基于生產訂單的卷煙廠自動排產系統

王勁松，萬年彬，江逸斐，李孝超，雷曉琪，李新建

（1.襄陽卷煙廠，湖北 襄陽 441000；2.華中科技大學 管理學院，湖北 武漢 430074；3.湖北中煙工業有限責任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

近年來，隨著國內煙草市場需求向著多品種、小批量變動，我國卷煙工業企業的生產組織方式逐漸由過去的“生產推動型”轉變為“市場拉動型”，即基于客戶訂單和銷售合同安排生產。在這種背景下，卷煙工業企業需要改變以批量生產為主流的生產模式，采用更加柔性的生產模式，實現對車間的精細化管理，以適應煙草市場多樣化的需求，提高企業的競爭力[1-2]。這也對卷煙工業企業的生產計劃編制提出了更高的要求，要求企業能夠及時掌握客戶下達的訂單數據，及時了解生產部門反饋的生產數據，快速準確制訂科學合理的生產計劃，并及時對生產活動進行指揮控制。

雖然目前我國卷煙工業企業的信息化建設發展迅速，但是前期取得的成效并不突出，其主要原因在于企業在信息化過程中沒能實現子系統間的數據共享和統一管理[3]。制造執行系統（MES）作為連接上層計劃管理系統與底層工業控制系統的中間樞紐，解決了企業內部信息孤島問題，成為了目前卷煙工業企業信息化建設的熱點[4-8]。同時，為了提高企業作業排程和優化調度的能力，高級計劃與排程系統（APS）被引入。APS作為MES系統中的一個核心集成模塊，采用基于供應鏈管理和約束理論的方法，具有強大的優化和計算能力，可加強MES系統對整個生產計劃的控制能力、優化能力與前瞻性[9-10]。

卷煙生產為混合型制造過程，其生產計劃調度問題具有多階段、復雜性、動態性等特點，采用分層建模方式能夠更好地解決這類復雜混合流程制造問題[11]。有學者采用遞階生產計劃（HPP）方法設計了卷煙生產計劃的分層優化框架[12]。本文根據卷煙生產特點分析，構建了一套基于生產訂單的卷煙廠自動排產系統，可實現對卷煙生產過程的逐步優化。

1 卷煙生產特點分析

卷煙生產過程主要分為制絲生產和卷包生產兩個部分，是一種既具有流程型生產特征又具有離散型生產特征的混合型制造過程。制絲生產過程為流程型制造，卷包生產過程為離散型制造，兩種不同的生產過程通過儲絲柜作為緩沖空間進行銜接。卷煙生產過程分為多個工段，其生產流程如圖1所示。卷煙生產各個工段上下連接，同一個生產訂單需要按照一定的工藝路線順序進行生產，前一個工段完成之后才能開始下一個工段的生產。

圖1 卷煙生產流程圖—按工段劃分

制絲生產過程可分為絲線生產過程、梗線生產過程和香糖料配制過程。絲線生產過程包含原料投料、切片松散回潮、葉片加料、切絲干燥加香共四個工段；梗線生產過程包含一次潤梗、二次潤梗、梗絲共三個工段；香糖料配制過程分為香糖料備料工段和香糖料配置工段。制絲生產過程各個工段之間為串聯關系，且工段間包含具有存儲能力的柜類設備，可用于短時間存放煙梗絲。因此，制絲生產可以看作是緩存區有限的流水車間調度問題。

卷包生產過程可分為喂絲、卷接、包裝、封箱、濾棒發射和濾棒成型共六個工段，每個工段同一時間可生產多個牌號，有多臺設備用于生產。卷包設備之間存在一對多、多對多的柔性連接關系，即卷包設備連接關系可變動。由于卷包機組產能受限，為整個卷煙生產流程中的瓶頸資源，因此卷包生產可以看作是有限產能下柔性流水車間調度問題。

一般情況下，制絲車間產能相對充足，其主要目標是在保證卷包車間不待料和煙絲不過期的情況下，減少換牌次數且均衡每日生產量。卷包生產主要考慮的問題是如何對瓶頸資源進行有效合理分配，以達到廠內設定的目標（如準時交貨、均衡利用設備、換牌次數最少等）。由此可見，卷煙生產過程為一個多階段復雜混合型制造過程，每個階段有各自的問題特點。因此，建立一套分階段的決策框架體系用于解決卷煙自動排產問題是有必有的。

