异型烟设施设备调度管理系统模型构建与应用*

刘 勇 ，刘福蓉

（湖南省烟草公司衡阳市公司，湖南 衡阳 421000）

0 引言

地市级烟草物流配送中心会将各中烟公司生产的卷烟分类汇聚，然后分批发放给卷烟零售客户，最后流通到消费者手中。在此过程中，烟草的物流系统起到了十分重要的作用。随着经济的快速发展，客户对卷烟有着不同的消费需求；同时，由于物流系统的日益完善，客户对物流配送的时效性以及配套服务要求越来越高。事实上，卷烟分拣作业占据了较大的地市级烟草物流配送中心作业比重，一般来说，分拣作业会耗费总作业时间的50%左右，而分拣作业所花费的成本大约占比60%。可见，分拣作业的效率及质量会直接影响到物流中心的效益，甚至影响到整个行业的发展。卷烟分拣系统是烟草物流系统的核心部分，伴随卷烟分拣量的增加及配送时效性的提高，越来越多的烟草物流中心都在努力开发适用的卷烟自动分拣系统。

目前，烟草行业标准条烟的尺寸规格为（270～285）mm×（85～90）mm×（45～50）mm，在此之外的尺寸规格卷烟被称为异型包装卷烟。而伴随国家烟草专卖局供给侧结构性调整的不断发展，烟草行业相比以往更加重视卷烟包装个性化，开发大量的异型包装卷烟来满足客户的消费需求，伴随异型烟品规以及数量的递增，各地烟草物流中心承担了比以往更多的异型烟分拣任务，要求提高异型烟分拣效率的呼声也越来越高。

在异型烟分拣系统中，目前主流方法是使用半自动化甚至电子标签辅助人工分拣的模式，其问题在于人工分拣劳动强度较大、分拣率低、错误率高，难以盘点。由此，需要针对异型烟包装特点以及卷烟的订单结构，来调整异型烟设备分拣调度系统模型，构建出效率较高的异型烟分拣系统，以提高地市级烟草物流配送中心的分拣效率，这是目前烟草物流的重点研究方向[1]。

1 分拣设备种类

1.1 电子标签分拣设备

该设备是位于货仓储物架的电子设备，在工控机读取订单后，会点亮对应标签，显示拾取数量，工作人员进行人工操作，拾取条烟，按下完成按钮，完成分拣。可见，这种分拣设备应用时间较早，极为依赖人工，分拣率低且劳动强度大，并且伴随一定的错误率。不过由于其成本低、技术含量低，小型的烟草物流配送中心依然使用这种设备。

1.2 半自动分拣设备

其主要构件为立式分拣机，工作流程是给每种品牌卷烟提供储藏仓位，在分拣作业前，需要人工给对应储存仓位填充条烟，然后由立式分拣机代替人工自动分拣。有效提高了分拣效率，降低了错误率及人工劳动强度。由于半自动分拣设备的分拣速度较快，成本相对较低，在中型的卷烟物流配送中心较为适用，也是目前使用最多的卷烟分拣设备[2]。

1.3 全自动分拣设备

全自动分拣设备的自动化程度高，实现了出库、填充、分拣以及包装的全过程自动化。目前使用最多的全自动分拣设备，每小时可以分拣卷烟20 000 条。然而成本较高，一套设备需投资约2 亿元，占地面积大且维护成本和难度较高，主要适用于大型烟草物流配送中心，目前这种设备的灵活度较低、结构较为复杂，使用较少。

2 全自动异型烟分拣系统整体模型分析

2.1 异型烟分拣方案分析

2.1.1 分拣流程

中烟公司生产的各类卷烟会汇聚在物流中心，经过分拣作业之后，配送到零售端。分拣流程的起始是接收到订单，然后将商品快速精确地分拣出来，打印客户代码，码垛装箱。目前半自动以及全自动分拣系统的分拣流程都是接收订单→判断是否为标准条烟→进行分拣→打码→码垛装箱→出库配送。以往异型烟的种类较少，由此，更多使用异型烟人工分拣、打码、装箱，存在效率较低、错误率较高的问题。特别是目前烟草市场个性化发展，越来越多的异型烟流入市场，人工分拣方式已经不能满足异型烟的分拣需求。

