異型煙設施設備調度管理系統模型構建與應用*

劉 勇 ，劉福蓉

（湖南省煙草公司衡陽市公司，湖南 衡陽 421000）

0 引言

地市級煙草物流配送中心會將各中煙公司生產的卷煙分類匯聚，然后分批發放給卷煙零售客戶，最后流通到消費者手中。在此過程中，煙草的物流系統起到了十分重要的作用。隨著經濟的快速發展，客戶對卷煙有著不同的消費需求；同時，由于物流系統的日益完善，客戶對物流配送的時效性以及配套服務要求越來越高。事實上，卷煙分揀作業占據了較大的地市級煙草物流配送中心作業比重，一般來說，分揀作業會耗費總作業時間的50%左右，而分揀作業所花費的成本大約占比60%。可見，分揀作業的效率及質量會直接影響到物流中心的效益，甚至影響到整個行業的發展。卷煙分揀系統是煙草物流系統的核心部分，伴隨卷煙分揀量的增加及配送時效性的提高，越來越多的煙草物流中心都在努力開發適用的卷煙自動分揀系統。

目前，煙草行業標準條煙的尺寸規格為（270～285）mm×（85～90）mm×（45～50）mm，在此之外的尺寸規格卷煙被稱為異型包裝卷煙。而伴隨國家煙草專賣局供給側結構性調整的不斷發展，煙草行業相比以往更加重視卷煙包裝個性化，開發大量的異型包裝卷煙來滿足客戶的消費需求，伴隨異型煙品規以及數量的遞增，各地煙草物流中心承擔了比以往更多的異型煙分揀任務，要求提高異型煙分揀效率的呼聲也越來越高。

在異型煙分揀系統中，目前主流方法是使用半自動化甚至電子標簽輔助人工分揀的模式，其問題在于人工分揀勞動強度較大、分揀率低、錯誤率高，難以盤點。由此，需要針對異型煙包裝特點以及卷煙的訂單結構，來調整異型煙設備分揀調度系統模型，構建出效率較高的異型煙分揀系統，以提高地市級煙草物流配送中心的分揀效率，這是目前煙草物流的重點研究方向[1]。

1 分揀設備種類

1.1 電子標簽分揀設備

該設備是位于貨倉儲物架的電子設備，在工控機讀取訂單后，會點亮對應標簽，顯示拾取數量，工作人員進行人工操作，拾取條煙，按下完成按鈕，完成分揀。可見，這種分揀設備應用時間較早，極為依賴人工，分揀率低且勞動強度大，并且伴隨一定的錯誤率。不過由于其成本低、技術含量低，小型的煙草物流配送中心依然使用這種設備。

1.2 半自動分揀設備

其主要構件為立式分揀機，工作流程是給每種品牌卷煙提供儲藏倉位，在分揀作業前，需要人工給對應儲存倉位填充條煙，然后由立式分揀機代替人工自動分揀。有效提高了分揀效率，降低了錯誤率及人工勞動強度。由于半自動分揀設備的分揀速度較快，成本相對較低，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備[2]。

1.3 全自動分揀設備

全自動分揀設備的自動化程度高，實現了出庫、填充、分揀以及包裝的全過程自動化。目前使用最多的全自動分揀設備，每小時可以分揀卷煙20 000 條。然而成本較高，一套設備需投資約2 億元，占地面積大且維護成本和難度較高，主要適用于大型煙草物流配送中心，目前這種設備的靈活度較低、結構較為復雜，使用較少。

2 全自動異型煙分揀系統整體模型分析

2.1 異型煙分揀方案分析

2.1.1 分揀流程

中煙公司生產的各類卷煙會匯聚在物流中心，經過分揀作業之后，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，打印客戶代碼，碼垛裝箱。目前半自動以及全自動分揀系統的分揀流程都是接收訂單→判斷是否為標準條煙→進行分揀→打碼→碼垛裝箱→出庫配送。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、錯誤率較高的問題。特別是目前煙草市場個性化發展，越來越多的異型煙流入市場，人工分揀方式已經不能滿足異型煙的分揀需求。

2.1.2 異型煙特點

異型煙的尺寸規格異于標準條煙，要自動化完成異型煙的分揀工作，就需要針對異型煙的尺寸規格在分揀設備中設定對應程序。目前，主要使用的分揀設備有立式、臥式、通道式三類。其中臥式和通道式更加偏向于全自動化，利用設備的結構特點設定了標準尺寸條煙的自動上煙方式，但是無法自動上異型煙，甚至會卡住導致故障。如果要利用通道式或者臥式分揀設備自動分揀異型煙就勢必要改造其結構，這無疑會擴大占地面積，增加技術難度。而立式分揀設備本身可以調整煙倉寬度，更加容易完成自動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，其尺寸規格迥異，而零售商對每種的需求并不多，每天需求不固定。由此，如果給每個品牌設定單獨的煙倉，在成本上并不適宜。主要使用的物流系統中煙倉位置固定，需要人工調整煙倉，面對較多的調整工作，會存在錯誤率高、難度大的問題。

