周江建

（江蘇中煙有限責任公司 徐州卷煙廠，江蘇 徐州221005）

構(gòu)建基于APS的智能化煙草MES系統(tǒng)

周江建

（江蘇中煙有限責任公司 徐州卷煙廠，江蘇 徐州221005）

目前，國內(nèi)煙草行業(yè)正在經(jīng)歷著一場合并重組的革命，這給煙草企業(yè)生產(chǎn)制造管理帶來的挑戰(zhàn)是需要更加敏捷的應(yīng)對銷售和生產(chǎn)的供求平衡，需要更加及時和準確的預測產(chǎn)能和物料需求，需要更加統(tǒng)一和有效的實時生產(chǎn)指揮調(diào)度能力，需要更加敏捷生產(chǎn)預警和在線分析能力等方面。在這情況下，以記錄生產(chǎn)過程信息、對舊有手工管理流程信息化為主的MES系統(tǒng)，顯然已經(jīng)無法適應(yīng)這場變革了。對此，本文以某煙草企業(yè)MES系統(tǒng)的實際經(jīng)驗為基礎(chǔ)，提出了構(gòu)建智能化煙草MES的理念，即通過引入具有強大優(yōu)化與計算功能的APS引擎，加強MES系統(tǒng)對整個生產(chǎn)的計劃控制能力、優(yōu)化能力與前瞻性，為生產(chǎn)管理人員提供智能化決策支持，提升企業(yè)管理水平。結(jié)合煙草生產(chǎn)的實際情況，給出了智能化煙草MES系統(tǒng)的功能框架、集成思路以及調(diào)度流程。

煙草；作業(yè)排程；MES；APS

隨著信息化應(yīng)用水平的提高，卷煙工業(yè)企業(yè)需要打造一體化的信息化應(yīng)用平臺來提升企業(yè)的生產(chǎn)管理水平，“ERP－MES－PCS”的信息化框架已被普遍認同。目前，上層管理信息化及底層作業(yè)的自動化已經(jīng)比較完善，MES已經(jīng)成為行業(yè)信息化建設(shè)的熱點。從煙草行業(yè)應(yīng)用MES的實踐來看，通過MES系統(tǒng)，企業(yè)對生產(chǎn)過程的實時控制能力獲得了極大的提高。但是，由于MES系統(tǒng)自身的能力所限，在實際應(yīng)用中，涉及到優(yōu)化調(diào)度和生產(chǎn)作業(yè)排程，還是依靠計劃人員個人的經(jīng)驗和離線的人工操作，影響了調(diào)度的及時性和準確性，因此作業(yè)排程及優(yōu)化調(diào)度成為MES的一個薄弱環(huán)節(jié)。制造業(yè)對精益制造及敏捷生產(chǎn)的需求產(chǎn)生了APS系統(tǒng)，其解決的主要問題之一就是生產(chǎn)作業(yè)順序和調(diào)度的優(yōu)化問題。為此，有必要探討APS在煙草生產(chǎn)調(diào)度中的應(yīng)用。

1 APS簡介

APS既是一種先進的生產(chǎn)管理模式也是一種先進的軟件系統(tǒng)，它是一種基于供應(yīng)鏈管理和約束理論的先進計劃與排程工具，運用了大量的數(shù)學模型、優(yōu)化及模擬技術(shù)，其功能優(yōu)勢在于實時基于約束的重計劃與報警功能。在計劃與排程的過程中，APS將企業(yè)內(nèi)外的資源與能力約束都囊括在考慮范圍之內(nèi)，用復雜的智能化運算法則，做常駐內(nèi)存的計算。如圖1的APS計劃層次模型所示，APS覆蓋了企業(yè)長期、中期、短期3個計劃層次。其中長期計劃包括供應(yīng)鏈戰(zhàn)略、供應(yīng)鏈計劃；中期計劃包括市場需求預測、生產(chǎn)計劃、分銷計劃等；短期計劃是對客戶的可承諾能力、車間作業(yè)排產(chǎn)、設(shè)備開動計劃、運輸計劃等。

