1. 引言
为牢牢抓住数字经济发展重要窗口机遇期，国家局成立了全国烟草生产经营管理一体化平台建设领导小组，全面加强行业数字化转型的战略统筹和顶层设计。一体化平台建设是一项系统性、全局性、战略性工程，目前已形成一个云平台、两个中台、“农、工、商、政”四大领域企业应用和“行业管控、行业决策”两大行业应用的“1242”总体架构设计。行业二维码平台是其中重要的一环，利用二维码技术为卷烟产品赋予唯一“身份证”，对产品生产、仓储、物流运输、专卖稽查及消费者环节进行数据采集跟踪，实现产品生产环节、销售环节、流通环节、服务营销环节的全生命周期管理，从而打通工商，连接终端，触达消费者，提升行业生产经营管理的效率和水平[1]。
其中工业企业建设盒包和条包二维码采集终端、二维码数据存储系统，采集烟印厂盒包和条包二维码印刷状态、激活状态、盒条关联信息，二维码数据集中存储在生产点，同时上传中烟公司二维码管理系统和行业二维码管控平台。
2. 背景调研
YP11A封箱机是一款卷烟自动装箱设备，生产能力为4件/min，采用西门子可编程控制器及凸轮机构对整机进行实时控制，在卷烟工业企业中已使用20多年，性能稳定可靠。
烟条输送通过封箱机入口通道进入封箱机，然后通过堆垛机构堆垛、装箱电机装箱，封箱机够封箱包装完成烟条的打包工作，烟条上设置有二维码，烟箱上需要通过贴标机粘贴条形码，通过二维码和条形码能够查询烟条信息，对烟条和烟箱进行追溯。二维码和条形码缺失或不清晰的烟条未达到合格的出售标准，极大的影响了烟条的品质，也无法进行烟条追溯，现有装置难以对二维码和条形码进行准确检测关联[2]。
如何在YP11A上部署“盒条件”关联管理系统，使50条卷烟上的二维码与烟箱条形码关联，目前行业还没有一种通用、可靠、成熟的方案。同时各个企业在长期的使用中对YP11A的机械结构和电气电路也进行了不同程度的改造，如：封箱机缺条检测系统改进方案、烟条补充到位检测装置、基于压紧整齐烟垛的条烟装箱少条视觉检测装置、烟条装箱少条视觉检测装置等等。
因此在YP11A上部署“盒条件”关联管理系统时既要保证关联功能稳定可靠，又要避免对设备自身正常运行的影响，同时还要尽可能不影响各企业对YP11A改造、加装的功能和装置，这是目前工业企业的一大重点和难点。
3. YP11A封箱机“盒条件”关联方法研究
本研究的主要内容是针对现有装箱系统存在的问题，设计一种新的YP11A封箱机盒条件关联方法，以解决烟条质量不稳定、装箱错误率高以及产品质量追溯困难等问题。我们采用了实地调研和分析、机械结构设计、电气控制系统设计等方法：
3.1. 调研和分析
烟条质量问题统计：
在以往的生产中，我们记录了烟条质量问题的统计数据，包括二维码不清晰或缺失的烟条比例，以及烟条到位情况的不良率。数据表明，烟条质量问题在装箱过程中会导致产品质量不稳定，需要进行及时剔除和处理。
装箱错误和数量不足的统计：
我们还收集了装箱过程中的错误统计数据，包括装箱错误和数量不足的情况。数据表明，在缺乏自动化装箱系统的情况下，装箱错误和数量不足的发生率相对较高，影响了生产效率和产品质量。
装箱效率和人工成本的对比：
我们进行了装箱效率和人工成本的对比分析，以评估引入自动化装箱系统的潜在收益。数据显示，自动化装箱系统能够大幅提高装箱效率，同时降低人工成本，从而提高了生产效率和经济效益。
产品质量追溯需求：
针对产品质量追溯的需求，我们分析了客户对产品质量可追溯性的要求，并收集了相关的市场调研数据。数据显示，客户对产品质量追溯的需求日益增加，需要我们提供完善的装箱系统来保证产品质量和安全。
3.2. 机械结构设计
根据调研结果，我们设计了YP11A封箱机的三个关联工位的机械结构，包括第一工位的烟条检测和剔除机构、第二工位的烟条扫描和记录机构，以及第三工位的烟箱条形码检测和记录机构。
机械结构稳定性：
