單 航，周 睿，沈 毅，耿 建，張寶坤，丁 吉，周凡利

（1.蘇州同元軟控信息技術有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.湖南中煙工業(yè)有限責任公司長沙卷煙廠，湖南 長沙 410007）

0 引言

在傳統(tǒng)工廠規(guī)劃中，物流規(guī)劃一般是由設計院協(xié)同業(yè)主依靠經(jīng)驗進行統(tǒng)一規(guī)劃，但物流規(guī)劃方案是否科學合理尚缺乏有效驗證方式，導致設計階段的一些隱性問題難以暴露，如節(jié)拍瓶頸障礙、物流路徑不通暢等［1］。工廠承擔著供應鏈中的核心制造環(huán)節(jié)，在面對復雜多變的市場需求時，工廠的響應往往會稍顯滯后，且響應后的資源調(diào)度如果考慮不周，將會導致人力、設備等資源浪費，使流程更加繁瑣，而仿真技術便是支撐這些設計與決策的有力工具［2］。

國內(nèi)煙草行業(yè)對于物流規(guī)劃均采用相關仿真軟件進行分析與論證，例如劉劍敏等［3］在自動化高架庫智能物流系統(tǒng)設計中運用AutoMod 仿真軟件對制絲各環(huán)節(jié)工藝模式進行整合，形成了一套與生產(chǎn)無縫對接的自動化系統(tǒng)，同時預留了信息接口，提高了系統(tǒng)的可塑性；楊姣等［4］針對煙草物流配送中心場地限制和分揀效率低下等問題，運用Plant Simulation 仿真軟件建立煙草柔性分揀系統(tǒng)模型，通過仿真分析得到分揀效率受到限制的瓶頸工位，利用添加緩存區(qū)和增加碼垛工位的方法對分揀系統(tǒng)進行初步優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，該優(yōu)化方法顯著提高了分揀效率，縮短了配送時間，能夠很好地滿足煙草物流配送中心的分揀要求；歐陽世波等［5］以降低成品卷煙物流調(diào)度成本為目標，綜合考慮實際運輸調(diào)度中的各項因素影響，建立物流調(diào)度規(guī)劃數(shù)學模型，并通過食肉植物智能優(yōu)化算法進行仿真實驗求解，得到的車輛路徑規(guī)劃方案可有效減少企業(yè)物流成本以及物流活動中的碳排放量。

綜上所述，在煙草行業(yè)，物流規(guī)劃層面的仿真可以切實解決實際生產(chǎn)過程中遇到的問題。由于物流仿真軟件具有專業(yè)性強、仿真規(guī)模有限等特點，更多的是針對單點場景進行仿真分析，很難涉及全工廠多領域的仿真［6］。然而在數(shù)字化工廠的建設中，生產(chǎn)物流仿真不僅涉及物流規(guī)劃等邏輯層面的影響，而且過程涉及物流、信息、能源、控制等多個領域，單純依靠物流仿真軟件很難實現(xiàn)工廠層面多要素之間的協(xié)調(diào)與決策［7］，因此亟需探索出一條能夠進行多領域多要素統(tǒng)一建模、快速仿真的技術路線。

Modelica 是一種面向?qū)ο?、基于方程的開放型計算機語言［8］，可以跨越不同領域方便地實現(xiàn)復雜物理系統(tǒng)的建模，包括機械、電子、電力、液壓、熱能、控制及面向過程的子系統(tǒng)模型，直接支持基于框圖、函數(shù)、面向?qū)ο蠛徒M件的建模，基于端口與廣義基爾霍夫網(wǎng)絡機制支持多領域統(tǒng)一建模［9］，并且以庫的形式支持鍵合圖和Petri 網(wǎng)表示。Modelica 語言的仿真能力在復雜物理系統(tǒng)建模領域得到了充分驗證［10］。本文旨在采用Modelica 語言構(gòu)建一套煙廠卷包車間設備生產(chǎn)物流仿真模型，以現(xiàn)有車間數(shù)據(jù)為基準對模型進行校驗，并為實際生產(chǎn)規(guī)劃提供一些指導建議。該仿真模型的適用性若能在生產(chǎn)物流行業(yè)等偏邏輯層面得到驗證，未來可通過Modelica 語言構(gòu)建一套工廠級多要素的仿真平臺。