2.1.3 異型煙和標準煙的分揀區別

在碼垛上由于異型煙的尺寸規格不同，而出于工序流程需求，碼垛需要維持在一定規格，由此異型煙目前使用人工碼垛的方式更為適宜。標準條煙可以使用疊煙機自動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，并且在裝箱容量統一的情況下，需要合理分配異型煙裝箱。在碼垛順序上，標準煙尺寸規格相同，工序為順序進行。而異型煙碼垛需要考慮穩定性問題，所以更多使用人工碼垛調整方式來提高分揀效率。在打碼上，標準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構不一，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行打碼。

2.2 異型煙分揀方案設計

針對異型煙的特點及諸多問題，需要在分揀系統模型中單獨設計異型煙的分揀方案。目前異型煙最大的問題在于整形打碼，需要根據訂單需求來設置條煙隊列，并計算出倉時間，達到出煙效率最大化的目的。

2.2.1 分揀隊列

利用虛擬托盤概念，可以讓分揀系統先計算條煙出倉速率和時間，然后在最大化出煙效率情況下，達到控制間距的效果。其原理在于接收訂單后，在模型中先預設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，進入分揀區，讓訂單的條煙單獨占用托盤，由此計算條煙出煙時間，統一調配[4]。分揀系統可以精確控制煙倉出煙時間，避免多條異型煙堆積，導致無法控制間距，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格各異，需使用人工碼垛方式，依據周轉箱的寬度來計算寬度，確保煙垛的穩定性，避免倒塌。在標準煙的碼垛方式上，一般是排序碼垛以充分利用周轉箱的空間。但是，異型煙由于長寬高差異較大，如此碼垛后，無法確保煙垛高度是否平整，需要優化條煙順序以確保順序碼垛下異型煙垛的穩定性。在模型設計上，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，如此可以確保周轉箱的煙垛呈現底寬上窄的趨勢，提升煙垛穩定性。

2.2.3出煙時間

在分揀隊列中條煙占據單一托盤，通過托盤運輸的時間即可得到出煙時間。在工序中途，虛擬托盤以皮帶線速度運輸，計算出空托盤數、托盤間距、煙倉間距、皮帶線速度，則可得到出煙時間。依照出煙時間排序，可以生成出煙隊列，實現分訂單分揀，實現出煙效率最大化[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優化分揀系統模型。大多數物流中心是通過電控系統以及信息管理系統來調配異型煙的分揀。在分揀開始后，會通過PLC 依據出煙隊列控制煙倉電機，推出條煙落在皮帶中，經由煙姿調整后靠邊整形再激光打碼，由擺臂導向不同下線口碼垛裝箱。

2.3.1 機械結構

依照目前使用最多的半自動分揀設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，這種分揀機的機械結構由煙倉、電機、推煙結構、出煙運動傳感器以及煙倉傳感器構成。1）煙倉，可以調節大小以確保符合異型煙的標準。2）傳輸皮帶，通過傳輸皮帶來運輸條煙，連通各個環節。3）煙姿轉向皮帶，針對條煙尺寸規格不一的情況，利用轉向皮帶使條煙長邊平行皮帶運行方向以便于整形。4）整形滾筒，由于異型煙尺寸規格不一，所以需要靠邊整形后打碼，由此通過整形滾筒，沿斜向傳輸條煙，配合限位導桿使條煙靠邊對齊，便于打碼。5）打碼皮帶，在整形后，打碼，運輸到下線口。6）下線口皮帶，根據訂單需求，將一個訂單的條煙運輸到碼垛裝箱平臺，經人工處理將條煙裝箱。

2.3.2 控制系統

在異型煙分揀調度系統模型中，控制系統必不可少，目前主流物流中心所使用的控制系統構件主要有PLC 控制系統、服務器和工控機。其中工控機通過工業交換機連接服務器，讀取訂單信息并處理，通過以太網和PLC 連接，使得通信具有實時性。PLC控制系統由傳感器、主站、從站等設備構建，利用變頻器來控制分揀流程中的所有邏輯判斷控制。在分揀模型中，要依靠控制系統對訂單完成處理，需要提取訂單信息并自動存入數據庫，數據庫中還需要存放異型煙尺寸規格的信息[6]。在處理訂單時，需要控制系統讀取異型煙的尺寸規格，計算分裝，自動給予出煙工序。

2.3.3 數據庫

對于分揀系統模型而言，數據是重中之重，不僅需要錄入異型煙的尺寸規格信息以用于計算工序等相關問題，還要錄入各類產品信息存檔，并且保存當天的使用信息。SQL數據庫是目前常用的數據庫，需要建設如表1 所示的訂單信息表，定義各類信息。然后，對尺寸規格、煙倉儲存、出煙隊列、故障信息依次建表，用于定義控制系統中各類參數的信息。

表1 訂單信息定義表

2.3.4 信息檢索

在分揀模型運行時，需要大量查詢數據庫中的信息來代入模型計算，因此檢索信息的效率和速度將會極大影響模型的品質。可以使用.NET 框架的Dictionary 泛型類來解決這個問題。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。通過鍵來檢索值的速度非常快，時間復雜度接近于O(1)，這是因為Dictionary 類是作為一個哈希表來實現的。哈希表是一種數據結構，它通過把關鍵碼值映射到表中一個位置來訪問記錄，從而加快查找的速度[7]。