在设计第一工位盒条件关联机构时，我们特别关注了侧板、支架和气缸的稳固性，确保其能够承受运行时的压力和振动，以保证烟条剔除的准确性。
第二工位和第三工位的安装结构也经过精心设计，保证了在封箱机高速运行时的稳定性，从而保证了扫描和检测的准确性和可靠性。
机械运动精度：
封箱机的提升装置在工作时需要保证提升高度的精度和稳定性，我们在设计堆垛电机和推杆电机时特别注重了其控制精度和响应速度，以确保烟条和烟箱的准确堆叠和封箱[3]。
3.3. 电气控制系统设计
基于PLC控制系统，我们设计了相应的逻辑控制算法，实现了烟条和烟箱的准确检测、剔除和堆叠，以及封箱和贴标等工序的自动化控制。
PLC控制系统：
我们采用了先进的PLC控制系统来实现整个盒条件关联方法的自动化控制。PLC负责接收和处理传感器信号，并根据预设的逻辑控制相关执行元件的运行，如气缸、电机等[4]。
通过PLC编程，我们设计了相应的逻辑控制算法，实现了烟条和烟箱的准确检测、剔除和堆叠，以及封箱和贴标等工序的自动化控制。
传感器和检测装置：
我们选用了高精度、高灵敏度的传感器和检测装置，如二维码扫描器、条形码扫描相机等，确保了对烟条和烟箱的准确识别和检测。
这些传感器和检测装置通过适当的安装位置和参数设置，能够实现对烟条和烟箱各个方面的全面检测，从而保证了产品质量。
3.4. 三个关联机构的相互配合
三个关联机构相互配合，形成了一个完整的装箱系统，实现了烟条和烟箱的高效装箱过程。
第一工位盒条件关联机构通过检测和剔除不合格的烟条，为后续的装箱提供了合格的烟条来源，保证了产品的基本质量。
第二工位盒条件关联机构负责对装箱烟条进行扫描和记录，保证了装箱数量的准确性和完整性，避免了装箱错误和烟条数量不足的情况。
第三工位盒条件关联机构则对装箱烟箱的条形码进行检测和记录，保证了烟箱的标识完整和准确，为产品质量的追溯提供了重要数据支持。
通过这三个关联机构的相互配合，实现了烟条和烟箱的高效、准确的装箱过程，保证了产品质量和生产效率的提高，降低了生产成本和风险。这三个关联机构的设计图见图1。
整体而言，三个关联机构在YP11A封箱机盒条件关联方法中发挥着各自重要的作用，并通过相互配合形成了一个完整的装箱系统，为生产提供了可靠的保障和支持。
Figure 1. The “box strip piece” correlation mechanism
图1. “盒条件”关联机构
4. 方案实施
现详细说明该YP11A封箱机盒条件关联系统的安装及工作方法。第一工位盒条件关联机构包括第一工位安装侧板、剔除气缸、第一工位安装支架、安装横杆、烟条侧面二维码检测装置、烟条到位检测装置，第一工位安装侧板安装在封箱机入口通道一侧，剔除气缸安装在第一工位安装侧板的外侧，其伸缩杆朝向封箱机入口通道并与烟条行进方向垂直，第一工位安装支架安装在第一工位安装侧板的外侧，烟条到位检测装置安装在第一工位安装支架上，并处于封箱机入口通道的正上方，烟条侧面二维码检测装置通过安装横杆安装在第一工位安装支架上，在烟条行进方向上，烟条到位检测装置位于剔除气缸的前侧，烟条侧面二维码检测装置的检测工位处于剔除气缸的后侧，剔除气缸、烟条侧面二维码检测装置、烟条到位检测装置均与盒条件关联工控机内的PLC电性连接，烟条侧面二维码检测装置检测烟条侧面二维码是否缺失或清晰，烟条到位检测装置检测烟条是否到位并对烟条进行计量，与第二工位盒条件关联机构配合[5]。具体结构见图2。
Figure 2. The running first station of the “box strip piece” correlation mechanism
图2. 运行中的第一工位“盒条件”关联机构
