構建基于APS的智能化煙草MES系統

周江建

（江蘇中煙有限責任公司 徐州卷煙廠，江蘇 徐州221005）

構建基于APS的智能化煙草MES系統

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，國內煙草行業正在經歷著一場合并重組的革命，這給煙草企業生產制造管理帶來的挑戰是需要更加敏捷的應對銷售和生產的供求平衡，需要更加及時和準確的預測產能和物料需求，需要更加統一和有效的實時生產指揮調度能力，需要更加敏捷生產預警和在線分析能力等方面。在這情況下，以記錄生產過程信息、對舊有手工管理流程信息化為主的MES系統，顯然已經無法適應這場變革了。對此，本文以某煙草企業MES系統的實際經驗為基礎，提出了構建智能化煙草MES的理念，即通過引入具有強大優化與計算功能的APS引擎，加強MES系統對整個生產的計劃控制能力、優化能力與前瞻性，為生產管理人員提供智能化決策支持，提升企業管理水平。結合煙草生產的實際情況，給出了智能化煙草MES系統的功能框架、集成思路以及調度流程。

煙草；作業排程；MES；APS

隨著信息化應用水平的提高，卷煙工業企業需要打造一體化的信息化應用平臺來提升企業的生產管理水平，“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的自動化已經比較完善，MES已經成為行業信息化建設的熱點。從煙草行業應用MES的實踐來看，通過MES系統，企業對生產過程的實時控制能力獲得了極大的提高。但是，由于MES系統自身的能力所限，在實際應用中，涉及到優化調度和生產作業排程，還是依靠計劃人員個人的經驗和離線的人工操作，影響了調度的及時性和準確性，因此作業排程及優化調度成為MES的一個薄弱環節。制造業對精益制造及敏捷生產的需求產生了APS系統，其解決的主要問題之一就是生產作業順序和調度的優化問題。為此，有必要探討APS在煙草生產調度中的應用。

1 APS簡介

APS既是一種先進的生產管理模式也是一種先進的軟件系統，它是一種基于供應鏈管理和約束理論的先進計劃與排程工具，運用了大量的數學模型、優化及模擬技術，其功能優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將企業內外的資源與能力約束都囊括在考慮范圍之內，用復雜的智能化運算法則，做常駐內存的計算。如圖1的APS計劃層次模型所示，APS覆蓋了企業長期、中期、短期3個計劃層次。其中長期計劃包括供應鏈戰略、供應鏈計劃；中期計劃包括市場需求預測、生產計劃、分銷計劃等；短期計劃是對客戶的可承諾能力、車間作業排產、設備開動計劃、運輸計劃等。

圖1 APS應用矩陣Fig.1 The APS application matrix

本文關注的領域是屬于生產執行層的車間生產調度。對的企業作出進一步的改進。AMR研究表明,使用APS模塊的企業產生的投資回報率(ROI)已高達300%。

2 APS應用分析

2.1 煙草生產流程

卷煙生產主要包括制絲、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、封裝箱是連續離散型制造,兩種不同類型的生產過程通過緩存器（即儲絲柜）銜接。因此，生產調度不僅需要解決制絲工序段的生產順序問題，還要解決卷包工序段的優化調度問題，其生產模型可直觀地描述成如圖2所示。

圖2 煙草生產模型Fig.2 Tobacco production model

對于企業生產計劃及調度部門而言，主要任務是根據銷售訂單制定生產計劃，在此基礎上對生產計劃進行分解，生成精確的、詳細的生產作業安排，再將生產作業安排單下發至車間生產單元。作業安排內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和，成本項包括訂單延誤成本、設備生產成本、設備換牌成本等；約束條件是：訂單優先級，訂單交貨期，機臺加工能力，設備連接關系，設備開動計劃等。針對煙草生產作業排程的這種需求，APS需要解決的問題是：為訂單從所有的生產加工鏈路（LinkUp）中選擇一條最優的LinkUp，再確定LinkUp上的訂單作業順序。

