金劍，邱仕強，金龍，李存華，呂小波，楊開偉

(紅塔集團玉溪卷煙廠，云南 玉溪 653100)

1 卷煙生產(chǎn)建模仿真的意義

由于卷煙生產(chǎn)的復(fù)雜性、約束性、多目標(biāo)、建模困難等特點，很難用一個精確的數(shù)學(xué)解析模型進行描述分析。需要為生產(chǎn)調(diào)度提供一個方便、快捷、交互直觀的分析驗證平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化。當(dāng)前，利用計算機仿真技術(shù)對卷煙生產(chǎn)調(diào)度進行仿真優(yōu)化已成為解決該類問題的主要手段。借助仿真模型，在給定設(shè)備資源、各種生產(chǎn)訂單、工藝約束條件下，通過對仿真運行收集數(shù)據(jù)，就能對實際系統(tǒng)進行性能、狀態(tài)方面的分析，從而采取合適的控制方法，實現(xiàn)各種優(yōu)化目標(biāo)：如總流程時間最短（目標(biāo)），換牌次數(shù)最少，生產(chǎn)成本最低，提高設(shè)備運行效率，以達(dá)到產(chǎn)能均衡的目的。

2 卷煙生產(chǎn)流程簡介

卷煙的生產(chǎn)流程復(fù)雜，從工藝上，可以將整個生產(chǎn)線抽象為制絲和卷接兩個環(huán)節(jié)。它們中間采用儲絲柜作為緩存區(qū)，存儲半成品煙絲，再通過加絲機對卷包進行煙絲供應(yīng)。

制絲生產(chǎn)主線主要包括煙葉真空回潮、葉片超回、加料、切絲、烘絲、混絲加香、煙絲入柜等5個工序段。各工段通過輸送皮帶運輸，采用電子秤控制流量，工藝段之間有儲柜暫存煙絲，以滿足工藝所需的存儲醇化時間。

卷煙生產(chǎn)調(diào)度的特點：

（1）復(fù)雜性。卷煙生產(chǎn)涉及多階段，生產(chǎn)BOM復(fù)雜，包括離散式生產(chǎn)模型，如卷包機組排產(chǎn)，主要是解決多機組，多資源的優(yōu)化調(diào)度問題；流程式模型，如制絲線生產(chǎn)，主要是解決多線任務(wù)分配與排序優(yōu)化問題；同時，包括物料供應(yīng)，高架庫物流輸送及設(shè)備之間的相互連鎖。

（2）動態(tài)的隨機性。如突發(fā)設(shè)備故障。

（3）多目標(biāo)性。生產(chǎn)周期最短、生產(chǎn)成本最低。

（4）多約束。資源的數(shù)量、緩存的容量、工藝路徑約束。

卷煙生產(chǎn)主要采用規(guī)則對訂單批次進行人工排產(chǎn)，在考慮約束條件下，確定每道工序的加工任務(wù)、順序和工時，設(shè)備的任務(wù)分配，負(fù)荷勻衡，但是由于人工調(diào)度方案的局限性，因此要給出方案，仿真運行，對仿真結(jié)果進行綜合評估，驗證方案的合理性和可操作性。

3 生產(chǎn)建模分析

仿真項目是由若干相關(guān)的仿真模型及其所使用到的各類對象構(gòu)成的一個整體。建模步驟包括：（1）構(gòu)建模型；（2）調(diào)試模型；（3）運行模型；（4）修改模型。

3.1 面向?qū)ο蟮慕７椒ǚ治?/h3>

對于基于仿真的卷煙生產(chǎn)計劃系統(tǒng)而言，車間資源及加工任務(wù)的建模是基礎(chǔ)，通過工藝規(guī)程將它們連接起來。在實現(xiàn)的過程中，采用統(tǒng)一建模語言UML對卷煙生產(chǎn)中各對象進行分析。

（1）資源建模。車間是由加工單元組成的，加工單元則是由一臺或多臺設(shè)備組成，資源的對象模型如圖1(a)所示，包括資源對象關(guān)系、加工單元對象模型、設(shè)備對象模型。

圖1 車間資源與任務(wù)對象模型

（2）加工任務(wù)建模。加工任務(wù)是卷煙生產(chǎn)對象，它在車間中各加工設(shè)備之間進行流轉(zhuǎn)，其對象模型如圖1(b)所示。在其屬性中，任務(wù)編號是加工任務(wù)的唯一標(biāo)識，當(dāng)前工序號是加工任務(wù)當(dāng)前等待處理的或正在處理的工序號，當(dāng)前設(shè)備則是完成當(dāng)前工序操作所分配的設(shè)備。

