高速分揀輸送線物料匯流速度比例協調控制優化研究與應用

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摘要：高速分揀輸送線匯流環節是物流自動化系統的關鍵，當前因物料匯流速度失調、來料流量波動等因素，易引發物料碰撞與堵塞。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調調度等優化策略，以主輸送線設備運行速度為基準與各匯流設備的運行速度建立比例關系開展測試驗證，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的穩定性與效率。

關鍵詞：高速分揀輸送線；速度比例協調控制；匯流環節

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）有限責任公司

一

引言

高速分揀輸送線作為成品高架庫出庫環節的核心設備，通過實現成品的高效分揀、連續輸送與精準配送，顯著提升了物流系統整體運行效率[1]。在分揀系統中，匯流與分揀構成緊密銜接的關鍵流程：物料需先從多條支線有序匯入主輸送線，再經主輸送線分揀口發往指定目的地（如圖1）。匯流環節的核心目標在保障物料間距以避免碰撞的前提下，通過智能調節匯入節奏，最大化單位時間內支線向主線的物料合并量，進而提升主線吞吐效率。然而，匯流過程的不穩定易引發成品堆積、輸送堵塞等問題，導致匯流環節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，優化高速分揀輸送線的成品匯流控制策略，實現匯流環節與分揀流程的高效協同，對提升物流系統可靠性與運行效率具有重要現實意義。

圖1 高速分揀輸送線匯流工段設備布局圖

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，影響輸送線的穩定運行與整體輸送效率。通過對高速分揀輸送線匯流環節的運行特性與實際工況展開系統分析，結合現場運行數據觀測與流程邏輯拆解，發現匯流過程中存在三類核心問題制約系統穩定性與效率。

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不同、輸送設備特性差異導致輸送距離各異，加之初始速度存在區別，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同，增加了物料碰撞與堆積的風險。

其次，流量穩定性不足進一步加劇控制難度。成品出庫供應流量易受設備故障、外部訂單波動等因素影響，呈現不穩定狀態。這種流量波動會導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，打破預設輸送節奏，給匯流環節的速度動態調控帶來極大挑戰。

圖2 匯流環節多因素耦合導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，而隨著后續各分支物料持續匯入，后端物料密度逐漸增大、間隔不斷縮小，呈現 “前疏后密”的分布特點。后端區域本身已處于擁擠狀態，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同失衡，引發嚴重的堆積、碰撞問題（如圖2）。

2.物料匯入主輸送皮帶的控制原理

當主輸送皮帶匯入第一件物料的時候，電控程序以當前物料所在的位置為基準，生成設定間距相同的數個虛擬窗口，虛擬窗口隨著輸送皮帶移動到出口工位后自動清零（圖3）。物料匯入根據輸送皮帶上的虛擬窗口內有無物料來決定匯入時機。當虛擬窗口內空閑時，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.當前分揀輸送線控制策略的局限性

當前分揀輸送線的控制策略在原理設計與實際工況適配性上存在顯著局限，導致系統控制精度與運行穩定性不足。從控制執行層面來看，受場地空間約束與設備功能模塊化設計的限制，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實時感知的動態調節邏輯缺乏整體協調考慮，使得物料堵塞風險在匯流節點不斷累積，最終導致控制指令與實際工況脫節，控制效果大打折扣。從控制決策層面分析，現有策略的核心邏輯僅圍繞單一變量（輸送帶虛擬窗口）構建匯合控制模型，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的最優控制原理，難以通過綜合決策實現全局最優調度。從控制參數配置來看，各匯入口輸送電機采用固定速度參數的開環控制模式，未建立基于主輸送帶流量變化、物料匯合擁堵程度的閉環調節機制，導致控制參數無法根據實時工況動態適配，既不符合自適應控制的核心思想，也進一步加劇了系統對復雜工況的兼容短板[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、固定參數適應性差等問題，以輸送速度為核心對象開展研究，采用“現場實測－分模塊策略設計－協同優化－實驗驗證”的遞進式研究方法，系統性開展匯流控制優化策略的研究與實施。具體過程如下：首先，進行設備輸送速度測量，開展數據收集工作。然后，在此基礎上，針對原有控制體系的三大缺陷，分模塊開展優化策略設計。最后，通過策略實施與現場實驗進行有效性驗證，形成完整的研究閉環。