1 卷包車間生產(chǎn)與物流

1.1 卷包車間生產(chǎn)流程

在卷煙工廠中，卷包車間承擔著從煙絲到煙支，再到煙包與煙條，最終形成件煙匯流至成品立庫的整個工藝流程。煙絲在制絲車間生產(chǎn)處理之后通過皮帶輸送至成品煙絲庫，通過工藝平衡經(jīng)由風力送絲系統(tǒng)輸送至卷包機組，以完成煙支的卷制以及煙包、煙條的成型工作［11］。成型后的煙條通過條煙輸送線輸送至裝封箱機中進行裝箱，然后通過分揀、碼垛后進入成品立庫暫存。

1.2 卷包車間物流流程

卷包車間整體生產(chǎn)系統(tǒng)屬于離散系統(tǒng)，不同設備需要不同物料進行煙支煙包的加工。各種物料主要通過輔料立庫進行配盤暫存，然后根據(jù)機臺需要由輸送機、穿梭車以及自動導向車（Automated Guided Vehicle，AGV）將輔料托盤運送至設備站臺。部分工廠的AGV 還承擔著廢料桶與廢煙桶的回收任務。對于半成品的轉(zhuǎn)移，不同設備之間一般采用輸送鏈板、管道等方式進行輸送，以滿足車間生產(chǎn)的自動運輸需求。

2 卷包車間物流模型

2.1 系統(tǒng)仿真軟件

目前主流仿真軟件來自于美國、德國、法國等。離散事件系統(tǒng)仿真軟件中，美國的FLEXSIM［12］、德國的Plant Simulation［13］、法國達索DELMIA［14］、俄羅斯的Anylogic［15］等占據(jù)龍頭地位，以其強大的功能成為工廠規(guī)劃、物流分析等場景的重要仿真工具，但缺少適應煙草行業(yè)的模型庫。主流物流仿真軟件在煙草行業(yè)的應用存在一定局限性：其一是不具備多種類型物料混合仿真能力，目前煙草行業(yè)涉及的物料以流體、散狀流體、離散物料為主，物流仿真軟件僅能實現(xiàn)部分流體與離散物料的仿真建模；其二是通用軟件功能與實際生產(chǎn)仿真需求不匹配，目前工廠僅需通用軟件30%左右的功能便能完成相關建模工作，多余功能在投資上造成了浪費；其三是傳統(tǒng)物流仿真軟件缺少對其他領域（如能源、設備等）機理的建模能力，功能局限在對廠房物流的規(guī)劃方面，僅適用于單一的物流場景仿真。若想構(gòu)建一套工廠級多要素的仿真平臺，僅依靠主流物流仿真軟件無法實現(xiàn)，因此本文選擇基于Modelica 語言開發(fā)的MWORKS 軟件構(gòu)建數(shù)字工廠。

2.2 模型庫建設整體流程

利用MWORKS.Sysplorer 軟件對卷包生產(chǎn)物流系統(tǒng)組件進行開發(fā)。模型庫建設流程如圖1 所示。自頂向下地將卷包生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)分解至元件級，根據(jù)分解結(jié)果設計模型庫架構(gòu)，然后通過自底向上的元件集成形成部件、子系統(tǒng)乃至系統(tǒng)模型。

Fig.1 Model library construction process圖1 模型庫建設流程

2.3 卷包車間生產(chǎn)物流系統(tǒng)分解

卷包生產(chǎn)物流系統(tǒng)包括喂絲機、風力送絲系統(tǒng)、卷接機、裝/卸盤機、包裝機、條煙輸送系統(tǒng)、封裝箱機、輔料高架庫、AGV 配送系統(tǒng)、FLC 濾棒交換站、濾棒成型機、人工喂絲、人工喂濾棒等設備，根據(jù)各設備進行自頂向下的系統(tǒng)分解［16］。參考傳統(tǒng)物流仿真軟件建模方式，對設備各組件邏輯特征進行抽象處理，形成一部分通用的底層模型組件。例如卷接機的VE 料斗、濾棒料斗，裝卸盤機等設備均是用于緩存物料的，因此可將其統(tǒng)一抽象為緩存器通用底層模型組件；輸送線、皮帶、管道等輸送設備抽象為傳送器的通用底層模型組件；煙支、煙包、煙條的生產(chǎn)過程抽象為合成器的通用底層模型組件。此外，觸發(fā)器、消除器、分解器等用于表示生產(chǎn)過程中的不同業(yè)務邏輯［17］，模型庫通用組件如表1所示。

Table 1 List of common components表1 通用組件列表

卷包車間生產(chǎn)物流系統(tǒng)分解具體如圖2所示。

Fig.2 Decomposition of the production logistics system in the rolling and packaging workshop圖2 卷包車間生產(chǎn)物流系統(tǒng)分解

