盛小賀，楊玉才，楊劍鋒，鄒 問，張 維，梁 嘉，王 龍

（紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠，云南 曲靖 655000）

1 引言

經(jīng)過(guò)相關(guān)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)在工商交接原煙收購(gòu)及存儲(chǔ)過(guò)程中，大多采用人工卸料、記錄信息的模式，煙葉收購(gòu)量大且始終存在著收購(gòu)效率低、煙葉造碎率高、用工數(shù)量多勞動(dòng)強(qiáng)度大、收購(gòu)場(chǎng)混亂、信息傳遞不通暢、安全隱患大等問題[1-3]。近年來(lái)，為響應(yīng)國(guó)家“建設(shè)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)”的偉大目標(biāo)，提高煙葉工商交接科學(xué)化、信息化、自動(dòng)化水平，加快推進(jìn)煙葉收購(gòu)管理現(xiàn)代化進(jìn)程，全國(guó)各煙草公司和工業(yè)企業(yè)紛紛開始自動(dòng)化輸送系統(tǒng)的研究[4-5]。早在2002年湖北省保康縣煙草公司針對(duì)上述問題進(jìn)行研究，并且在馬良煙草站建立了一套煙葉自動(dòng)化控制收購(gòu)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)“三室分離”（預(yù)檢室、主檢室及計(jì)量室），有效提高了煙葉收購(gòu)的效率和質(zhì)量[6]。阮旭艷設(shè)計(jì)了一種打葉復(fù)烤原煙麻包自動(dòng)卸貨系統(tǒng)，極大地降低了原煙的造碎率和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；但該系統(tǒng)對(duì)于麻包外形尺寸及擺放姿態(tài)的適應(yīng)性較差，在自動(dòng)裝框時(shí)存在容易掉包的現(xiàn)象[7]。薛寶燕、王道支等對(duì)于皖南煙區(qū)煙葉原料收購(gòu)模式的現(xiàn)狀及對(duì)策進(jìn)行了分析研究，并提出了相關(guān)對(duì)策和建議，可為規(guī)范收購(gòu)工作流程及相關(guān)的研究提供參考[8]。遵義復(fù)烤廠在原煙收儲(chǔ)環(huán)節(jié)采用自動(dòng)收儲(chǔ)管理系統(tǒng)，其特點(diǎn)是通過(guò)可伸縮式皮帶與卸車臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)煙包在裝運(yùn)車輛任何位置的輸送，并且利用變速軌道的速度差調(diào)整煙包之間的距離。吳昊、胡章山等對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明其收儲(chǔ)效率提高了80%；但該系統(tǒng)不具備卸貨平臺(tái)隨著卸煙堆高的變化而調(diào)整的功能，煙葉造碎問題沒有得到較好的解決[9]。楊志杰、張漢千等對(duì)福建龍巖商業(yè)煙站煙葉收購(gòu)物流系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，通過(guò)應(yīng)用PLC、RFID 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)從煙葉評(píng)級(jí)區(qū)到煙葉倉(cāng)庫(kù)的全自動(dòng)化輸送，但本系統(tǒng)采用貨車尾部卸煙的模式，無(wú)法滿足分層卸車的功能需求[10]。

原煙煙葉屬于高價(jià)值農(nóng)產(chǎn)品，工商交接過(guò)程中涉及到的原煙數(shù)量多，所交易的經(jīng)濟(jì)價(jià)值非常高。以曲靖卷煙廠為例，每年工商交接原煙收購(gòu)量高達(dá)80 萬(wàn)擔(dān)，金額接近30 億元。每年在卸車環(huán)節(jié)造成的原煙造碎損失大、勞動(dòng)用工多、收購(gòu)效率低的問題亟待解決。另外，由于在工商交接過(guò)程中，每輛運(yùn)煙貨車存在著分層分等級(jí)堆放的情況，為避免不同等級(jí)煙葉的錯(cuò)混，卸煙的過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格按照分等級(jí)分層卸車，而在本文采用的升降平臺(tái)分層卸車的物流模式在國(guó)內(nèi)應(yīng)用尚不成熟[11-12]。

本文針對(duì)工商交接原煙卸車特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)卸煙模式的探索創(chuàng)新，綜合應(yīng)用PLC（可編程邏輯控制器）控制技術(shù)、RFID（無(wú)線射頻識(shí)別）自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、電機(jī)變頻技術(shù)、紅外感應(yīng)計(jì)數(shù)技術(shù)等對(duì)卸煙裝框物流系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并利用Em-plant仿真軟件（即eMPower 軟件工具，又稱為SiMPLE++，是用C++實(shí)現(xiàn)的關(guān)于生產(chǎn)、物流和工程的仿真軟件）進(jìn)行仿真分析[13-15]，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建一套科學(xué)合理的自動(dòng)化物流系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣泛推廣意義。

