基于Flexsim的煙草分揀線仿真優(yōu)化

李露莎，楊旭東，楊 姣，劉 旭，周 林

（1.貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省煙草公司黔南州公司，貴州 黔南 558000）

0 引言

傳統(tǒng)的細支煙分揀主要采取純手工或電子標簽輔助人工分揀、整理、包裝的模式，但勞動強度大、工作效率低。近年來，隨著細支煙銷量的急劇增加，為保證分揀效率，傳統(tǒng)細支煙分揀模式逐漸演變?yōu)榧氈?、標準煙共線分揀模式。臥式分揀機作為可同時分揀標準煙和細支煙的條煙分揀設備，具有煙倉儲量大、可實現全自動補煙、分揀等優(yōu)點，因而在細支煙、標準煙共線分揀中得到廣泛的應用。目前對物流系統(tǒng)進行高效、快速的優(yōu)化研究，多采用計算機仿真技術。

物流系統(tǒng)仿真技術可實現在不組裝實際系統(tǒng)、不需要停止物流節(jié)點業(yè)務的前提下，對現有系統(tǒng)進行分析，通過對系統(tǒng)揀選設備、運行策略等的優(yōu)化，實現揀選作業(yè)效率的提高。Flexsim仿真軟件具有采用面向對象技術、突出3D顯示效果、建模和調試簡單開放方便、模型的擴展性強、易于和其他軟件配合使用等特點,是一款在物流領域應用十分廣泛的仿真軟件。郭笛，等針對多重約束下智慧倉儲機器人的配置問題，運用Flexsim建立離散系統(tǒng)仿真模型，通過模型的運行，尋求系統(tǒng)的優(yōu)化方向，求得最優(yōu)解。楊瑋，等對某醫(yī)藥物流中心揀貨流程建立Flexsim仿真模型，分析模型運行結果，找出了瓶頸，并對揀貨流程進行了優(yōu)化。邱建偉，等分析了SF桂林中轉場快件分揀系統(tǒng)，運用Flexsim建模并仿真，分析仿真統(tǒng)計報告，發(fā)現了存在的瓶頸。周子一，等以高?？爝f聯(lián)盟服務站為研究對象，利用Flexsim可視化仿真技術，設計某高?？爝f聯(lián)盟服務站分揀系統(tǒng)人力和運力模型，并仿真、分析優(yōu)化運行結果，實現服務站作業(yè)效率的提高。

通過查閱眾多運用Flexsim對物流系統(tǒng)進行仿真研究的文獻，發(fā)現他們關注的主要是倉儲系統(tǒng)、醫(yī)藥物流系統(tǒng)、快件分揀系統(tǒng)的優(yōu)化和改進，對煙草物流分揀系統(tǒng)的研究較少涉及。本文選用Flexsim仿真軟件，將物流系統(tǒng)仿真技術應用于某煙草物流配送中心細支煙、標準煙共線分揀系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進行建模并仿真，找到影響其分揀效率的關鍵問題，并提出相應的解決措施。

1 細標共線分揀系統(tǒng)整體流程

某卷煙廠生產的各類卷煙依采購計劃匯集到某煙草物流配送中心，在煙草物流配送中心完成件煙入庫和盤點，入庫后的件煙在倉庫中存儲；當客戶（卷煙零售戶）有訂貨需求時，根據客戶的卷煙訂貨需求進行件煙出庫；件煙出庫后依客戶訂單信息進行條煙的開箱分揀；經臥式分揀機（單出口）分揀好的條煙合單后，再依次進行條煙打碼，以便對卷煙進行出入庫管理，對銷售信息和渠道進行跟蹤監(jiān)管；打碼后的條煙按客戶訂單號進行碼垛和裹膜包裝，在包裝好的煙包上粘貼煙包所含條煙數、所屬客戶和線路等信息的標簽后轉入待配送暫存區(qū)進行復核盤點；最后將分揀包裝好的卷煙準確快速地送到客戶手中。整體流程如圖1所示。

圖1 細標共線分揀系統(tǒng)主要工作流程

由圖1可知，在臥式分揀機（單出口）分揀線上除首尾兩頭為人工出庫和人工收貨外，中間環(huán)節(jié)全部實現自動化，但實際分揀效率僅為11 420條/h，因而該分揀線仍有提升分揀效率的空間。

2 細標共線分揀系統(tǒng)仿真建模

2.1 模型實體設計

在不影響仿真結果的前提下，為了保證Flexsim仿真模型不因隨機因素而產生誤差，模型中不考慮自動打碼、自動貼標作業(yè)環(huán)節(jié)。

根據某煙草物流配送中心細標共線分揀系統(tǒng)的工作流程，得出該系統(tǒng)的設備及其與仿真系統(tǒng)中實體之間的對應關系，以及為了實現仿真功能而需要的輔助實體，見表1。

