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    （秦皇岛烟草机械有限责任公司，河北 秦皇岛 066000）王 辉
                        
    王辉（1980-）男，现就职于秦皇岛烟草机械有限责任公司技术中心自动化部，一直从事SCADA系统和生产管理系统的研发工作。

    摘要：本文首先分析了卷烟厂制造执行系统的特点以及发展现状, 描述了一个生产计划、仿真和调度集成系统。描述了集成系统的框架及主要组件的功能，以及集成系统的运行机制。该系统利用仿真技术将企业的生产计划与作业调度紧密集成，实现了计划部门与生产部门在信息和流程上的紧密关联。

    关键词：生产计划；仿真；调度；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

    制丝生产线是卷烟加工过程中的关键环节，随着分组精细化加工工艺的引入，制丝线在制丝工艺设备、工艺过程、工艺质量、生产管理、生产组织模式上也发生了新的变化。传统工艺、分组加工工艺、实验工艺的综合集成应用使得制丝工艺设备布局日趋复杂，工艺过程灵活多变，生产管理、生产组织也变得柔性化、多样化。这样一来，企业的计划部门很难制定出高效的生产计划，而生产部门很难对生产进行高效的控制，而通过车间仿真系统与计划调度系统的集成，可以虚拟出生产计划的实际执行情况，并将分析结果反馈给计划部门，协助其优化排产，使生产能够高效、稳定、流畅的进行，为更大规模的企业信息系统提供了强有力的支持。

    2 卷烟企业制丝车间生产现状

    目前，卷烟企业制丝线的生产方式主要分为传统的全配方生产工艺和先进的分组加工生产工艺。全配方生产工艺是一种典型的流程式生产，是一个拉式系统，只要投料端相关设备空闲，就拉动一个原材料进行生产，同一个生产批次贯穿流程的始末，一个流程中只会生产出一种产品；分组加工生产方式分别结合了流程行业和离散行业的特点，一般采用双线或多线并联，已经具备了初步的柔性化生产能力，其对配方中不同产地、不同等级的烟叶根据感官质量和理化特性重新分组，选择不同的关键加工设备（如加料机、烘丝机）和加工工艺进行处理，可能产生多个中间产品。相比传统的刚性制丝生产线，分组加工技术极大地拓展了原料使用范围，并显著提升了产品的质量。

    为了能够综合使用全配方生产工艺和分组加工工艺，新的管控系统和传统的系统比较，将产生以下几个变化：

    （1）工艺路径的调度更加复杂化。为适应分组加工对不同物料采取不同加工方式的要求，制丝生产线已由过去的单一工艺线路发展成为多分支、多组合的复杂工艺线路，使得制丝生产过程中生产路径的调度复杂性大为增加。例如在叶丝烘丝环节，可以采用不同的烘丝设备，达到最佳的处理效果。

    （2）生产过程的调度更加柔性化。传统的制丝生产是直线型流程生产模式，物料从投料到产出严格按照固定的重量批次进行，其生产过程是刚性的；而在分组加工过程中，成品是通过不同比例的中间物料进行组合生成，这些中间产品可能具有不同的加工参数并经过不同的工艺设备，但可能会有相同的需求时间。

    （3）生产系统间业务运行的协同化。随着企业自动化水平的逐步提高，各个生产业务系统间由原来松散、孤立的向着集中、协同的方向发展。生产过程中的各个系统通过信息交互，业务协同组成一个有机运作的系统，如制丝线与原料配方库、糖香料大厨和卷接包车间的信息交互，业务协作已由过去简单的信号连锁过渡到以作业任务信息为基础，各系统紧密协作共同完成生产加工任务，同时设备、质量等信息在各个系统共享，其中任何一项生产安排出现问题可能都会成为整个生产过程的瓶颈。

    以制丝烘丝段为例，某企业的制丝烘丝段设备工艺如图1所示。

                       
                                                  图1      制丝烘丝段工艺流程图

    现在有三个生产批次P 1 （M11，M12，M13）、P2（M21，M22）、P3（M31，M32），其中M开头的为各批次产品的模块组成，M11，M12，M21，M32均为管板式烘丝工艺，

    其余的均为HXD烘丝工艺，通过生产计划系统可得到排产信息，见表1。
                       
                                                               表1
                  
          
    其中，两个管板烘丝机为完全相同的设备，为了使设备的利用率最大化，计划部门需根据经验去安排各批次的具体生产顺序，排产完成后，并没有一个有效的反馈机制可以确保生产计划的可行性，即制定的计划很可能存在生产瓶颈，一旦计划下达投入生产之后，则会造成生产效率的低下和资源的浪费。

    3 集成系统的组成及其功能

    生产计划、仿真和调度集成系统主要包括3 个功能组件：生产计划系统、车间仿真系统和车间作业控制系统。在企业的生产过程中，每个组件都发挥着不同的作用，各自的功能如下：

