林煒民，李少波，楊旭東，穆康奇

(1.貴州大學 現(xiàn)代制造技術教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025; 2.貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

系統(tǒng)仿真是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，依靠計算機軟件，搭建系統(tǒng)結構，添加關鍵分析要素，建立能夠模擬實際系統(tǒng)工作、具有一定邏輯關系及數(shù)量關系的模型[1-2]，通過這個模型進行調試分析，得到正確策略的試驗手段[3]。通過系統(tǒng)仿真可達到預估分揀設備工作情況的目的[4]，已成為煙草物流自動化研究的熱點問題[5]。

隨著人們對香煙個性化需求加大，異型香煙的銷量逐年快速增長，在2017年，細支卷煙等異型煙全年銷量同比增長93.0%，已成為企業(yè)增長的新亮點[6]，這也對異型煙分揀系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)。日益增長的異型煙需求導致人工分揀效率已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)線的出單需求[7]，如何準確、高效、便捷地實現(xiàn)異型煙的自動分揀，也是企業(yè)亟待解決的新課題[8]。

目前，國內的條煙自動化分揀線主要對于形狀規(guī)格一致的標準煙進行分揀包裝，標準煙的自動化分揀包裝技術已較為成熟，但有關異型煙自動分揀線的研究很少。對此，我們設計了一套針對異型煙的自動化分揀線，并對分揀線進行了系統(tǒng)仿真試驗。

由于煙草商品的特殊性，無法提供大量的物品來進行試驗，同時大規(guī)模的試驗還會導致煙草市場混亂，在各方面因素的制約下，采取系統(tǒng)仿真分析不僅僅可以降低研發(fā)的開支和對市場的影響，還可以模擬一些較為少見的工況，為試驗提供有力支持。

1 系統(tǒng)架構及功能

整個異型煙柔性分揀系統(tǒng)分為上位管理系統(tǒng)和分揀系統(tǒng)兩大部分，每個部分又分為若干小環(huán)節(jié)，系統(tǒng)骨架如圖1所示，包括：煙草上位管理系統(tǒng)、訂單分配系統(tǒng)、補煙系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、打碼系統(tǒng)、碼垛系統(tǒng)、裹膜包裝系統(tǒng)以及人工裝箱幾個環(huán)節(jié)。

圖1 系統(tǒng)架構Fig.1 System architecture

(1)煙草上位管理系統(tǒng)

每日從上層信息系統(tǒng)取得線路數(shù)據(jù)、卷煙數(shù)據(jù)、客戶數(shù)據(jù)和訂單數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)下發(fā)給訂單分配系統(tǒng)。

(2)訂單分配系統(tǒng)

將數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，確定各品規(guī)對應的分揀倉，并生成分揀線分揀作業(yè)計劃，為自動分揀、包裝提供作業(yè)計劃和數(shù)據(jù)，確定每張訂單在相應分揀倉分揀的數(shù)量以及各品規(guī)分別占用哪個或哪幾個煙倉進行分揀作業(yè)。

(3)補煙系統(tǒng)

補貨小車根據(jù)每個倉的出煙量，從煙庫中調配相應件數(shù)的箱煙，進行拆箱補煙工作。

(4)異型煙柔性分揀系統(tǒng)

接收訂單信息后，根據(jù)相關的策略并結合機械的原理對數(shù)據(jù)進行重組分配，并以分揀效率最優(yōu)方式進行數(shù)據(jù)分析，然后根據(jù)訂單分配，給每一個訂單設置一組虛擬托盤，并按碼垛順序將煙下至其指定位置。

異型煙柔性分揀系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點：1)煙倉寬度和出煙高度調整簡單，具有柔性，用于不同尺寸異型煙和標準煙的分揀；2)分揀系統(tǒng)按集中訪銷集中分揀或實時訪銷實時分揀模式進行分揀；3)分揀系統(tǒng)可根據(jù)銷售數(shù)據(jù)自動分配品種與倉位關系，提高系統(tǒng)分揀效率。

(5)打碼系統(tǒng)

打碼機采用激光打碼，將條煙碼依次打到相應的條煙底部，若出現(xiàn)訂單煙數(shù)不對的情況，則會報警提示處理。

(6)碼垛系統(tǒng)

異型煙規(guī)格各異，無法使用標準煙常用的疊煙機進行碼垛，故需采用專用的機械手升降式碼垛托盤系統(tǒng)進行碼垛。將皮帶上的條煙抓取至碼垛托盤上，逐層碼放，自動優(yōu)化碼垛垛型，遵循上窄下寬，上矮下高的原則，優(yōu)化煙垛穩(wěn)定性，提高煙垛容量。

