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    （秦皇島煙草機械有限責任公司，河北 秦皇島 066000）王 輝
                        
    王輝（1980-）男，現就職于秦皇島煙草機械有限責任公司技術中心自動化部，一直從事SCADA系統和生產管理系統的研發工作。

    摘要：本文首先分析了卷煙廠制造執行系統的特點以及發展現狀, 描述了一個生產計劃、仿真和調度集成系統。描述了集成系統的框架及主要組件的功能，以及集成系統的運行機制。該系統利用仿真技術將企業的生產計劃與作業調度緊密集成，實現了計劃部門與生產部門在信息和流程上的緊密關聯。

    關鍵詞：生產計劃；仿真；調度；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

    制絲生產線是卷煙加工過程中的關鍵環節，隨著分組精細化加工工藝的引入，制絲線在制絲工藝設備、工藝過程、工藝質量、生產管理、生產組織模式上也發生了新的變化。傳統工藝、分組加工工藝、實驗工藝的綜合集成應用使得制絲工藝設備布局日趨復雜，工藝過程靈活多變，生產管理、生產組織也變得柔性化、多樣化。這樣一來，企業的計劃部門很難制定出高效的生產計劃，而生產部門很難對生產進行高效的控制，而通過車間仿真系統與計劃調度系統的集成，可以虛擬出生產計劃的實際執行情況，并將分析結果反饋給計劃部門，協助其優化排產，使生產能夠高效、穩定、流暢的進行，為更大規模的企業信息系統提供了強有力的支持。

    2 卷煙企業制絲車間生產現狀

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

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

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

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

    （3）生產系統間業務運行的協同化。隨著企業自動化水平的逐步提高，各個生產業務系統間由原來松散、孤立的向著集中、協同的方向發展。生產過程中的各個系統通過信息交互，業務協同組成一個有機運作的系統，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，業務協作已由過去簡單的信號連鎖過渡到以作業任務信息為基礎，各系統緊密協作共同完成生產加工任務，同時設備、質量等信息在各個系統共享，其中任何一項生產安排出現問題可能都會成為整個生產過程的瓶頸。

    以制絲烘絲段為例，某企業的制絲烘絲段設備工藝如圖1所示。

                       
                                                  圖1      制絲烘絲段工藝流程圖

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

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

    3 集成系統的組成及其功能

    生產計劃、仿真和調度集成系統主要包括3 個功能組件：生產計劃系統、車間仿真系統和車間作業控制系統。在企業的生產過程中，每個組件都發揮著不同的作用，各自的功能如下：

    （1）生產計劃系統：其主要用途是調整供需平衡。它綜合考慮了如下因素：產品需求量、交貨期、產品加工工藝路線、設備能力與容量等。生產計劃系統將利用這些信息創建生產計劃任務單。

    （2）車間仿真系統：其主要用途是模擬真實的車間，獲取可視化的虛擬的生產運營數據。這些數據可以幫助企業預測生產狀況，制定決策。使用車間仿真系統能夠使企業縮短生產周期，降低生產成本，減小計劃實際運行的風險。通過輸入某些關鍵參數，模擬生產車間的復雜行為，為即將實施的計劃提供參考。例如向系統輸入不同的生產能力參數，企業能夠預測產品的產量和判定瓶頸設備出現的位置，并能夠計算出每一個預計劃（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時間、某一生產單元最低或最高的生產效率），從中選擇最合理的計劃策略（執行計劃）。然后計劃部門就可以根據這些信息修訂生產計劃；生產部門根據這些信息設計和優化調度規則。

    同時，計劃仿真也是實現在線異常報警功能的重要手段。生產過程中，根據生產進度（來源于全廠數據采集系統所提供的各種數據）實時對生產過程進行預測，在異常事件對生產組織造成影響之前及時進行報警，以便正確采取相應措施，確保生產組織的有序。例如，當制絲線出現故障時，系統通過計劃仿真能自動計算出該故障持續時間在多少以內，對整個計劃的執行不會造成影響，不需要調整計劃；故障時間超過多少時將嚴重影響生產的組織（如造成某一生產單元待料），必須提前進行計劃的調整。

    （3）車間作業控制系統：其主要用途是在保證交貨期的前提下，平衡生產線負載，提高設備利用率，縮短產品的生產周期。

    4 集成系統的運行機制

    首先計劃部門使用生產計劃系統預測企業能夠提供產品的數量而制定生產計劃。生產計劃系統的生產預測模型是比較粗略的，使用的是生產周期時間的歷史參數，同時沒有考慮設備受限的情況，而歷史參數可能與企業當前的實際情況不一致，所以將來在分配設備和預測產量方面可以得到更加優化的結果。

    制造部門接收到上述數據后，將其輸入到車間仿真系統，得到預測的生產結果。一個已投產的制造系統，其設備加工能力是固定不變的，只能通過改變物流來調節其生產能力，以減輕或消除系統瓶頸效應，提高整個系統性能。在給定加工設備，生產任務的情況下，解決瓶頸問題的方法有：重新分配加工任務、改變加工路徑等。

    如果生產計劃系統和車間仿真系統各自輸出的預測數據之間偏差很大，則計劃部門需要調整生產計劃。發生這種情況的原因可能是因為歷史周期時間參數與當前實際情況不一致，或是設備受限等。通過這種交流能夠減少計劃部門與生產部門的爭議，并能平衡生產線負載，提高生產效率。

    5 仿真系統的其他應用

    車間仿真系統除了用于生產流程的虛擬實現以外，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對產品質量及生產周期的影響程度，其具體實現過程如下：

    （1）初始化

    這是仿真的準備階段，主要完成各個狀態變量初始值設置以及變化范圍、參數、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，由于各個參數的變化對工藝環境的影響也可以建立起相應的數學模型，這樣就可以在仿真環境下觀測物料在某些參數發生變化是所受環境的影響程度，以得到最優的控制方案，也可以得出在保證質量的前提下，通過調整那些控制參數使設備生產能力最大化，在這個階段，如果需要保存結果，即可以把它保存或者打印。

    （3）仿真結果處理和輸出段

    當仿真達到規定的時間或者產生預期的結果時，可以把反映整個結果的數據或者曲線保存起來，然后對這些仿真結果進行分析，進而應用到實際生產中。

    參考文獻：

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    [4] 劉旭東. 煙草工業企業制絲生產管理研究[D]. 對外經濟貿易大學碩士論文. 2005.

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    摘自《自動化博覽》2010年第四期