計算，分揀作業效率要求≥12000條/小時；

4.具有每天能連續工作16小時以上時間的可靠性；

5.實現條煙自動分揀，分揀差錯率和分揀殘損率均應低于1/100000。

二、高速異型煙自動分揀設備工作效率的目標值設定

根據西安市煙草公司物流分公司對異型煙分揀的總體需求，確定了分揀線綜合分揀包裝效率≥12000條/小時，設備整體有效作業率≥95%。

三、高速異型煙自動分揀設備的研究

1.訂單數據分析

根據西安市煙草公司物流分公司提供的2018年2月～6月的業務數據，我們對數據進行如下分析：

（1）西安煙草異型煙：總品規137個，細支煙52個品規，類標煙23個品規，異型煙62個品規。日均異型煙品規92個。

（2）日均銷量：61200條/日，最大日銷量109700條/日。

（3）平均訂單：15.53條/單。

（4）細支煙占71.368%，類標煙占8.739%，異型煙占19.892%。

（5）排名前10個卷煙銷量占異型煙總銷量59.08%，銷量排名第11到第100卷煙銷量占異型煙總銷量40.61%，其他卷煙銷量占總銷量的0.31%。

2.分揀流程的選擇（如圖1）

3.分揀工藝流程（如圖2）

異形煙半自動分揀訂單數據生成——件煙輸送（大中品規）——臥式倉手工拆箱自動填倉——小品規件煙上架——條煙上柜——小品規條煙填倉——條煙自動分揀——條煙自動打碼（激光打碼方式）——訂單核對——自動包裝——自動貼標。

4.分揀策略研究

（1）線路波次拆分

信息管理系統對按波次接收的上層數據進行統計分析，按配送線路形成線路批次分揀計劃，每條線路的訂單按“先送后裝車、后送先裝車”或其他規則形成分揀順序。

（2）分揀線的策略

分類處理、分段合并、統一暫存。按照分類處理、分段合并、統一合單原則，各批次內訂單拆分為臥式分揀機分揀部分和立式分揀機分揀部分，通過立式分揀線與臥式分揀線自動分揀、自動合單、自動打碼、自動包裝、自動貼標后統一到發貨暫存區暫存。

（3）信息流

管理信息系統在接收上層數據以后，按照線路的分揀順序和訂單分揀順序對數據進行統計分析和優化，最終根據不同設備產生不同指令集，分揀開始后，信息管理系統根據分揀設備反饋信息順序觸發指令集，從而使自動分揀設備順暢高效運行。

（4）自動化程度的選擇

采取高速的自動化并行分揀，分揀量87.76%的卷煙采用件煙自動補貨、人工開箱、條煙自動補貨、自動分揀、自動合單、自動打碼、自動包裝、自動貼標。分揀量12.24%的卷煙采用件煙人工補貨和條煙人工補貨，自動分揀、自動合單、自動打碼、自動包裝、自動貼標。在提高自動化程度的同時，合理發揮設備和工人的長處，提高物流處理效率。

凡 異 型 煙 尺 寸 規 格 為 ：長（ 110 ～350 m m ） × 寬（68～188mm）×高（20～150mm）均可上分揀線進行分揀。特殊形狀的異型卷煙可在虛擬煙倉人工分揀。

表1 自動分揀設備的具體配置

5.自動分揀設備的選擇

根據訂單及品規數據分析及行業實施經驗，要滿足總品規137個，日均品規92個異型煙分揀，同時結合各品種異型煙占異型煙銷量的比例，確定需要126個煙倉。本系統主要由件煙傳輸系統、人工開箱系統、自動填倉系統，48個臥式煙倉，68個立式煙倉，10個特異型煙倉，40個虛擬煙倉、分揀主線皮帶機、精準糾錯系統、激光打碼機、包裝機、貼標機、信息系統、控制系統等組成。

具體配置，如表1。

6.分揀路線選擇

為了滿足分揀效率目標，必須增大分揀設備皮帶輸送機緩存量及同一時間系統分揀量，所以分揀系統共6子線，分別是臥式煙倉（前后出煙）2條子線，立式煙倉2條子線，虛擬煙倉前后各1條子線的多條子線同時分揀，以提高分揀線出煙效率。

7.包裝系統選擇

目前行業內多采用機械手疊跺方式，但機械手疊煙效率一般為2500條/小時～3600條/小時，遠不能滿足分揀需求，必須從模式上進行改進。選擇行業內最新產品綜合包裝系統，翻板+機械手模式進行疊煙包裝，此設備最大疊煙包裝效率達到6500條/小時，考慮到分揀需求，選擇安裝兩臺包裝機，并行包裝以滿足整線效率要求。

