基于RFID技术的卷烟柔性高速分拣设计

万国龙

(山东青岛烟草有限公司物流中心,山东 青岛 266101)

近年来,卷烟消费市场个性化和差异化需求愈发凸显,异型卷烟(以下简称“异型烟”)尤其是细支卷烟销量迅速增长,成为烟草行业发展的新亮点和拉动税利增长的新引擎[1]。异型烟需求量增长是卷烟行业深入推进供给侧结构性改革过程中的珍贵机遇。而卷烟分拣效率主要受限于异型烟分拣能力不足,故异型烟高速分拣成为各烟草公司研究的重点。但异型卷烟条烟包装的长、宽、高变化幅度较大,没有规律可循,差异化的外包装导致异型卷烟难以像标准卷烟一样进入半自动分拣线。分拣的自动化程度偏低,增加了分拣的难度和差错,制约了分拣效率的提升[2]。烟草行业异型卷烟分拣工作一般通过电子标签线和半自动分拣线来完成分拣工作[3],但存在劳动强度大,分拣出错率高[4],分拣效率不足等问题。目前“细标合一”分拣设备正成为异型卷烟分拣设备研发的主流模式,但从使用情况来看,普遍效率都不够理想,分拣效率一般低于5 000条/h。为解决上述问题,并在前人工作基础上进行改进,本研究将电子标签与分层控制相结合,秉承智慧物流的理念,基于物联网射频识别(radio frequency idenfication,RFID)技术,借助多源传感器的数据融合技术,提出了全品规卷烟柔性分拣方案,实现了物流分拣的智能化、信息化,完成了卷烟高效率分拣。卷烟分拣系统的信息集成度高、运行速度快、性能好、智能化是未来烟草异型条烟分拣的必然趋势[5]。该研究很大程度上解决了异型烟销售持续增长与分拣能力不相匹配的问题。

1 智能柔性分拣技术

智能柔性分拣技术是指利用自动化、智能化的设备,建立起灵活、高效、柔性的分拣系统,完成的工作即为柔性作业。柔性作业是相对于刚性作业而言的,是为了满足产品大规模生产要求,来应对社会大批量的产品需求。弹性作业管理的目的是充分利用有限的人力、物力和财力,优化资源配置,以实现最小成本创造最大的效率和效益[6]。我公司独创出“三模四类”(“三模”是指3个分拣模块,分拣模块一、二完成异型烟、标准烟、中支烟的分拣,分拣模块三完成特异型烟分拣;“四类”是指标准烟、细支烟、中支烟和特异型烟四个卷烟类别,细支烟、中支烟、特异型烟为3种异型烟)全品规卷烟柔性分拣模式,运用科学的模型算法,弹性组合出28种细化的分拣方案,实现了虚拟分拣方案,弹性分拣方案组成如图1所示。

图1 弹性分拣方案组成

虚拟分拣是指根据动态变化的订单信息,分拣线在短时间内做出灵敏反应。分拣系统预先设计出分拣方案。由于订单情况多变和客户个性要求的提高,需提出有效方案进行解决。我司提出的虚拟分拣,弹性组合出28种细化分拣方案,促使各条分拣线合作组合进行分拣作业,以期提高分拣效率,实现智能高速分拣。

2 分拣工作流程

该“三模四类”全品规卷烟柔性分拣模式体现在对分拣订单反应灵敏和精准。分拣系统对单个需求做出分拣的响应,由传统的“以拣定销”转变为“以销定拣”。分拣指令由订单信息出发,将订单拆分处理,不必像传统方案进行单独分拣,而是统筹各条分拣线,细化分拣方案,分拣同时进行,缩短分拣等待时间。该分拣方案分拣线无空闲,全体作业,无需人工操纵,减少失误率和工时费用。依托自主开发的智能化排程软件,对当日卷烟订单数量、分拣人员数量和设备日均有效作业率等因素进行综合数据分析。为每个分拣模块自动匹配最优分拣方案,可支持异型烟变化的趋势[7],进一步提升设备有效作业率,在行业内首创柔性分拣模式。卷烟物流分拣效率主要取决于各设备的单机效率[8],根据条烟种类不同,条烟分拣机可分为分拣标准卷烟的卧式分拣机、通道式分拣机和分拣异形卷烟立式分拣机、柜式分拣机[9]。分拣工作流程[10]如图2所示。

图2 分拣工作流程

件烟从仓储区依托物联网RFID 托盘完成出库,扫码器完成扫描储存卷烟信息的物联网RFID 技术芯片后,信息传至数据处理中心,将分拣任务分配到细标烟分拣线和异型烟分拣线,然后开始自动分拣,经过自动合单、打码、贴标完成分拣作业。