圖1 APS應(yīng)用矩陣Fig.1 The APS application matrix

本文關(guān)注的領(lǐng)域是屬于生產(chǎn)執(zhí)行層的車間生產(chǎn)調(diào)度。對的企業(yè)作出進一步的改進。AMR研究表明,使用APS模塊的企業(yè)產(chǎn)生的投資回報率(ROI)已高達300%。

2 APS應(yīng)用分析

2.1 煙草生產(chǎn)流程

卷煙生產(chǎn)主要包括制絲、儲絲、卷包、封裝箱等工序，是一種混合制造模式，即制絲工藝是批流程型制造，儲絲、卷接包、封裝箱是連續(xù)離散型制造,兩種不同類型的生產(chǎn)過程通過緩存器（即儲絲柜）銜接。因此，生產(chǎn)調(diào)度不僅需要解決制絲工序段的生產(chǎn)順序問題，還要解決卷包工序段的優(yōu)化調(diào)度問題，其生產(chǎn)模型可直觀地描述成如圖2所示。

圖2 煙草生產(chǎn)模型Fig.2 Tobacco production model

對于企業(yè)生產(chǎn)計劃及調(diào)度部門而言，主要任務(wù)是根據(jù)銷售訂單制定生產(chǎn)計劃，在此基礎(chǔ)上對生產(chǎn)計劃進行分解，生成精確的、詳細的生產(chǎn)作業(yè)安排，再將生產(chǎn)作業(yè)安排單下發(fā)至車間生產(chǎn)單元。作業(yè)安排內(nèi)容包括制絲線加工煙絲的順序、各批煙絲何時進入哪個儲絲柜、由那個振盤向那個機臺輸送煙絲、機臺何時加工那種牌號的卷煙等。

2.2 APS作業(yè)排程分析

APS排程的性能指標是滿足交貨期的前提下訂單的綜合成本最低，成本是各種成本項的加權(quán)和，成本項包括訂單延誤成本、設(shè)備生產(chǎn)成本、設(shè)備換牌成本等；約束條件是：訂單優(yōu)先級，訂單交貨期，機臺加工能力，設(shè)備連接關(guān)系，設(shè)備開動計劃等。針對煙草生產(chǎn)作業(yè)排程的這種需求，APS需要解決的問題是：為訂單從所有的生產(chǎn)加工鏈路（LinkUp）中選擇一條最優(yōu)的LinkUp，再確定LinkUp上的訂單作業(yè)順序。

為此，確定APS排程思路是：根據(jù)一定規(guī)則調(diào)整訂單生產(chǎn)順序，根據(jù)成本最低計算確定每個訂單的LinkUp，最后進行換牌優(yōu)化。由于煙草生產(chǎn)是一個混合式制造模式，卷包段是離散生產(chǎn)，制絲段是批流程生產(chǎn)，由卷包生產(chǎn)拉動制絲生產(chǎn)，它們之間通過儲絲柜銜接。因此，作業(yè)排程設(shè)計為卷包段按訂單生產(chǎn)，對于制絲排程，則根據(jù)卷包需求進行計劃，產(chǎn)生煙絲批次需求，再根據(jù)制絲線生產(chǎn)狀態(tài) （儲絲柜、儲葉柜、HXD溫度等因素）決定煙絲批次順序。所以，卷煙生產(chǎn)進行自動排程分為兩個步驟 ，即生成卷包段的作業(yè)單，制定制絲段的批次需求計劃。

1)訂單排產(chǎn)次序

根據(jù)一定的規(guī)程，確定每個訂單的排產(chǎn)次序。按照規(guī)則的優(yōu)先級，排序規(guī)則包括：①訂單狀態(tài)，即正在生產(chǎn)的訂單優(yōu)先級最高；②訂單的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的訂單先排產(chǎn)；③訂單交貨期，交貨越早的越先排產(chǎn)；④可加工該訂單的LinkUp數(shù)，Linkup多的優(yōu)先排產(chǎn)；⑤人工鎖定Linkup的訂單優(yōu)先排產(chǎn)；⑥訂單的生產(chǎn)數(shù)量，數(shù)量越大優(yōu)先級越高。以上規(guī)則的優(yōu)先級別可以根據(jù)具體的生產(chǎn)要求進行調(diào)整。