2.4 系統(tǒng)集成

通過自底向上的方式對設備模型乃至系統(tǒng)模型進行集成。首先基于基礎組件，按照設備的運行邏輯分機型設備進行仿真模型構(gòu)建，并根據(jù)實際業(yè)務邏輯對設備模型參數(shù)進行定義，不同參數(shù)可以表達同工序但不同機型的生產(chǎn)邏輯，形成可復用的設備組件模型；然后根據(jù)設備的邏輯關系集成產(chǎn)線模型；最后根據(jù)現(xiàn)場實際布置圖完成整個車間的系統(tǒng)模型集成。目前根據(jù)卷包車間的實際設備完成了設備模型的邏輯建模，并實現(xiàn)了產(chǎn)量統(tǒng)計、輔料消耗設置、故障率設置、托盤配盤信息設置、AGV 控制邏輯等功能。車間設備模型如表2所示。

Table 2 Workshop equipment model表2 車間設備模型

3 卷包車間生產(chǎn)物流仿真分析

3.1 仿真場景

某卷煙廠由于規(guī)格調(diào)整，對現(xiàn)有工廠區(qū)域進行優(yōu)化布局，劃定一塊區(qū)域作為新規(guī)格的生產(chǎn)專線，并配套相應的物流配送系統(tǒng)，現(xiàn)通過仿真對配送系統(tǒng)的設備選型與托盤配比進行驗證。

3.2 仿真模型設計

3.2.1 車間系統(tǒng)集成流程

以工藝流程與設備布局為基準，對照改造產(chǎn)線生產(chǎn)相關參數(shù)，利用卷包車間生產(chǎn)物流模型庫中的已有模型，通過拖拽的方式根據(jù)產(chǎn)線的物理拓撲對設備模型組件進行連接，形成改造產(chǎn)線的系統(tǒng)仿真模型。本次仿真分析所需的產(chǎn)線模型如圖3所示。

Fig.3 Production line model圖3 產(chǎn)線模型

3.2.2 系統(tǒng)模型假設

為聚焦關鍵問題，本文針對系統(tǒng)模型作出如下假設：①生產(chǎn)安排按照滿勤進行，生產(chǎn)設備不會由于人為原因或維保導致停機；②設備按照設定的故障率產(chǎn)生故障；③仿真開始時托盤上各類輔料為出庫時堆滿狀態(tài)；④輔料庫中各類輔料無限大，不會出現(xiàn)輔料缺少的情況；⑤AGV 不會出現(xiàn)故障，且運行過程中不會發(fā)生碰撞。

3.2.3 系統(tǒng)模型驗證

為驗證模型的準確性，以1天3個班組18.5 h的形式對產(chǎn)線模型進行仿真，統(tǒng)計包裝機每小時生產(chǎn)的條煙數(shù)量。為減少誤差，試驗重復進行10 次后取平均值，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，單條產(chǎn)線平均每小時可生產(chǎn)1 978.15 條香煙。根據(jù)實地調(diào)研可知，該卷煙廠單條中速機產(chǎn)線每小時可生產(chǎn)39～40 件香煙，每件香煙50 條，即每小時可生產(chǎn)1 950～2 000 條香煙，仿真數(shù)據(jù)在生產(chǎn)范圍內(nèi)，由此可判斷所建立模型具有較高的置信度。

Table 3 Simulated output per unit production line per hour表3 單產(chǎn)線每小時仿真產(chǎn)量

3.3 仿真分析

3.3.1 配盤分析

在卷煙生產(chǎn)中，新產(chǎn)線機臺輔料托盤分為單一品種配盤和多品種配盤兩種。單品種托盤可以減少人工配盤工序，但物流運輸成本高，現(xiàn)場線邊站點占地面積大［18］，因此部分托盤采用多品種配盤。然而多品種配盤中的物料消耗速率不同，多次配送后容易造成某些物料的堆積［19］。為驗證不同物料方案生產(chǎn)的影響，通過仿真的方式對多品種配盤方案進行分析，為后續(xù)生產(chǎn)中的配盤方案調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。多品種配盤包括內(nèi)襯紙、內(nèi)框紙、小包拉帶、小透、條透、條包拉帶6 種輔料，采用數(shù)組的形式表示不同輔料的配盤信息，如｛21，9，3，12，2，1｝表示托盤中包括21 卷內(nèi)襯紙、9 垛內(nèi)框紙、3 卷小包拉帶等。設置AGV 數(shù)量為2臺，每個AGV 規(guī)格相同，機組故障率為實際生產(chǎn)中的調(diào)研擬合參數(shù)，配盤方案分別為方案1｛21，10，4，10，2，1｝、方案2｛21，9，3，12，2，1｝、方案3｛18，9，3，12，3，2｝，仿真時長為3 個班組共18.5 h。為減少仿真過程中隨機產(chǎn)生的誤差，每個工況下重復進行10 次試驗，仿真結(jié)果如圖4、圖5 所示。由圖4 可以看出，在完成一天的生產(chǎn)后，內(nèi)襯紙、內(nèi)框紙、條透的消耗量很大，而小包拉帶、條包拉帶、條透的消耗量較小，其中條包拉帶僅消耗了1 個，因此在配盤過程中應考慮增加內(nèi)襯紙、內(nèi)框紙、條透的比例，減小小包拉帶、條包拉帶、條透的比例。3 種配盤整體來看均滿足這一要求。