8.高速異型煙自動分揀設備工作效率理論計算

本次方案采用臥式+立式+虛擬煙倉，分揀系統共6子線，分別是臥式煙倉（前后出煙）2條子線，立式煙倉2條子線，虛擬煙倉前后各1條子線；雙打碼、雙包裝的復合型分揀線。系統分揀效率受訂單結構影響很大，需要根據具體的數據分析，才能得到較為接近實際的分揀效率值，分揀效率計算表，如表2。

系統分揀效率受訂單結構影響很大，需要根據具體的數據分析，才能得到較為接近實際的分揀效率值。

系統設計分揀能力的核算說明：

（1）訂單間距：A1= 4個空托盤/單

（2）訂單長度：平均訂單15.53條/單，其中細支煙11.09條/單，類標煙1.36條/單，異型煙3.09條/單。

（3）出煙速度：C1=10800條/小時（ 3條/秒），系統有效工作系數：η=0.8（受合單等待、故障、報警停機等因素影響）

（4）主線數：2主線，每條主線分2條子線，分揀任務按1：1（虛擬煙倉分揀量忽略不計）。

（5）前主線子線1分揀效率：D1= [C1 /（A1+B1）]＊B1 =[10800 /（4+5.545）]＊5.545 ≈6259.8條/小時

（6）前主線子線2分揀效率：D2=[C1/(A1+B2+B3)]＊(B2+B3) =[10800 /（4+0.68+1.545）]＊(0.68+1.545) ≈3860.24條/小時

（7）后主線子線1分揀效率：D3= [C1 /（A1+B1）]＊B1 =[10800 /（4+5.545）]＊5.545 ≈6259.8條/小時

（8）后主線子線2分揀效率：D4=[C1/(A1+B2+B3)]＊(B2+B3) =[10800 /（4+0.68+1.545）]＊(0.68+1.545) ≈3860.24條/小時

（9）有效作業能力效率:α=[(D1+D2)/（10800+3000)]＊100% =78%

系統分揀包裝能力d=（D1+D2+D3+D4）＊α =（6259.8+3860.24+6259.8+3860.24）＊78% =15729.65條/小時（10）系統綜合設計分揀效率：

D=d＊ η=15729.65＊0.8=12583.72條/小時

根據理論計算分析，結合以往實際工程案例經驗，本分揀系統設計分揀效率可達12583.72條/小時，滿足設計目標要求。

9.高速異型煙自動分揀設備工作效率的仿真分析

本次對陜西省煙草公司西安市公司高速異型煙分揀系統仿真采用的是Tecnomatix Plant Simulation 9物流系統仿真軟件，如圖3。

為了能夠更好地模擬物流中心系統的運行情況，首先對物流中心各個部分按照已有的系統規劃進行1:1建模，并按照實際運行時需要的各種參數賦予模型中的各個設備，按照現實系統運行時的控制方法編寫該系統仿真的各種控制策略。

方案布局，見圖4；仿真建模，見圖5。

如圖5所示，仿真模型由仿真模型控制模塊、臥式分揀機、立式分揀機、輸送系統、打碼機構、包裝機構等模塊組成。

通過導入優化的訂單數據，運行仿真模型，收集效率數據。通過導入真實的訂單數據，驗證高速異型煙分揀系統的效率，得出各個分揀系統模塊效率均滿足系統需求，且各模塊連接處反應時間短，運行時穩定度高的結論。

因包裝機效率對細支煙與異形煙的占比影響太大，異形煙占比大于37%時，包裝機效率小于11721條/小時；根據數據統計細支煙平均占比為72%，分揀效率平均值為15248條/小時。參照設備效率耗損系數0.8，則最終分揀平均效率為12198.4條/小時，滿足12000條/小時的設計目標要求。

表2 西安煙草異型煙分揀效率計算表

圖3 Tecnomatix Plant Simulation 9物流系統仿真軟件

圖4 方案布局

圖5 仿真模型

四、高速異型煙自動分揀設備應用

經過一系列的調研、數據分析、理論計算、仿真分析，確定了高速分揀設備的設備形態、分揀路線、包裝模式，最終確定了實施方案，并于2019年2月份在西安市煙草公司物流分公司投入使用，目前峰值分揀線效率達到15000條/小時，系統平均分揀效率達到12000條/小時。

五、使用結論

結合設計研究及實際使用，整個分揀系統工作效率已能達到設計預定的12000條/小時，遠超過行業內目前異型煙分揀線2600條～3600條/小時的效率，使分揀效率提高了300%，很大程度上解決了目前異型煙分揀和銷售之間的矛盾，是行業內一次技術跨越和整體前進。后期仍需要繼續研究和完善，力爭使這個系統實現穩步高速分揀，穩定分揀效率達到12000條/小時。