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摘要：高速分拣输送线汇流环节是物流自动化系统的关键，当前因物料汇流速度失调、来料流量波动等因素，易引发物料碰撞与堵塞。本文针对这些问题，提出降低反馈机制阈值、多因素综合控制和汇流速度协调调度等优化策略，以主输送线设备运行速度为基准与各汇流设备的运行速度建立比例关系开展测试验证，使汇入口堵塞率降至0.8/10000以下，有效提升了高速分拣系统的稳定性与效率。
关键词：高速分拣输送线；速度比例协调控制；汇流环节
作者：徐钟阳 朱勋亮 李长青 付昌文
云南中烟红云红河烟草（集团）有限责任公司
一
引言
高速分拣输送线作为成品高架库出库环节的核心设备，通过实现成品的高效分拣、连续输送与精准配送，显著提升了物流系统整体运行效率[1]。在分拣系统中，汇流与分拣构成紧密衔接的关键流程：物料需先从多条支线有序汇入主输送线，再经主输送线分拣口发往指定目的地（如图1）。汇流环节的核心目标在保障物料间距以避免碰撞的前提下，通过智能调节汇入节奏，最大化单位时间内支线向主线的物料合并量，进而提升主线吞吐效率。然而，汇流过程的不稳定易引发成品堆积、输送堵塞等问题，导致汇流环节成为制约高速分拣流程的瓶颈，严重影响输送线整体运行效能。因此，优化高速分拣输送线的成品汇流控制策略，实现汇流环节与分拣流程的高效协同，对提升物流系统可靠性与运行效率具有重要现实意义。
图1 高速分拣输送线汇流工段设备布局图
二
高速分拣输送线物料汇流分析
1.汇流过程中的问题
在高速分拣线运行过程中主输送线汇流口堵塞率一直处于居高不下的状态，影响输送线的稳定运行与整体输送效率。通过对高速分拣输送线汇流环节的运行特性与实际工况展开系统分析，结合现场运行数据观测与流程逻辑拆解，发现汇流过程中存在三类核心问题制约系统稳定性与效率。
首先，物料输送速度匹配矛盾源于多维度差异叠加。不同输送分支的成品因品规不同、输送设备特性差异导致输送距离各异，加之初始速度存在区别，在多重因素共同作用下，成品到达汇合点的时间间隔难以精准协同，增加了物料碰撞与堆积的风险。
其次，流量稳定性不足进一步加剧控制难度。成品出库供应流量易受设备故障、外部订单波动等因素影响，呈现不稳定状态。这种流量波动会导致输送线上成品阶段性堆积，使得汇合口处物料流量时大时小，打破预设输送节奏，给汇流环节的速度动态调控带来极大挑战。
图2 汇流环节多因素耦合导致的物料阻塞碰撞场景图
最后，主输送线流量分布的固有特性放大了上述问题：在输送线运行过程中，主输送线前端物料流量较小、间隔宽松，而随着后续各分支物料持续汇入，后端物料密度逐渐增大、间隔不断缩小，呈现 “前疏后密”的分布特点。后端区域本身已处于拥挤状态，汇入窗口受限，此时叠加速度不匹配与流量波动的影响，成品在汇合时更易因速度与流量协同失衡，引发严重的堆积、碰撞问题（如图2）。
2.物料汇入主输送皮带的控制原理
当主输送皮带汇入第一件物料的时候，电控程序以当前物料所在的位置为基准，生成设定间距相同的数个虚拟窗口，虚拟窗口随着输送皮带移动到出口工位后自动清零（图3）。物料汇入根据输送皮带上的虚拟窗口内有无物料来决定汇入时机。当虚拟窗口内空闲时，允许物料汇入，从而保证物料之间保持合理间距，避免物料堆积或碰撞。
图3 物料汇入控制原理示意图
3.当前分拣输送线控制策略的局限性
当前分拣输送线的控制策略在原理设计与实际工况适配性上存在显著局限，导致系统控制精度与运行稳定性不足。从控制执行层面来看，受场地空间约束与设备功能模块化设计的限制，回流物料缓存单元的存储容量与控制回路中反馈机制对物料堆积状态实时感知的动态调节逻辑缺乏整体协调考虑，使得物料堵塞风险在汇流节点不断累积，最终导致控制指令与实际工况脱节，控制效果大打折扣。从控制决策层面分析，现有策略的核心逻辑仅围绕单一变量（输送带虚拟窗口）构建汇合控制模型，未充分融入物料流量波动、物料物理特性差异等多维度影响因素，违背了多输入多输出系统的最优控制原理，难以通过综合决策实现全局最优调度。从控制参数配置来看，各汇入口输送电机采用固定速度参数的开环控制模式，未建立基于主输送带流量变化、物料汇合拥堵程度的闭环调节机制，导致控制参数无法根据实时工况动态适配，既不符合自适应控制的核心思想，也进一步加剧了系统对复杂工况的兼容短板[2]。
三
高速分拣输送线物料汇流控制的优化策略