2.1 细标共线分拣线

细标共线分拣线为合并分拣模式,即单一分拣系统处理所有需要分拣的卷烟产品[11]。根据标准烟、细支烟的订单生成分拣数据、人工开箱补烟、条烟自动分拣、自动合单、打包后自动激光打码、卷烟数据盘点和叠垛装箱。复合分拣线是多条传统自动分拣线按照一定工艺布局的叠加,该布局能够有效减少设备投资、占地面积和人员[12]。复合分拣线包含细标共线分拣线,此外还能单独分拣标准烟和细支烟。对比甘肃省烟草司平凉市公司的“细标一体,共线分拣”的分拣模式,我司借助模块化快速切换技术,可根据订单信息灵敏精准切换组合分拣模式,将卷烟分拣效率提升至9 700条/h以上,有效缓解异型烟中占比较大的细支烟分拣能力不足的问题。

2.2 异型烟分拣线

根据异型烟的订单生成分拣数据、人工备货、人工开箱补烟、条烟自动分拣、虚拟烟仓人工拣选、自动合单、打包后自动激光打码、卷烟数据盘点和叠垛装箱。由于每个卷烟订单的品规和数量不同,常规的分拣机制存在效率低,需人工干预等缺点,通过虚拟烟仓的方法可解决以上问题。虚拟烟仓示意图[13]如图3所示。

图3 虚拟烟仓示意图

订单长度为每个订单的卷烟在分拣传送带上所占的长度,虚拟烟仓将其进行数字化处理后传送至数据处理中心,数据处理中心根据收到的信息预先规划设备。当第i－1个订单任务上传至控制系统,控制系统立即计算出该订单在传送带上所需的存放长度,并为第i个订单预留出空间,通过优化订单结构完成分拣传送带最大化的使用,提高异型烟分拣效率,实现高效率出烟。

3 分拣信息化

3.1 物流管理信息化和智能化

推进智慧物流建设,实现烟草物流服务升级、管理升级和创新升级,完成卷烟半自动分拣向完全自动化、信息化、智能化分拣的转变。从烟包笼车流程管控、无纸化信息显示、循环弹性包装箱管理、烟包笼车关联配送、移动物流管理应用平台建设等研究出发。为减少包装等待时间,实现不间断供烟,将分拣模块立式机的布局方式由单层调整为上下两层,每层各设置四组立式分发机,实现同一订单双层同步出烟,较单层出烟效率提升一倍。上下两层传输皮带的后端安装可控制流量速差分发装置,然后在合流段实现同单瞬时合流。采取预叠方式,在自动合单工位优先将特异型烟码放成垛。实现特异型烟与细支烟快速、准确合单。通过光电识别、图像识别、订单智能核对等方式,实时复核订单中的条烟品牌与数量,杜绝分拣差错,减少停机时间。基于物联网RFID 技术,物联网RFID 技术路线如图4所示,该技术可实现物流管理的信息化、智能化,践行“智慧物流,万物互联”的理念。

图4 物联网RFID技术路线

物联网RFID 技术出入库作业如图5所示。将卷烟置于带有物联网RFID 技术芯片的木托盘上,专用物联网RFID 技术智能叉车将其叉起,经过出(入)库扫描后信息传至数据处理中心,完成基于物联网RFID 技术托盘的出(入)库作业,减少装卸环节的人力使用,同时更易于核验卷烟数量。客户下达订单后,订单数据传送至数据处理中心。依托自主开发的智能化排程软件,对当日卷烟订单数量、分拣人员数量、设备日均有效作业率等因素进行综合数据分析,中央控制系统为每个分拣模块自动匹配最优分拣方案,实现柔性高速分拣。

图5 物联网RFID技术出入库作业

上位机显示器如图6所示,下位机显示器如图7所示。从上位机显示器可以清楚地了解分拣线的工作情况,根据分拣线状态给下位机发出指令,然后下位机根据指令转化成相应信号直接控制分拣线设备。下位机不停读取分拣线状态数据,转换成数字信号后反馈给上位机。

图6 上位机显示器

图7 下位机显示器

基于物联网RFID 技术读取设备分拣状态数据,通过采集周转筐二维码的各类配送信息,进行数据统计分析[14]。将采集到的实时数据转换成数字信号反馈给控制系统,控制系统对各工作子系统集中监视、控制和完成柔性作业。大幅提升了分拣设备的利用率,并减少了人工的投入和作业失误率。控制系统实现分拣过程的数据流程[13]如图8所示。