2）選擇訂單的LinkUp

硬膜外麻醉比全麻更加安全可靠主要是因為:①全麻的作用時間長,麻醉見效時間長,對手術(shù)進行不利。除此之外,患者的蘇醒時間比較長,全麻對患者的作用時間過長,導致了患者的生命安全受到威脅。使用硬膜外麻醉的藥物作用時間比較短,藥物見效的時間也比較短,患者蘇醒快,能夠保證患者的生命安全,防止風險事故發(fā)生,促進手術(shù)效果提升[5]。②硬膜外麻醉的鎮(zhèn)痛效果突出,患者術(shù)后的恢復情況比較理想,因此臨床中使用硬膜外麻醉的優(yōu)勢十分明顯,能夠讓患者的手術(shù)安全性極大的提升,患者身體受到的影響非常小[6]。

計算每個訂單在可選的LinkUp上的成本，選擇該訂單在成本最低的LinkUp上生產(chǎn)，成本計算見公式（1）：

生產(chǎn)成本表示在該LinkUp上的制造成本；設(shè)置成本表示LinkUp進行前期生產(chǎn)準備的成本；延期成本表示LinkUp上由于由于生產(chǎn)延誤導致延期交貨而產(chǎn)生的成本。公式（1）中的Factor1、Factor2、Factor3分別表示生產(chǎn)成本、設(shè)置成本、延期成本的權(quán)重因子，這些因子在系統(tǒng)中可以進行設(shè)置。

在進行訂單LinkUp選擇時，若一個訂單有多個LinkUp，但沒有一個LinkUp能夠按時完成該訂單，此訂單將被自動分解，剩余數(shù)量被分配到其它最優(yōu)的LinkUp上加工。

3）換牌優(yōu)化

經(jīng)過 LinkUp優(yōu)化選擇后，確定了訂單的加工路徑（LinkUp）。有的LinkUp上被安排了多個生產(chǎn)訂單，就需要考慮LinkUp上的訂單加工順序問題。即通過計算各種加工順序的換牌成本，確定訂單在LinkUp上的順序，換牌成本計算見公式（2）：

換牌成本表示在此加工順序下LinkUp加工節(jié)點由一種牌號更換為另一種牌號的成本；延期成本表示在此加工順序下由于延期交貨所造成的成本。Factor1和factor2為兩種成本的權(quán)重因子。

2.3 APS功能設(shè)計

一般而言，APS需要提供工廠建模、自動排產(chǎn)、人工調(diào)整、滾動計劃等功能，結(jié)合煙草生產(chǎn)的特點具體功能定義如下：

2)自動作業(yè)排產(chǎn)是APS的計算核心，它的功能是根據(jù)工廠模型、產(chǎn)品定義、交貨期限、訂單優(yōu)先級、實時生產(chǎn)狀態(tài)等各方面的信息，自動地對生產(chǎn)訂單進行分解，為生產(chǎn)訂單自動選擇生產(chǎn)路徑（LinkUp），并合理的安排LinkUp上的作業(yè)單的生產(chǎn)順序。

3)人工調(diào)整正是對自動排產(chǎn)引擎的一個重要補充：可以將訂單固定到某一生產(chǎn)鏈路上，也可以調(diào)整訂單的計劃開始時間。該功能一方面既能充分利用調(diào)度人員豐富的工作經(jīng)驗與智慧，另外一方面能夠及時處理軟件系統(tǒng)不能解決的設(shè)備故障、緊急換牌等突發(fā)事件，增強系統(tǒng)的柔性；

4)滾動計劃:現(xiàn)場的生產(chǎn)總是瞬息萬變的，設(shè)備故障，物料短缺等現(xiàn)象時有發(fā)生，這些意外因素決定了APS的作業(yè)計劃時間與實際的生產(chǎn)進度總是有偏差的。因此，APS需要周期性獲取到各工序設(shè)備上的作業(yè)計劃執(zhí)行情況，根據(jù)作業(yè)計劃的實際執(zhí)行進度，實時校正所有作業(yè)計劃的計劃時間，保證APS計劃與實際生產(chǎn)的實時同步。所以，APS需要提供實時的滾動作業(yè)的功能。APS滾動作業(yè)功能包括獲取執(zhí)行進度信息、校正計劃時間、刷新進度。

