龐黨青，龔書成，龐秋杏，崔書婉，胡紅春

制造技術

卷煙分揀線模塊化布局研究與應用

龐黨青1，龔書成1，龐秋杏1，崔書婉2，胡紅春3*

1廣西壯族自治區(qū)煙草公司柳州市公司，柳州市高新一路11號 545006；2廣西科技大學，廣西區(qū)柳州市東環(huán)大道268號 545006；3中國煙草總公司職工進修學院，河南省鄭州市鑫苑路7號 450008

【】提升卷煙分揀效率是煙草商業(yè)亟待解決的難點問題。通過對卷煙物流分揀、包裝設備功能和單機作業(yè)效率的研究，采用模塊化布局、獨立式分揀的方法，將各種分揀機型和包裝機按照模塊化進行布局和控制，降低設備之間運行故障干涉，有效提高單位時間設備的作業(yè)效率。通過高效率合流，柔性化包裝，較好解決了條煙外觀尺寸差異對分揀和包裝效率的影響。實際運行表明，該分揀系統(tǒng)達到了功能設計要求，系統(tǒng)運行良好。

煙草物流；卷煙分揀線；模塊化布局

近20年來，煙草物流作業(yè)經(jīng)歷了人工揀選、半自動分揀、全自動分揀等階段；煙草物流設備也在不斷推陳出新，先后推出了電子標簽分揀線、半自動分揀線和全自動分揀線等；電子標簽、通道機、立式機、預分揀機、人工堆疊包裝機、機械手堆疊包裝機等多種分揀包裝設備，大幅降低了人工作業(yè)的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率[1-3]。隨著時間的推移，現(xiàn)有物流設備分揀模式出現(xiàn)了瓶頸，無法滿足日益增長的生產(chǎn)需求，降本增效壓力逐漸顯現(xiàn)。因此，提升卷煙分揀效率已成為煙草商業(yè)亟待解決的難點問題[4-6]。

近年來，為尋找資源配置和運作成本的最佳組合，學者們對分揀布局進行了深入的研究。曾彭城[7]分析了傳統(tǒng)分揀系統(tǒng)的彎道和直道布局，研究表明彎道布局雖占地面積小，但輸送皮帶穩(wěn)定性不好；直道布局輸送穩(wěn)定性好，但存在占地面積大、備貨容量小的缺點。俞武楊等[8]采用直線型制造單元與設施集成布局實現(xiàn)了物料搬運距離與占地面積的雙優(yōu)化，但只適用于分揀路徑確定的情況，其適應性較差。為解決其布局適應性差的問題，周娜等[9]采用“田”型布局實現(xiàn)單行分揀和多行分揀，解決了設備混合布局問題，提高了整個系統(tǒng)的通用性，但其布局和運輸路線設計較為復雜。吳洪剛等[10]采用了立體庫儲位布局研究了鄭州配送中心卷煙的入庫、出庫，其布局形式減少了作業(yè)距離，提高分揀效率，降低了作業(yè)時間，但其設備較多導致成本較高?；谝陨蠁栴}，冉文學等[11]提出具有快速響應需求，加快分揀流程的單元物料分揀線布局，但采用的分散搜索算法只適合少批量貨物分揀。佀占華等[12]采用蟻群優(yōu)化算法的多單元物料路徑布局縮短了分揀路徑，可實現(xiàn)多線分揀，但路線復雜，且難以設計。因此，單元物料分揀布局和多單元物料路徑布局都難以滿足企業(yè)的物流配送規(guī)格，按照實際分揀需求將卷煙分揀線進行模塊化布局是非常必要的。

本文在現(xiàn)有卷煙分揀設備的基礎上，打破原有的分揀模式，對卷煙分揀線的設備布局、分揀模式、包裝方式等進行全面研究，確定了模塊化布局、獨立式分揀、高效率合流、柔性化包裝的解決思路，進一步提升了卷煙分揀線的自動化程度，提高了卷煙分揀效率，降低了物流成本。

1 材料與方法

1.1 卷煙訂單結構分析

根據(jù)卷煙外觀尺寸，卷煙分為標準煙和異型煙兩大類。異型煙又細分為類標異型煙和非類標異型煙兩小類。標準煙和類標異型煙可以實現(xiàn)設備自動化分揀包裝，作業(yè)效率較高；而非類標異型煙只能采用人工分揀包裝或半自動分揀包裝，作業(yè)效率較低。