2 原煙卸車及裝框物流系統(tǒng)作業(yè)流程

該物流系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 原煙收購(gòu)物流系統(tǒng)作業(yè)流程圖

2.1 卸車

卸車環(huán)節(jié)主要是依靠皮帶輸送機(jī)以及垂直升降平臺(tái)來(lái)完成的，皮帶輸送機(jī)的一端與垂直升降平臺(tái)相連，且皮帶在水平方向可伸縮，這樣系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)煙包在不同位置的輸送。運(yùn)送煙包的貨車按照現(xiàn)場(chǎng)要求開到卸貨通道平臺(tái)側(cè)面，由人工搬運(yùn)的方式將煙包送到皮帶輸送機(jī)上，隨后煙包經(jīng)過(guò)伸縮式皮帶輸送機(jī)、升降平臺(tái)，最后在平臺(tái)整形后滑到地面的水平皮輸送機(jī)，進(jìn)入下一個(gè)工序。該系統(tǒng)靈活性較強(qiáng)，在工作過(guò)程中能夠根據(jù)實(shí)際情況對(duì)煙包進(jìn)行水平和垂直方向的調(diào)整，既減少了煙葉造碎，又很好的實(shí)現(xiàn)了煙包柔性化的卸車。

2.2 輸送取樣

為了檢驗(yàn)煙包是否達(dá)到等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在裝框之前需隨機(jī)取樣。貨車報(bào)到時(shí)，由計(jì)算機(jī)隨機(jī)確定各個(gè)等級(jí)煙包的取樣數(shù)量及序號(hào)；卸車過(guò)程中，按照原煙等級(jí)進(jìn)行卸車，當(dāng)煙包經(jīng)過(guò)輸送機(jī)上的計(jì)數(shù)裝置時(shí)，會(huì)根據(jù)輸送的先后順序給對(duì)應(yīng)的煙包進(jìn)行編號(hào)，并統(tǒng)計(jì)煙包的數(shù)量。如果計(jì)算機(jī)顯示的取樣序號(hào)與計(jì)數(shù)裝置統(tǒng)計(jì)的煙包序號(hào)相同時(shí)，剔除裝置會(huì)自動(dòng)將煙包剔除到取樣區(qū)進(jìn)行取樣檢查，反之則不剔除，煙包按照運(yùn)輸流程最后被裝入框中。已剔除的取樣煙包送至驗(yàn)級(jí)室進(jìn)行相關(guān)的檢驗(yàn)，如果檢驗(yàn)結(jié)果為合格，則將其縫合后送至輸送機(jī)繼續(xù)進(jìn)行下一工序。

2.3 自動(dòng)裝框

為便于堆碼，皮帶輸送機(jī)在輸送煙包過(guò)程中將煙包分為兩個(gè)輸送線路，鋪設(shè)裝框時(shí)每個(gè)框裝16 個(gè)煙包，共4 層，每層裝4 個(gè)，以4 包為1 個(gè)單元進(jìn)行。煙框裝滿后通過(guò)叉車送至稱重平臺(tái)進(jìn)行稱重，運(yùn)送完畢后叉車前往空煙框暫存區(qū)，將空煙框叉送到裝框點(diǎn)進(jìn)行空煙框補(bǔ)給。裝框時(shí)每個(gè)煙筐內(nèi)只能裝有同樣信息（即同一產(chǎn)地、同一等級(jí)、同一批次）的煙包，不可混裝，以便后續(xù)環(huán)節(jié)的信息追蹤、管理。

2.4 稱重計(jì)量

稱重平臺(tái)上設(shè)有RFID寫入裝置，煙框底部設(shè)有RFID 標(biāo)簽，當(dāng)實(shí)煙框被送到稱重平臺(tái)稱重時(shí)，其重量、煙葉等級(jí)、煙葉產(chǎn)地等信息將通過(guò)RFID 讀寫器寫入RFID 標(biāo)簽，并傳輸?shù)缴衔环?wù)器中存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)煙框信息的跟蹤及追溯。

2.5 煙框暫存

由人工叉車叉取裝框完畢的實(shí)煙框，并將實(shí)煙框進(jìn)行堆垛，完成實(shí)煙框的暫存及空煙框的周轉(zhuǎn)，為實(shí)煙框的入庫(kù)做準(zhǔn)備。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的原煙卸車裝框方式相比，本系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）傳統(tǒng)原煙卸車時(shí)，煙包由工人直接從貨車扔到地上或轉(zhuǎn)到其它貨車，而貨車上的煙包距地面的最大高度可達(dá)5m左右，這種直接丟到地面的方式會(huì)導(dǎo)致原煙煙葉造碎嚴(yán)重。本系統(tǒng)在地面與貨車之間利用輸送機(jī)及斜坡等機(jī)械輔助裝置，將煙包從貨車緩慢運(yùn)輸至地面，極大地降低了煙葉的造碎率，保證煙葉質(zhì)量，減少原煙浪費(fèi)。

