卷烟厂滤棒成型的区域智能排产系统设计_余嘉胜.pdf

收稿日期:2022 10 11第一作者:余嘉胜(1978)，男，汉族，湖北武汉人，本科(工商企业管理专业)，助理工程师，主要研究方向为烟草行业生产运行管理与分析等。卷烟厂滤棒成型的区域智能排产系统设计余嘉胜，庞全立，柯凯，王娅，徐培(湖北中烟工业有限责任公司武汉卷烟厂生产调度科，湖北 武汉 430000)摘要:为了提高卷烟厂滤棒成型生产效率以及降低生产成本，设计一个卷烟厂滤棒成型的区域智能排产系统。在系统硬件部分，将 TMS320F2812 芯片作为系统的控制核心，并设计了存储模块，此次研究的系统重点设计了软件部分，预先构建排产模型及干扰因素分析模型，将生产过程中的干扰事件划分为 3 大类，并提出解决措施，同时设定滤棒成型的区域智能排产流程，实现卷烟厂滤棒成型的区域智能排产系统设计。实验分为两部分，实验一结果表明，此次研究的系统在不同数量滤棒生产过程中在较短时间内就能够完成滤棒成型，有效提高了滤棒成型生产效率;实验二表明，此次研究的区域智能排产系统在较少迭代次数下就能够确定最佳目标函数，有效降低了生产成本。关键词:卷烟厂滤棒成型;智能排产;扰动;工序;编码;指令中图分类号:TS43文章编号:1000 0682(2023)02 0018 05文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 02 004Design of regional intelligent production scheduling system forfilter rod forming in cigarette factoryYU Jiasheng，PANG Quanli，KE Kai，WANG Ya，XU Pei(Section of Production Dispatching，HUBEI CHINA TOBACCO INDUSTY CO，LTD，Hubei Wuhan 430000，China)Abstract:In order to improve the production efficiency of filter rod forming in cigarette factory andreduce production cost，a regional intelligent production scheduling system for filter rod forming in ciga-rette factory is designed In the hardware part of the system，the TMS320F2812 chip is used as the con-trol core of the system，and the memory module is designed The system of this research focuses on thesoftware part，and the production scheduling model and the interference factor analysis model are pre built to divide the interference events in the production process It is divided into three categories，andsolutions are proposed At the same time，the regional intelligent production scheduling process for filterrod forming is set to realize the design of the regional intelligent production scheduling system for filter rodforming in cigarette factories The experiment is divided into two parts The results of experiment oneshow that the system in this study can complete the filter rod forming in a relatively short period of timeduring the production process of different