表1 Flexsim模型實體對應關系

2.2 模型屬性及參數設置

根據實際分揀系統(tǒng)各設備分揀參數進行Flexsim中對應實體參數設置，模擬各設備之間的邏輯關系，實現某煙草物流配送中心細標共線分揀系統(tǒng)整體作業(yè)流程，并按現場實際布局情況進行建模，得到仿真模型，如圖2所示。對仿真模型相關參數的設置如下：

圖2 Flexsim仿真模型

自動開箱機效率200件/h/臺；

補貨小車補貨運行速度2m/s，裝煙容量一箱共50條，裝載時間5s/次，卸載時間10s/次；

臥式分揀機出煙速度0.4s/條；

傳送帶速度0.9-1.5m/s（其中碼垛包裝機前傳送帶速度為1.2m/s）；

訂單間距：1 050mm/兩個訂單間；

碼垛包裝機效率840包/h。

2.3 仿真分析

對某煙草物流配送中心某周訂單數據進行仿真分析，不設置固定的仿真時間，直到該訂單仿真完成為止。重置后運行模型，運行結束，導出狀態(tài)表，獲取仿真運行數據，見表2-表5。

表2 自動開箱機運行數據統(tǒng)計

表5 自動補貨小車運行數據統(tǒng)計

表4 碼垛包裝機前進煙傳送帶運行數據統(tǒng)計

臥式分揀機自動分揀作業(yè)在仿真模型中實現結構為皮帶機+分解器+暫存區(qū)+吸收器，皮帶機模擬導入滑道及儲存?zhèn)}，分解器用于打開5條/垛的模擬煙包，分解時間為零，分解完后送入暫存區(qū)模擬執(zhí)行倉分揀出煙，煙包由吸收器吸收，因而可從暫存區(qū)的運行數據進行分揀效率描述，經仿真運行，得出臥式分揀機分揀效率為12 891條/h。

自動開箱機的運行情況由處理器1、2、3仿真數據表達，正在處理表示自動開箱機工作運行時間占比，空閑表示自動開箱機的待機狀態(tài)占比，由表2可見空閑時間過多，自動開箱機效能未能充分發(fā)揮。自動補貨小車由Agv1、2、3模擬，自動補貨運行時間占比由空載、裝載運行時間及裝載、卸載時間代表，空閑代表自動補貨小車待機時間，由表5可見空閑時間過多，自動補貨小車效能未能充分發(fā)揮。

碼垛包裝機運行情況由合成器1仿真數據表達，正在處理表示碼垛包裝機正處于碼垛包裝作業(yè)狀態(tài)，收集代表碼垛包裝機攜同包裝膜等待皮帶輸送條煙即碼垛包裝機處于空閑狀態(tài)，由表3可知，其作業(yè)時間占比高達99.99%。碼垛包裝機前進煙傳動帶輸送時間占比為74.13%，堵塞時間占比為25.86%，說明已分揀好的訂單有25.86%的時間是處于等待碼垛包裝的狀態(tài)，致使分揀效率低。

表3 碼垛包裝機運行數據統(tǒng)計

經仿真統(tǒng)計可得各設備的利用率如圖3-圖5所示。

圖3 自動開箱機工作狀態(tài)餅狀圖

圖4 碼垛包裝機1、傳送帶1工作狀態(tài)餅狀圖

圖5 自動補貨小車工作狀態(tài)餅狀圖

3 細標共線分揀系統(tǒng)設計優(yōu)化

3.1 存在的問題

結合Flexsim仿真模型運行結果，綜合分析該系統(tǒng)補貨、分揀、碼垛包裝三個關鍵環(huán)節(jié)，得出該細標共線分揀系統(tǒng)存在的問題如下：（1）臥式分揀機分揀效率僅為12 891條/h，其分揀效能未能充分發(fā)揮，分揀效率有很大的提升空間；（2）自動補煙環(huán)節(jié)自動開箱機、自動補貨小車待機時間過長，設備利用率低，進而影響分揀效率；（3）碼垛包裝機時刻處于工作狀態(tài)，仍不能滿足分揀需求，等待碼垛包裝的訂單使得碼垛包裝機前輸送皮帶堵塞嚴重，影響分揀效率。

3.2 分揀系統(tǒng)設計優(yōu)化

針對以上問題，并充分考慮現場實際情況，提出改進方案一：增設一臺碼垛包裝機（保持系統(tǒng)各項參數不變），從而提升分揀效率，但經仿真分析得出該方案的分揀效率僅為16 113條/h，分揀量僅提高3 222條/h，雖然皮帶1的堵塞現象得到了很好的緩解，但碼垛包裝機利用率大大降低，臥式分揀機、補貨小車、自動開箱機的利用率提高較少，說明該方案優(yōu)化效果較差。仔細分析臥式分揀機出煙情況可知，由于按訂單依次分揀出煙時，各煙倉在分揀間隙等待時間過長，從而導致設備利用率低、分揀效率提升較小。

