基于Em-plant原烟卸车装框物流系统的设计与仿真

盛小贺，杨玉才，杨剑锋，邹 问，张 维，梁 嘉，王 龙

（红云红河烟草（集团）有限责任公司曲靖卷烟厂，云南 曲靖 655000）

1 引言

经过相关调研发现，长期以来我国在工商交接原烟收购及存储过程中，大多采用人工卸料、记录信息的模式，烟叶收购量大且始终存在着收购效率低、烟叶造碎率高、用工数量多劳动强度大、收购场混乱、信息传递不通畅、安全隐患大等问题[1-3]。近年来，为响应国家“建设现代烟草农业”的伟大目标，提高烟叶工商交接科学化、信息化、自动化水平，加快推进烟叶收购管理现代化进程，全国各烟草公司和工业企业纷纷开始自动化输送系统的研究[4-5]。早在2002年湖北省保康县烟草公司针对上述问题进行研究，并且在马良烟草站建立了一套烟叶自动化控制收购系统，该系统的特点是实现“三室分离”（预检室、主检室及计量室），有效提高了烟叶收购的效率和质量[6]。阮旭艳设计了一种打叶复烤原烟麻包自动卸货系统，极大地降低了原烟的造碎率和工人的劳动强度；但该系统对于麻包外形尺寸及摆放姿态的适应性较差，在自动装框时存在容易掉包的现象[7]。薛宝燕、王道支等对于皖南烟区烟叶原料收购模式的现状及对策进行了分析研究，并提出了相关对策和建议，可为规范收购工作流程及相关的研究提供参考[8]。遵义复烤厂在原烟收储环节采用自动收储管理系统，其特点是通过可伸缩式皮带与卸车台连接，实现烟包在装运车辆任何位置的输送，并且利用变速轨道的速度差调整烟包之间的距离。吴昊、胡章山等对该系统进行试验研究，结果表明其收储效率提高了80%；但该系统不具备卸货平台随着卸烟堆高的变化而调整的功能，烟叶造碎问题没有得到较好的解决[9]。杨志杰、张汉千等对福建龙岩商业烟站烟叶收购物流系统进行了介绍，通过应用PLC、RFID 等技术实现从烟叶评级区到烟叶仓库的全自动化输送，但本系统采用货车尾部卸烟的模式，无法满足分层卸车的功能需求[10]。

原烟烟叶属于高价值农产品，工商交接过程中涉及到的原烟数量多，所交易的经济价值非常高。以曲靖卷烟厂为例，每年工商交接原烟收购量高达80 万担，金额接近30 亿元。每年在卸车环节造成的原烟造碎损失大、劳动用工多、收购效率低的问题亟待解决。另外，由于在工商交接过程中，每辆运烟货车存在着分层分等级堆放的情况，为避免不同等级烟叶的错混，卸烟的过程应严格按照分等级分层卸车，而在本文采用的升降平台分层卸车的物流模式在国内应用尚不成熟[11-12]。

本文针对工商交接原烟卸车特点，通过对卸烟模式的探索创新，综合应用PLC（可编程逻辑控制器）控制技术、RFID（无线射频识别）自动识别技术、电机变频技术、红外感应计数技术等对卸烟装框物流系统进行详细设计，并利用Em-plant仿真软件（即eMPower 软件工具，又称为SiMPLE++，是用C++实现的关于生产、物流和工程的仿真软件）进行仿真分析[13-15]，优化设计方案，构建一套科学合理的自动化物流系统，具有较强的实际应用价值和广泛推广意义。

2 原烟卸车及装框物流系统作业流程

该物流系统工艺流程如图1所示。

图1 原烟收购物流系统作业流程图

2.1 卸车

卸车环节主要是依靠皮带输送机以及垂直升降平台来完成的，皮带输送机的一端与垂直升降平台相连，且皮带在水平方向可伸缩，这样系统可实现烟包在不同位置的输送。运送烟包的货车按照现场要求开到卸货通道平台侧面，由人工搬运的方式将烟包送到皮带输送机上，随后烟包经过伸缩式皮带输送机、升降平台，最后在平台整形后滑到地面的水平皮输送机，进入下一个工序。该系统灵活性较强，在工作过程中能够根据实际情况对烟包进行水平和垂直方向的调整，既减少了烟叶造碎，又很好的实现了烟包柔性化的卸车。