2.1.2 异型烟特点

异型烟的尺寸规格异于标准条烟，要自动化完成异型烟的分拣工作，就需要针对异型烟的尺寸规格在分拣设备中设定对应程序。目前，主要使用的分拣设备有立式、卧式、通道式三类。其中卧式和通道式更加偏向于全自动化，利用设备的结构特点设定了标准尺寸条烟的自动上烟方式，但是无法自动上异型烟，甚至会卡住导致故障。如果要利用通道式或者卧式分拣设备自动分拣异型烟就势必要改造其结构，这无疑会扩大占地面积，增加技术难度。而立式分拣设备本身可以调整烟仓宽度，更加容易完成自动化分拣异型烟的工作[3]。物流中心所接受的异型烟品牌约100种，其尺寸规格迥异，而零售商对每种的需求并不多，每天需求不固定。由此，如果给每个品牌设定单独的烟仓，在成本上并不适宜。主要使用的物流系统中烟仓位置固定，需要人工调整烟仓，面对较多的调整工作，会存在错误率高、难度大的问题。

2.1.3 异型烟和标准烟的分拣区别

在码垛上由于异型烟的尺寸规格不同，而出于工序流程需求，码垛需要维持在一定规格，由此异型烟目前使用人工码垛的方式更为适宜。标准条烟可以使用叠烟机自动码垛装箱以及塑封包装，一般30 条烟为同一批次码垛。而异型烟需要人工码垛装箱，并且在装箱容量统一的情况下，需要合理分配异型烟装箱。在码垛顺序上，标准烟尺寸规格相同，工序为顺序进行。而异型烟码垛需要考虑稳定性问题，所以更多使用人工码垛调整方式来提高分拣效率。在打码上，标准烟大多使用分部位打码方式，皮带输送到打码位置即可。但是异型烟的尺寸结构不一，不能确保位于皮带居中位置，需要使用整形滚筒归整到靠边位置进行打码。

2.2 异型烟分拣方案设计

针对异型烟的特点及诸多问题，需要在分拣系统模型中单独设计异型烟的分拣方案。目前异型烟最大的问题在于整形打码，需要根据订单需求来设置条烟队列，并计算出仓时间，达到出烟效率最大化的目的。

2.2.1 分拣队列

利用虚拟托盘概念，可以让分拣系统先计算条烟出仓速率和时间，然后在最大化出烟效率情况下，达到控制间距的效果。其原理在于接收订单后，在模型中先预设皮带上存在相等间距的虚拟托盘，在分拣开始后，托盘和皮带线速度相等，进入分拣区，让订单的条烟单独占用托盘，由此计算条烟出烟时间，统一调配[4]。分拣系统可以精确控制烟仓出烟时间，避免多条异型烟堆积，导致无法控制间距，整形失效。

2.2.2 条烟顺序

条烟顺序影响工作人员的码垛效果。由于异型烟的尺寸规格各异，需使用人工码垛方式，依据周转箱的宽度来计算宽度，确保烟垛的稳定性，避免倒塌。在标准烟的码垛方式上，一般是排序码垛以充分利用周转箱的空间。但是，异型烟由于长宽高差异较大，如此码垛后，无法确保烟垛高度是否平整，需要优化条烟顺序以确保顺序码垛下异型烟垛的稳定性。在模型设计上，让订单中宽度最大的异型烟先出，其次是宽度较小的异型烟，如此可以确保周转箱的烟垛呈现底宽上窄的趋势，提升烟垛稳定性。

2.2.3出烟时间

在分拣队列中条烟占据单一托盘，通过托盘运输的时间即可得到出烟时间。在工序中途，虚拟托盘以皮带线速度运输，计算出空托盘数、托盘间距、烟仓间距、皮带线速度，则可得到出烟时间。依照出烟时间排序，可以生成出烟队列，实现分订单分拣，实现出烟效率最大化[5]。