通過對柳州市公司2021年1月份的異型煙銷量數(shù)據(jù)分析，類標異型煙的銷量占比均達80%以上，非標類異型煙的銷量占比不足20%，說明在異型煙訂單結構中，類標異型煙是異型煙的主體類型，只要改變分揀模式，實現(xiàn)類標異型煙自動化分揀包裝，對大幅提升異型煙整體的分揀效率具有重要的意義，如圖1和表1所示。

圖1 1月份部分異型煙銷量折線圖

表1 2021年1月份異型煙銷量表

Tab.1 Salesofspecial-shapedcigarettesinJanuary2021 （單位：條）

續(xù)表1

日期（date）類標異型煙銷量（Sales of Class-standard Special-shaped Cigarettes）非類標異型煙銷量（Sales of non-standard shaped cigarettes） 木盒類（Wooden box）細支類（Fine branch）短支類（Short branch）中支類（Middle branch）其它類（others） 151914323073350434022416 161371520425371527911602 18545913868382518991953 19678018385445326532828 20576515367402420992140 21752019568397830543649 22694316959423024052434 2544989732312712951473 26505711337350517471978 2744959224303412901494 28626412397310922822622 29586513619426919341958

1.2 卷煙分揀線布局總體設計思路

本研究的卷煙分揀線的總體設計思路是模塊化布局、獨立式分揀、高效率合流、柔性化包裝。

（1）模塊化布局：卷煙分揀線整體布局為2個環(huán)節(jié)：分揀環(huán)節(jié)和包裝環(huán)節(jié)；6個模塊：A、B、C、D 分揀模塊，E打碼糾錯模塊，F(xiàn)包裝模塊。具體如圖2所示：

圖2 卷煙分揀作業(yè)流程圖

其中，根據(jù)各品規(guī)卷煙的銷量比重和堆疊次序要求，設置各類卷煙分揀模塊化分配，確保A、B分揀模塊分發(fā)合流的均衡性。A分揀模塊分揀大品規(guī)標準煙或者細支類異型煙，B分揀模塊分揀大品規(guī)標準煙或者木盒類、短支類異型煙，C分揀模塊分揀小品規(guī)標準煙或者中支類異型煙，D分揀模塊分揀其他異型煙。

（2）獨立式分揀：將分揀過程耗時較多，銷量占比80%以上的卷煙品規(guī)適當均分于A分揀模塊和B分揀模塊，采取獨立分揀的控制方式，設備之間的啟停和故障互不干涉，達到單位時間內(nèi)分撥量提高1倍的目的。

（3）高效率合流：A、B分揀模塊根據(jù)訂單數(shù)據(jù)獨立將卷煙分揀、緩存，再由雙層分發(fā)機根據(jù)分揀控制系統(tǒng)訂單數(shù)據(jù)信息的分揀指令，逐單分發(fā)A、B分揀模塊分揀好的訂單卷煙到主皮帶機上，實現(xiàn)分揀環(huán)節(jié)的高效合流分揀。

（4）柔性化包裝：分揀好的卷煙通過糾錯和打碼后，根據(jù)訂單包裹量、包裹特性、訂單順序、訂單結構等不同需求，分配包裝任務到不同的包裝機或包裝口，從而實現(xiàn)卷煙柔性化包裝需求。