為此，確定APS排程思路是：根據一定規則調整訂單生產順序，根據成本最低計算確定每個訂單的LinkUp，最后進行換牌優化。由于煙草生產是一個混合式制造模式，卷包段是離散生產，制絲段是批流程生產，由卷包生產拉動制絲生產，它們之間通過儲絲柜銜接。因此，作業排程設計為卷包段按訂單生產，對于制絲排程，則根據卷包需求進行計劃，產生煙絲批次需求，再根據制絲線生產狀態 （儲絲柜、儲葉柜、HXD溫度等因素）決定煙絲批次順序。所以，卷煙生產進行自動排程分為兩個步驟 ，即生成卷包段的作業單，制定制絲段的批次需求計劃。

1)訂單排產次序

根據一定的規程，確定每個訂單的排產次序。按照規則的優先級，排序規則包括：①訂單狀態，即正在生產的訂單優先級最高；②訂單的優先級，優先級高的訂單先排產；③訂單交貨期，交貨越早的越先排產；④可加工該訂單的LinkUp數，Linkup多的優先排產；⑤人工鎖定Linkup的訂單優先排產；⑥訂單的生產數量，數量越大優先級越高。以上規則的優先級別可以根據具體的生產要求進行調整。

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,防止風險事故發生,促進手術效果提升[5]。②硬膜外麻醉的鎮痛效果突出,患者術后的恢復情況比較理想,因此臨床中使用硬膜外麻醉的優勢十分明顯,能夠讓患者的手術安全性極大的提升,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，成本計算見公式（1）：

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

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，剩余數量被分配到其它最優的LinkUp上加工。

3）換牌優化

經過 LinkUp優化選擇后，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為兩種成本的權重因子。

2.3 APS功能設計

一般而言，APS需要提供工廠建模、自動排產、人工調整、滾動計劃等功能，結合煙草生產的特點具體功能定義如下：

2)自動作業排產是APS的計算核心，它的功能是根據工廠模型、產品定義、交貨期限、訂單優先級、實時生產狀態等各方面的信息，自動地對生產訂單進行分解，為生產訂單自動選擇生產路徑（LinkUp），并合理的安排LinkUp上的作業單的生產順序。

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

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

3 基于APS的MES系統

MES是位于上層管理計劃系統和底層工業控制系統之間的、面向車間層的管理信息系統，它為管理人員、操作人員提供計劃的執行、跟蹤及各種資源（人、材料、設備、客戶需求等）的當前狀態信息。煙草行業已實施了多個MES系統，通過MES系統企業對生產過程的實時控制能力獲得了極大的提高。但是，由于MES系統缺少排產引擎，其排程功能只是將原來的人工操作移植入系統中，導致MES作業排產的實時性及準確性還達不到精益生產、敏捷制造的要求。當生產過程中發生設備故障、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計劃及時進行調整，這影響到企業的生產甚至訂單交貨。因此，MES有必要集成APS，利用其高級計劃及優化功能來解決生產過程中的自動作業排程及實時調度問題。

3.1 系統架構

基于流程驅動的系統設計思路，在綜合分析卷煙生產流程的基礎上，設計MES系統總體功能框架，如圖3所示。整體上該架構體現了“一個中心、兩條主線”的系統功能架構。一個中心是企業制造數據中心，MES基于生產全過程構建企業數據中心，支持企業生產性能分析。兩條主線包括以生產計劃、調度執行為主線的生產調度管理和以質量管理為主線的生產質量管理。以對生產過程中的人力資源管理、設備維護管理和物料管理為主要內容的生產資源管理，是MES系統的基礎功能。生產調度主線以APS作業排程結果為基礎展開生產調度業務，支持“面向訂單生產”的模式，實現企業“訂單接受－作業排程－作業單下發執行－作業單反饋－訂單作業排程”的閉環作業流程。

