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    （秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066000）王 輝
                        
    王輝（1980-）男，現(xiàn)就職于秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司技術(shù)中心自動化部，一直從事SCADA系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)的研發(fā)工作。

    摘要：本文首先分析了卷煙廠制造執(zhí)行系統(tǒng)的特點以及發(fā)展現(xiàn)狀, 描述了一個生產(chǎn)計劃、仿真和調(diào)度集成系統(tǒng)。描述了集成系統(tǒng)的框架及主要組件的功能，以及集成系統(tǒng)的運行機(jī)制。該系統(tǒng)利用仿真技術(shù)將企業(yè)的生產(chǎn)計劃與作業(yè)調(diào)度緊密集成，實現(xiàn)了計劃部門與生產(chǎn)部門在信息和流程上的緊密關(guān)聯(lián)。

    關(guān)鍵詞：生產(chǎn)計劃；仿真；調(diào)度；集成框架

    Abstract: First, the characteristics and the developing status of manufacturing execution system in cigarette factory is analyzed in the paper. Then, we descirbe a production planning, simulation and scheduling integrated system, the outline of the system, the function of its main components and the operation logic of the system. With the supports of the production planning and job-shop scheduling integrated by simulation, the planning department and manufacturing department are fully integrated together in information and process.

    Key words: Production planning; simulation; scheduling; integrated framework

    1 引言

    制絲生產(chǎn)線是卷煙加工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著分組精細(xì)化加工工藝的引入，制絲線在制絲工藝設(shè)備、工藝過程、工藝質(zhì)量、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)組織模式上也發(fā)生了新的變化。傳統(tǒng)工藝、分組加工工藝、實驗工藝的綜合集成應(yīng)用使得制絲工藝設(shè)備布局日趨復(fù)雜，工藝過程靈活多變，生產(chǎn)管理、生產(chǎn)組織也變得柔性化、多樣化。這樣一來，企業(yè)的計劃部門很難制定出高效的生產(chǎn)計劃，而生產(chǎn)部門很難對生產(chǎn)進(jìn)行高效的控制，而通過車間仿真系統(tǒng)與計劃調(diào)度系統(tǒng)的集成，可以虛擬出生產(chǎn)計劃的實際執(zhí)行情況，并將分析結(jié)果反饋給計劃部門，協(xié)助其優(yōu)化排產(chǎn)，使生產(chǎn)能夠高效、穩(wěn)定、流暢的進(jìn)行，為更大規(guī)模的企業(yè)信息系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的支持。

    2 卷煙企業(yè)制絲車間生產(chǎn)現(xiàn)狀

    目前，卷煙企業(yè)制絲線的生產(chǎn)方式主要分為傳統(tǒng)的全配方生產(chǎn)工藝和先進(jìn)的分組加工生產(chǎn)工藝。全配方生產(chǎn)工藝是一種典型的流程式生產(chǎn)，是一個拉式系統(tǒng)，只要投料端相關(guān)設(shè)備空閑，就拉動一個原材料進(jìn)行生產(chǎn)，同一個生產(chǎn)批次貫穿流程的始末，一個流程中只會生產(chǎn)出一種產(chǎn)品；分組加工生產(chǎn)方式分別結(jié)合了流程行業(yè)和離散行業(yè)的特點，一般采用雙線或多線并聯(lián)，已經(jīng)具備了初步的柔性化生產(chǎn)能力，其對配方中不同產(chǎn)地、不同等級的煙葉根據(jù)感官質(zhì)量和理化特性重新分組，選擇不同的關(guān)鍵加工設(shè)備（如加料機(jī)、烘絲機(jī)）和加工工藝進(jìn)行處理，可能產(chǎn)生多個中間產(chǎn)品。相比傳統(tǒng)的剛性制絲生產(chǎn)線，分組加工技術(shù)極大地拓展了原料使用范圍，并顯著提升了產(chǎn)品的質(zhì)量。

    為了能夠綜合使用全配方生產(chǎn)工藝和分組加工工藝，新的管控系統(tǒng)和傳統(tǒng)的系統(tǒng)比較，將產(chǎn)生以下幾個變化：

    （1）工藝路徑的調(diào)度更加復(fù)雜化。為適應(yīng)分組加工對不同物料采取不同加工方式的要求，制絲生產(chǎn)線已由過去的單一工藝線路發(fā)展成為多分支、多組合的復(fù)雜工藝線路，使得制絲生產(chǎn)過程中生產(chǎn)路徑的調(diào)度復(fù)雜性大為增加。例如在葉絲烘絲環(huán)節(jié)，可以采用不同的烘絲設(shè)備，達(dá)到最佳的處理效果。

