基于西门子平台的卷包排产子系统的研究

 当今烟草企业间的竞争日益激烈，烟草企业将面临前所未有的来自世界烟草巨头及名牌产品的挑战，要想赢得市场，赢得用户就必须全面提高企业的综合竞争力，而信息集成和系统集成是提高综合竞争力的重要途径。因此，近年来各烟草企业都坚持不懈并不遗余力地进行信息化建设，他们大都已经初步建立起了企业资源计划(MRPⅡ/ERP)系统为核心的企业管理信息系统；再加上烟草企业的生产线自动化程度较高，制造过程的信息已经取得，具备了信息数据的基础，这使得烟草企业的管理水平得到了明显的提高。但MRPⅡ/ERP主要针对企业资源计划，它不能全面、实时、准确地反映当前生产现场设备的状态信息和生产数据；同时，现场生产设备控制系统也不能将即时生产信息传给上层信息管理系统。这样在上层资源计划和底层生产控制之间，存在着一个信息流通上的断层。制造执行系统(Manufacturing Execution System，简称MES)恰好能解决这一难题，因此实施MES系统是烟草企业的明智选择。

1 烟草企业MES概述

    1.1 MES在企业信息化中的定位

    随着烟草企业信息化建设的不断深入和发展，企业已经建立了以ERP为核心的上层管理信息系统，企业也因此取得了一定的管理效益；另外，烟草企业底层生产线的自动化程度相当高，已经建立了完善的制丝数据采集系统、卷接包数据采集系统、质量检测器具等各类数据采集系统，在长期的信息化应用过程中，自动化技术应用十分广泛，实现了基础自动化和过程自动化，并且在此基础上形成了相对独立的系统。但是每个系统都有各自的处理逻辑、数据库、数据模型和通信机制，他们形成了一个个“信息孤岛”，缺乏必要的整合和集成。如何将企业管理信息系统和先进的生产线控制系统有效地集成在一起，在两者之间建立起信息交换的桥梁，这是企业信息化建设迫切需要解决的问题。

    MES系统的实施解决了这一难题，如图1所示，MES是位于上层的计划管理系统和底层生产过程控制系统之间的中间层，是贯通两者的信息桥梁和纽带，主要负责生产管理和调度执行，它使用全面实时精确的数据，优化从订单到产品完成的整个生产活动，在烟草这样的流程制造业中将起着越来越重要的作用。

图1 MES在企业信息化中的定位

    1.2 MES的功能

    根据烟草企业的特点，MES的功能主要包括计划排产、数据采集、实时监控与报警、设备维护管理、过程质量控制、物料追踪及统计分析、产品规范管理、车间成本管理和报表统计分析等9大功能。

2 西门子平台介绍

    基于ISA-95标准，西门子已经开发出了SIMATIC IT Production Suite平台(简称SIMATIC IT)作为MES业务支持的核心。如图2所示，SIMATIC IT Production Suite由SIMATIC IT Framework和SIMATIC IT组件组成。

图2 西门子平台组成示意图

    a. SIMATIC IT Framework

    SIMATIC IT Framework是一个生产建模工具，SIMATIC IT组件的功能陈列其中，用来建立逻辑(显式规则法)。它提供了按照工厂布局(物理对象和逻辑对象)和生产作业(定义工厂模型中定义对象之间相互作用的逻辑)建立生产流程的环境。通过建立模型使SIMATIC IT Production Suite的作业规范化，所生产的产品标准化且有质量保证，满足任何特定事项和应用要求。

    SIMATIC IT Framework包括SIMATIC IT Production Modeler、SIMATIC IT Business Process Modeler、SIMATIC IT Production Operation Recorder和SIMATIC IT Service。

    b. SIMATIC IT组件

    SIMATIC IT组件包括用于工单管理的POM(Production Order Manager)、用于物料跟踪的MM(Material Manager)、用于MES应用和操作者之间传递消息的MSM(Messaging Manager)、用于人员管理的PRM(Personnel Manager)和用于报表统计分析的RM(Report Manager)。