2.3 异型烟分拣流程

在确定异型烟的分拣方案后，可以分析分拣流程来优化分拣系统模型。大多数物流中心是通过电控系统以及信息管理系统来调配异型烟的分拣。在分拣开始后，会通过PLC 依据出烟队列控制烟仓电机，推出条烟落在皮带中，经由烟姿调整后靠边整形再激光打码，由摆臂导向不同下线口码垛装箱。

2.3.1 机械结构

依照目前使用最多的半自动分拣设备以及所指定的异型烟分拣模型，需要使用异型烟立式分拣机，这种分拣机的机械结构由烟仓、电机、推烟结构、出烟运动传感器以及烟仓传感器构成。1）烟仓，可以调节大小以确保符合异型烟的标准。2）传输皮带，通过传输皮带来运输条烟，连通各个环节。3）烟姿转向皮带，针对条烟尺寸规格不一的情况，利用转向皮带使条烟长边平行皮带运行方向以便于整形。4）整形滚筒，由于异型烟尺寸规格不一，所以需要靠边整形后打码，由此通过整形滚筒，沿斜向传输条烟，配合限位导杆使条烟靠边对齐，便于打码。5）打码皮带，在整形后，打码，运输到下线口。6）下线口皮带，根据订单需求，将一个订单的条烟运输到码垛装箱平台，经人工处理将条烟装箱。

2.3.2 控制系统

在异型烟分拣调度系统模型中，控制系统必不可少，目前主流物流中心所使用的控制系统构件主要有PLC 控制系统、服务器和工控机。其中工控机通过工业交换机连接服务器，读取订单信息并处理，通过以太网和PLC 连接，使得通信具有实时性。PLC控制系统由传感器、主站、从站等设备构建，利用变频器来控制分拣流程中的所有逻辑判断控制。在分拣模型中，要依靠控制系统对订单完成处理，需要提取订单信息并自动存入数据库，数据库中还需要存放异型烟尺寸规格的信息[6]。在处理订单时，需要控制系统读取异型烟的尺寸规格，计算分装，自动给予出烟工序。

2.3.3 数据库

对于分拣系统模型而言，数据是重中之重，不仅需要录入异型烟的尺寸规格信息以用于计算工序等相关问题，还要录入各类产品信息存档，并且保存当天的使用信息。SQL数据库是目前常用的数据库，需要建设如表1 所示的订单信息表，定义各类信息。然后，对尺寸规格、烟仓储存、出烟队列、故障信息依次建表，用于定义控制系统中各类参数的信息。

表1 订单信息定义表

2.3.4 信息检索

在分拣模型运行时，需要大量查询数据库中的信息来代入模型计算，因此检索信息的效率和速度将会极大影响模型的品质。可以使用.NET 框架的Dictionary 泛型类来解决这个问题。泛型类public class Dictionary＜TKey，TValue＞在命名空间System.Collections.Generic 下定义，TKey 为字典中的键的类型，TValue 为字典中的值的类型。Dictionary 泛型类提供了从一组键到一组值的映射。通过键来检索值的速度非常快，时间复杂度接近于O(1)，这是因为Dictionary 类是作为一个哈希表来实现的。哈希表是一种数据结构，它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，从而加快查找的速度[7]。

2.3.5 控制程序流程

在运行分拣系统模型时，控制程序流程从读取订单开始，在读取到订单信息后，会根据定义的订单信息建立数据表并存入数据库中。读取订单后，需要向数据库查询订单中所需的香烟品类，根据香烟的代码以及名称匹配数据库的信息。匹配成功后根据异型烟的体积信息拆分订单，在算法计算后，对比周装箱的参数信息来分配订单工作任务，生成每一个周装箱对应的出烟队列。根据出烟队列来调整烟仓，制定工序。