    （2）生產(chǎn)過程的調(diào)度更加柔性化。傳統(tǒng)的制絲生產(chǎn)是直線型流程生產(chǎn)模式，物料從投料到產(chǎn)出嚴(yán)格按照固定的重量批次進(jìn)行，其生產(chǎn)過程是剛性的；而在分組加工過程中，成品是通過不同比例的中間物料進(jìn)行組合生成，這些中間產(chǎn)品可能具有不同的加工參數(shù)并經(jīng)過不同的工藝設(shè)備，但可能會有相同的需求時間。

    （3）生產(chǎn)系統(tǒng)間業(yè)務(wù)運行的協(xié)同化。隨著企業(yè)自動化水平的逐步提高，各個生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)間由原來松散、孤立的向著集中、協(xié)同的方向發(fā)展。生產(chǎn)過程中的各個系統(tǒng)通過信息交互，業(yè)務(wù)協(xié)同組成一個有機(jī)運作的系統(tǒng)，如制絲線與原料配方庫、糖香料大廚和卷接包車間的信息交互，業(yè)務(wù)協(xié)作已由過去簡單的信號連鎖過渡到以作業(yè)任務(wù)信息為基礎(chǔ)，各系統(tǒng)緊密協(xié)作共同完成生產(chǎn)加工任務(wù)，同時設(shè)備、質(zhì)量等信息在各個系統(tǒng)共享，其中任何一項生產(chǎn)安排出現(xiàn)問題可能都會成為整個生產(chǎn)過程的瓶頸。

    以制絲烘絲段為例，某企業(yè)的制絲烘絲段設(shè)備工藝如圖1所示。

                       
                                                  圖1      制絲烘絲段工藝流程圖

    現(xiàn)在有三個生產(chǎn)批次P 1 （M11，M12，M13）、P2（M21，M22）、P3（M31，M32），其中M開頭的為各批次產(chǎn)品的模塊組成，M11，M12，M21，M32均為管板式烘絲工藝，

    其余的均為HXD烘絲工藝，通過生產(chǎn)計劃系統(tǒng)可得到排產(chǎn)信息，見表1。
                       
                                                               表1
                  
          
    其中，兩個管板烘絲機(jī)為完全相同的設(shè)備，為了使設(shè)備的利用率最大化，計劃部門需根據(jù)經(jīng)驗去安排各批次的具體生產(chǎn)順序，排產(chǎn)完成后，并沒有一個有效的反饋機(jī)制可以確保生產(chǎn)計劃的可行性，即制定的計劃很可能存在生產(chǎn)瓶頸，一旦計劃下達(dá)投入生產(chǎn)之后，則會造成生產(chǎn)效率的低下和資源的浪費。

    3 集成系統(tǒng)的組成及其功能

    生產(chǎn)計劃、仿真和調(diào)度集成系統(tǒng)主要包括3 個功能組件：生產(chǎn)計劃系統(tǒng)、車間仿真系統(tǒng)和車間作業(yè)控制系統(tǒng)。在企業(yè)的生產(chǎn)過程中，每個組件都發(fā)揮著不同的作用，各自的功能如下：

    （1）生產(chǎn)計劃系統(tǒng)：其主要用途是調(diào)整供需平衡。它綜合考慮了如下因素：產(chǎn)品需求量、交貨期、產(chǎn)品加工工藝路線、設(shè)備能力與容量等。生產(chǎn)計劃系統(tǒng)將利用這些信息創(chuàng)建生產(chǎn)計劃任務(wù)單。

    （2）車間仿真系統(tǒng)：其主要用途是模擬真實的車間，獲取可視化的虛擬的生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以幫助企業(yè)預(yù)測生產(chǎn)狀況，制定決策。使用車間仿真系統(tǒng)能夠使企業(yè)縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，減小計劃實際運行的風(fēng)險。通過輸入某些關(guān)鍵參數(shù)，模擬生產(chǎn)車間的復(fù)雜行為，為即將實施的計劃提供參考。例如向系統(tǒng)輸入不同的生產(chǎn)能力參數(shù)，企業(yè)能夠預(yù)測產(chǎn)品的產(chǎn)量和判定瓶頸設(shè)備出現(xiàn)的位置，并能夠計算出每一個預(yù)計劃（自動生成的計劃）所能允許的最大異常事件（如制絲線最大的停機(jī)時間、某一生產(chǎn)單元最低或最高的生產(chǎn)效率），從中選擇最合理的計劃策略（執(zhí)行計劃）。然后計劃部門就可以根據(jù)這些信息修訂生產(chǎn)計劃；生產(chǎn)部門根據(jù)這些信息設(shè)計和優(yōu)化調(diào)度規(guī)則。