2.2 输送取样

为了检验烟包是否达到等级标准，在装框之前需随机取样。货车报到时，由计算机随机确定各个等级烟包的取样数量及序号；卸车过程中，按照原烟等级进行卸车，当烟包经过输送机上的计数装置时，会根据输送的先后顺序给对应的烟包进行编号，并统计烟包的数量。如果计算机显示的取样序号与计数装置统计的烟包序号相同时，剔除装置会自动将烟包剔除到取样区进行取样检查，反之则不剔除，烟包按照运输流程最后被装入框中。已剔除的取样烟包送至验级室进行相关的检验，如果检验结果为合格，则将其缝合后送至输送机继续进行下一工序。

2.3 自动装框

为便于堆码，皮带输送机在输送烟包过程中将烟包分为两个输送线路，铺设装框时每个框装16 个烟包，共4 层，每层装4 个，以4 包为1 个单元进行。烟框装满后通过叉车送至称重平台进行称重，运送完毕后叉车前往空烟框暂存区，将空烟框叉送到装框点进行空烟框补给。装框时每个烟筐内只能装有同样信息（即同一产地、同一等级、同一批次）的烟包，不可混装，以便后续环节的信息追踪、管理。

2.4 称重计量

称重平台上设有RFID写入装置，烟框底部设有RFID 标签，当实烟框被送到称重平台称重时，其重量、烟叶等级、烟叶产地等信息将通过RFID 读写器写入RFID 标签，并传输到上位服务器中存储，实现烟框信息的跟踪及追溯。

2.5 烟框暂存

由人工叉车叉取装框完毕的实烟框，并将实烟框进行堆垛，完成实烟框的暂存及空烟框的周转，为实烟框的入库做准备。

3 系统特点

与传统的原烟卸车装框方式相比，本系统具有如下特点：

（1）传统原烟卸车时，烟包由工人直接从货车扔到地上或转到其它货车，而货车上的烟包距地面的最大高度可达5m左右，这种直接丢到地面的方式会导致原烟烟叶造碎严重。本系统在地面与货车之间利用输送机及斜坡等机械辅助装置，将烟包从货车缓慢运输至地面，极大地降低了烟叶的造碎率，保证烟叶质量，减少原烟浪费。

（2）本系统采用输送机等物流设备，将烟包搬运、称重、装框等系列工作实现机械自动化，提高了原烟收购的效率，原烟收购的管理成本和人工成本得到了有效降低。

（3）本系统运用新型红外感应技术，通过计算机对货车上的烟包按照不同等级随机设定抽样序号和抽样数量，同时利用计数计序装置对在线烟包编号、计数，通过核对两个序号进行取样，使得烟包的取样实现全自动化。这种抽样方式完全随机化、自动化，不受人为因素的影响，不仅极大地减轻了取样人员的劳动强度，而且有效杜绝了原烟收购中的“关系烟”和“人情烟”等不正之风。

（4）本系统通过计算机、RFID电子标签识别等技术实现了烟包在收购全过程信息的自动跟踪及追溯，完全替代纸质单据的使用、流通和审核，有效避免了因人工失误等原因造成烟包在运输过程中各个环节信息的失真、丢失，极大地提高了原烟收购环节信息化管理水平。

（5）本系统对作业面积进行有效利用，物流设备布局科学合理，使得原烟收购流程变得高效顺畅，收购秩序混乱等现场管理问题得到改善，便于实现现场5S 管理和业务管理的推进，使得整个收购环镜变的干净整洁。

4 原烟卸车装框物流系统设计方案

4.1 系统能力要求

烟包卸车装框能力≥600 包/h，装卸所用人工应不超过12 人，相对传统卸烟模式原烟造碎率降低不低于0.02%，每个框篮装载16个烟包。

4.2 烟包基础数据

（1）烟包为麻片包装，原烟净重40kg，每只麻片重量：0.8kg；

（2）烟包尺寸：正常尺寸800mm×600mm×400mm，不规则烟包尺寸900mm×700mm×500mm。

4.3 流量设计

（1）卸车环节：卸车时，在货车上设计4组搬运卸车工位，每组配置2 名搬运工。最大能力按每组每15s 搬运一件烟包计算，人工卸货能力=60×60/15×4=960包/h，能够满足600包/h的系统要求。