2.3.5 控制程序流程

在運行分揀系統模型時，控制程序流程從讀取訂單開始，在讀取到訂單信息后，會根據定義的訂單信息建立數據表并存入數據庫中。讀取訂單后，需要向數據庫查詢訂單中所需的香煙品類，根據香煙的代碼以及名稱匹配數據庫的信息。匹配成功后根據異型煙的體積信息拆分訂單，在算法計算后，對比周裝箱的參數信息來分配訂單工作任務，生成每一個周裝箱對應的出煙隊列。根據出煙隊列來調整煙倉，制定工序。

3 模型應用

在實際應用中控制系統讀取訂單信息，PLC 會執行任務，讀取煙倉表，匹配訂單香煙信息，讀取周轉箱訂單信息，計算條煙出煙時刻，將條煙對應的煙倉編號、訂單號、出煙時刻添加到出煙隊列中，依照出煙時刻排序，并計算兩條煙的相對出煙時刻用以控制間距，結果如表2 所示。模型應用表輸出每條煙的執行順序、出煙時間、相對出煙時間、訂單號以及煙倉號，由此，可以給PLC 傳遞相對出煙時間、訂單號以及煙倉號三個控制信號，來控制煙倉動作。每條煙含有訂單信息，可以憑借模型應用表查詢訂單完成情況并進行分揀操作[8]。

表2 模型應用表

3.1 監控

分揀時，除了分揀模型外還需要獨立運行分揀監控系統來讀取PLC 的分揀數據，用于監督工序是否正常執行。監控需要顯示出是否存在故障、存在何種故障，并且和數據庫連通，能夠將分揀數據信息、故障信息、工作人員操作記錄都自動錄入數據庫。要實現監控就需要在PLC 儲存區設置監控點，讀取到監控點的儲存地址后，可以確定運行狀態是否正常。當存在故障時，向主控程序發送報警信號，及時通知工作人員執行維修處理操作[9]。

3.2 模型應用原則

在異型煙市場擴大的情況下，構建分揀系統模型是有必要的。但首先需要考慮適用性和經濟性，高效穩定的系統不僅依賴設備的先進性和自動化程度，還需要考慮到系統思維，照顧到成本等相關問題。利用異型煙分揀系統，可以降低勞動強度并減少差錯，縮短分揀時間，同時要兼顧易操作性、可擴展性、可維護性原則。目前，分揀系統更多向模型化、標準化、參數化的方向發展。異型煙分揀模型的構建需要依托于物流中心的工程模式，根據訂單信息，自動分配品種和倉位，提高分揀效率。

3.2.1 差錯控制

異型煙分揀，差錯控制是必要的，自動化分揀下，最容易出現問題的地方就是沒有及時補貨、及時改錯。需要利用工控機提示分揀、補貨，避免工作人員分揀出錯，在大多數物流中心中，會使用實物托盤來控制卷煙分揀。這就需要確保條煙不串戶，搭配編碼器復核煙倉出貨，避免條煙錯分、漏分的問題。

3.2.2 性能保障

應用分揀系統需要注重安全性和可維護性。在整套分揀系統中，要確保機電設備不外露電線，各個接頭、穿管、橋架完全封閉，分開扎束內部的強電和弱電線路，并對各個設備做好安全標識，設置醒目的顏色標識，避免工作人員誤觸。尤其在半自動的物流中心，人工導致的故障和誤差問題比比皆是。只有做好人員的安全培訓工作，才能夠充分解決好工作人員的安全問題以及分揀任務的效益問題[10]。

在模型中皮帶等傳輸機構都是外露的，需要確保各個傳動機構的鏈輪、皮帶輪都有防止串動的措施以及安全保護罩，避免操作人員操作失誤而導致人員損傷、設備損壞。尤其需要在容易發生危險的地方，設立安全警示牌，在各個電機上加裝過載保護裝置，確定可以及時斷電，避免危害進一步擴大。在設備金屬外殼上設置安全接地裝置。對于可以拆卸的部件要留出操作空間，在皮帶傳動設計中，要留出人員行動的空間，提高分揀系統的可維護性。

4 結論

異型煙的訂單數量不斷增多，異型煙的品類也在逐年增多。因此，設置調配異型煙分揀系統模型是必要的，預計之后每年異型煙分揀任務將會遞增，早做準備早使用異型煙分揀系統可以解決人工分揀產生的錯誤率高等諸多問題。特別是根據國家煙草專賣局的最新政策導向，煙草市場的各類產品未來將更加個性化發展，市場也需要包裝各異的產品來帶動消費者需求，這決定了未來異型煙的分揀任務將會不斷加重。利用異型煙分揀系統可以彌補人工分揀作業的不足，有效解決煙草行業存在的異型煙分揀效率低、差錯率高、勞動強度大、勞動力密集、過于依靠人力的問題，具有廣闊的市場應用前景。