为解决高速分拣输送线物料汇流过程中存在的缓存矛盾、多因素耦合干扰、固定参数适应性差等问题，以输送速度为核心对象开展研究，采用“现场实测－分模块策略设计－协同优化－实验验证”的递进式研究方法，系统性开展汇流控制优化策略的研究与实施。具体过程如下：首先，进行设备输送速度测量，开展数据收集工作。然后，在此基础上，针对原有控制体系的三大缺陷，分模块开展优化策略设计。最后，通过策略实施与现场实验进行有效性验证，形成完整的研究闭环。
1.用测速仪测量各输送设备运行的线速度
物流系统关键在于物料的移动，匀速运动核心公式“速度×时间=位移（v×t=s）”当速度发生变化时相应位移发生改变。以此为基础研究不同输送速度对物料汇流的影响。高速分拣输送线的主输送带安装有测速编码器，其线速度值在系统监控端可以直接读取，而各分支汇入输送机驱动电机采用变频器分散独立控制，电机转速只能通过变频器上的调速旋钮或外接操作面板调整，经电机减速箱和传动皮带各级变速后，虽然可以通过传动比计算出理论输出转速，但是不能直接快速得知输送辊的实际工作线速度，因此采用了测速仪测量输送辊线速度的方法（图4），准确测出汇流输送辊和主输送皮带的线速度值，如表1所示，表中设备223和224是分段式主输送带，其余设备为汇流口输送机。
表1 主输送带和汇流输送机运行线速度统计
图4 测速仪测量输送辊线速度场景图
2.反馈机制与缓存调度优化策略
针对原有回流物料缓存量不足、反馈机制设定阈值过大导致的物料堵塞问题，基于闭环控制原理，采用“传感器布局优化+阈值动态调整”的核心策略。传感器布局优化方面，核心是将回流通道物料流量传感器设置在更靠近主输送皮带汇合点处，以实现对回流输送皮带物料密度变化的实时精准感知。在反馈与缓存调度逻辑方面，基于历史拥堵数据统计分析确定不同物料分布场景下的合理控制阈值，构建“双传感器协同判断”的反馈机制。如图5所示，当传感器1持续检测到物料时，判定回流缓存处于高拥堵风险状态，触发其他分支输送线暂停机制以延缓后续物料汇入；当仅传感器2持续检测到物料时，判定回流缓存处于低拥堵风险状态，允许分支输送线物料少量汇入主通道；当两个传感器均未持续检测到物料时，判定回流缓存处于空闲状态，分支线恢复正常汇入节奏。通过优化反馈感知链路与控制阈值，提升系统对物料回流缓存堆积状态的响应速度，优先清空回流缓存保障主线畅通，提高回流缓存输送线输送优先级高于其他分支汇入线，降低拥堵与碰撞风险。
图5 物料回流道双传感器协同判断示意图
3.多因素综合控制策略
多因素综合控制策略中，需兼顾物料流量、物料特性与设备性能三大核心维度。针对物料流量控制，通过协调不同分支输送线的流量，动态调整主输送带末端机器人拆垛速度，以此确保汇合点处物料流量平衡，减少物料等待冗余的情况。同时要结合物料特性进行适配调整，不同类型物料在质量、外形尺寸、材料等物理特性上存在差异，这些差异会影响其输送过程中的摩擦力，因此需根据具体物料特性，针对性调整输送设备传动与配合的机械尺寸，保障不同类型物料在汇入过程中均能保持平稳状态，降低因特性差异导致的碰撞或卡滞风险。设备性能保障同样不可或缺，需充分考量输送设备的最大速度、加速度、响应时间等核心性能参数，合理设定控制参数以避免设备出现过载或过度调整的问题；同时对设备运行状态进行实时监测与及时维护，确保设备稳定正常运行，进一步提升控制策略的可靠性。
4.输送机速度协调控制与调度策略
针对原有固定参数控制适应性差的问题，结合主从控制理论及“速度×时间=位移（v×t=s）”核心公式，构建输送机速度协调控制与调度体系，其核心思路是以主输送带速度为基准，明确各分支输送线与主输送带的速度匹配关系，进而实现精准调度[3]。为实施这一思路，我们采用“基准速度设定-比例适配-流量适配”的核心调度策略：首先结合物料位移需求与输送时间阈值确定最优速度匹配关系，通过主从控制模式使分支速度适配主输送带速度，同时基于v×t=s公式反向推演不同工况下的合理速度参数；在此基础上，再依据汇流节点流量监测数据，按主输送线流量“前疏后密”的特点优化分支线调度速度——前端适当放慢以控制物料松散分布，避免汇流冲突，后端逐步加速以实现物料紧凑有序汇入，最终兼顾汇合顺畅性与整体输送效率，有效提升系统对设备状态、物料动态及主输送带流量变化的适配能力。
为确保上述调度策略更贴合现场实际应用，结合当前设备运行速度，摒弃不便于现场操作的复杂数学模型，采用“实测速度基准匹配”方法实施调度思路，该方法无需构建复杂变量函数关系，操作更简单高效。具体流程如下：首先以两段衔接运行的主输送带（223、224）实测速度为基准，并确认二者速度一致性，为后续匹配提供可靠参照；其次分别用8台汇入输送机的实测速度，计算各汇入速度与主输送基准速度的比值（即速度匹配比），以此量化各分支与主输送的速度适配程度；最后通过现场时序观测验证汇流调度效果，保障策略实施的可行性与稳定性。
