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摘要：高速分揀輸送線匯流環(huán)節(jié)是物流自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵，當(dāng)前因物料匯流速度失調(diào)、來料流量波動等因素，易引發(fā)物料碰撞與堵塞。本文針對這些問題，提出降低反饋機制閾值、多因素綜合控制和匯流速度協(xié)調(diào)調(diào)度等優(yōu)化策略，以主輸送線設(shè)備運行速度為基準與各匯流設(shè)備的運行速度建立比例關(guān)系開展測試驗證，使匯入口堵塞率降至0.8/10000以下，有效提升了高速分揀系統(tǒng)的穩(wěn)定性與效率。

關(guān)鍵詞：高速分揀輸送線；速度比例協(xié)調(diào)控制；匯流環(huán)節(jié)

作者：徐鐘陽 朱勛亮 李長青 付昌文

云南中煙紅云紅河煙草（集團）有限責(zé)任公司

一

引言

高速分揀輸送線作為成品高架庫出庫環(huán)節(jié)的核心設(shè)備，通過實現(xiàn)成品的高效分揀、連續(xù)輸送與精準配送，顯著提升了物流系統(tǒng)整體運行效率[1]。在分揀系統(tǒng)中，匯流與分揀構(gòu)成緊密銜接的關(guān)鍵流程：物料需先從多條支線有序匯入主輸送線，再經(jīng)主輸送線分揀口發(fā)往指定目的地（如圖1）。匯流環(huán)節(jié)的核心目標(biāo)在保障物料間距以避免碰撞的前提下，通過智能調(diào)節(jié)匯入節(jié)奏，最大化單位時間內(nèi)支線向主線的物料合并量，進而提升主線吞吐效率。然而，匯流過程的不穩(wěn)定易引發(fā)成品堆積、輸送堵塞等問題，導(dǎo)致匯流環(huán)節(jié)成為制約高速分揀流程的瓶頸，嚴重影響輸送線整體運行效能。因此，優(yōu)化高速分揀輸送線的成品匯流控制策略，實現(xiàn)匯流環(huán)節(jié)與分揀流程的高效協(xié)同，對提升物流系統(tǒng)可靠性與運行效率具有重要現(xiàn)實意義。

圖1 高速分揀輸送線匯流工段設(shè)備布局圖

二

高速分揀輸送線物料匯流分析

1.匯流過程中的問題

在高速分揀線運行過程中主輸送線匯流口堵塞率一直處于居高不下的狀態(tài)，影響輸送線的穩(wěn)定運行與整體輸送效率。通過對高速分揀輸送線匯流環(huán)節(jié)的運行特性與實際工況展開系統(tǒng)分析，結(jié)合現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)觀測與流程邏輯拆解，發(fā)現(xiàn)匯流過程中存在三類核心問題制約系統(tǒng)穩(wěn)定性與效率。

首先，物料輸送速度匹配矛盾源于多維度差異疊加。不同輸送分支的成品因品規(guī)不同、輸送設(shè)備特性差異導(dǎo)致輸送距離各異，加之初始速度存在區(qū)別，在多重因素共同作用下，成品到達匯合點的時間間隔難以精準協(xié)同，增加了物料碰撞與堆積的風(fēng)險。

其次，流量穩(wěn)定性不足進一步加劇控制難度。成品出庫供應(yīng)流量易受設(shè)備故障、外部訂單波動等因素影響，呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。這種流量波動會導(dǎo)致輸送線上成品階段性堆積，使得匯合口處物料流量時大時小，打破預(yù)設(shè)輸送節(jié)奏，給匯流環(huán)節(jié)的速度動態(tài)調(diào)控帶來極大挑戰(zhàn)。