numbers of filter rods，which effectively improves the productionefficiency of filter rod forming The regional intelligent production scheduling system in this study can de-termine the optimal objective function with fewer iterations，which effectively reduces the production costKeywords:cigarette factory filter rod forming;intelligent production scheduling;disturbance;process;coding;instruction0引言近年来，国内卷烟市场的需求趋向于多品种、小批量的变化，使其生产组织模式从“以生产驱动”向“以市场拉动”方向转变，即根据顾客的订单和销售合同来安排生产。在这样大环境下，需要卷烟厂的81工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期生产厂家转变以往生产方式，以达到对烟叶产品多元化的要求，从而增强其竞争优势。为提高竞争优势就需要烟草公司在制定生产计划时，及时掌握生产过程中客户的变化、部门的变化情况，根据变化情况制定合理生产计划，以适应滤棒成型的生产。智能排产系统主要依据相关算法以及原则制定工艺排产计划，从而得到不同目标的排产方案。通过该系统的计算能够为公司生产提供参考，充分合理地分配生产资源。基于智能排产系统的优点，各行各业都开展了排产系统的研究，其中，文献 1中，张伟等人研究了复材车间智能排产系统，该系统采用了以感知为基础的排产算法，计算出了生产的实时数据和排产知识，并对自动工序工时计算，计算后输出排产计划，达到智能排产的目的;文献 2中，周秋艳等人研究了多约束条件下生产排程智能优化技术，该技术主要考虑工单优先级、工期长短等因素，采用一种递归算法计算工单的等待问题，并提出快速响应机制，实现智能排产。而现有的排产系统在应用时存在一定不足，为此设计一个卷烟厂滤棒成型的区域智能排产系统，为卷烟厂滤棒成型智能排产提供基础，期望提高卷烟厂的生产效率。1统硬件设计此次研究的卷烟厂滤棒成型区域智能排产系统硬件结构如下图 1 所示。图 1系统硬件结构排产系统将 TMS320F2812 作为核心芯片，主要处理信号与相关数据，并设计了通信模块和存储模块，实现智能排产系统的通讯与存储。1 1处理器模块设计从成本、性能多方面考虑，采用型号为 C2000系列 TMS320F2812 作为系统硬件核心部分3，该芯片中包含丰富的控制界面，具有较完整的数据开发能力。TMS320F2812 芯片结构图如图 2 所示。图 2TMS320F2812 芯片结构图TMS320F2812 芯片具有大量的资源，具有如下特性:(1)具有快速中断功能与响应时间功能，高性能 32 比特4 CPU，16 16 和 32 32 媒体存取控制(MAC)操作。芯片控制过程中，通过 DSP 控制，DSP 控制流程图 3 所示。图 3TMS320F2812 芯片 DSP 控制流程图(2)高性能 32 位 CPU，包含统一内存程序模式、4 M 线性编程/数据位址访问、高效代码(C/C+/汇 编)、TMS320F24x/LF240 x处 理 器 的源码5 6。(3)通讯功能优越，包含串行外部设备接口，串行通讯接口，并具有标准的通用异步收发机。1 2存储模块设计采用的存储模块为 GE 反射记忆卡，在存储器网络中，反射存储器的每一个节点(5565 的反射性存储器)通过一根纤维线路连接7。块卡片的传输必须与第二张卡片的接收方相连，而第二张卡片的发送方则与第三张卡片的接收方相连，如此反复，直912023 年第 2 期工业仪表与自动化装置至与方块卡片的接收方进行一次完全的环状连接，才能实现数据存储。反射内存具有以下主要特点:(1)快速传输功能。利用光纤连接 256 个节点，使传送速率达到 174 M/s;(2)存储便捷功能。反射记忆卡将相同数据备份给所有独立结点，让各结点同时存取同一内容，确保数据的一致性;(3)独立操作功能。反射式存储卡具有 VME、PCI、PMC 等多种总线，实时连接 ALPHA，PowerPC，Macintosh。