（2）本系統(tǒng)采用輸送機(jī)等物流設(shè)備，將煙包搬運(yùn)、稱重、裝框等系列工作實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化，提高了原煙收購(gòu)的效率，原煙收購(gòu)的管理成本和人工成本得到了有效降低。

（3）本系統(tǒng)運(yùn)用新型紅外感應(yīng)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)貨車上的煙包按照不同等級(jí)隨機(jī)設(shè)定抽樣序號(hào)和抽樣數(shù)量，同時(shí)利用計(jì)數(shù)計(jì)序裝置對(duì)在線煙包編號(hào)、計(jì)數(shù)，通過(guò)核對(duì)兩個(gè)序號(hào)進(jìn)行取樣，使得煙包的取樣實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。這種抽樣方式完全隨機(jī)化、自動(dòng)化，不受人為因素的影響，不僅極大地減輕了取樣人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且有效杜絕了原煙收購(gòu)中的“關(guān)系煙”和“人情煙”等不正之風(fēng)。

（4）本系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)、RFID電子標(biāo)簽識(shí)別等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煙包在收購(gòu)全過(guò)程信息的自動(dòng)跟蹤及追溯，完全替代紙質(zhì)單據(jù)的使用、流通和審核，有效避免了因人工失誤等原因造成煙包在運(yùn)輸過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)信息的失真、丟失，極大地提高了原煙收購(gòu)環(huán)節(jié)信息化管理水平。

（5）本系統(tǒng)對(duì)作業(yè)面積進(jìn)行有效利用，物流設(shè)備布局科學(xué)合理，使得原煙收購(gòu)流程變得高效順暢，收購(gòu)秩序混亂等現(xiàn)場(chǎng)管理問題得到改善，便于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)5S 管理和業(yè)務(wù)管理的推進(jìn)，使得整個(gè)收購(gòu)環(huán)鏡變的干凈整潔。

4 原煙卸車裝框物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1 系統(tǒng)能力要求

煙包卸車裝框能力≥600 包/h，裝卸所用人工應(yīng)不超過(guò)12 人，相對(duì)傳統(tǒng)卸煙模式原煙造碎率降低不低于0.02%，每個(gè)框籃裝載16個(gè)煙包。

4.2 煙包基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

（1）煙包為麻片包裝，原煙凈重40kg，每只麻片重量：0.8kg；

（2）煙包尺寸：正常尺寸800mm×600mm×400mm，不規(guī)則煙包尺寸900mm×700mm×500mm。

4.3 流量設(shè)計(jì)

（1）卸車環(huán)節(jié)：卸車時(shí)，在貨車上設(shè)計(jì)4組搬運(yùn)卸車工位，每組配置2 名搬運(yùn)工。最大能力按每組每15s 搬運(yùn)一件煙包計(jì)算，人工卸貨能力=60×60/15×4=960包/h，能夠滿足600包/h的系統(tǒng)要求。

（2）升降平臺(tái)上皮帶輸送機(jī)輸送環(huán)節(jié)：考慮煙包間距100mm，每個(gè)煙包單位長(zhǎng)度為900mm+100mm=1 000mm。按照600 包/h 系統(tǒng)能力計(jì)算，輸送速度為600×1 000/60=10m/min。

（3）陡坡緩下輸送至平臺(tái)輸送環(huán)節(jié)：由于該輸送段要對(duì)煙包進(jìn)行計(jì)數(shù)，為保證計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性，需通過(guò)加大后端速度以拉開煙包之間的間隙，設(shè)計(jì)平臺(tái)鏈板輸送機(jī)速度為15m/min。

（4）取樣及分列環(huán)節(jié)：取樣推出行程等于輥道輸送機(jī)的寬度為1.5m，刮板推出速度按15m/min 設(shè)計(jì)，則推出時(shí)間為1.5/15×60=6s 復(fù)位時(shí)間按照3s 計(jì)算。樣包推出后刮板執(zhí)行分列作業(yè)，行程按輥道輸送機(jī)寬度1/2 則為1.5/2=0.75m，分列時(shí)間為0.75/15×60=3s 計(jì)算，實(shí)現(xiàn)兩包一個(gè)循環(huán)的時(shí)間為6+3+3=12s，則單包處理時(shí)間為6s，該環(huán)節(jié)處理能力為60×60/6=600包/h。能夠滿足600包/h的要求。左右分列及取樣動(dòng)作循環(huán)作業(yè)加之輥道輸送機(jī)向前輸送作業(yè)過(guò)程較為復(fù)雜，需進(jìn)行仿真分析。

