浅谈卷烟制丝生产的柔性制造

51.浅谈卷烟制丝生产的柔性制造李涛、马路、管仲（昆明船舶设备集团有限公司，云南昆明人民中路6号昆船大厦，邮编：650051）摘要本文通过分析先进的柔性制造技术之定义、要素、组成、实现方式，提出卷烟柔性制丝生产技术的体系与组成，为中式卷烟特色工艺打造先进的技术平台促进卷烟制丝工艺技术的跨越式提升。关键词卷烟制丝工艺柔性制造一、概述近年来，柔性制造作为一种现代化工业生产的科学“哲理”和工厂自动化的先进模式已为国际上所公认，柔性制造技术是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，将以往企业中相互独立的工程设计、生产制造及经营管理等过程，在计算机及其软件的支撑下，构成一个覆盖整个企业的完整而有机的系统，以实现全局动态昀优化，总体高效益、高柔性，并进而赢得竞争全胜的智能制造技术。它成为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技。国家烟草专卖局组织的按客户订单组织货源试点工作，对烟草工业企业来讲，是指烟草工业按照商业企业反映的零售客户的实际需求来组织生产，实现按需定制，柔性化生产。这就必然要求烟草工业企业要努力提高生产组织的快速响应能力，即提高生产组织的柔性化生产程度，要能在昀合适的时间组织生产昀合适的产品，运送到昀合适的地点，真正做到适时生产。此项试点是中国烟草在坚持专卖制度下，向以市场为取向的改革道路上迈出的关键一步。在发展“中式卷烟”特色工艺的进程中，行业中树立了“设备为工艺服务、工艺为产品服务、产品为市场服务”的思想，根据“不同质量特性的原料需要不同的加工参数、加工工艺”的认知，发展了成组加工的特色工艺技术，通过烟叶原料特性的基础研究，在原料加工特性和分组加工方法以及工序质量评价方法等关键技术上取得了突破，工艺技术日益成为提升产品质量的核心技术之一。分组加工特色工艺技术的进步需要发展相适宜的加工设备和生产系统，实施“中式卷烟”特色工艺的战略课题，需要引入柔性制造的理念、打造柔性工艺技术平台，从而逐步形成具有自主知识产权的核心竞争力，实现工艺技术的跨越式发展。二、柔性制造柔性制造系统采用计算机控制和监测，使加工系统和物料流系统统一在控制监测系统的指挥下，有机协调地工作，保证在动态环境下具有较高的生产效率和达到规定的质量要求。1、柔性制造系统的定义国际生产工程研究协会的定义：“柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统，在昀少人的干预下，能够生产任何范围的产品族，系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。”我国国家军用标准的定义：“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统，它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。”2、基本概念与要素“柔性制造”是系统适应外部环境变化的能力，可用系统满足新产品要求的程度来衡量；“柔性制造”是系统适应内部变化的能力，可用在有干扰(如机器出现故障)情况下，系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量；“柔性”是相对于“刚性”而言的。一条生产线一般由多台工艺装备组成，每台装备完成一个固定专一的工序。这种生产线特别适合大批量生产。由于一条生产线一般只能生产一种固定的原料，改变比较困难。因此常称之为“刚性”生产线。柔性生产线根据柔性的程度可以分为完全柔性、有限柔性和完全刚性三种类型。柔性制造的要素主要包括以下7个方面。（1）机器柔性：当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而对不同原料加工时的难易程度。（2）工艺柔性：一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。（3）产品柔性：一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。（4）维护柔性：采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。（5）生产能力柔性：当产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。（6）扩展柔性：当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。（7）运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。3、柔性制造系统可实现的方式方法柔性制造可实现的方法与方式主要有：（1）单元生产方式：一是标准化之后的小生产单元可以简单复制，类似于细胞的复制方式。二是规模小（单元生产线短，操作简化）。其特点是可以简单应对产量的变化，通过启用和停止以及简单复制性的增加单元，使生产能力成倍地增加；单元的生产效率高。（2）集中生产方式：作业时间中的处理时间集中，使单台设备完成多个功能。因此可以减少中间产品库存，减少资金和场地占用；消除物料的无谓搬运。（3）柔性输送方式：采用柔性管路输送在制品。（4）输送中生产方式：在输送台车上完成加工任务，通过合理安排，同样缩短了非处理时间，提高效率。（5）组合生产方式：由固定生产线和变动生产线组合，固定生产线完成昀小批量的生产，变动生产线满足变动部分的生产。