3 基于APS的MES系統(tǒng)

MES是位于上層管理計劃系統(tǒng)和底層工業(yè)控制系統(tǒng)之間的、面向車間層的管理信息系統(tǒng)，它為管理人員、操作人員提供計劃的執(zhí)行、跟蹤及各種資源（人、材料、設(shè)備、客戶需求等）的當前狀態(tài)信息。煙草行業(yè)已實施了多個MES系統(tǒng)，通過MES系統(tǒng)企業(yè)對生產(chǎn)過程的實時控制能力獲得了極大的提高。但是，由于MES系統(tǒng)缺少排產(chǎn)引擎，其排程功能只是將原來的人工操作移植入系統(tǒng)中，導致MES作業(yè)排產(chǎn)的實時性及準確性還達不到精益生產(chǎn)、敏捷制造的要求。當生產(chǎn)過程中發(fā)生設(shè)備故障、緊急插單、物料短缺或者人員配備不齊時，還是無法對原有的生產(chǎn)計劃及時進行調(diào)整，這影響到企業(yè)的生產(chǎn)甚至訂單交貨。因此，MES有必要集成APS，利用其高級計劃及優(yōu)化功能來解決生產(chǎn)過程中的自動作業(yè)排程及實時調(diào)度問題。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于流程驅(qū)動的系統(tǒng)設(shè)計思路，在綜合分析卷煙生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計MES系統(tǒng)總體功能框架，如圖3所示。整體上該架構(gòu)體現(xiàn)了“一個中心、兩條主線”的系統(tǒng)功能架構(gòu)。一個中心是企業(yè)制造數(shù)據(jù)中心，MES基于生產(chǎn)全過程構(gòu)建企業(yè)數(shù)據(jù)中心，支持企業(yè)生產(chǎn)性能分析。兩條主線包括以生產(chǎn)計劃、調(diào)度執(zhí)行為主線的生產(chǎn)調(diào)度管理和以質(zhì)量管理為主線的生產(chǎn)質(zhì)量管理。以對生產(chǎn)過程中的人力資源管理、設(shè)備維護管理和物料管理為主要內(nèi)容的生產(chǎn)資源管理，是MES系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能。生產(chǎn)調(diào)度主線以APS作業(yè)排程結(jié)果為基礎(chǔ)展開生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)，支持“面向訂單生產(chǎn)”的模式，實現(xiàn)企業(yè)“訂單接受－作業(yè)排程－作業(yè)單下發(fā)執(zhí)行－作業(yè)單反饋－訂單作業(yè)排程”的閉環(huán)作業(yè)流程。

3.2 系統(tǒng)集成分析

從上圖架構(gòu)的層次關(guān)系來看，MES層是處于ERP層與PCS層之間的中間層，是實現(xiàn)管理層與現(xiàn)場操作層之間信息溝通的橋梁。為此MES需要實現(xiàn)與上層ERP以及底層控制系統(tǒng)的無縫集成，發(fā)揮信息化整體協(xié)同的效果；另外，作為MES的排產(chǎn)引擎，APS需要無縫融入MES框架內(nèi)。系統(tǒng)集成需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息及業(yè)務(wù)流程等3個層次的集成。

圖3 MES功能框架Fig.3 Function of MES framework

ERP與APS、MES緊密聯(lián)系的功能模塊包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計劃、物流管理、設(shè)備管理等模塊，APS與MES之間也需要在生產(chǎn)調(diào)度方面進行集成。MES、APS與ERP的集成接口采用基于XML的Web Service組件技術(shù)，該方式適合于分布式的Internet數(shù)據(jù)交互環(huán)境，是比較成熟的、適合未來發(fā)展趨勢的接口技術(shù)。MES系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)之間需要實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳遞，MES能夠向自動化系統(tǒng)發(fā)出作業(yè)計劃、作業(yè)指令、工藝參數(shù)、控制參數(shù)等；自動化系統(tǒng)返回生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)作業(yè)執(zhí)行進度、過程質(zhì)量數(shù)據(jù)、設(shè)備運行信息、物料消耗信息等。MES與自動化控制系統(tǒng)的集成采Web Service及OPC相結(jié)合的技術(shù)，對于實時性要求高的集成采用OPC技術(shù)，而其它集成采用Web Service技術(shù)。