2 結果與討論

2.1 卷煙分揀設備效能分析

卷煙物流分揀效率主要取決于各設備的單機效率，卷煙分揀的主要設備有立式分揀機、通道分揀機、條煙預分揀機、雙層分發(fā)機和裹膜包裝機。立式分揀機（有的設計為臥式）是一種單條撥煙的分揀設備，按照訂單分揀指令順序完成分揀，如圖3所示。撥煙機構由撥煙電機、鏈條和撥打頭組成，撥煙最大速度為3條/s，設備“串聯(lián)運行”的最高效率約為10000條/h。通道分揀機是一種單條和多條撥煙的分揀設備，按照訂單分揀指令順序完成分揀，如圖4所示。由件煙輸送通道和煙撥煙機構組成，煙撥煙機構包括5條撥煙裝置、單條緩存和單條撥煙裝置，單機最大撥煙速度為5條/s，設備“串聯(lián)運行”的最高效率約為18000條/h。條煙混合預分揀機是一種人工按電子系統(tǒng)顯示指令預先分揀多個訂單和多個品規(guī)的半自動條煙預分揀裝置，如圖5所示。條煙混合預分揀機由分揀顯示屏輔助完成，分揀人員按照分揀顯示屏顯示的訂單順序、數(shù)量，預先將訂單品規(guī)數(shù)量揀選到裝置的格式皮帶上，由分揀線控制系統(tǒng)根據(jù)分揀指令驅(qū)動格式皮帶，完成分揀任務。撥煙最大速度為2條/s，最高效率約為7000條/h。雙層分發(fā)機是一種利用伺服電機控制的卷煙分發(fā)設備，如圖6所示。分揀控制系統(tǒng)根據(jù)訂單數(shù)據(jù)控制上下層分發(fā)結構分發(fā)卷煙，通過分發(fā)機前端的計數(shù)光電開關快速精準計算分發(fā)數(shù)據(jù)，最大分發(fā)速度為8條/s，最高效率達到28000條/h以上。近年來隨著卷煙物流行業(yè)高效發(fā)展的需求，行業(yè)內(nèi)外先后研制出了人工堆疊包裝機、機械手堆疊包裝機和全品規(guī)包裝機等多種包裝設備，有效解決了包裝機堆疊效率問題。裹膜包裝機是當前行業(yè)物流主流包裝機，包裝效率最高可以達到780包/h，如圖7所示。

圖3 立式分揀機

圖4 通道分揀機

圖5 條煙預分揀機

圖6 條煙雙層分發(fā)機示意圖

圖7 雙入口裹膜包裝機

2.2 分揀環(huán)節(jié)設計

分揀環(huán)節(jié)包括撥煙、合流、條煙打碼等作業(yè)流程。受分揀設備的撥煙極限效率影響，標準煙的分揀能力約為18000條/h，異型煙的分揀能力約為5000條/h。受到訂單結構、卷煙類型、設備故障等因素影響，標準煙分揀效率下降為8000條/h，異型煙分揀效率下降為1500條/h。采取模塊化布局，各類模塊獨立控制的方法，減少設備間聯(lián)動的故障干涉，從而提高分揀效率。

2.2.1 分揀設備的分配

通過對銷售數(shù)據(jù)分析，標準煙的銷售品規(guī)約為100個，其中：前10個主銷品規(guī)的分揀量達到80%以上，分配10臺通道機；第11-50個小品規(guī)卷煙分揀量占比約為16%，分配6組立式機；根據(jù)現(xiàn)場布局情況和剩余小品規(guī)數(shù)量，分配立式機數(shù)量或者采用混合倉或混合預分揀機分揀。

異型煙的銷售品規(guī)約為120個，其中：細支類品規(guī)約為25個，分揀量占比約為36%，分配3組立式機。木盒類、短支類品規(guī)約為30個，分揀量占比約為45%，分配3組立式機和1臺通道機。中支類品規(guī)約為15個，分揀量占比約為12%，分配2組立式機。剩余異型煙分配1臺混合預分揀機。

2.2.2 分揀設備的布局

卷煙分揀設備的布局因標準煙和異型煙的分揀需求不同而采用不同的布局方式，具體如下：

（1）標準煙的外觀尺寸相近，標準煙分揀設備布局按照“5335+1”模式進行布局，A分揀模塊和B分揀模塊分別布設5臺通道機和3組立式機，根據(jù)現(xiàn)場情況和剩余小品規(guī)數(shù)量，將其中B分揀模塊的一個煙倉設計為立混合倉，或者另外布設一組混合預分揀機分揀。如圖8所示。

圖8 標準煙分揀設備布局圖

（2）異型煙的外觀尺寸變化較大，為了確保包裝環(huán)節(jié)堆疊碼垛的穩(wěn)定性，異型煙條煙包裝堆疊的順序由下往上依按照：細支類、木盒類、短支類、木盒細支類、中支類、其他類等，依照這個順序?qū)α⑹椒职l(fā)機進行布局。設備布局按照“3312+1”模式進行布局，即A分揀模塊3組立式機，分揀細支類異型煙；B分揀模塊3組立式機和1臺通道機，分揀木盒類和短支類異型煙；C分揀模塊2組立式機，分揀中支類異型煙，D分揀模塊1組混合預分揀機，分揀其他類異型煙，如圖9所示。