(7)裹膜包裝系統(tǒng)

利用滾動送膜機構及封刀機構將煙垛裹成包，送入熱收縮機加熱使塑料膜收縮裹緊。

(8)貼標系統(tǒng)

將從上層系統(tǒng)獲得的煙包信息打印成小標簽，貼在煙包頂部。

2 仿真模型建立

2.1 仿真框架搭建

此次系統(tǒng)仿真是基于Tecnomatix Plant Simulation 13.0軟件研究的，Tecnomatix Plant Simulation是西門子公司開發(fā)的一套仿真軟件，可以對各種規(guī)模的工廠和生產(chǎn)線，包括大規(guī)模的跨國企業(yè)，建模、仿真和優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)，分析和優(yōu)化生產(chǎn)布局、資源利用率、產(chǎn)能和效率、物流和供需鏈等[9]。

離散事件動態(tài)系統(tǒng)是由異步、突發(fā)的事件驅動狀態(tài)演化的動態(tài)系統(tǒng)[10]，由于每個訂單的差異，時間的不確定性，條煙分揀系統(tǒng)可以被視為一種離散事件系統(tǒng)，此次以某市分揀線為例建立仿真模型，分揀線框架如圖2所示。

圖2 分揀線框架Fig.2 sorting line frame

2.2 仿真調度策略確定

面向對象的離散事件系統(tǒng)仿真通過建立系統(tǒng)內不同元素間的信息傳輸關系實現(xiàn)元素間的聯(lián)系[11]，所有的內部元素被視為對象處理，每一個對象包含對象的屬性及方法函數(shù)，用以表示元素的靜態(tài)及動態(tài)特征[12]。離散事件系統(tǒng)的包含事件調度法、活動掃描法以及進程交互法三種仿真策略[13]。此系統(tǒng)采用活動掃描法?；顒訏呙璺ㄖ?，仿真鐘推進依據(jù)掃描最早事件，內部處理事件條件，用各成分時間元的最小值推進仿真時鐘， 按優(yōu)先序執(zhí)行激活實體的活動處理，使測試通過的事件得以發(fā)生改變系統(tǒng)狀態(tài)，確定相關事件的發(fā)生時間，適用于成分相關性很強的系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 仿真策略流程Fig.3 The simulation strategy process

2.3 系統(tǒng)模型簡化

煙草上位管理系統(tǒng)屬于前期數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在模型中無法體現(xiàn)出來，故可以省去。打碼系統(tǒng)及貼標系統(tǒng)僅有一臺打碼機及貼標機進行作業(yè)，且工作效率遠高于其他系統(tǒng)，故對系統(tǒng)效率影響極小，可以略去。實際建立的仿真模型中主要包含以下無個系統(tǒng)：訂單分配系統(tǒng)、補煙系統(tǒng)、異型煙柔性分揀系統(tǒng)、碼垛系統(tǒng)以及裹膜包裝系統(tǒng)。

2.4 仿真模型建立

分揀線分成兩條煙倉線，分別排放1～90號和91～180號煙倉，和單排煙倉相比，縮短煙倉排放長度，使煙倉排布更為集中，減小分揀線的占地面積，縮短補貨路徑。在兩條分揀皮帶上完成打碼作業(yè)后各分成上下兩層，在碼垛流程通過機械手碼垛來完成各層合單工作，最后裹膜貼標后輸出進入配送環(huán)節(jié)?；赥ecnomatix Plant Simulation建立的仿真模型如圖4所示[14]。

在整個環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)主要依據(jù)每個貨物的name和liushuihao屬性來對貨物進行操作，這兩個屬性是分揀前輸入的貨物自帶屬性。仿真環(huán)節(jié)主要的兩個難點在于虛擬托盤的劃分以及兩條線的合單工作。

圖4 分揀線仿真模型Fig.4 Sorting line simulation model

2.5 關鍵技術

2.5.1異型煙虛擬托盤

每一個物件在皮帶上都有一段預設的托盤位置，因為這托盤不是現(xiàn)實意義上的托盤，只是我們人為在皮帶上劃分的，所以我們稱這一段空間為虛擬托盤[15]。通過控制皮帶速度和分揀機的下煙速度，可以控制每個托盤的距離，每單條煙占據(jù)一個小托盤，在每條煙之間有小間隔以防止疊煙現(xiàn)象，每單煙占據(jù)一個大托盤，每一個訂單之間有較大間隔以區(qū)分訂單并控制打碼機執(zhí)行切單操作。