第二工位盒条件关联机构包括第二工位安装侧板、第二工位安装支架、烟条二维码扫码器，第二工位安装侧板安装在封箱机提升装置第一层的侧面，第二工位安装支架可调节的安装在第二工位安装侧板上，烟条二维码扫码器设置有三个，三个烟条二维码扫码器分别可调节的安装在第二工位安装支架上，对封箱机提升装置第一层的五条烟条进行扫码，对烟条二维码进行记录，并扫描烟条数量是否正确，若一箱烟条中存在一层烟条数量不足，则盒条件关联工控机内的PLC就会标记这箱烟，然后在封箱机出口的剔除工位剔除这箱烟。具体结构见图3。
第三工位盒条件关联机构包括第三工位安装侧板、第三工位安装支架、烟箱条形码粘贴检测相机、烟箱条形码扫描相机，第三工位安装侧板安装在封箱机条形码粘贴装置的后方的侧面，第三工位安装支架可调节的安装在第三工位安装侧板上，烟箱条形码粘贴检测相机和烟箱条形码扫描相机分别可调节的安装在第三工位安装支架上，在烟箱行进方向上，烟箱条形码扫描相机处于烟箱条形码粘贴检测相机的前侧，烟箱条形码粘贴检测相机检测烟箱条形码是否粘贴，将信号传输到盒条件关联工控机内的PLC，若检测不到烟箱条形码，则通过盒条件关联工控机内的PLC使贴标机停机，并进行报警，烟箱条形码扫描相机扫描烟箱条形码并记录，若扫描失败，则盒条件关联工控机内的PLC就会标记这箱烟，然后在封箱机出口的剔除工位剔除这箱烟。具体结构见图4。
Figure 3. The running second station of the “box strip piece” correlation mechanism
图3. 运行中的第二工位“盒条件”关联机构
Figure 4. The running third station of the “box strip piece” correlation mechanism
图4. 运行中的第三工位“盒条件”关联机构
5. 效果验证
根据上述设计完成对3台封箱机设备的改造后，持续跟进观察一个季度，设备运行稳定，关联效果良好。统计改进前、改进后一个季度内3台设备的产品质量和设备运行情况，见表1和图5。
Table 1. Comparison of product quality and equipment operation before and after improvement
表1. 改进前后产品质量和设备运行情况对比
数量/时长 |
二维码不清晰/条 |
烟条缺失/条 |
烟条到位不良/次 |
到位不良停机/min |
改进前 |
278 |
21 |
15 |
374 |
改进后 |
2 |
1 |
3 |
46 |
Figure 5. Comparison of product quality and equipment operation before and after improvement
图5. 改进前后产品质量和设备运行情况对比
由上图可见，在YP11A封箱机盒条件关联系统的安装实施后，在产品质量上，二维码不清晰、烟条缺失等质量缺陷显著降低，产品质量得以大幅提升；同时在设备运行情况上，因烟条到位不良导致的停机频次及停机时长也明显下降，提升了设备运行效率和稳定性。
6. 结论
行业二维码平台是全国烟草生产经营管理一体化平台建设中重要的一环，盒条件关联管理系统是卷烟生产数据追溯的基础。YP11A封箱机作为在卷烟工业企业中广泛使用的一款卷烟自动装箱设备，如何在YP11A上部署“盒条件”关联管理系统，目前行业亟需一种通用、可靠、成熟的方案。
本文提供一种YP11A封箱机盒条件关联方法，能够准确的检测并剔除侧面二维码缺失或不清晰的烟条、条形码缺失或不清晰的烟箱，保证了装箱烟条的品质。通过三个工位的结构设计，各工位相互配合，关联功能稳定可靠，同时避免了对设备自身正常运行的影响，还不影响各企业对YP11A改造、加装的功能和装置，为各工业企业在为YP11A上部署“盒条件”关联管理系统时提供了一种思路和方法。
NOTES
*通讯作者。