2 設計方案

2.1 方案設計原則

（1）實用性與可操作性。自動排產方案設計的第一個原則為實用性與可操作性。根據自動排產得到的可行較優解，即生成的生產計劃，該計劃應符合卷煙廠的生產實際，能夠用于指導生產，即不能違背生產的科學性與便利性。經過自動排產得到的生產計劃，不僅要滿足卷包車間和制絲車間實際生產工藝要求，還應滿足原輔料備料情況。

（2）自動化與平衡性。自動排產方案設計應體現自動化與平衡性。由于實際生產中不可控因素較多，一旦實際生產與預計生產出現了差異，自動排產系統應能夠及時對生產計劃做出調整。另外，自動排產得出的計劃應該盡量保證每日工作量均衡，保證工人工作的積極性。

（3）“多解”原則與可干預原則。自動排產系統得出的生產計劃不是唯一的。為了更好地服務于卷煙廠，自動排產系統應提供多個可行計劃，以便卷煙廠根據自身需求選擇更符合實際的生產計劃。另外，為了使排產系統可操作性更強，自動排產應預留人工干預的接口。

2.2 卷煙自動排產決策框架

卷煙生產包含卷包和制絲兩大重要工序，卷煙自動排產系統的優化重點將放在卷包作業計劃和制絲作業計劃上。卷煙自動排產決策框架如圖2所示，根據市場客戶下達的生產調度令，卷煙廠首先制訂出下月的卷包作業計劃，再由卷包作業計劃拉動制絲作業計劃、輔料配送計劃、濾棒生產計劃和手包煙生產計劃等；制絲計劃拉動原料備料計劃、梗絲作業計劃、香糖料備料計劃；梗絲作業計劃拉動梗料備料計劃、香糖料備貨計劃。

圖2 卷煙自動排產決策框架圖

2.3 卷煙自動排產作業流程

針對卷煙工業企業“市場拉動型”的生產模式，構建“面向訂單生產”的滾動、閉環作業流程，如圖3所示。

圖3 卷煙自動排產作業流程圖

具體流程如下：

Step1：接收客戶下達的生產調度令。

Step2：在給定的約束條件下（訂單交貨期、資源約束等），依據自動排產模型，自動產生對各個生產單元的、最優的、可執行的生產作業計劃。

Step3：通過MES系統將生產作業計劃以及物料備貨計劃分別下發到生產車間（包括卷包車間、制絲車間、濾棒生產車間）以及物流部門，生產車間根據生產作業計劃進行生產作業調度，物流部門根據作業計劃進行備料、調度。

Step4：現場管控系統接受并執行下達至各環節的工單，同時采集現場生產運行狀況，反饋給MES系統，包括資源狀態、訂單執行進度等信息。然后根據現場實際的狀況調整生產計劃排程。

3 功能模塊

3.1 需求分析

（1）自動排產，減少人工干預。由于煙廠的生產流程比較復雜，傳統由手工編制生產作業計劃的方式，工作強度太大，且精確度有待提高。結合襄陽卷煙廠實際生產調度情況，建立一套完善的排產模型，集成MES系統實現自動排產。自動排產系統應以自動排產為主、人工干預為輔，而且隨著運行時間的加長，在大數據的支撐下實行自動化，逐步取代人工干預，真正實現自動化排產。

（2）優化排產，得到較優的生產方案。人工排產多是基于一些簡單的規則進行，如正序排產和倒序排產，很難實現煙廠最小化或最大化排產目標的需求。自動排產系統需要在短時間內找到滿足約束條件的可行且較優的排產方案。

（3）多種策略自動排產，提供多種備選方案。人工排產往往只能得到一種排產方案，選擇排產方案時比較受限。自動排產系統需要根據多種策略進行排產，為煙廠提供多種可選的排產方案，煙廠可根據自己的實際需求目標選擇合適的排產方案。

（4）自動修正生產參數數值，實現精確排產。自動排產系統需要能夠自動根據實際采集到的數據進行分析，對其排產相關數據（如設備生產效率、換牌時間等）進行優化，使其更貼合實際生產情況，使得排產結果更加精確。