2软件设计2 1排产模型构建抽象处理卷烟厂滤棒成型的生产工序，假设生产车间在计划期 1，T内要生产 n 种相对独立的产品8，跟踪订单汇总结果获得合同交货量，将合同交货量表示为 dj()t=1，2，n，t=1，2，T)。在编订后对工序编码，为了使编码序列有效反应出每天生产的滤棒的顺序和数量，采用遗传算法处理，编码方案如下所示:PH(t)，p12(t)，;pIn(t)，;pm1(t)，pm2(t)，;pmn(t)。(1)式中:pmn(t)为第 t 日第 n 种产品在第 m 道工序的生产情况9。通过遗传算法对工序编码后保证群体的多样性以及初始解的可操作性，在此基础上，选择遗传算法的算子，挑选出种群中最为优秀的后代，以便他们有机会成为父系后代。在挑选中10，不断挑选优秀的个体，对比当前个体与后代个体的优秀程度，采用均匀排序的方式，按照个体适合度排序中群众个体。确定每个个体被选中的几率，不断迭代，确定基本排产工序，完成排产模型的构建。2 2扰动事件处理在生产计划应用中，干扰事件是影响生产计划实施的主要驱动因素，为此根据生产计划的需要，分析干扰事件，将生产过程中的干扰事件划分为3 大类:(1)不能按时完成任务的情况，采用排产模型估算资源分配与作业时间11，依据估算结果预测车间的生产进度，并评价完工情况，在规定时间内，及时规划不能完成的任务事件。若达不到要求，重新排产，合理调配资源，安排加工时间，确保如期完成任务;(2)设备故障、物料等问题导致停工的扰动事件，如果在排产过程中出现扰动事件12，则将当前出现扰动情况的时刻记作 T0，将初始时刻记作 T，并将预估处理的时间长度为 td，将剩余处理事件的等待时长表示为:td=td(T0 T3)(2)经过上述公式判断，将参与排产的工序作为新工时，重新采用排产模型计算，依据目前的生产情况、生产计划、待加工资源的分配情况进行预测。(3)出现插单、重新下单等情况13，如果出现这种情况，读取这类信息，处理重新排产对象，加入插单或者重新下单的零件，将公式表示为:i=DiTi0+(ti1(Ti0 Ti1)+pj=2tij(3)式中:Di代表第i道工序产品的交货时间;ti1代表当前加工产品的工序时间;tij代表当前加工工序为起始工序顺延的第 j 个工序;Ti0、Ti1分别代表当前工序的剩余加工时长。经过上述过程，及时解决临时出现的扰动情况，为智能排产提供基础。2 3自动排产流程作业流程设计上述过程建立排产模型以及扰动解决模型14，最后提出滤棒成型的区域智能排产流程，如图 4所示。图 4滤棒成型的区域智能排产流程具体流程如下:Step1:接收顾客发出的生产计划指令;Step2:充分考虑某些限制条件，例如交货时间15、扰动因素等，设定各生产单位设定最优的、可执行的生产计划;Step3:生产计划和备料计划由计算机系统发送至生产车间(包装机、制丝车间、滤棒生产车间)、物02工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期流车间，生产车间按照生产计划安排生产，后勤部门按照生产计划生产调度;Step4:现场监控系统负责接收、执行各工序下达的工作单，接收后将其汇总到电脑，包括资源状况、订单执行情况等，通过上述过程完成卷烟厂滤棒成型的区域智能排产。3实验对比为验证提出的卷烟厂滤棒成型的区域智能排产系统的有效性，设置实验，分析所提出系统的应用效果。将复材车间智能排产系统、多约束条件下生产排程智能优化技术与所提出的系统对比，对比 3 个系统的应用效果。实验分为 2 个部分，一部分验证系统的生产效率，一部分验证系统的生产成本。实验一和实验二中均以某企业中的典型数据样本为例。实验平台如图 5 所示。图 5实验平台实验中，由仿真软件针对生产设备、生产线等建立结果清晰的仿真模型，然后将各个系统的输入数据输入，将获得的仿真结果输入到上位机软件中，由显示终端显示出实验结果。3 1实验一结果分析实验计划为 15 天，主要生产卷烟类型如图 6 所示。每个产品在 15 天之内的订货量如表 1 所示。图 6实验生产产品表 1三种产品各天的订货量日程产品 1/个产品 2/个产品 3/个15015020021001202503100150210420015022052501602206150130230712014012082201801509140150160101301601401115044018012120150150131301101601421015015015220180120分别采用 3 种排产方法对不同产品制定排产计划，所研究系统与另 2 个排产系统的生产时间对比结果如图 7 所示。