1.用測速儀測量各輸送設備運行的線速度

物流系統關鍵在于物料的移動，勻速運動核心公式“速度×時間=位移（v×t=s）”當速度發生變化時相應位移發生改變。以此為基礎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，其線速度值在系統監控端可以直接讀取，而各分支匯入輸送機驅動電機采用變頻器分散獨立控制，電機轉速只能通過變頻器上的調速旋鈕或外接操作面板調整，經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，表中設備223和224是分段式主輸送帶，其余設備為匯流口輸送機。

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.反饋機制與緩存調度優化策略

針對原有回流物料緩存量不足、反饋機制設定閾值過大導致的物料堵塞問題，基于閉環控制原理，采用“傳感器布局優化+閾值動態調整”的核心策略。傳感器布局優化方面，核心是將回流通道物料流量傳感器設置在更靠近主輸送皮帶匯合點處，以實現對回流輸送皮帶物料密度變化的實時精準感知。在反饋與緩存調度邏輯方面，基于歷史擁堵數據統計分析確定不同物料分布場景下的合理控制閾值，構建“雙傳感器協同判斷”的反饋機制。如圖5所示，當傳感器1持續檢測到物料時，判定回流緩存處于高擁堵風險狀態，觸發其他分支輸送線暫停機制以延緩后續物料匯入；當僅傳感器2持續檢測到物料時，判定回流緩存處于低擁堵風險狀態，允許分支輸送線物料少量匯入主通道；當兩個傳感器均未持續檢測到物料時，判定回流緩存處于空閑狀態，分支線恢復正常匯入節奏。通過優化反饋感知鏈路與控制閾值，提升系統對物料回流緩存堆積狀態的響應速度，優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先級高于其他分支匯入線，降低擁堵與碰撞風險。

圖5 物料回流道雙傳感器協同判斷示意圖

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、物料特性與設備性能三大核心維度。針對物料流量控制，通過協調不同分支輸送線的流量，動態調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。同時要結合物料特性進行適配調整，不同類型物料在質量、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，因此需根據具體物料特性，針對性調整輸送設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狀態，降低因特性差異導致的碰撞或卡滯風險。設備性能保障同樣不可或缺，需充分考量輸送設備的最大速度、加速度、響應時間等核心性能參數，合理設定控制參數以避免設備出現過載或過度調整的問題；同時對設備運行狀態進行實時監測與及時維護，確保設備穩定正常運行，進一步提升控制策略的可靠性。

4.輸送機速度協調控制與調度策略

針對原有固定參數控制適應性差的問題，結合主從控制理論及“速度×時間=位移（v×t=s）”核心公式，構建輸送機速度協調控制與調度體系，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系，進而實現精準調度[3]。為實施這一思路，我們采用“基準速度設定-比例適配-流量適配”的核心調度策略：首先結合物料位移需求與輸送時間閾值確定最優速度匹配關系，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；在此基礎上，再依據匯流節點流量監測數據，按主輸送線流量“前疏后密”的特點優化分支線調度速度——前端適當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，有效提升系統對設備狀態、物料動態及主輸送帶流量變化的適配能力。

為確保上述調度策略更貼合現場實際應用，結合當前設備運行速度，摒棄不便于現場操作的復雜數學模型，采用“實測速度基準匹配”方法實施調度思路，該方法無需構建復雜變量函數關系，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；最后通過現場時序觀測驗證匯流調度效果，保障策略實施的可行性與穩定性。