3.3 基于軟件系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度流程

對于一個面向訂單生產(chǎn)的企業(yè)來說，“以銷定產(chǎn)，以產(chǎn)定購”是其經(jīng)營管理的主要特色，信息系統(tǒng)必須將物流、信息流、資金流有機整合，實現(xiàn)訂單快捷地貫穿始終，形成管理層、調(diào)度層以及控制層的上下通暢的信息通道。APS提供生產(chǎn)計劃的作業(yè)排程，產(chǎn)生最優(yōu)的、可執(zhí)行的、詳細的生產(chǎn)作業(yè)計劃，MES及時、準確地調(diào)度APS的生產(chǎn)作業(yè)計劃。集成APS的MES系統(tǒng)實現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)的運作，提升了生產(chǎn)調(diào)度的實時性、準確性，對于企業(yè)生產(chǎn)管理而言，是一次具有積極意義的革新。

系統(tǒng)設(shè)計的調(diào)度流程見圖4，該流程是一個滾動的、閉環(huán)的流程，流程主要包括：1）接收并管理ERP系統(tǒng)下達的生產(chǎn)訂單，同時反饋給ERP已有生產(chǎn)訂單的執(zhí)行狀況；2）在一定的約束條件下（訂單交貨期、資源約束等），依據(jù)工廠生產(chǎn)模型，APS自動產(chǎn)生針對各個生產(chǎn)單元的、最優(yōu)的、可執(zhí)行的生產(chǎn)作業(yè)計劃；3）將生產(chǎn)作業(yè)計劃以及物料計劃分別下發(fā)到生產(chǎn)車間（包括制絲車間、卷包車間）以及物流部門，生產(chǎn)車間根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)計劃進行作業(yè)調(diào)度，物流部門根據(jù)作業(yè)計劃進行備料、調(diào)度；4）現(xiàn)場管控系統(tǒng)接受并執(zhí)行下達至工作中心的作業(yè)單，同時采集現(xiàn)場生產(chǎn)運行狀況，反饋給APS系統(tǒng)生產(chǎn)執(zhí)行狀況，包括資源狀態(tài)、作業(yè)單執(zhí)行進度等信息，現(xiàn)場執(zhí)行狀況反過來又約束和影響APS的排程。

圖4 基于信息平臺的生產(chǎn)調(diào)度框架Fig.4 Production scheduling framework based on information platform

與以往的人工調(diào)度流程相比，基于信息平臺的調(diào)度流程更及時、更準確，同時使管理人員從日常事務(wù)中解放出來，從事更有意義的生產(chǎn)分析及決策工作。

4 結(jié)束語

該卷煙企業(yè) MES系統(tǒng)的應(yīng)用表明，“集成 APS打造MES排產(chǎn)引擎”的思路是先進、可行的。按照這個思路來實施煙草企業(yè)MES系統(tǒng)，企業(yè)的生產(chǎn)指揮調(diào)度及時性、準確性得到了提高，可在較大程度上優(yōu)化煙草企業(yè)的生產(chǎn)資源配置，提升企業(yè)生產(chǎn)管理水平。進而提高企業(yè)的資源利用率，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)過實施MES系統(tǒng)，也能夠重塑企業(yè)組織結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度流程以及物流的優(yōu)化。隨著APS以及MES技術(shù)、模型的成熟，集成APS的MES信息化平臺在煙草行業(yè)的應(yīng)用將會越來越廣泛。

[1]劉千,丁會柱,吳晟睽.基于ARM的智能化公寓安防測控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2011,19(13):152-156. LIU Qian,DING Hui-zhu,WU Sheng-kui.Design of apartment ARM-based intelligent protection alert measurement and controlling system [J].Electronic Design Engineering, 2011,19(13):152-156.