    （1）生产计划系统：其主要用途是调整供需平衡。它综合考虑了如下因素：产品需求量、交货期、产品加工工艺路线、设备能力与容量等。生产计划系统将利用这些信息创建生产计划任务单。

    （2）车间仿真系统：其主要用途是模拟真实的车间，获取可视化的虚拟的生产运营数据。这些数据可以帮助企业预测生产状况，制定决策。使用车间仿真系统能够使企业缩短生产周期，降低生产成本，减小计划实际运行的风险。通过输入某些关键参数，模拟生产车间的复杂行为，为即将实施的计划提供参考。例如向系统输入不同的生产能力参数，企业能够预测产品的产量和判定瓶颈设备出现的位置，并能够计算出每一个预计划（自动生成的计划）所能允许的最大异常事件（如制丝线最大的停机时间、某一生产单元最低或最高的生产效率），从中选择最合理的计划策略（执行计划）。然后计划部门就可以根据这些信息修订生产计划；生产部门根据这些信息设计和优化调度规则。

    同时，计划仿真也是实现在线异常报警功能的重要手段。生产过程中，根据生产进度（来源于全厂数据采集系统所提供的各种数据）实时对生产过程进行预测，在异常事件对生产组织造成影响之前及时进行报警，以便正确采取相应措施，确保生产组织的有序。例如，当制丝线出现故障时，系统通过计划仿真能自动计算出该故障持续时间在多少以内，对整个计划的执行不会造成影响，不需要调整计划；故障时间超过多少时将严重影响生产的组织（如造成某一生产单元待料），必须提前进行计划的调整。

    （3）车间作业控制系统：其主要用途是在保证交货期的前提下，平衡生产线负载，提高设备利用率，缩短产品的生产周期。

    4 集成系统的运行机制

    首先计划部门使用生产计划系统预测企业能够提供产品的数量而制定生产计划。生产计划系统的生产预测模型是比较粗略的，使用的是生产周期时间的历史参数，同时没有考虑设备受限的情况，而历史参数可能与企业当前的实际情况不一致，所以将来在分配设备和预测产量方面可以得到更加优化的结果。

    制造部门接收到上述数据后，将其输入到车间仿真系统，得到预测的生产结果。一个已投产的制造系统，其设备加工能力是固定不变的，只能通过改变物流来调节其生产能力，以减轻或消除系统瓶颈效应，提高整个系统性能。在给定加工设备，生产任务的情况下，解决瓶颈问题的方法有：重新分配加工任务、改变加工路径等。

    如果生产计划系统和车间仿真系统各自输出的预测数据之间偏差很大，则计划部门需要调整生产计划。发生这种情况的原因可能是因为历史周期时间参数与当前实际情况不一致，或是设备受限等。通过这种交流能够减少计划部门与生产部门的争议，并能平衡生产线负载，提高生产效率。

    5 仿真系统的其他应用

    车间仿真系统除了用于生产流程的虚拟实现以外，还可以仿真各个主要工艺的加工过程，得出不同的加工工艺参数对产品质量及生产周期的影响程度，其具体实现过程如下：

    （1）初始化

    这是仿真的准备阶段，主要完成各个状态变量初始值设置以及变化范围、参数、控制模型的建立、仿真时间、输入方式和输出方式等的确定。

    （2）模型运行阶段

    这个阶段是仿真的主要阶段，采用已建立的模型控制模块，根据各个工艺点的初始值和变化范围，计算各工艺点在给定条件下的变化，以HXD为例，影响出口水分的工艺参数很多，比如工艺气体的温度、加水流量、蒸汽流量等，由于各个参数的变化对工艺环境的影响也可以建立起相应的数学模型，这样就可以在仿真环境下观测物料在某些参数发生变化是所受环境的影响程度，以得到最优的控制方案，也可以得出在保证质量的前提下，通过调整那些控制参数使设备生产能力最大化，在这个阶段，如果需要保存结果，即可以把它保存或者打印。

    （3）仿真结果处理和输出段

    当仿真达到规定的时间或者产生预期的结果时，可以把反映整个结果的数据或者曲线保存起来，然后对这些仿真结果进行分析，进而应用到实际生产中。

    参考文献：

    [1] 王伟达，王伟，刘文剑. 基于仿真的生产计划与调度系统集成[J]. 计算机工程与设计，2007，7.

    [2] 陈志刚，孙书情. 卷烟厂制丝线自动排产系统设计[J]. 机械工程师.2009，11.

    [3] 王军强等. 集成化生产计划管理与控制模型[J]. 计算机集成制造系统.2005，9.

    [4] 刘旭东. 烟草工业企业制丝生产管理研究[D]. 对外经济贸易大学硕士论文. 2005.

    [5] 夏秀芳，彭威. 吕希胜卷烟厂制丝线生产过程建模与计划仿真[J]. 机械设计与制造. 2009，5.

    摘自《自动化博览》2010年第四期