四

高速分揀輸送線物料匯流優化策略的實施

參數設置與調試作為優化策略實施的核心環節，按照既定調整原則，充分結合物料特性、輸送線布局（如圖6）及實際生產要求，系統性完成各項參數的精準設置與反復調試。在具體操作過程中，先通過空箱模擬實驗搭建基礎參數框架，再開展現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（如圖7）進行調試優化，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，確保參數設置與設備運行狀態高度匹配。

圖6 主輸送皮帶和對應的8臺物料匯流輸送機布局示意圖

圖7 通過變頻控制器調整電機轉速場景圖

考慮到輸送線的結構特性，主輸送皮帶由設備223和224分段組成，為保障物料輸送的連貫性，將兩者設定為同一線速度，其余8個匯入口設備則以此基準速度為參照進行差異化速度調整。在此過程中，同步引入緩存調整機制，通過優化匯入口緩存區域的容量配置與物料停留閾值，為速度調整提供緩沖空間，有效避免因物料瞬時堆積導致的堵塞問題。同時，實施多因素控制策略，綜合考量物料規格、流量波動、設備響應延遲等多重影響因素，確保速度調整的科學性與靈活性。為驗證優化效果，測試了兩組不同基準速度以及對應的各匯流速度下的物料匯合情況，核心目標是實現多工況、多品規、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，通過數據采集實時記錄各輸送節點的速度、物料匯合偏差及機器人拆垛節拍達成率，以此驗證控制策略在動態流量變化中的適應性。值得注意的是，多因素控制策略在該階段持續發揮作用，通過實時捕捉物料流量、規格變化及設備運行狀態數據，及時調整各匯入設備運行速度，進一步提升系統的適配能力。在兩組速度分別達成設定目標效果后，進行數據統計，結果如表2所示。

表2 分揀輸送線設備測試速度統計

根據表2的數據采用比例系數法建立函數關系（形式：Y=KX，其中Y為223/224速度，X為其他匯入設備速度，K為比例系數）。兩組數據的比例系數幾乎完全相同，說明測試系統穩定性良好，速度間具有固定的函數關系（表3）。

表3 匯入設備速度與主輸送設備速度的函數關系

測試結果顯示，在前慢后快調控模式的加持下，主輸送帶負載均勻性提升35%，匯流區域堵塞率穩定控制在0.8/10000以下。如圖8所示，顯示了分揀系統的實時運行速率、累計產量、系統狀態等關鍵數據，當前分揀能力4500件/小時，完全滿足多品規混發生產需求。在連續生產驗證中，系統運行穩定性顯著提升，平均無故障間隔時間延長400%，充分印證了參數設置、緩存調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分鐘內的分揀速率，整體在60～80料箱/分鐘區間波動，接近當前時間（0分鐘）時速率略有下降，但仍保持高位均衡水平。

圖8 分揀系統速率監控圖

圖9 系統分揀速率柱狀圖

五

結論

通過調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輸送線匯流速度比例協調控制，可顯著提升高速分揀輸送線的效率與穩定性，使其能更好地適應復雜生產環境，運行結果證明該優化策略具備較高實用價值。

本研究可作為高速分揀機設備運行維護的技術參考，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設置，無需調整PLC電控程序即可投入運行。該方法優勢在于無需復雜變量定義和函數構建，僅通過“速度比值量化+現場驗證調整”就能完成匯流速度優化，操作門檻低且實用性強，適合現場技術人員快速應用，為高速分揀輸送線穩定運行提供堅實基礎支撐。

參考文獻:

[1]崔江波,郭大權.塑料托盤在卷煙企業自動化立庫中的應用與分析[J].機電產品開發與創新,2014,27(05):49-51.

[2]劉加強,趙子龍,鄭瓊生.加工作業工單的托盤集配方法初探[J].廣東造船,2021,40(01):61-64.

[3]湛功義.管系現場托盤自動錄入[J].山東工業技術,2017,(20):158-159.DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.138.

———— 物流技術與應用融媒 ————

編輯、排版：王茜

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