因而提出改進方案二：對臥式條煙分揀機打擊機構、分揀出口進行改進設計，將原來的單口出煙改進為雙口出煙；對應增加一條卷煙分揀輸送線；為了緩解傳送帶堵塞嚴重的現象，在其他參數不變的情況下，將傳送帶速度從0.9-1.5m/s改進為0.7-1.3m/s（其中碼垛包裝機前傳送帶速度為0.9m/s）。這樣不僅能分擔碼垛包裝機工作負擔，緩解傳送帶堵塞現象，還可以提升補貨、分揀環(huán)節(jié)的設備利用率，進而提高分揀效率。

改進前的臥式條煙分揀機主要由緩存?zhèn)}、推煙機構、分揀煙倉、打擊機構、分揀出口（單出口）組成，如圖6所示。每個分揀煙倉單獨配備一臺三相異步電動機，相鄰煙倉間電動機前后交錯排布，可根據不同工作情況為臥式機組裝不同數量的分揀煙倉。工作時條煙經自動補貨系統(tǒng)自動補貨至緩存?zhèn)}，推煙機構將緩存?zhèn)}內條煙推進分揀煙倉，打擊機構根據訂單需求將條煙打至相應出口并滑落在輸送帶上，輸送帶不斷運動，將異型條煙向下一環(huán)節(jié)輸送。

圖6 改進前臥式條煙分揀機結構圖

可改進臥式條煙分揀機打擊機構及分揀出口，利用三相異步電動機可以頻繁啟動、制動及逆轉的特點，由電動機的正反轉運動控制打擊機構鏈條組件對稱的兩個推頭實現單煙倉、雙出口分揀。改進后臥式條煙分揀機分揀煙倉背側與前側對稱設置分揀出煙傳感器安裝盒子及第二分揀出口，并在打擊機構上新增一個打擊出煙傳感器安裝位，如圖7所示。

圖7 臥式條煙分揀機改進部分結構圖

臥式條煙分揀機由單出口改進為雙出口后，同時增加一條獨立的分揀線。充分利用臥式條煙分揀機機架及現場場地的空余空間，可合理配置兩條獨立分揀線。改進后Flexsim仿真模型如圖8所示，選取同一個周期的相同訂單進行仿真分揀，運行改進后模型，得出臥式條煙分揀機分揀效率為25 562條/h，并導出狀態(tài)表，獲取仿真運行數據，見表6-表9，各設備的利用率如圖9-圖12所示。

圖9 改進后自動開箱機工作狀態(tài)餅狀圖

圖12 改進后補貨小車工作狀態(tài)餅狀圖

表9 改進后自動補貨小車運行數據統(tǒng)計

圖8 改進后Flexsim仿真模型

表6 改進后自動開箱機運行數據統(tǒng)計

表7 改進后碼垛包裝機運行數據統(tǒng)計

將改進前后的統(tǒng)計圖表作對比分析可見，自動開箱機平均利用率從42.97%上升至85.21%；自動補貨小車平均利用率從47.74%上升至94.67%；碼垛包裝機前進煙輸送皮帶的堵塞現象得到良好的改善；該系統(tǒng)分揀效率從12 891條/h提升至25 562條/h。

表8 改進后碼垛包裝機前傳送帶運行數據統(tǒng)計

圖10 改進后碼垛包裝機工作狀態(tài)餅狀圖

圖11 改進后傳送帶工作狀態(tài)餅狀圖

4 結語

本文以某煙草物流配送中心細標共線分揀系統(tǒng)為研究對象，運用Flexsim軟件對該系統(tǒng)補煙、分揀、碼垛包裝、皮帶輸送緩存等環(huán)節(jié)進行建模仿真，找到了影響該系統(tǒng)分揀效率的瓶頸在于臥式條煙分揀機單出口分揀出煙，結合某煙草物流配送中心的具體情況，根據現場特點，將臥式條煙分揀機由單出口改進為雙出口，并對應的增加一條獨立的分揀線；再次建模仿真發(fā)現，碼垛包裝前緩存運輸皮帶的堵塞現象得到明顯改善，自動開箱機、自動補煙小車利用率得到提升，臥式條煙分揀機效率得到提升。將該優(yōu)化方案運用到實際中，分揀效率由11 420條/h提升至22 012條/h。由此可見，運用仿真建模對物流分揀系統(tǒng)進行優(yōu)化既科學又簡便，能夠輔助決策工作，不僅可以避免不合理的設計和投資，而且也減少了投資風險和避免了人力、時間等的浪費。