    同時，計劃仿真也是實現(xiàn)在線異常報警功能的重要手段。生產(chǎn)過程中，根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度（來源于全廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所提供的各種數(shù)據(jù)）實時對生產(chǎn)過程進(jìn)行預(yù)測，在異常事件對生產(chǎn)組織造成影響之前及時進(jìn)行報警，以便正確采取相應(yīng)措施，確保生產(chǎn)組織的有序。例如，當(dāng)制絲線出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)通過計劃仿真能自動計算出該故障持續(xù)時間在多少以內(nèi)，對整個計劃的執(zhí)行不會造成影響，不需要調(diào)整計劃；故障時間超過多少時將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的組織（如造成某一生產(chǎn)單元待料），必須提前進(jìn)行計劃的調(diào)整。

    （3）車間作業(yè)控制系統(tǒng)：其主要用途是在保證交貨期的前提下，平衡生產(chǎn)線負(fù)載，提高設(shè)備利用率，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

    4 集成系統(tǒng)的運行機(jī)制

    首先計劃部門使用生產(chǎn)計劃系統(tǒng)預(yù)測企業(yè)能夠提供產(chǎn)品的數(shù)量而制定生產(chǎn)計劃。生產(chǎn)計劃系統(tǒng)的生產(chǎn)預(yù)測模型是比較粗略的，使用的是生產(chǎn)周期時間的歷史參數(shù)，同時沒有考慮設(shè)備受限的情況，而歷史參數(shù)可能與企業(yè)當(dāng)前的實際情況不一致，所以將來在分配設(shè)備和預(yù)測產(chǎn)量方面可以得到更加優(yōu)化的結(jié)果。

    制造部門接收到上述數(shù)據(jù)后，將其輸入到車間仿真系統(tǒng)，得到預(yù)測的生產(chǎn)結(jié)果。一個已投產(chǎn)的制造系統(tǒng)，其設(shè)備加工能力是固定不變的，只能通過改變物流來調(diào)節(jié)其生產(chǎn)能力，以減輕或消除系統(tǒng)瓶頸效應(yīng)，提高整個系統(tǒng)性能。在給定加工設(shè)備，生產(chǎn)任務(wù)的情況下，解決瓶頸問題的方法有：重新分配加工任務(wù)、改變加工路徑等。

    如果生產(chǎn)計劃系統(tǒng)和車間仿真系統(tǒng)各自輸出的預(yù)測數(shù)據(jù)之間偏差很大，則計劃部門需要調(diào)整生產(chǎn)計劃。發(fā)生這種情況的原因可能是因為歷史周期時間參數(shù)與當(dāng)前實際情況不一致，或是設(shè)備受限等。通過這種交流能夠減少計劃部門與生產(chǎn)部門的爭議，并能平衡生產(chǎn)線負(fù)載，提高生產(chǎn)效率。

    5 仿真系統(tǒng)的其他應(yīng)用

    車間仿真系統(tǒng)除了用于生產(chǎn)流程的虛擬實現(xiàn)以外，還可以仿真各個主要工藝的加工過程，得出不同的加工工藝參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)周期的影響程度，其具體實現(xiàn)過程如下：

    （1）初始化

    這是仿真的準(zhǔn)備階段，主要完成各個狀態(tài)變量初始值設(shè)置以及變化范圍、參數(shù)、控制模型的建立、仿真時間、輸入方式和輸出方式等的確定。

    （2）模型運行階段

    這個階段是仿真的主要階段，采用已建立的模型控制模塊，根據(jù)各個工藝點的初始值和變化范圍，計算各工藝點在給定條件下的變化，以HXD為例，影響出口水分的工藝參數(shù)很多，比如工藝氣體的溫度、加水流量、蒸汽流量等，由于各個參數(shù)的變化對工藝環(huán)境的影響也可以建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，這樣就可以在仿真環(huán)境下觀測物料在某些參數(shù)發(fā)生變化是所受環(huán)境的影響程度，以得到最優(yōu)的控制方案，也可以得出在保證質(zhì)量的前提下，通過調(diào)整那些控制參數(shù)使設(shè)備生產(chǎn)能力最大化，在這個階段，如果需要保存結(jié)果，即可以把它保存或者打印。

    （3）仿真結(jié)果處理和輸出段

    當(dāng)仿真達(dá)到規(guī)定的時間或者產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果時，可以把反映整個結(jié)果的數(shù)據(jù)或者曲線保存起來，然后對這些仿真結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。

    參考文獻(xiàn)：

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    摘自《自動化博覽》2010年第四期