圖5 虛擬托盤示意圖Fig.5 Virtual tray sketch

如圖5所示，假設每個小虛擬托盤間距為ε，條煙厚度為di(i為品規(guī)代碼)，則訂單中第j小虛擬托盤的寬度l為：

lj=di+ε

(1)

每個訂單間的間距可以根據(jù)打碼器的識別速度來定，為固定值η，則每個訂單的寬度L為：

(2)

設傳送帶的速度為v，分揀機條與條的出煙間隔t可以由此得出：

(3)

訂單與訂單的出煙間隔T可以由此得出：

(4)

后續(xù)的打碼環(huán)節(jié)需要驗證每一訂單的煙數(shù)量是否正確，故基于SimTalk語言設計了以下算法來控制訂單間的間距：

if bijiao=0

bijiao:=@.liushuihao

else

if bijiao/=@.liushuihao

if Mudi<25 or Mudi>114

A0.entrancelocked:=true

bijiao:=@.liushuihao

wait T

A0.entrancelocked:=false

else

B0.entrancelocked:=true

bijiao:=@.liushuihao

wait 0.66

B0.entrancelocked:=false

end

end

end

2.5.2合單碼垛

兩條煙倉線的煙依據(jù)流水號分別分成了上下層兩條皮帶，同一流水號的煙要打包在一起，故碼垛時需要進行合單碼垛。

由于異型煙的特殊性，在碼垛的時候要依照前期處理過的煙的順序進行碼垛，才能保證垛型穩(wěn)定。為了防止順序錯亂，要按照liushuihao值小的先進行碼垛，值相等時，主線先碼垛的順序，且需在某段流水號斷層時能正常工作，基于SimTalk語言設計了以下合單算法來控制碼垛順序：

if A1.empty=true and A1_1.empty=true and A1_2.empty=true and A1_3.empty=true and bufferA1.empty=true

hdB1.exitlocked := false

hdA1.exitlocked := false

else

hdA1.exitlocked := false

hdB1.exitlocked := true

end

3 仿真結果分析

通過對從某市煙草物流中心獲得的實際訂單數(shù)據(jù)中六天的數(shù)據(jù)進行仿真實驗，得到以下實驗數(shù)據(jù)，見表1。采集得數(shù)據(jù)如下圖6所示。

表1 分揀效率統(tǒng)計表Tab.1 Sorting efficiency statistical table

圖6 機械手占用統(tǒng)計圖Fig.6 Manipulator portion statistics chart

數(shù)據(jù)表明使用雙碼垛分揀系統(tǒng)的平均工作效率能達到9 174條/小時，相較于單碼垛分揀系統(tǒng)的平均工作效率4 777條/小時，雙碼垛效率是單碼垛的1.92倍。將單日異型煙分揀時間縮短至7小時以內，相較于單碼垛最多12小時的工作時長，極大減輕了工人的勞動強度。A線上的機械手占用率達到94.85%，B線上的機械手占用率達到84.39%，這是由于B線上的煙量較少與A線。在此分揀系統(tǒng)下，機械手空閑時間很少，占用率較高。

僅需要增加一個碼垛機構便能達到接近兩條單碼垛自動分揀線的工作效率，且機械手占用率高，表明了當前限制單碼垛系統(tǒng)的工作效率的最重要的環(huán)節(jié)在于碼垛環(huán)節(jié)，通過增加碼垛機構來提升系統(tǒng)效率是十分經(jīng)濟有效的方式。由于每天的煙量和訂單結構的區(qū)別，工作效率略有差異，但在正常范圍內，能夠滿足實際生產(chǎn)需求。

預計在某市投入使用后，可節(jié)約分揀線工人6人，按月工資4 200元/人月計算，預計年節(jié)約人工成本30萬元，硬件投入約20萬元，回收期約8個月，具有一定的經(jīng)濟效益。

4 結論

結果表明，采用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行仿真，通過Tecnomatix Plant Simulation建立的異型煙雙碼垛分揀系統(tǒng)相較于老式單碼垛系統(tǒng)，分揀效率提高至1.92倍，平均效率達到9 174條/小時。通過對分揀線路和碼垛策略的修改，增加一個碼垛輸出，充分調動利用了系統(tǒng)各部分的剩余工作能力，能滿足某市煙草物流中心的工作效率需求。

利用仿真技術對異型煙自動分揀線進行分析，可一定程度上減少資金浪費以及對生產(chǎn)造成的影響，并能很好的達到實驗目的，獲取實驗數(shù)據(jù)，同時將該分揀系統(tǒng)結構的缺陷和分揀策略的不足更加直觀地表達出來并快速進行優(yōu)化。