（5）為人工調整預留接口。自動排產系統需要預留人工調整的接口，以方便煙廠根據實際情況的變動及時進行人工調整。如人工設置放假時長和具體放假時間等。

（6）日常滾動排產。在每天晚班結束或早班開始時進行滾動排產，固定鎖定期內的生產計劃不變，對鎖定期外的生產作業計劃進行微調，日常滾動排產主要調整的是每日每臺機臺上的生產量，使其更貼近每日實際生產量。

（7）突發情況時及時進行重調度。當出現插單、設備故障、輔料不能按照原計劃到達、煙絲不能及時供應4種突發情況時，自動排產系統能夠及時對計劃進行調整，生成新的生產作業計劃，指導實際生產。

（8）降低原輔料和濾棒供應不及時的風險。原輔料或濾棒配送由卷包車間（制絲車間）生產拉動，所以原輔料或濾棒的排產應該以上游車間計劃為依據，保證上游車間的生產不會因材料的供應不及時而停工待料。當上游生產出現插單、設備故障、人員變動等情況導致與原計劃不一致時，原輔料或濾棒配送需相應變化，即實現滾動排產。

（9）與MES進行集成，對生產過程進行計劃、監督、協調和控制。自動排產系統需要與MES系統進行集成，實現和MES系統之間數據的交換，基于MES提供的數據對排產進行優化，再將結果導入MES系統中，用于指導實際生產，共同對生產過程進行計劃、監督、協調和控制。

3.2 功能設計

（1）卷包車間自動排產：①根據生產調度令，考慮卷包設備產能、工作日歷、原輔料供應情況等，生成可執行的基礎調度計劃；②根據生產計劃調整單，更新訂單信息，重新生成調度計劃，靈活處理增單、減單和訂單交貨期變化等情況；③每日生產工作完成后，記錄每日實際產出，進行每日滾動排產；④當出現突發情況，如設備故障、原輔料供應情況有變等，觸發卷包車間重調度，及時調整計劃。

（2）制絲車間自動排產：①根據卷包車間生產作業計劃與外發訂單計劃，結合車間生產排產的相關信息，生成可執行的基礎調度計劃；②當卷包車間生產作業計劃發生變動，或外發訂單出現增單、減單或交貨期變化時，根據更新后的卷包車間生產作業計劃與外發訂單，對制絲車間生產作業計劃進行調整；③每日生產工作完成后，記錄每日實際產出，進行每日滾動排產；④當出現突發情況，如設備故障、原料供應不及時等，觸發制絲車間重調度，及時調整計劃。

（3）濾棒生產計劃優化：①根據卷包車間生產作業計劃，結合輔料-濾棒BOM表，生成濾棒發射計劃；②根據濾棒發射計劃，結合濾棒生產車間產能，產生可執行的濾棒生產計劃；③每日生產工作完成后，記錄每日實際產出，進行每日滾動排產；④當出現突發情況，如卷包排產變化、濾棒成型設備故障、濾棒成型輔料保障情況變化時，及時修正濾棒生產計劃，以滿足卷包車間生產對濾棒的需求。

（4）輔料組盤計劃優化：①根據卷包車間生產作業計劃拉動，明確輔料組盤組合、數量以及輔料組盤時間；②當出現突發情況，如輔料到貨不及時、庫容不足等，及時調整計劃。

（5）原料配送計劃優化：①根據制絲車間生產作業計劃拉動，明確輔料配送數量和時間；②當出現突發情況，如原料到貨不及時、庫容不足等，及時調整計劃。

（6）香糖料配送計劃優化：①根據制絲車間生產作業計劃拉動，明確香糖料配送數量和時間；②當出現突發情況，如香糖料到貨不及時、庫容不足等，及時調整計劃。

4 結語

基于生產訂單的卷煙廠自動排產系統，可作為MES系統集成模塊。采用由下游生產拉動上游備料的方式，既符合“市場拉動型”的生產模式，又能將生產計劃優化調度的重點放在生產流程過程中的瓶頸資源分配上。將原有的復雜卷煙廠自動排產問題，分解為多階段進行分析，既能降低優化問題的復雜度，又可針對各個階段的問題和目標進行優化。這套系統中制絲環節已和MES系統對接，實現了數據交互和共享。該系統作為MES系統的核心模塊和指揮中心，可加強MES系統對整個生產計劃的控制能力、優化能力與前瞻性。隨著系統運用實踐的進一步推廣，為精益生產、智能制造打下基礎，有利于加強企業的生產計劃與生產組織管理水平，形成核心競爭力。