（5）自動(dòng)裝框環(huán)節(jié)：煙框共四層，分層裝框，以16包為一個(gè)裝框單元，通過(guò)升降機(jī)、伸縮鏈板機(jī)配合擋板作業(yè)，前端輸送機(jī)速度按20m/min 設(shè)計(jì)，前端輸送效率可達(dá)720 包/h，考慮分層裝框等待時(shí)間等因素，按15%的效率損失，裝框效率流量為612 包/h，滿足系統(tǒng)能力600包/h的需求。

基于以上分析，設(shè)計(jì)本方案，原煙卸車裝框物流系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備布置如圖2所示。

5 仿真分析及優(yōu)化

5.1 仿真模型構(gòu)建

基于本設(shè)計(jì)方案，以Em-plant 仿真軟件構(gòu)建仿真模型如圖3所示。

圖3 原煙卸車裝框物流系統(tǒng)仿真圖

5.2 仿真分析

（1）假設(shè)條件。模型24h運(yùn)行；模型預(yù)熱時(shí)間1d，運(yùn)行10d；人工上件位置固定（上料位置占用則等待）。

（2）仿真結(jié)果及分析。①人工卸車仿真結(jié)果（按4組工位計(jì)算）如圖4所示。

仿真結(jié)果顯示：按照4 組（每2 人一組）仿真，第四個(gè)工位的作業(yè)人員長(zhǎng)時(shí)間處于等待狀態(tài)，人工工位效率降低。

②取樣及分列環(huán)節(jié)輥道輸送機(jī)仿真結(jié)果如圖5所示。

仿真結(jié)果顯示：由于輥道輸送機(jī)上要執(zhí)行取樣和左右分列動(dòng)作，煙包在清空后后面煙包方可進(jìn)入該工位，按照600 包/h 的上位輸入能力仿真，每小時(shí)的吞吐量?jī)H為439 包/h，存在著堵塞現(xiàn)象，故需對(duì)該處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 人工卸車仿真結(jié)果

5.3 方案優(yōu)化及仿真驗(yàn)證

基于以上分析，將人工工位調(diào)減至3 組即6 人，將取樣分列輥道輸送工位設(shè)置為兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的輥道機(jī)，分別執(zhí)行取樣和分列工位，其他條件不變進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

（1）假設(shè)條件。24h運(yùn)行；模型預(yù)熱時(shí)間1d，運(yùn)行10d；人工上件位置固定（上料位置占用則等待）；上位輸入能力：720包/h。

圖5 取樣及分列環(huán)節(jié)輥道輸送機(jī)仿真結(jié)果

（2）仿真結(jié)果及分析。圖6 仿真結(jié)果顯示：①停用第四組工位后，三組工位作業(yè)人員作業(yè)效率為85.3%，人工基本都處于正常作業(yè)狀態(tài)，不存在長(zhǎng)時(shí)間的等待。改進(jìn)后的系統(tǒng)在滿足設(shè)計(jì)需求的同時(shí)，減少了卸煙人工需求量，降低了勞動(dòng)成本。②通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致堵塞主要是因?yàn)樵摴の恍枰餐瓿蓸影雍陀蓡闻泡斔妥兂呻p排輸送兩個(gè)作業(yè)動(dòng)作所造成的，因此考慮將原設(shè)計(jì)方案的一個(gè)工位拆分為取樣工位及分列工位兩個(gè)工位，取樣工位位于分列工位前端，煙包經(jīng)過(guò)取樣工位后再進(jìn)行分列動(dòng)作，減少了該工位的等待時(shí)間及由取樣動(dòng)作轉(zhuǎn)為分列動(dòng)作的轉(zhuǎn)換時(shí)間，通過(guò)仿真驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)該工位每小時(shí)吞吐量可提高至672 包，不存在擁堵現(xiàn)象，滿足系統(tǒng)能力需求。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)原煙卸車裝框物流系統(tǒng)的仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了勞動(dòng)用工，避免了煙包在輸送過(guò)程中的堵塞、不順暢現(xiàn)象。該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠滿足同車多等級(jí)、多批次的裝車需求，對(duì)于保證原煙質(zhì)量、降低原煙造碎率、節(jié)約收購(gòu)成本、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率具有較大的促進(jìn)作用，對(duì)于推動(dòng)煙草行業(yè)在原煙收購(gòu)環(huán)節(jié)的優(yōu)化改進(jìn)具有較好的實(shí)用和推廣價(jià)值。

圖6 人工卸車及分列環(huán)節(jié)輥道輸送機(jī)仿真結(jié)果