卷烟厂小批量原料片烟自动化精益掺配系统的设计

卷烟厂小批量原料片烟自动化精益掺配系统的设计

方奇超  于峰  郭兆雄  杨亚  李斌  周鹏飞

红云红河烟草（集团）有限责任公司物流中心  云南昆明  650000

摘要：当前，在卷烟厂生产过程中，大批量的原料片烟掺配，由卷烟厂制丝工段大型自动化设备完成。而定制化卷烟所需的小批量原料片烟的掺配，采用全过程人工处理方式。这就存在掺配精度难以保证、造碎损耗大、作业效率低、人工成本高、作业环境恶劣等一系列问题。为解决上述问题，本文重构了小批量原料片烟的掺配流程，设计出了针对小批量原料片烟自动化掺配系统，通过自动化设备，对来料片烟按照配方进行定量分解、烟叶定量组合装箱操作，最后达到小批量片烟精益掺配的目的。

关键词：小批量原料片烟；自动化掺配；定量分解；烟叶定量组合装箱；精益配制

1.现状和背景

当前，随着卷烟市场进一步细化，消费者对小品规、定制化卷烟产品的需求逐步加大。对于这类生产需求相对较少的定制化卷烟产品，需要在制丝前对其配方中对应的小批量原料片烟进行掺配，按相应配方比例对来料所有等级烟叶进行称重、组合、掺配、装箱，以方便后续制丝车间按批次投料量进行生产。制丝车间大型设备无法适配这类小批量原料片烟掺配。

当前，对于小批量原料片烟掺配，采用全过程人工处理的方式，存在掺配精度难以保证、造碎损耗大、作业效率低、人工成本高、作业环境恶劣、配方机密数据容易泄露等一系列问题。

2.系统层级结构

为解决上述问题，本文设计了针对小批量原料片烟自动化掺配系统。上位服务系统解析配方任务，计算出掺配方案，并根据方案生成控制任务和控制参数，并将其发给WINCC人机接口界面[1]，通过工业网络下发控制任务、控制参数给现场PLC[2]，PLC控制伺服驱动器、变频器[3]等驱动现场AGV、机械手(工业机器人)[4]等设备按照精益配制和调度方案的要求运行。系统层级结构如图1所示：

图1.系统层级结构

3.基本流程设计

当前人工掺配的模式，配制流程是按照配制完一批再配制下一批的顺序依次进行的。

现场管理人员根据配方和装箱方案（即装箱组合A、装箱组合B、装箱组合C、装箱组合D等等，一个装箱组合会被装入一个空纸箱中），将工人们分成多组。工人们把来料烟箱内的原料片烟定量称重分解，以各批次的装箱组合A、装箱组合B、装箱组合C等依次装入各个空烟箱，然后将本批次内的所有装箱组合合并成一个批次，掺配完一批再掺配下一批。人工掺配流程如图2所示。

图2.人工配方流程示意图

如果按照这种掺配流程来设计自动化掺配系统，需要布局和装箱组合数量相等的多条并行路径，同时需要有很大的占地面积。

在本文中，我们结合自动化设备的运行特点，通过流程优化，采用单条路径，把纵向的人工装箱顺序，改成横向的自动化装箱顺序，将不同批次的同一类装箱组合依次合并起来进行装箱并汇总。

出库时，只需从掺配完成的各个装箱组合中各取出一箱，即可合并为一个批次的配方片烟。这种设计大大减少设备数量和占地面积，减少了投资。本文设计的自动化备料配方处理顺序如图3所示。

图3.自动化配方流程示意图

和这种掺配装箱流程对应自动化掺配设备框架结构示意如图4所示，每个工位里放置同一规格的来料片烟，各个工位都具备称重功能，共同组成了定量组合装箱结构。

图4.自动化掺配设备框架示意图

4.烟叶精益掺配路径设计

为简化流程、提高效率和减少造碎，我们对系统做了进一步的优化，让分离后的第一部分烟叶跳过定量组合装箱装置，直接装入纸箱。

当定量组合装箱装置某个工位内剩余物料重量大于等于目标重量时，就从本工位直接定量出料装箱。反之，就补充新的物料进行定量分离，分离后的第一部分烟叶装入纸箱，剩余烟叶进入该工位，再由该工位进行定量补料。最后，在人工补充操作的位置，操作人员根据看板提示，进行烟叶多退少补操作，确保精确定量装箱。

本项目中烟叶精益配制的路径如图5所示。当定量组合装箱装置某个工位内剩余烟叶重量大于目标重量时，就只执行实线路径。当定量组合装箱装置某个工位内剩余烟叶重量小于目标重量时，实线和虚线的路径都要执行。

图5.烟叶精益掺配的路径图

最终得到的小批量原料片烟的掺配系统设备模型结构如图6所示。

图6.小批量原料片烟的掺配系统

设备模型结构图

对整个流程的各个具体环节设备运行速度进行测算，在一天8小时工作制条件下，本项目能实现出料480箱/天的产能，已大幅度超过人工掺配的效率。

5.总结

（1）本文搭建了小批量原料片烟自动化掺配系统的整体自动化框架，通过系统自动生成掺配方案，避免了人工制定方案错误和配方机密泄露的重大风险。

（2）打破传统掺配模式，通过对小批量原料片烟掺配流程的重构，让自动化系统达到了成本低、占地小、结构简单的目的。

（3）通过设计定量分离系统和组合装箱装置的运行路径，达到了保证掺配精度、简化流程、提高效率、减少造碎的精益化掺配的目的。

参考文献：

[1]西门子（中国）有限公司. 西门子SIMATIC WinCC使用指南[M]. 北京：机械工业出版社.2020：67-69.

[2]廖常初．S7-1200/1500PLC应用技术[M]．北京：机械工业出版社，2021：212-219.

[3] Hakan.Gurocak．工业运动控制[M]．北京：机械工业出版社，2019：3-6.

[4]杨杰忠，邹火军．工业机器人操作与编程[M]．北京：  机械工业出版社，2017：21-23.