圖2 匯流環(huán)節(jié)多因素耦合導(dǎo)致的物料阻塞碰撞場景圖

最后，主輸送線流量分布的固有特性放大了上述問題：在輸送線運行過程中，主輸送線前端物料流量較小、間隔寬松，而隨著后續(xù)各分支物料持續(xù)匯入，后端物料密度逐漸增大、間隔不斷縮小，呈現(xiàn) “前疏后密”的分布特點。后端區(qū)域本身已處于擁擠狀態(tài)，匯入窗口受限，此時疊加速度不匹配與流量波動的影響，成品在匯合時更易因速度與流量協(xié)同失衡，引發(fā)嚴重的堆積、碰撞問題（如圖2）。

2.物料匯入主輸送皮帶的控制原理

當(dāng)主輸送皮帶匯入第一件物料的時候，電控程序以當(dāng)前物料所在的位置為基準，生成設(shè)定間距相同的數(shù)個虛擬窗口，虛擬窗口隨著輸送皮帶移動到出口工位后自動清零（圖3）。物料匯入根據(jù)輸送皮帶上的虛擬窗口內(nèi)有無物料來決定匯入時機。當(dāng)虛擬窗口內(nèi)空閑時，允許物料匯入，從而保證物料之間保持合理間距，避免物料堆積或碰撞。

圖3 物料匯入控制原理示意圖

3.當(dāng)前分揀輸送線控制策略的局限性

當(dāng)前分揀輸送線的控制策略在原理設(shè)計與實際工況適配性上存在顯著局限，導(dǎo)致系統(tǒng)控制精度與運行穩(wěn)定性不足。從控制執(zhí)行層面來看，受場地空間約束與設(shè)備功能模塊化設(shè)計的限制，回流物料緩存單元的存儲容量與控制回路中反饋機制對物料堆積狀態(tài)實時感知的動態(tài)調(diào)節(jié)邏輯缺乏整體協(xié)調(diào)考慮，使得物料堵塞風(fēng)險在匯流節(jié)點不斷累積，最終導(dǎo)致控制指令與實際工況脫節(jié)，控制效果大打折扣。從控制決策層面分析，現(xiàn)有策略的核心邏輯僅圍繞單一變量（輸送帶虛擬窗口）構(gòu)建匯合控制模型，未充分融入物料流量波動、物料物理特性差異等多維度影響因素，違背了多輸入多輸出系統(tǒng)的最優(yōu)控制原理，難以通過綜合決策實現(xiàn)全局最優(yōu)調(diào)度。從控制參數(shù)配置來看，各匯入口輸送電機采用固定速度參數(shù)的開環(huán)控制模式，未建立基于主輸送帶流量變化、物料匯合擁堵程度的閉環(huán)調(diào)節(jié)機制，導(dǎo)致控制參數(shù)無法根據(jù)實時工況動態(tài)適配，既不符合自適應(yīng)控制的核心思想，也進一步加劇了系統(tǒng)對復(fù)雜工況的兼容短板[2]。

三

高速分揀輸送線物料匯流控制的優(yōu)化策略

為解決高速分揀輸送線物料匯流過程中存在的緩存矛盾、多因素耦合干擾、固定參數(shù)適應(yīng)性差等問題，以輸送速度為核心對象開展研究，采用“現(xiàn)場實測－分模塊策略設(shè)計－協(xié)同優(yōu)化－實驗驗證”的遞進式研究方法，系統(tǒng)性開展匯流控制優(yōu)化策略的研究與實施。具體過程如下：首先，進行設(shè)備輸送速度測量，開展數(shù)據(jù)收集工作。然后，在此基礎(chǔ)上，針對原有控制體系的三大缺陷，分模塊開展優(yōu)化策略設(shè)計。最后，通過策略實施與現(xiàn)場實驗進行有效性驗證，形成完整的研究閉環(huán)。