四
高速分拣输送线物料汇流优化策略的实施
参数设置与调试作为优化策略实施的核心环节，按照既定调整原则，充分结合物料特性、输送线布局（如图6）及实际生产要求，系统性完成各项参数的精准设置与反复调试。在具体操作过程中，先通过空箱模拟实验搭建基础参数框架，再开展现场实物测试进行精细化校准，重点针对汇流口电机变频器速度参数（如图7）进行调试优化，同时借助测速仪对各分支输送机的实际运行速度进行测量记录，确保参数设置与设备运行状态高度匹配。
图6 主输送皮带和对应的8台物料汇流输送机布局示意图
图7 通过变频控制器调整电机转速场景图
考虑到输送线的结构特性，主输送皮带由设备223和224分段组成，为保障物料输送的连贯性，将两者设定为同一线速度，其余8个汇入口设备则以此基准速度为参照进行差异化速度调整。在此过程中，同步引入缓存调整机制，通过优化汇入口缓存区域的容量配置与物料停留阈值，为速度调整提供缓冲空间，有效避免因物料瞬时堆积导致的堵塞问题。同时，实施多因素控制策略，综合考量物料规格、流量波动、设备响应延迟等多重影响因素，确保速度调整的科学性与灵活性。为验证优化效果，测试了两组不同基准速度以及对应的各汇流速度下的物料汇合情况，核心目标是实现多工况、多品规、多流量场景下，汇流口堵塞故障率控制在1/10000以下。
测试过程中，通过数据采集实时记录各输送节点的速度、物料汇合偏差及机器人拆垛节拍达成率，以此验证控制策略在动态流量变化中的适应性。值得注意的是，多因素控制策略在该阶段持续发挥作用，通过实时捕捉物料流量、规格变化及设备运行状态数据，及时调整各汇入设备运行速度，进一步提升系统的适配能力。在两组速度分别达成设定目标效果后，进行数据统计，结果如表2所示。
表2 分拣输送线设备测试速度统计
根据表2的数据采用比例系数法建立函数关系（形式：Y=KX，其中Y为223/224速度，X为其他汇入设备速度，K为比例系数）。两组数据的比例系数几乎完全相同，说明测试系统稳定性良好，速度间具有固定的函数关系（表3）。
表3 汇入设备速度与主输送设备速度的函数关系
测试结果显示，在前慢后快调控模式的加持下，主输送带负载均匀性提升35%，汇流区域堵塞率稳定控制在0.8/10000以下。如图8所示，显示了分拣系统的实时运行速率、累计产量、系统状态等关键数据，当前分拣能力4500件/小时，完全满足多品规混发生产需求。在连续生产验证中，系统运行稳定性显著提升，平均无故障间隔时间延长400%，充分印证了参数设置、缓存调整及多因素控制策略组合实施的有效性。如图9所示，蓝色柱状图显示过去120分钟内的分拣速率，整体在60～80料箱/分钟区间波动，接近当前时间（0分钟）时速率略有下降，但仍保持高位均衡水平。
图8 分拣系统速率监控图
图9 系统分拣速率柱状图
五
结论
通过调整物料回流缓存反馈机制阈值、采用多因素综合控制策略及实现输送线汇流速度比例协调控制，可显著提升高速分拣输送线的效率与稳定性，使其能更好地适应复杂生产环境，运行结果证明该优化策略具备较高实用价值。
本研究可作为高速分拣机设备运行维护的技术参考，主输送带速度需要改变时，其他分支汇入输送机便可按比例快速完成速度参数设置，无需调整PLC电控程序即可投入运行。该方法优势在于无需复杂变量定义和函数构建，仅通过“速度比值量化+现场验证调整”就能完成汇流速度优化，操作门槛低且实用性强，适合现场技术人员快速应用，为高速分拣输送线稳定运行提供坚实基础支撑。
参考文献:
[1]崔江波,郭大权.塑料托盘在卷烟企业自动化立库中的应用与分析[J].机电产品开发与创新,2014,27(05):49-51.
[2]刘加强,赵子龙,郑琼生.加工作业工单的托盘集配方法初探[J].广东造船,2021,40(01):61-64.
[3]湛功义.管系现场托盘自动录入[J].山东工业技术,2017,(20):158-159.DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.138.
———— 物流技术与应用融媒 ————
编辑、排版：王茜
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