图 7所提出系统生产效率图 8复材车间智能排产系统生产效率图 9多约束条件下生产排程智能优化技术生产效率综合分析表 1 和图 9 可知，所提出的区域智能排产系统在 3 种滤棒生产中，生产 50 个滤棒的时间122023 年第 2 期工业仪表与自动化装置为 1 min，生产440 个滤棒的时间约为4 min;复材车间智能排产系统生产 50 个滤棒的时间约为 2 min，生产 440 个滤棒的时间约为 10 min;多约束条件下生产排程智能优化技术生产 50 个滤棒的时间约为3 min，生产 440 个滤棒的时间约为 11 min。经过对比可知，在 3 种产品不同订货量的生产中，所提出的系统花费的时间都是最少的。原因是所研究的系统充分考虑了生产过程中可能出现的问题，并提出了详细的解决流程，从而提高了生产效果，证明所提出的系统能够有效对滤棒成型工艺智能排产，提高了卷烟厂的工作效率。3 2实验二结果分析现有8 个牌号的卷烟牌号生产需求数量如表 2所示。各个生产点每天最大的生产能力如表3 所示。表 2卷烟生产需求表序号卷烟牌号需求数量/箱11001250021002165031003145041004120051005950610068507100775081008550表 3各个生产点每天最大生产能力序号生产点生产能力/箱1生产点 125002生产点 221003生产点 323004生产点 42200在各个点生产能力限制的前提下需要使总成本最低，为了保证实验的严谨性，每个设备在不同牌号中途切换的时间都相同，为 30 min。主要对比 3 个排产系统寻找的最佳成本，对比结果如 10 图所示。图 10不同系统应用下的成本对比基于图 10 可知，所提出的区域智能排产系统在迭代次数为 50 次时，就实现最优解的确定，即确定最优的成本函数。并且，所提出的系统没有出现迭代停滞问题，整体应用效果较好，而另外 2 个系统的迭代次数均在 100 次以上，确定的成本函数也较所提出系统高。4结束语基于上述过程完成卷烟厂滤棒成型的区域智能排产系统的设计，实验结果表明所提出的系统能够有效提高卷烟产的生产效率，能够为卷烟厂滤棒生产过程提供参考。然而卷烟厂滤棒成型过程中，可能会受到其他因素的影响，为此在后续研究中还需要结合多种情况分析，提高区域智能排产效果。参考文献:1 张伟，于成龙 复材车间智能排产系统研究 J 计算机科学，2020，47(2):6 10 2 周秋艳，肖满生，张龙信，等 多约束条件下生产排程智能优化技术 J 计算机科学，2021，48(3):239 245 3 谢煜坚，闫利文 基于 Niagara 的物联网智能制造系统 J 机床与液压，2021，49(1):91 95 4 张皓瑜，王梅，芶小珊 基于物联网与云计算的塑料成型生产智能监控系统研究 J 塑料科技，2021，49(7):110 112 5 吴秀丽，孙琳 智能制造系统基于数据驱动的车间实时调度 J 控制与决策，2020，35(3):523 535 6 刘晔，闫博，刘长鑫 基于厚板生产大数据的智能监控系统研究 J 控制工程，2020，27(12):2204 2209 7 胡德芬，秦伟，冉丰华，等 天然气生产数据集成整合与智能分析系统 J 天然气工业，2020，40(11):96 101 8魏立斐，朱嘉英，衡旭日，等 基于区块链技术和HACCP 管理的智能化水产品质量安全溯源系统的设计与实现 J 渔业现代化，2020，47(4):89 96 9 吴晓强，田松龄，郑淑贤，等 面向开放式结构产品的智能制造车间实时调度方法 J 计算机集成制造系统，2020，26(10):2703 2713 10 李客，万安平 矿渣粉磨生产工艺智能调控系统研究与应用 J 科学技术与工程，2020，20(11):4279 4287 11 刘晋飞，李杰林，马学明，等 基于平均停歇时间的多品种混流生产线智能排序策略J 同济大学学报:自然科学版，2020，48(11):1676 1686 12 李晨，李昊玉，孔海峥，等 中国渔业生产系统隐含碳排放结构特征及驱动因素分解J 资源科学，2021，43(6):1166 1177 13 李旭辉，彭勃，程刚 长江经济带人工智能产业发展动态评价及系统协调度研究 J 统计与信息论坛，2020，35(1):89 100 14 庞如英，康瑞林 MTS/MTO 混合型生产排产决策研究 J 机械设计与制造，2021(8):86 90 15 肖潇 基于数字化技术的木家具制造车间计划排产研究 J 林产工业，2020，337(5):75 7722工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期