圖9 異型煙分揀設備布局圖

（3）傳送帶布局：一組立式分發(fā)機寬1.5m，三組4.5m，為留有一定的余量，A、B分揀模塊分揀主傳送帶長度應大于設備布局寬度，緩存區(qū)傳送帶長度設置應大于6 m，以滿足分揀效率需求。B分揀模塊緩存區(qū)的“U型”區(qū)域高度設置應滿足B分揀模塊卷煙回旋反向輸送，C、D分揀模塊對應的傳送帶長度和分揀設備尺寸匹配。

（4）雙層分發(fā)機設置于A、B分揀模塊分揀緩存區(qū)傳送帶后端，C分揀模塊的前端，如圖10所示。它將A、B模塊分揀好的訂單卷煙合流到主皮帶機，然后C分揀模塊立式機和D分揀模塊混合預分揀機順序分揀卷煙到主皮帶機，完成訂單分揀作業(yè)，進入糾錯打碼環(huán)節(jié)。該設計將有效縮短訂單距離，提高分揀效率。

圖10 雙層分發(fā)機工作示意圖

2.2.3 分揀效率分析

由于A、B分揀模塊是獨立分揀，單位時間合計分揀效率可達20000條/ h以上，雙層分發(fā)機分發(fā)效率達28000條/ h以上，且分揀作業(yè)量占比達到80%以上。受到C、D分揀模塊設備運行效率，以及訂單量、訂單間距、設備運行和故障影響，標準煙分揀環(huán)節(jié)的效率可達20000條/ h，異型煙分揀環(huán)節(jié)的效率可達8000條/h。

2.3 包裝環(huán)節(jié)設計

包裝機的效率主要取決于裹膜環(huán)節(jié)，最高效率約為780包/ h，根據(jù)訂單數(shù)據(jù)分析，標準煙的平均訂單量為20條計算，每臺包裝機的作業(yè)效率為15600條/h，異型煙的平均訂單量為6條計算，每臺包裝機的作業(yè)效率為4680條/ h。包裝環(huán)節(jié)要與分揀環(huán)節(jié)匹配，必須配置2臺包裝機進行裹膜包裝。

2.3.1 包裝設備布局

卷煙通過糾錯和打碼后，根據(jù)訂單包裹量和包裹特性，將訂單分配到不同的包裝機或包裝口，實現(xiàn)柔性化的包裝需求，如圖11所示。

圖11 包裝設備布局圖

2.3.2 包裝環(huán)節(jié)柔性化

標準煙分揀線包裝環(huán)節(jié)的柔性化。通過對包裝數(shù)據(jù)的分析，包裝軟件控制系統(tǒng)根據(jù)包裝作業(yè)量，實時分配訂單給兩臺包裝機，確保包裝作業(yè)適度均衡，從而達到包裝作業(yè)效率最大化。

異型煙分揀線包裝環(huán)節(jié)的柔性化。根據(jù)異型煙不同配送線路和不同節(jié)日波動較大的特點，中轉(zhuǎn)站配送線路和郊區(qū)農(nóng)網(wǎng)線路日常包裝量較少、品規(guī)數(shù)較少，只需使用雙入口全品規(guī)自動堆疊包裝機。城區(qū)線路和“元春”“中秋”時段，訂單量較大且品規(guī)數(shù)量較多，需要使用兩臺包裝機。通過升降皮帶機、彎道皮帶機、輸送皮帶機等設備，將類標異型煙和非類標異型煙分別輸送到全品規(guī)包裝機和人工堆疊（或推送堆疊）包裝機進行裹膜包裝，實現(xiàn)類標異型煙高速堆疊包裝，非類標異型煙靈活堆疊包裝。