Fig.4 Simulation results of disk allocation scheme圖4 配盤方案仿真結(jié)果

Fig.5 Remaining amount of mixed tray accessories for three schemes圖5 3種方案混合托盤輔料剩余量

由圖5 可以看出，內(nèi)襯紙、內(nèi)框紙、小透消耗較快，生產(chǎn)過程中可能會出現(xiàn)產(chǎn)線集中呼料，3 種輔料要留足相應的數(shù)量，保證在AGV 無法及時送達的情況下有充足的輔料進行生產(chǎn)。方案3 在呼叫2 次AGV 后內(nèi)襯紙的數(shù)量僅為1，若出現(xiàn)AGV 繁忙的情況大概率會造成待料停機，因此方案3 無法滿足實際生產(chǎn)要求。在呼叫2 次AGV 后，方案1 中小包拉帶、條透、條包拉帶的剩余量分別為3、1、2，而方案2 中3 種輔料的剩余量分別為1、0、1，由于3 種輔料的消耗速度小于到料速度，方案1 中的3 種輔料會積攢很多，造成現(xiàn)場堆砌凌亂，若不能及時清理出站臺位置，將會導致生產(chǎn)待料停機，因此方案1 無法滿足實際生產(chǎn)要求。方案2 既能滿足產(chǎn)線集中呼料時內(nèi)襯紙、內(nèi)框紙、小透的供應，亦能避免生產(chǎn)過程中小包拉帶、條透、條包拉的堆積，設計合理，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求。

3.3.2 AGV數(shù)量分析

為探討AGV數(shù)量變化對生產(chǎn)效率的影響［20］，確定新產(chǎn)線AGV 布置數(shù)量，分別使用1臺、2臺、3臺、4臺和5臺AGV進行仿真，AGV規(guī)格一致，產(chǎn)線參數(shù)一致。為更貼近實際生產(chǎn)場景，設備模型具備故障模擬功能，機組故障率根據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合，在仿真過程中根據(jù)擬合的故障率隨機產(chǎn)生故障。模擬1 天3 個班次的生產(chǎn)情況，每個工況重復10 次試驗，取仿真結(jié)果的平均值，結(jié)果圖6、圖7、表4所示。

Table 4 AGV call count表4 AGV呼叫次數(shù)

Fig.6 Relationship between the number of AGVs，waiting time and yield圖6 AGV數(shù)量與待料時間、產(chǎn)量的關系

Fig.7 Relationship between the number of AGVs and the average AGV usage圖7 AGV數(shù)量與AGV平均使用率的關系

可以看出，隨著AGV 數(shù)量的增加，AGV 平均使用率降低，設備待料時間縮短，條煙產(chǎn)量有一定程度的提高。當AGV 數(shù)量為1 臺時，產(chǎn)線待料時間較長，小車在一定時間范圍內(nèi)處于飽和狀態(tài)，這說明在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)集中呼料時，AGV 的運輸能力與生產(chǎn)能力不平衡，若AGV 出現(xiàn)故障，會導致整個產(chǎn)線生產(chǎn)的癱瘓；當AGV 數(shù)量為2 時，小車能較好地滿足呼料需求，待料時間大幅度縮短，此時產(chǎn)線的生產(chǎn)能力得到釋放，輔料消耗變快，設備呼叫AGV 的次數(shù)也隨之增加，因此產(chǎn)品產(chǎn)量有所提高；當AGV 數(shù)量大于3 時，產(chǎn)線沒有待料時間，由于設備存在隨機故障率，條煙產(chǎn)量存在一定波動，但波動在一定范圍內(nèi)，說明AGV 的運輸能力已遠超產(chǎn)線生產(chǎn)能力，AGV 數(shù)量再增加對生產(chǎn)能力影響不大，影響生產(chǎn)能力的為設備故障率。