（2）升降平台上皮带输送机输送环节：考虑烟包间距100mm，每个烟包单位长度为900mm+100mm=1 000mm。按照600 包/h 系统能力计算，输送速度为600×1 000/60=10m/min。

（3）陡坡缓下输送至平台输送环节：由于该输送段要对烟包进行计数，为保证计数准确性，需通过加大后端速度以拉开烟包之间的间隙，设计平台链板输送机速度为15m/min。

（4）取样及分列环节：取样推出行程等于辊道输送机的宽度为1.5m，刮板推出速度按15m/min 设计，则推出时间为1.5/15×60=6s 复位时间按照3s 计算。样包推出后刮板执行分列作业，行程按辊道输送机宽度1/2 则为1.5/2=0.75m，分列时间为0.75/15×60=3s 计算，实现两包一个循环的时间为6+3+3=12s，则单包处理时间为6s，该环节处理能力为60×60/6=600包/h。能够满足600包/h的要求。左右分列及取样动作循环作业加之辊道输送机向前输送作业过程较为复杂，需进行仿真分析。

（5）自动装框环节：烟框共四层，分层装框，以16包为一个装框单元，通过升降机、伸缩链板机配合挡板作业，前端输送机速度按20m/min 设计，前端输送效率可达720 包/h，考虑分层装框等待时间等因素，按15%的效率损失，装框效率流量为612 包/h，满足系统能力600包/h的需求。

基于以上分析，设计本方案，原烟卸车装框物流系统设施设备布置如图2所示。

5 仿真分析及优化

5.1 仿真模型构建

基于本设计方案，以Em-plant 仿真软件构建仿真模型如图3所示。

图3 原烟卸车装框物流系统仿真图

5.2 仿真分析

（1）假设条件。模型24h运行；模型预热时间1d，运行10d；人工上件位置固定（上料位置占用则等待）。

（2）仿真结果及分析。①人工卸车仿真结果（按4组工位计算）如图4所示。

仿真结果显示：按照4 组（每2 人一组）仿真，第四个工位的作业人员长时间处于等待状态，人工工位效率降低。

②取样及分列环节辊道输送机仿真结果如图5所示。

仿真结果显示：由于辊道输送机上要执行取样和左右分列动作，烟包在清空后后面烟包方可进入该工位，按照600 包/h 的上位输入能力仿真，每小时的吞吐量仅为439 包/h，存在着堵塞现象，故需对该处进行优化设计。

图4 人工卸车仿真结果

5.3 方案优化及仿真验证

基于以上分析，将人工工位调减至3 组即6 人，将取样分列辊道输送工位设置为两个独立运行的辊道机，分别执行取样和分列工位，其他条件不变进行仿真验证。

（1）假设条件。24h运行；模型预热时间1d，运行10d；人工上件位置固定（上料位置占用则等待）；上位输入能力：720包/h。

图5 取样及分列环节辊道输送机仿真结果

（2）仿真结果及分析。图6 仿真结果显示：①停用第四组工位后，三组工位作业人员作业效率为85.3%，人工基本都处于正常作业状态，不存在长时间的等待。改进后的系统在满足设计需求的同时，减少了卸烟人工需求量，降低了劳动成本。②通过分析发现，导致堵塞主要是因为该工位需要共同完成样包取样和由单排输送变成双排输送两个作业动作所造成的，因此考虑将原设计方案的一个工位拆分为取样工位及分列工位两个工位，取样工位位于分列工位前端，烟包经过取样工位后再进行分列动作，减少了该工位的等待时间及由取样动作转为分列动作的转换时间，通过仿真验证发现该工位每小时吞吐量可提高至672 包，不存在拥堵现象，满足系统能力需求。

6 结论

通过对原烟卸车装框物流系统的仿真分析及优化设计，降低了劳动用工，避免了烟包在输送过程中的堵塞、不顺畅现象。该系统的应用能够满足同车多等级、多批次的装车需求，对于保证原烟质量、降低原烟造碎率、节约收购成本、降低劳动强度、提高工作效率具有较大的促进作用，对于推动烟草行业在原烟收购环节的优化改进具有较好的实用和推广价值。

图6 人工卸车及分列环节辊道输送机仿真结果