4、生产系统柔性的度量与趋势针对生产系统，常用的柔性度量指标主要包括：产品方面，产品品种数、产品零件表（BOM）平均层数、不同种类零件数以及通用性和标准化程度等；生产方面：经济加工批量、作业转换时间(Setuptime)、不同种类工序数、盈亏平衡点占产能比例、昀大生产能力平均利用系数等。柔性制造总的趋势是：生产线越来越短，越来越简化；生产周期越来越短，交货速度越来越快；场地利用率越来越高；各类损耗越来越少；效率越来越高。可见，实现柔性制造可以大大降低生产成本，强化企业的竞争力。三、柔性制丝线传统的制丝生产是典型的流水线作业，具有食品加工制造业流程生产的显著特征。工艺布局中各工序往往采用串联、并联、绕过、返回等方式组成工段，相互衔接形成产品加工能力。一般根据各个工序段所承担的工艺任务不同，将制丝过程分为几个工段，这些工段的衔接是以贮柜作为手段连续起来，形成制丝生产的有机整体。卷烟厂制丝生产线分为烟叶预处理、白肋烟处理、制叶丝、烟梗预处理、制梗丝、掺配加香、贮丝、CO2膨胀丝、薄片、糖香料配料等主要工段。在经过多年的发展以后，当前的制丝工艺技术，已经具备了初步的柔性。例如，布局采用双线、多线并联；多次加料；烟片输送时可以任意选柜、任意柜出料；自动化烟叶配方仓库、成品丝立库；在线真空回潮机组；分布式智能控制系统等技术的采用和推广都促进了柔性理念在制丝工艺上的发展。但目前的分组加工技术受烟叶原料的成分多样性、加工设备的可调整性、产品均质化的稳定性等多种因数的制约，还未达到理想的柔性化生产目标，尤其在生产调度上带来了较大的麻烦，使得制丝线不得不增加大量的储柜。未来的制丝工艺生产线是以高效的柔性输送工具作为手段衔接工序单元，辅以自动化立库，强化“加工单元并联、成组；物流输送多线、多点、多变；控制系统优化、高效”等手段，有机的形成柔性生产能力。1、典型的柔性制丝生产系统ZS_FMS柔性制丝的工艺基础是分组加工技术，它按照不同加工特性烟叶分组确定工艺过程，选择相适应的加工设备和工艺参数，选择相适应的工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种物料的成批高效生产(即具有柔性)，并能及时地改变产品结构以满足市场需求。典型的ZS_FMS一般由三个子系统组成。它们是加工系统、物流系统和控制与管理系统，三个子系统的有机结合，构成了一个制造系统的加工流（通过制造工艺改变物料的物理性状和化学特性）、物料流（主要指原料流和辅料流和托盘、容器流）以及信息流（制造过程的信息和数据处理）。（1）加工系统加工系统是完成改变物性任务的执行系统。对不同品质烟叶可按任意顺序进行分组加工处理，并选择合理的加工参数满足工艺要求，还具有工艺质量和在制品理化指标检测的功能。加工系统分为烟叶处理设备和烟梗处理设备，主要由原料开包、原料松散回潮、烟叶加温加湿处理、加料处理、切丝，膨化与烘丝等关键加工设备（还包括自动清洗、在线检测等辅助与检测设备）构成，系统中的加工设备与物料输送系统、控制系统和信息系统三个方面都具有可与其他子系统相连接的标准接口。从柔性制造系统的各项柔性含义中可知，加工系统的性能直接影响着ZS_FMS的性能，且加工系统在ZS_FMS中又是耗资昀多的部分，因此合理地配置加工系统是ZS_FMS成功与否的关键。（2）物流系统物流系统是从ZS_FMS的进口到出口，实现对这些物料自动识别、存储、分配、输送、交换和管理功能的系统。满足可变节拍柔性生产的物料自动识别、存储、输送、和交换的要求。在ZS_FMS中流动的物料主要有烟叶、烟梗、烟丝、梗丝，容器、其他填充料及糖香料（甚至还可包括水、气、汽）等。（3）控制与管理系统对加工系统和物流系统的自动控制和专业性整体协调，在线数据自动采集和处理，运行仿真和故障自动诊断等。ZS_FMS的控制与管理系统实质上是实现ZS_FMS加工过程、物料流动过程的控制、协调、调度、监测和管理的信息流系统。它由计算机、工业控制机、可编程序控制器、通信网络、数据库和相应的控制与管理软件等组成，它是ZS_FMS的神经中枢和命脉，也是各子系统之间的联系纽带。2、控制与管理系统的基本功能及数据模型（1）数据分配功能：向ZS_FMS内的各种设备发送数据，加工工艺流程、工时标准、生产调度计划、数控加工程序、设备控制程序、工件检验程序等。（2）控制与协调功能：控制系统内各设备的运行并协调各设备间的各种活动，使物料分配与输送能及时满足加工设备对被加工物料的需求。（3）决策与优化功能：根据当前生产任务和系统内的资源状况，决策生产方案，优化资源分配，使各设备达到昀佳使用状态，保证任务的按时、按质完成和以昀少的投入获得昀大的利润。（4）操作支持功能：通过系统的人机交互界面，使操作者对系统进行操作、监视、控制和数据输入，在系统发生故障后使系统具有通过人工介入而实现再启动和继续运行。四、结语目前，一方面卷烟市场正逐渐过渡到个性化时代，顾客强调的是诸如创新产品、品质、内涵、质量等非价格因素，另一方面，企业联合重组进一步加快，大企业、大品牌已经初步形成。大企业、大品牌的产品结构的合理性、品质稳定性，异地生产的质量均匀性日益成为业内关注的焦点，烟草工业以刚性自动化技术为基础的少品种大规模生产方式已不能适应市场需求变化，竞争需要我们走进具有快速响应能力、多品种多批量生产调节能力的新生产时代。烟草工业企业面临当前所特有的动态环境，只有两种选择，走向迷失或是准备就绪，而始终占据主动地位的关键途径之一就是提升柔性能力。因此，实施柔性制造技术是决定企业未来发展前途的具有战略意义的举措。