1.用測速儀測量各輸送設(shè)備運行的線速度

物流系統(tǒng)關(guān)鍵在于物料的移動，勻速運動核心公式“速度×?xí)r間=位移（v×t=s）”當(dāng)速度發(fā)生變化時相應(yīng)位移發(fā)生改變。以此為基礎(chǔ)研究不同輸送速度對物料匯流的影響。高速分揀輸送線的主輸送帶安裝有測速編碼器，其線速度值在系統(tǒng)監(jiān)控端可以直接讀取，而各分支匯入輸送機驅(qū)動電機采用變頻器分散獨立控制，電機轉(zhuǎn)速只能通過變頻器上的調(diào)速旋鈕或外接操作面板調(diào)整，經(jīng)電機減速箱和傳動皮帶各級變速后，雖然可以通過傳動比計算出理論輸出轉(zhuǎn)速，但是不能直接快速得知輸送輥的實際工作線速度，因此采用了測速儀測量輸送輥線速度的方法（圖4），準確測出匯流輸送輥和主輸送皮帶的線速度值，如表1所示，表中設(shè)備223和224是分段式主輸送帶，其余設(shè)備為匯流口輸送機。

表1 主輸送帶和匯流輸送機運行線速度統(tǒng)計

圖4 測速儀測量輸送輥線速度場景圖

2.反饋機制與緩存調(diào)度優(yōu)化策略

針對原有回流物料緩存量不足、反饋機制設(shè)定閾值過大導(dǎo)致的物料堵塞問題，基于閉環(huán)控制原理，采用“傳感器布局優(yōu)化+閾值動態(tài)調(diào)整”的核心策略。傳感器布局優(yōu)化方面，核心是將回流通道物料流量傳感器設(shè)置在更靠近主輸送皮帶匯合點處，以實現(xiàn)對回流輸送皮帶物料密度變化的實時精準感知。在反饋與緩存調(diào)度邏輯方面，基于歷史擁堵數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析確定不同物料分布場景下的合理控制閾值，構(gòu)建“雙傳感器協(xié)同判斷”的反饋機制。如圖5所示，當(dāng)傳感器1持續(xù)檢測到物料時，判定回流緩存處于高擁堵風(fēng)險狀態(tài)，觸發(fā)其他分支輸送線暫停機制以延緩后續(xù)物料匯入；當(dāng)僅傳感器2持續(xù)檢測到物料時，判定回流緩存處于低擁堵風(fēng)險狀態(tài)，允許分支輸送線物料少量匯入主通道；當(dāng)兩個傳感器均未持續(xù)檢測到物料時，判定回流緩存處于空閑狀態(tài)，分支線恢復(fù)正常匯入節(jié)奏。通過優(yōu)化反饋感知鏈路與控制閾值，提升系統(tǒng)對物料回流緩存堆積狀態(tài)的響應(yīng)速度，優(yōu)先清空回流緩存保障主線暢通，提高回流緩存輸送線輸送優(yōu)先級高于其他分支匯入線，降低擁堵與碰撞風(fēng)險。

圖5 物料回流道雙傳感器協(xié)同判斷示意圖

3.多因素綜合控制策略

多因素綜合控制策略中，需兼顧物料流量、物料特性與設(shè)備性能三大核心維度。針對物料流量控制，通過協(xié)調(diào)不同分支輸送線的流量，動態(tài)調(diào)整主輸送帶末端機器人拆垛速度，以此確保匯合點處物料流量平衡，減少物料等待冗余的情況。同時要結(jié)合物料特性進行適配調(diào)整，不同類型物料在質(zhì)量、外形尺寸、材料等物理特性上存在差異，這些差異會影響其輸送過程中的摩擦力，因此需根據(jù)具體物料特性，針對性調(diào)整輸送設(shè)備傳動與配合的機械尺寸，保障不同類型物料在匯入過程中均能保持平穩(wěn)狀態(tài)，降低因特性差異導(dǎo)致的碰撞或卡滯風(fēng)險。設(shè)備性能保障同樣不可或缺，需充分考量輸送設(shè)備的最大速度、加速度、響應(yīng)時間等核心性能參數(shù)，合理設(shè)定控制參數(shù)以避免設(shè)備出現(xiàn)過載或過度調(diào)整的問題；同時對設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測與及時維護，確保設(shè)備穩(wěn)定正常運行，進一步提升控制策略的可靠性。