3.2 層式結(jié)構(gòu)建模

由于生產(chǎn)的復(fù)雜系統(tǒng)，采用層式結(jié)構(gòu)來建模，分兩層進行建模，頂層組要是車間生產(chǎn)布局，不考慮具體設(shè)備細(xì)節(jié)。如對卷包生產(chǎn)，上層是整個車間仿真模型，卷包機并不顯示，而是采用圖標(biāo)代替整個加絲機組，具體卷包機組由下一個子模型來描述，子模型可以復(fù)用。下層模型在上層模型窗體Frame中用圖標(biāo)表示，層與層采用Interface對象連接。

層式結(jié)構(gòu)具有如下特點：（1）可以和真實系統(tǒng)層次關(guān)系很好的對應(yīng)起來；（2）可采用自頂向下的方式，進行復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)，不斷完善；（3）方便對象與模型重用，如對散布在不同加絲機上的卷包設(shè)備，只要對設(shè)備進行抽象，生成對象，就可以在不同加絲機上重復(fù)使用。

4 建模實現(xiàn)（卷包加絲機+制絲混合模型）

4.1 制絲生產(chǎn)模型

eM-Plant采用面向?qū)ο蠓绞?，?gòu)建層次合理制絲流程模型。建模對象是數(shù)據(jù)和操作的集合，包括屬性和事件(方法)，通過調(diào)用Method信息流對象來控制仿真模型的動作和流程。系統(tǒng)的主要采用了四類對象：即物流、信息流、服務(wù)以及移動對象(MU)。在構(gòu)建仿真平臺時，對制絲線模型進行了必要的簡化處理，是在不改變原有生產(chǎn)流程邏輯的情況下對原有生產(chǎn)流程的合理簡化，使建立的數(shù)學(xué)模型仿真平臺和實際系統(tǒng)相符合。該模型，繼承了eM-Plant常用模塊類，分別建立加工設(shè)備、儲柜、輸送帶等模塊，6大工序設(shè)備采用SingleProc類表示；儲柜采用Buffer來表示；同時，采用SimTalk語言編寫M塊實現(xiàn)程序邏輯控制。將需要調(diào)度的煙絲批次任務(wù)設(shè)計在“訂單表”的Delivery中，該表多列組成，分別記錄工件的投放時間、所用的MU單元、工件數(shù)量、名稱和加工成本，表列的屬性設(shè)為表對象，記錄工件的工藝路線。設(shè)備加工時間表：存放卷煙批次在各個加工單元的準(zhǔn)備和加工時間數(shù)據(jù)?！昂娼z機工序路徑判斷”由Method程序?qū)ο骴istribute實現(xiàn)，它根據(jù)加工任務(wù)表中的工件的工藝路線決定煙絲下一步流向的對象。

4.2 卷包生產(chǎn)仿真模型

對卷包生產(chǎn)實質(zhì)上是卷煙工單與加工設(shè)備兩者的匹配。模型中待加工的卷煙批次屬于移動對象(MU)，利用移動單元的Entity進行建模，卷包機采用SingleProc類建模，在SingleProc中建立該加工單元的加工、準(zhǔn)備時間、故障恢復(fù)時間、卷煙進出該加工單元的動作等，實現(xiàn)加工設(shè)備進行仿真；貯絲柜采用Buffer來表示；而分流對象FlowControl則充當(dāng)卷煙加工工藝調(diào)度員的角色，它根據(jù)卷煙加絲機的連接情況與機臺能力的大小，負(fù)責(zé)將煙絲送到相應(yīng)的卷包單元加工。采用SimTalk語言編寫M塊實現(xiàn)任務(wù)路徑控制、換牌次數(shù)計算、生產(chǎn)成本計算等；表格Delivery存儲“待加工卷煙批次”，包括規(guī)格、名稱和數(shù)量、加工路徑限制等信息；表table存放各設(shè)備加工、換牌時間。整個模型如圖2所示，系統(tǒng)的建模采用自頂向下的建模方法，系統(tǒng)分為兩層，頂層是車間，第二層是加工設(shè)備。卷接、包裝機按車間布置，組合成卷包加工單元，卷包加工單元與加絲機按從屬關(guān)系連接成加絲機單元。如圖2右上方，加絲機JS1與其所供絲的卷接機PROTOS、包裝機GDH1000設(shè)備組成一套生產(chǎn)單元，加工單元的設(shè)備選擇由分流對象FlowControl完成，充當(dāng)卷煙批次加工調(diào)度的角色。車間層與加絲機設(shè)備單元層之間采用Interface對象連接。加工任務(wù)工序路徑、設(shè)備任務(wù)隊列排序通過編寫Method方法來實現(xiàn)，Method由設(shè)備事件觸發(fā)控制。除了加絲機生產(chǎn)單元外，還對物流輸送、封箱機、組架機器人、環(huán)形穿梭車等設(shè)備進行了建模，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)流程的模擬。通過建立的模型運行給定方案，可以觀察整個卷煙生產(chǎn)流程的生產(chǎn)情況，仿真結(jié)束時，還可以收集各主要機器的實際利用率、負(fù)荷、成本等數(shù)據(jù)，以此作為生產(chǎn)計劃優(yōu)化的依據(jù)。