綜上所述，AGV 數(shù)量與生產(chǎn)能力存在一定正相關性，當AGV 數(shù)量達到某一閾值時，產(chǎn)線的生產(chǎn)能力不再受物流輸送能力的影響。在本文場景下的車間規(guī)劃設計中，根據(jù)產(chǎn)線實際布置，同時考慮經(jīng)濟成本和計劃外的故障，選擇3 輛AGV 作為輔料運輸工具為最優(yōu)方案，既能滿足生產(chǎn)需求，又能應對AGV 突發(fā)故障，還能節(jié)省費用。

3.3.3 AGV速度分析

在得到AGV 數(shù)量與生產(chǎn)能力的關系后，為進一步探討AGV 平均速度對生產(chǎn)能力的影響［21］，設置AGV 數(shù)量為3臺，分別設置其平均速度為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s，產(chǎn)線參數(shù)不變，機組故障率為實際生產(chǎn)擬合，模擬1 天3 個班次的生產(chǎn)情況。每個工況進行10 次重復試驗，取仿真結(jié)果的平均值，結(jié)果如圖8、圖9、表5所示。

Table 5 AGV call count表5 AGV呼叫次數(shù)

Fig.8 Relationship between AGV speed，waiting time and yield圖8 AGV速度與待料時間、產(chǎn)量的關系

可以看出，隨著AGV 速度的提高，AGV 使用率降低，設備待料時間縮短，條煙產(chǎn)量有一定程度的提高，但逐漸趨于穩(wěn)定。當AGV 速度為0.5 m/s 時，待料時間較長，小車在一定時間范圍內(nèi)處于飽和狀態(tài)，AGV 利用率最高，說明在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)集中呼料時，AGV 的運輸能力與生產(chǎn)能力不平衡，導致產(chǎn)線的生產(chǎn)能力無法充分釋放，產(chǎn)量相對較低；當AGV 速度為1 m/s 時，待料時間大幅度減少，產(chǎn)線生產(chǎn)能力得到大幅度釋放，設備呼叫AGV 的次數(shù)增加，產(chǎn)量也有所提高；當AGV 速度超過1.5 m/s 時，條煙生產(chǎn)數(shù)量在一定范圍內(nèi)變化，但總體不變，說明AGV 的運輸能力在速度為1 m/s 時已經(jīng)能夠匹配生產(chǎn)能力，而AGV 速度達到1.5 m/s 時，運輸能力已遠超產(chǎn)線生產(chǎn)能力，在AGV 數(shù)量不變的情況下，再提高AGV 速度對生產(chǎn)能力影響不大。

綜上所述，AGV 速度與生產(chǎn)能力存在一定正相關性。當AGV 速度達到某一閾值時，產(chǎn)線的生產(chǎn)能力不再被物流的輸送能力影響。在盡可能避免AGV 過快對現(xiàn)場人員、設備造成威脅的情況下，其速度設置為1 m/s 是最優(yōu)方案，此時既能滿足生產(chǎn)需求、保證人機安全，又能節(jié)省費用。

4 結(jié)語

針對主流物流仿真軟件在煙草行業(yè)應用中存在的局限性，本文采用Modelica 語言，根據(jù)卷包車間生產(chǎn)設備和物流設備實際運行邏輯和仿真需求自行構(gòu)建相應的組件模型以及通用模型，然后使用該模型對某卷煙廠卷包車間規(guī)劃階段的生產(chǎn)物流新產(chǎn)線進行系統(tǒng)集成仿真，探究了AGV 數(shù)量、AGV 速度以及配盤方案對生產(chǎn)運營的影響，確定了前期規(guī)劃階段中待確認的部分重要參數(shù)。本文研究是Modelica 語言在煙草行業(yè)生產(chǎn)物流方向的首次應用，通過特定場景仿真模型的搭建和分析探索了Modelica 語言在生產(chǎn)物流領域前期規(guī)劃階段應用的可行性。然而在建模仿真過程中簡化了一些參數(shù)，如AGV 的檢測碰撞、人在生產(chǎn)過程中的影響等，后續(xù)可針對該部分內(nèi)容對模型進行深化，構(gòu)建完整車間的物流生產(chǎn)模型；同時還可依靠Modelica 語言的優(yōu)勢，在該模型的基礎上增加與能源相關的功能，初步實現(xiàn)多領域的工廠級數(shù)字模型，為未來煙草行業(yè)工廠層面多領域建模仿真探索出一條新的道路。