3.2 系統集成分析

從上圖架構的層次關系來看，MES層是處于ERP層與PCS層之間的中間層，是實現管理層與現場操作層之間信息溝通的橋梁。為此MES需要實現與上層ERP以及底層控制系統的無縫集成，發揮信息化整體協同的效果；另外，作為MES的排產引擎，APS需要無縫融入MES框架內。系統集成需要實現數據、信息及業務流程等3個層次的集成。

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

ERP與APS、MES緊密聯系的功能模塊包括基礎數據、生產計劃、物流管理、設備管理等模塊，APS與MES之間也需要在生產調度方面進行集成。MES、APS與ERP的集成接口采用基于XML的Web Service組件技術，該方式適合于分布式的Internet數據交互環境，是比較成熟的、適合未來發展趨勢的接口技術。MES系統與自動化系統之間需要實現雙向數據傳遞，MES能夠向自動化系統發出作業計劃、作業指令、工藝參數、控制參數等；自動化系統返回生產過程數據，包括生產作業執行進度、過程質量數據、設備運行信息、物料消耗信息等。MES與自動化控制系統的集成采Web Service及OPC相結合的技術，對于實時性要求高的集成采用OPC技術，而其它集成采用Web Service技術。

3.3 基于軟件系統的生產調度流程

對于一個面向訂單生產的企業來說，“以銷定產，以產定購”是其經營管理的主要特色，信息系統必須將物流、信息流、資金流有機整合，實現訂單快捷地貫穿始終，形成管理層、調度層以及控制層的上下通暢的信息通道。APS提供生產計劃的作業排程，產生最優的、可執行的、詳細的生產作業計劃，MES及時、準確地調度APS的生產作業計劃。集成APS的MES系統實現了企業生產調度業務的運作，提升了生產調度的實時性、準確性，對于企業生產管理而言，是一次具有積極意義的革新。

系統設計的調度流程見圖4，該流程是一個滾動的、閉環的流程，流程主要包括：1）接收并管理ERP系統下達的生產訂單，同時反饋給ERP已有生產訂單的執行狀況；2）在一定的約束條件下（訂單交貨期、資源約束等），依據工廠生產模型，APS自動產生針對各個生產單元的、最優的、可執行的生產作業計劃；3）將生產作業計劃以及物料計劃分別下發到生產車間（包括制絲車間、卷包車間）以及物流部門，生產車間根據生產作業計劃進行作業調度，物流部門根據作業計劃進行備料、調度；4）現場管控系統接受并執行下達至工作中心的作業單，同時采集現場生產運行狀況，反饋給APS系統生產執行狀況，包括資源狀態、作業單執行進度等信息，現場執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調度框架Fig.4 Production scheduling framework based on information platform

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

4 結束語

該卷煙企業 MES系統的應用表明，“集成 APS打造MES排產引擎”的思路是先進、可行的。按照這個思路來實施煙草企業MES系統，企業的生產指揮調度及時性、準確性得到了提高，可在較大程度上優化煙草企業的生產資源配置，提升企業生產管理水平。進而提高企業的資源利用率，降低企業的生產成本，提高產品質量。經過實施MES系統，也能夠重塑企業組織結構，實現生產調度流程以及物流的優化。隨著APS以及MES技術、模型的成熟，集成APS的MES信息化平臺在煙草行業的應用將會越來越廣泛。

[1]劉千,丁會柱,吳晟睽.基于ARM的智能化公寓安防測控系統設計[J].電子設計工程,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.智能化網絡在煙草行業的研究和應用[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.基于灰關聯分析的公交智能化調度評價方法[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.基于物聯技術的MES可視化系統研究[J].現代電子技術,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圖像傳感器設計 [J].科學技術與工程,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技術的機場智能化驅鳥系統設計[J].電子設計工程,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供應鏈優化引擎[M].廣東：廣東經濟出版社,2004.

[9]劉亮,齊二石.基于APS與MES集成的車間生產計劃和調度方法研究[J].網絡化制造,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：企業信息化、生產運作管理等。