图8 控制系统实现分拣过程的数据流程

在订单下达的瞬间,订单信息随即生成备货数据发送至仓储区开始备货,并转换成数字信号进入控制系统,控制系统将分拣指令分发至各条电子标签分拣线,电子标签分拣线可将分拣数据反馈给控制系统。完成分拣后,进行自动裹包贴码,逐个品牌规格卷烟上线测试,记录打码高度并形成固定标准[15]。一部分卷烟进行塑封裹包后自动贴码,然后通过激光打码计数器扫码,激光扫码如图9所示。另一部分的卷烟存放于附有物联网RFID 技术电子标签的包裹中,读写器读取电子标签信息核验订单,保证零售户获得与订单一致的烟品种类和数量[16]。若发生信息错误系统会做出反应并报警,读写器读取电子标签信息如图10所示。

图9 激光扫码

图10 读写器读取电子标签信息

通过全流程信息监控,将物流数据信息痕迹化、可视化,实现物流业务实时化感知。电子纸显示＋射频识别(RIFD)＋二维码,实现物流管理智能化,建立“零售户－订单－卷烟－周转箱－车辆－配送员”一体化的数据流。整合物流数据,实现移动管理的能力。

3.2 自动盘点系统

目前,很多卷烟厂的卷烟分拣设备自动化程度较低,仅靠人工对照电脑生成的任务表进行烟仓补货,不仅存在分拣差错率高、用时过长和劳动强度高的缺点,而且无法对订单变化做出快速响应。其次,要求补货人员对卷烟补货操作有极高的熟练度,长时间补烟作业会导致工人出现无法准确应对任务表的不当操作,增加了卷烟补货错误的风险,这些失误会导致分拣效率低下。立式分拣机是一种半自动分拣装置,通过分拣烟仓连续补货[17],可以减少操作人员补货和分拣移动距离,及时复核环节之间交接的准确性,及时发现局部故障,快速解决,保障系统效率和准确率[18]。本研究对立式分拣机进行改良,立式分拣机如图11所示。

图11 立式分拣机

通过在立式分拣机顶部配置电子屏,实时监控烟道卷烟量,根据分拣进度进行实时同步更新。同时对已补货卷烟与未补货卷烟进行自动区分[19],控制系统生成不同品规、数量卷烟的补货顺序,及时补充订单所需品规及该品规数量的卷烟,直至该补货任务结束,然后进行下一订单的补货。无需微机操作人员再根据打码信息对分拣人员进行提示,节约了双方口头交接以及重复作业的时间成本,理顺了工作流程[20]。工作人员只需在立式分拣机内卷烟储量不足时进行补充,极大地降低了工人的劳动强度,使得订单补货准确率达到100%,实现了零差错补货和高效率分拣,有效防止卷烟遗失,在每日盘库时保证了库存卷烟量的准确。

4 结果与分析

采集所有品规卷烟的规格数据,录入系统数据库,在立式分拣机通道顶部安装光电检测装置。动态实时统计通道内,剩余卷烟数量借助电子屏实现通道库存的目视化管理。预计盘点时间将缩短至10 min以内,与传统的人工盘点方式相比,本研究的全新高效盘点模式实现了动态自动盘点,提高了立式分拣机盘点效率。

1)实现高速分拣。异型卷烟实现高速分拣,分拣效率由原来的5 000条/h提升至9 700条/h,达到了国内领先水平,整个分拣工作效率可达22 000条/h,减少了工人数量,节约了人工成本,经济效益显著。

2)绿色物流发展新路径。采用弹性包装箱,实现绿色循环包装,保证配送车辆的装载量,既保护了条烟,又实现了循环包装的需求。建立包装回用流程和标准,提高包装废弃物的回收再生利用率,符合新发展理念和可持续发展战略的基本要求,减少了对环境的污染。

5 结束语

本文提出基于物联网RFID 全品规卷烟柔性高速分拣的解决方案,结合实际使用情况,异型烟分拣系统工作效率达到设计预定的9 700条/h,超过目前行业内异型烟分拣设备,整个分拣工作系统效率达到22 000条/h,很大程度上解决了卷烟销售持续增长与分拣能力不相匹配的矛盾,属于行业的一次创造性革新。卷烟分拣效率主要受限于异型烟分拣能力不足,提高异型烟分拣效率即可提升整个分拣系统的效率,基于此,本文借助多源传感的数据融合技术,并与物联网RFID 技术相结合,通过提高异型烟分拣水平,实现全品规卷烟的柔性高速分拣,并将原有分拣设备进行改良,减少设备投入和维护费用成本,不仅提高了经济效益,而且填补了国内全品规卷烟柔性高速分拣的空白。在此背景下,本公司将进一步研究自动分拣机器,通过视觉扫描技术,减少货物分类集中运输时间,真正实现无人化分拣。随着异型卷烟尤其是细支卷烟销量迅速增长,该方案具有广阔的推广应用前景,减少对环境的污染,有利于树立绿色烟草、责任烟草、和谐烟草的正面形象,形成良好的社会效应,同时也为该行业提供借鉴和参考的范例。