2.3.3 包裝效率分析

采用模塊化布局和高效率合流后，標準煙的分揀效率可達20000條/ h以上，對接適配的包裝機型或多臺包裝機，包裝效率同樣能夠達20000條/ h。異型煙的分揀效率達8000條/ h以上，為了適應異型煙的包裝需求，包裝環(huán)節(jié)需對接1臺雙入口全品規(guī)自動堆疊包裝機和1臺人工堆疊（或推送堆疊）的全品規(guī)包裝機，總的包裝能力達到10000條/ h左右。由于非類標準煙是人工堆疊（或推送堆疊）作業(yè)效率較低，且異型煙訂單量較小，大多數(shù)訂單需要拆分輸送至兩臺包裝機，導致效率下降，總包裝效率約為6000條/ h。

2.4 卷煙分揀線模塊化布局后的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

采用卷煙分揀線模塊布局后，柳州市公司2021年6月份上半月的標準煙和異型煙的分揀效率統(tǒng)計表如表2和表3所示。其中進行標準煙分揀時，A模塊和B分揀模塊的平均分揀效率為12800.6和12296.0條/ h，雙層分發(fā)機的平均分發(fā)效率為21601.7條/ h，包裝機的平均效率為20001條/ h。異型煙分揀時，A模塊和B模塊的平均分揀效率為9333.8和9231.0條/ h，C/D模塊的平均分揀效率為9149.2條/ h，雙層分發(fā)機的平均分發(fā)效率為15631.1條/ h，包裝機的平均效率為6008.1條/ h。綜上所述，卷煙分揀線模塊化布局后標準煙和異型煙分揀模塊的平均效率均達到了預期要求，分揀系統(tǒng)中各類設備的匹配性和穩(wěn)定性良好。

表2 6月份上半月標準煙分揀效率統(tǒng)計表

Tab.2 Statistics of sorting efficiency of standard cigarettes in the first half of June

表3 6月份上半月異型煙分揀效率統(tǒng)計表

Tab.3 Statistics of the sorting efficiency of special-shaped cigarettes in the first half of June

3 結論

本文通過對分揀設備模塊化布局的研究，突破卷煙分揀設備傳統(tǒng)的順序分揀思維模式，創(chuàng)新采用設備模塊化布局，各模塊獨立控制，分揀環(huán)節(jié)的兩個主要分揀撥煙模塊獨立撥煙，運用雙層分發(fā)機進行訂單合流，包裝環(huán)節(jié)采用升降皮帶機對訂單進行合理分流，均衡分配包裝，增加包裝環(huán)節(jié)柔性化。經(jīng)實踐證明，分揀設備模塊化布局研究的應用，可以有效解決訂單間分揀隔時間長、設備故障干涉、包裝效率與分揀效率不匹配等問題。標準煙分揀模式下作業(yè)效率提高30%，達20000條/ h以上；異型煙分揀模式下作業(yè)效率提高一倍，最高效率達6008.1條/ h，有效提高分揀效率。

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Research and application of modular layout of cigarette sorting line

PANG Dangqing1, GONG Shucheng1, PANG Qiuxing1, CUI Shuwan2, HU Hongchun3*

1 Guangxi tobacco company liuzhou branch, Liuzhou 545006, China;2 Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China;3 Staff Development Institute of China Nation Tobacco Corporation, Zhengzhou 450008, China

Improving the efficiency of cigarette sorting has become a difficult problem to be solved urgently in the tobacco business.This paper mainly studies the cigarette logistics sorting, function of packaging equipment and the efficiency of single machine operation. Adopting modular layout and independent sorting method, all kinds of sorting models and packaging machines are arranged and controlled in accordance with the modularization, which can reduce the interference of operation failures between equipment and effectively improve the operation efficiency of equipment per unit time.Through high-efficiency confluence and flexible packaging, the influence of cigarette appearance and size difference on sorting and packaging efficiency is solved.The actual operation shows that the sorting system has reached the functional design requirements and the system is running well.

tobacco logistics; cigarette sorting line; modular layout

. Email：759150070@qq.com

龐黨青，龔書成，龐秋杏，等. 卷煙分揀線模塊化布局研究與應用[J]. 中國煙草學報，2022,28（2）. PANG Dangqing, GONG Shucheng, PANG Qiuxing, et al. Research and application of modular layout of cigarette sorting line[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2022,28（2）.doi:10.16472/j.chinatobacco.2021.T0097

龐黨青（1975—），本科，工程師，煙草物流管理，Tel：13977277570，Email：gxlzpdq@163.com

胡紅春（1969—），Tel：13838002720，Email: 759150070@qq.com

2021-06-03；

2022-02-08