    SIMATIC IT Production Suite及Historian、Unitab、Interspec等附加组件可满足MES系统的所有要求。

3 排产的机台齐停规则算法

    机台齐停算法就是保证多个卷包机台齐停，即排产系统给出相同的预计结束时间。

图3 机台齐停规则算法示意图

    假设如图3，安排3个卷包机台进行某个工单的生产，每个机台对应这个牌号卷烟的生产能力分别是q1，q2和q3，工单的计划产量是Q。根据卷包机台的维护计划，卷包机台MP1和MP2的预计开始时间是T61，卷包机台}3的预计开始时间是Tb3，MP2在排产时间段中有一个维护订单，开始时间为Tm1，结束时间为Tm2，设它们的预计结束时间为Te，则：

    q1·(Te－Tb1)＋q2·(Tm1－Tb1＋Te－Tm2)＋q3·(Te－Tb3)＝Q

    根据以上公式计算出预计结束时间Te，那么每个机台分摊的产量分别为：

    Q1＝q1·(Te－Tb1)
    Qz＝q2·(Tm1－Tb1＋Te－Tm2)
    Q3＝q3·(Te－Tb3)

4 卷包排产子系统的实现

    某烟厂在上述的SIMATIC IT平台上进行了MES(以下简称CY_MES)系统的开发，除了排产系统外使用的均是SIMATIC IT提供的组件，排产系统也和SIMATIC IT进行了紧密的集成。

    4.1 CY_MES排产系统的软件结构

    如图4所示，CY_MES排产系统用到了SIMATIC IT的DIS、POM、PM和CAB等4个组件。其中，DIS是数据集成服务软件，实现SIMATIC IT和ERP的信息交互，在排产系统里负责接收ERP的生产订单并传到POM；PM是核心建模工具，基于组件的图形化环境，定义工厂的物理模型和用户的业务逻辑；POM是工单管理模块，提供了工单的创建、更改、删除、工单分解到工序段的子工单等功能；CAB是客户端应用开发软件，基于.Net的图形化编程环境，通过它可以构建排产系统的客户端应用。

图4  CY_MES排产系统软件结构图

    4.2 卷包排产子系统的基础数据

    a.卷包设备的连接关系

    调度员可以在排产系统中通过连线的方式设定卷包设备之间的连接关系，包括嘴棒发射机到卷烟机、喂丝机到卷烟机、卷烟机到包装机、包装机到装封箱机之间的连接关系。这样排产系统就可以根据连接关系，把卷包工单分解为卷烟机、包装机和装封箱机的子工单。

    b.卷包机台的生产能力

    调度员可以在排产系统中设定卷包机台针对不同卷烟牌号的生产能力，这是综合考虑卷烟机和包装机各自生产能力后的生产能力。

    c.卷包设备的维护计划

    排产系统在排产的时候要考虑设备的维护计划，一般情况下，ERP系统负责设备维护计划，制定设备维护订单。

    4.3 卷包排产的步骤

    调度员的卷包排产操作都是在SIMATIC IT CAB上完成的，步骤如下：

    第一步，选择卷包机台。从ERP下达的日生产计划订单并没有指定具体机台，调度员要先为它选择卷包机台，然后排产系统会将这个订单转化为MES系统的卷包工单。调度员只要选择包装机，排产系统会根据设备连接关系找到其他与之相连的卷包设备。

    第二步，生成各子工单。排产系统根据机台齐停规则算法计算出各卷包机台的计划产量，并根据卷包设备连接关系分解成卷烟子工单、包装子工单和装封箱子工单，子工单中包含机台号、计划产量预计开始时间和结束时间等信息。

    第三步，增减卷包机台。对于未下达生产但已经进行拆分的卷包工单，调度员可以根据实际生产的需要对机台的数量进行调整，重新生成子工单。

    第四步，生产计划确认。如果调度员对排产系统自动计算出的计划产量、预计开始时间和预计结束时间不满意的话，可以进行修改提交后再下达生产。

    表1是一个计划产量为600万支卷包工单中3个卷烟子工单的执行情况，从表中可以看出排产的预计开始时间、结束时间和计划产量与实际情况基本吻合。

表1 卷烟子工单排产数据和实际数据的比较

5 结 论

    和其他MES排产系统不同的是，CY_MES卷包排产子系统是在SIMATIC IT平台上进行开发的，用到了简单实用的机台齐停算法，再加上功能强大、系统运行稳定的SIMATIC IT平台的支持，CY_MES卷包排产子系统的运行效果良好，得到了企业用户的好评。

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