圖2 卷煙生產(chǎn)分層模型

5 仿真效果評估

運行流程：根據(jù)排產(chǎn)方案，加載生產(chǎn)訂單、工藝信息和設(shè)置相應(yīng)的模型仿真參數(shù)；模型仿真運行后，通過各種圖形、表格對仿真指標(biāo)進行分析，如果沒有滿足優(yōu)化指標(biāo)，則調(diào)整排產(chǎn)方案后，重復(fù)進行。仿真的運行采用EventControler進行交互控制。通過建立模型平臺，可實際評估全生產(chǎn)流程運行情況，測試各種模型參數(shù)對生產(chǎn)運行的影響。該仿真模型可以作為生產(chǎn)決策的有效驗證手段。仿真結(jié)果評估包括甘特圖、設(shè)備效率、儲柜煙絲批次變化趨勢圖等?？梢苑治鲈O(shè)備的實際利用率，生產(chǎn)、空閑時間，這些數(shù)據(jù)可以作為優(yōu)化生產(chǎn)計劃的有效根據(jù)。

（1）卷煙批次排產(chǎn)甘特圖，給出了不同規(guī)格批次卷煙任務(wù)在加絲機1-6上的分配方案。通過窗口，可以精確地查看每一規(guī)格批次生產(chǎn)任務(wù)詳細(xì)排產(chǎn)信息，同時，也給出了設(shè)備故障對生產(chǎn)的影響，這為生產(chǎn)提供了精確參考。也可甘特圖上對卷煙批次任務(wù)在加絲機上的分配進行靈活的拖動調(diào)整。根據(jù)卷煙排產(chǎn)甘特圖，再結(jié)合貯絲柜狀態(tài)、卷煙對煙絲的物料需求計劃，可為煙絲生產(chǎn)與卷煙生產(chǎn)的銜接提供準(zhǔn)確指導(dǎo)。

（2）仿真運行給出了方案對應(yīng)的加絲機設(shè)備的工作、切換、等待、阻塞、故障時間百分比。好的分配方案，使所有設(shè)備具有很高的工作效率，不存在某些設(shè)備長時間處于等待狀態(tài)，因此，如何對各規(guī)格卷煙排產(chǎn)是提高設(shè)備生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。

（3）制絲排產(chǎn)甘特圖，給出煙絲批次排產(chǎn)順序與工藝路徑分配方案。潤葉等設(shè)備模型對象根據(jù)故障占比，給出了對生產(chǎn)影響的評估，也可精確地反應(yīng)每批煙絲每個工序設(shè)備上的處理時間。制絲儲柜占用趨勢圖，為絲柜的調(diào)度提供了事前參考，使生產(chǎn)調(diào)度具有可預(yù)見性。

當(dāng)同一流水線加工多種煙絲，并且每種煙絲在各道工序的加工時間差異較大時，瓶頸就會在各道工序中發(fā)生變化，對批次投產(chǎn)順序進行優(yōu)化對提高設(shè)備運行效率有重要影響。

6 結(jié)語

通過建立卷煙生產(chǎn)仿真平臺，為生產(chǎn)調(diào)度方案提供了一種透明化的事前分析和綜合評價評估手段，借助該模型平臺可以對卷煙生產(chǎn)流程進行可控的、耗費小的重復(fù)的試驗，直觀、快捷地優(yōu)化各種生產(chǎn)調(diào)度，彌補實際生產(chǎn)前不能對方案進行評估的缺點，為卷煙精益化生產(chǎn)提供了有效的手段。通過模型可以找出好的生產(chǎn)方案，滿足不同生產(chǎn)目標(biāo)要求，提高設(shè)備的運轉(zhuǎn)效率，減少切換時間。