3 模型应用

在实际应用中控制系统读取订单信息，PLC 会执行任务，读取烟仓表，匹配订单香烟信息，读取周转箱订单信息，计算条烟出烟时刻，将条烟对应的烟仓编号、订单号、出烟时刻添加到出烟队列中，依照出烟时刻排序，并计算两条烟的相对出烟时刻用以控制间距，结果如表2 所示。模型应用表输出每条烟的执行顺序、出烟时间、相对出烟时间、订单号以及烟仓号，由此，可以给PLC 传递相对出烟时间、订单号以及烟仓号三个控制信号，来控制烟仓动作。每条烟含有订单信息，可以凭借模型应用表查询订单完成情况并进行分拣操作[8]。

表2 模型应用表

3.1 监控

分拣时，除了分拣模型外还需要独立运行分拣监控系统来读取PLC 的分拣数据，用于监督工序是否正常执行。监控需要显示出是否存在故障、存在何种故障，并且和数据库连通，能够将分拣数据信息、故障信息、工作人员操作记录都自动录入数据库。要实现监控就需要在PLC 储存区设置监控点，读取到监控点的储存地址后，可以确定运行状态是否正常。当存在故障时，向主控程序发送报警信号，及时通知工作人员执行维修处理操作[9]。

3.2 模型应用原则

在异型烟市场扩大的情况下，构建分拣系统模型是有必要的。但首先需要考虑适用性和经济性，高效稳定的系统不仅依赖设备的先进性和自动化程度，还需要考虑到系统思维，照顾到成本等相关问题。利用异型烟分拣系统，可以降低劳动强度并减少差错，缩短分拣时间，同时要兼顾易操作性、可扩展性、可维护性原则。目前，分拣系统更多向模型化、标准化、参数化的方向发展。异型烟分拣模型的构建需要依托于物流中心的工程模式，根据订单信息，自动分配品种和仓位，提高分拣效率。

3.2.1 差错控制

异型烟分拣，差错控制是必要的，自动化分拣下，最容易出现问题的地方就是没有及时补货、及时改错。需要利用工控机提示分拣、补货，避免工作人员分拣出错，在大多数物流中心中，会使用实物托盘来控制卷烟分拣。这就需要确保条烟不串户，搭配编码器复核烟仓出货，避免条烟错分、漏分的问题。

3.2.2 性能保障

应用分拣系统需要注重安全性和可维护性。在整套分拣系统中，要确保机电设备不外露电线，各个接头、穿管、桥架完全封闭，分开扎束内部的强电和弱电线路，并对各个设备做好安全标识，设置醒目的颜色标识，避免工作人员误触。尤其在半自动的物流中心，人工导致的故障和误差问题比比皆是。只有做好人员的安全培训工作，才能够充分解决好工作人员的安全问题以及分拣任务的效益问题[10]。

在模型中皮带等传输机构都是外露的，需要确保各个传动机构的链轮、皮带轮都有防止串动的措施以及安全保护罩，避免操作人员操作失误而导致人员损伤、设备损坏。尤其需要在容易发生危险的地方，设立安全警示牌，在各个电机上加装过载保护装置，确定可以及时断电，避免危害进一步扩大。在设备金属外壳上设置安全接地装置。对于可以拆卸的部件要留出操作空间，在皮带传动设计中，要留出人员行动的空间，提高分拣系统的可维护性。

4 结论

异型烟的订单数量不断增多，异型烟的品类也在逐年增多。因此，设置调配异型烟分拣系统模型是必要的，预计之后每年异型烟分拣任务将会递增，早做准备早使用异型烟分拣系统可以解决人工分拣产生的错误率高等诸多问题。特别是根据国家烟草专卖局的最新政策导向，烟草市场的各类产品未来将更加个性化发展，市场也需要包装各异的产品来带动消费者需求，这决定了未来异型烟的分拣任务将会不断加重。利用异型烟分拣系统可以弥补人工分拣作业的不足，有效解决烟草行业存在的异型烟分拣效率低、差错率高、劳动强度大、劳动力密集、过于依靠人力的问题，具有广阔的市场应用前景。