4.輸送機速度協(xié)調(diào)控制與調(diào)度策略

針對原有固定參數(shù)控制適應(yīng)性差的問題，結(jié)合主從控制理論及“速度×?xí)r間=位移（v×t=s）”核心公式，構(gòu)建輸送機速度協(xié)調(diào)控制與調(diào)度體系，其核心思路是以主輸送帶速度為基準，明確各分支輸送線與主輸送帶的速度匹配關(guān)系，進而實現(xiàn)精準調(diào)度[3]。為實施這一思路，我們采用“基準速度設(shè)定-比例適配-流量適配”的核心調(diào)度策略：首先結(jié)合物料位移需求與輸送時間閾值確定最優(yōu)速度匹配關(guān)系，通過主從控制模式使分支速度適配主輸送帶速度，同時基于v×t=s公式反向推演不同工況下的合理速度參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，再依據(jù)匯流節(jié)點流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，按主輸送線流量“前疏后密”的特點優(yōu)化分支線調(diào)度速度——前端適當(dāng)放慢以控制物料松散分布，避免匯流沖突，后端逐步加速以實現(xiàn)物料緊湊有序匯入，最終兼顧匯合順暢性與整體輸送效率，有效提升系統(tǒng)對設(shè)備狀態(tài)、物料動態(tài)及主輸送帶流量變化的適配能力。

為確保上述調(diào)度策略更貼合現(xiàn)場實際應(yīng)用，結(jié)合當(dāng)前設(shè)備運行速度，摒棄不便于現(xiàn)場操作的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型，采用“實測速度基準匹配”方法實施調(diào)度思路，該方法無需構(gòu)建復(fù)雜變量函數(shù)關(guān)系，操作更簡單高效。具體流程如下：首先以兩段銜接運行的主輸送帶（223、224）實測速度為基準，并確認二者速度一致性，為后續(xù)匹配提供可靠參照；其次分別用8臺匯入輸送機的實測速度，計算各匯入速度與主輸送基準速度的比值（即速度匹配比），以此量化各分支與主輸送的速度適配程度；最后通過現(xiàn)場時序觀測驗證匯流調(diào)度效果，保障策略實施的可行性與穩(wěn)定性。

四

高速分揀輸送線物料匯流優(yōu)化策略的實施

參數(shù)設(shè)置與調(diào)試作為優(yōu)化策略實施的核心環(huán)節(jié)，按照既定調(diào)整原則，充分結(jié)合物料特性、輸送線布局（如圖6）及實際生產(chǎn)要求，系統(tǒng)性完成各項參數(shù)的精準設(shè)置與反復(fù)調(diào)試。在具體操作過程中，先通過空箱模擬實驗搭建基礎(chǔ)參數(shù)框架，再開展現(xiàn)場實物測試進行精細化校準，重點針對匯流口電機變頻器速度參數(shù)（如圖7）進行調(diào)試優(yōu)化，同時借助測速儀對各分支輸送機的實際運行速度進行測量記錄，確保參數(shù)設(shè)置與設(shè)備運行狀態(tài)高度匹配。