[2]趙剛,張坤,孫全建.智能化網(wǎng)絡(luò)在煙草行業(yè)的研究和應(yīng)用[J].中國信息界,2012,207(3):44-47. ZHAO Gang,ZHANG Kun,SUN Quanjian.The research and application of intelligent network in tobacco industry[J].China information industry,2012,207(3):44-47.

[3]毛霖,李文權(quán).基于灰關(guān)聯(lián)分析的公交智能化調(diào)度評價方法[J].東南大學學報：自然科學版,2011,41(1):190-194. Mao Lin,Li Wenquan.Evaluation method of transit intelligent dispatching based on gray relation analysis[J].Journal of Southeast University:Natural Science Edition,2011,41(1): 190-194.

[4]胡青霞,丁香乾,侯瑞春.基于物聯(lián)技術(shù)的MES可視化系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(16):49-53. HU Qingxia,DING Xiangqian,HOU Ruichun.Research of MES visualization system based on Internet of Things technology[J].Modern Electronics Technique,2013,36(16):49-53.

[5]王洪彬,陳世軍,劉強.一種集成多功能控制電路的智能化CMOS圖像傳感器設(shè)計 [J].科學技術(shù)與工程,2012,12(14): 3478-3482. WANG Hong-bin,CHEN Shi-jun,LIU Qiang.Design of intelligent APS CMOS image sensor chip integrated with multifunction control circuit[J].Science Technology and Engineering,2012,12(14):3478-3482.

[6]趙超,陳壽元,邵增珍.基于ARM、ZigBee技術(shù)的機場智能化驅(qū)鳥系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2013,21(8):184-188. ZHAO Chao,CHEN Shou-yuan,SHAO Zeng-zhen.Bird system based on ARM and ZigBee technology airport intelligent [J].Electronic Design Engineering,2013,21(8):184-188.

[7]羅杰,施羅德.運作管理[M].北京:北京大學出版社,2013.

[8]蔡穎.APS供應(yīng)鏈優(yōu)化引擎[M].廣東：廣東經(jīng)濟出版社,2004.

[9]劉亮,齊二石.基于APS與MES集成的車間生產(chǎn)計劃和調(diào)度方法研究[J].網(wǎng)絡(luò)化制造,2006,12(9):24-29. LIU Liang,QI Ershi.Research on Production Planning and Scheduling Based on APS and MES[J].Manufacture Under Networking,2006,12(9):24-29.

[10]王法.聶榮.袁德成,APS理論與應(yīng)用[M].北京:科學出版社, 2011.

The construction of intelligent MES system based on APS

ZHOU Jiang-jian
（Xuzhou Cigarette Factory,China Tobacco Jiangsu，Xuzhou 221005,China）

At present,the domestic tobacco industry is undergoing a merger reorganization of revolution,which brought to the tobacco enterprise challenge is the need to more agile response to the sales and production of the balance of supply and demand,the need for more timely and accurate prediction of production capacity and material requirements,needs a more unified and effective real-time production control ability,need more agile production early warning and online analysis ability etc..In this case,the original MES system,which record process information and realize the information of manual management process,has been apparently unable to adapt to this change.Therefore,based on the practical experience of certain tobacco industry MES system,put forward the construction of intelligent tobacco MES idea,namely,through the introduction of powerful optimization and calculation function of APS engine,strengthen the capacity and prospective ability,optimizing control for the entire production plan of MES system,and provide intelligent decision support for the production management personnel,enhance the management level of enterprises.According to the actual situation of tobacco production,provide the function framework,integration method and scheduling process of intelligent tobacco MES system.

tobacco；scheduling；Manufacture Execution System；Advanced Planning System

TN403

A

1674－6236（2015）07-0077-05

2014-07-21 稿件編號：201407159

周江建(1976—)，男，江蘇徐州人，碩士，工程師。研究方向：企業(yè)信息化、生產(chǎn)運作管理等。