圖6 主輸送皮帶和對應(yīng)的8臺物料匯流輸送機布局示意圖

圖7 通過變頻控制器調(diào)整電機轉(zhuǎn)速場景圖

考慮到輸送線的結(jié)構(gòu)特性，主輸送皮帶由設(shè)備223和224分段組成，為保障物料輸送的連貫性，將兩者設(shè)定為同一線速度，其余8個匯入口設(shè)備則以此基準速度為參照進行差異化速度調(diào)整。在此過程中，同步引入緩存調(diào)整機制，通過優(yōu)化匯入口緩存區(qū)域的容量配置與物料停留閾值，為速度調(diào)整提供緩沖空間，有效避免因物料瞬時堆積導(dǎo)致的堵塞問題。同時，實施多因素控制策略，綜合考量物料規(guī)格、流量波動、設(shè)備響應(yīng)延遲等多重影響因素，確保速度調(diào)整的科學(xué)性與靈活性。為驗證優(yōu)化效果，測試了兩組不同基準速度以及對應(yīng)的各匯流速度下的物料匯合情況，核心目標(biāo)是實現(xiàn)多工況、多品規(guī)、多流量場景下，匯流口堵塞故障率控制在1/10000以下。

測試過程中，通過數(shù)據(jù)采集實時記錄各輸送節(jié)點的速度、物料匯合偏差及機器人拆垛節(jié)拍達成率，以此驗證控制策略在動態(tài)流量變化中的適應(yīng)性。值得注意的是，多因素控制策略在該階段持續(xù)發(fā)揮作用，通過實時捕捉物料流量、規(guī)格變化及設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，及時調(diào)整各匯入設(shè)備運行速度，進一步提升系統(tǒng)的適配能力。在兩組速度分別達成設(shè)定目標(biāo)效果后，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。

表2 分揀輸送線設(shè)備測試速度統(tǒng)計

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)采用比例系數(shù)法建立函數(shù)關(guān)系（形式：Y=KX，其中Y為223/224速度，X為其他匯入設(shè)備速度，K為比例系數(shù)）。兩組數(shù)據(jù)的比例系數(shù)幾乎完全相同，說明測試系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，速度間具有固定的函數(shù)關(guān)系（表3）。

表3 匯入設(shè)備速度與主輸送設(shè)備速度的函數(shù)關(guān)系

測試結(jié)果顯示，在前慢后快調(diào)控模式的加持下，主輸送帶負載均勻性提升35%，匯流區(qū)域堵塞率穩(wěn)定控制在0.8/10000以下。如圖8所示，顯示了分揀系統(tǒng)的實時運行速率、累計產(chǎn)量、系統(tǒng)狀態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，當(dāng)前分揀能力4500件/小時，完全滿足多品規(guī)混發(fā)生產(chǎn)需求。在連續(xù)生產(chǎn)驗證中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性顯著提升，平均無故障間隔時間延長400%，充分印證了參數(shù)設(shè)置、緩存調(diào)整及多因素控制策略組合實施的有效性。如圖9所示，藍色柱狀圖顯示過去120分鐘內(nèi)的分揀速率，整體在60～80料箱/分鐘區(qū)間波動，接近當(dāng)前時間（0分鐘）時速率略有下降，但仍保持高位均衡水平。

圖8 分揀系統(tǒng)速率監(jiān)控圖

圖9 系統(tǒng)分揀速率柱狀圖

五

結(jié)論

通過調(diào)整物料回流緩存反饋機制閾值、采用多因素綜合控制策略及實現(xiàn)輸送線匯流速度比例協(xié)調(diào)控制，可顯著提升高速分揀輸送線的效率與穩(wěn)定性，使其能更好地適應(yīng)復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境，運行結(jié)果證明該優(yōu)化策略具備較高實用價值。

本研究可作為高速分揀機設(shè)備運行維護的技術(shù)參考，主輸送帶速度需要改變時，其他分支匯入輸送機便可按比例快速完成速度參數(shù)設(shè)置，無需調(diào)整PLC電控程序即可投入運行。該方法優(yōu)勢在于無需復(fù)雜變量定義和函數(shù)構(gòu)建，僅通過“速度比值量化+現(xiàn)場驗證調(diào)整”就能完成匯流速度優(yōu)化，操作門檻低且實用性強，適合現(xiàn)場技術(shù)人員快速應(yīng)用，為高速分揀輸送線穩(wěn)定運行提供堅實基礎(chǔ)支撐。

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編輯、排版：王茜

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