烟丝生产流程的建模仿真与优化

华中科技大学硕士学位论文烟丝生产流程的建模仿真与优化姓名：刘宁申请学位级别：硕士专业：系统工程指导教师：余明晖20070609华中科技大学硕士学位论文I摘要烟草工业是典型的流程工业，随着现代流程工业不断地向大型化、集成化方向发展，生产工艺的复杂性不断提高，生产过程中所要考虑的因素也越来越多，因此如何合理安排生产计划已成为了日益重要的问题。传统的数学规划的方法只能建立静态的数学模型，缺乏实时性，且求解效率不高，建立的数学模型也不能重用。本文运用仿真的方式解决此问题，仿真能够对流程进行可控的、耗费小的、并允许多次重复的试验。这是非常有效的综合集成方法，是能够迅速地推动流程改善的战略技术。仿真技术需要有良好的模型作为仿真对象，才能够在流程改造中发挥它的众多优点。本文选择了烟草工业的制丝车间作为仿真对象，制丝车间是烟草生产的主要环节，通过对制丝车间的仿真可以有效分析整个烟草生产流程。本文在分析了制丝流程的基础上，利用Petri网流程建模方法，构建了烟丝生产流程的Petri网流程模型，并且利用模型对制丝生产流程中涉及的时间、成本、消耗的资源等实现定量分析。在所建立的Petri网流程模型的基础上，本文运用Flexsim仿真工具，建立起烟草集团烟丝制造流程的仿真模型，通过仿真试验验证了该仿真系统能够模拟实际生产，为制丝车间的生产方案提供了验证平台。根据烟丝制造流程的同排序流水车间的特性，本文采用启发式算法优化制丝流程的生产方案，并用所建立的仿真平台验证优化的合理性。关键词：流程仿真，制丝流程，Petri网，生产调度，启发式算法华中科技大学硕士学位论文IIAbstractTobaccoindustryisthetypicalprocessindustry.Withthedevelopmentofmodernprocessindustrytolarge-scaleandintegration,theproductionprocessgrowmorecomplicated,moreandmorefactorsmustbeconsideredduringtheproduction.Therefore,howtoarrangetheproductiveplanisbecomingtheimportantquestiondaybyday.Themathematicprogrammingmethodcanonlyestablishstaticmathematicmodel,itlackstimelinessandefficiency,themathematicalmodelcannotbereuse.Thisthesishasproposedasimulationwaytosolvethisproblem.Relyonsimulation,theexperimentswhicharecontrollable,lowcostandcanduplicatemanytimesarepossible.Itisaneffectiveintegratedmethod,itisthestrategictechnologywhichcanrapidlyimprovetheproductionprocess.Thesimulationtechnicalrequiresagoodmodelasasimulationobject,onlythenitcandisplayitsmultitudinousmeritsintheprocessoptimization.Thecuttobaccoworkshophadbeenchoseninthisthesisasthesimulationobject,thecuttobaccoworkshopiskeyprocessofthetobaccoproduction,theentiretobaccoproductionprocesscanbeoptimizedthroughthesimulationofthecuttobaccoworkshop.Baseonanalysisofthecuttobaccoproduction,weconstructedthemodelofthecuttobaccoworkshopusingthemethodofPetrinetmodeling,andquantitativeanalysisoftime,costandresourceisalsoappliedinthecuttobaccoprocessbasedonthemodel.BaseonthePetri-netmodelweconstructed,Flexsimhasbeenusedtoestablishthesimulationsystemofthecuttobaccoworkshop.Thesimulationexperimentshaveconfirmedthissimulationsystemtobeabletosimulatetheactualproduction.Thesimulationsystemhasprovidedatestplatformforproductionplanofthecuttobaccoworkshop.Accordingtotheflowshopproductiontheory,weusetheheuristicalgorithmtooptimizetheproductiveplan.Thesimulationplatformhasbeenusedtovalidatetheproductionplan.Keywords:ProcessSimulation,theCutTobaccoProcess,Petri-net,ProductionScheduling,theHeuristicAlgorithm独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律效果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等幅值手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1研究的背景、目的以及意义信息集成和系统集成是信息时代提高企业竞争力的综合性技术。许多烟草企业通过不断提高生产线自动化程度和引进先进的企业级管理信息系统(如MRPⅡ、ERP等)，使本企业的生产管理水平和市场竞争力有了一定的提高。但MRPⅡ/ERP主要是针对企业资源计划，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。这种“信息孤岛”成了企业ERP等上层管理系统顺利实施的瓶颈，企业难以实时反应，导致企业上层计划缺乏有效的下层实时信息支持、下层控制环节缺乏上层优化的调度与协调。如何将先进的生产线控制系统和企业级的生产管理信息系统有效地结合起来，在两者之间搭起桥梁以提供信息的转换，这是企业信息化建设迫切解决的问题。生产执行系统(MES)恰好能解决这一难题。MES是处于计划层和车间层操作控制系统SFC之间的执行层，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，优化从定单到产品完成的整个生产活动。烟草行业是一个典型的柔性制造系统，且设备自动化程度高。为了充分挖掘先进设备的生产能力，优化生产行为，全面提高企业信息化管理水平，MES的建设与应用尤为重要。2005年4月，武汉烟草集团开始制造执行系统(MES)项目的研发，在此之前武汉烟草集团已经建立了ERP系统，MES系统在ERP系统与生产自动控制系统之间形成了一个信息交换的桥梁，使生产管理者能够实时地掌握生产信息，并可以根据实时信息合理地解决生产过程中提出的问题，填补计划管理与控制之间存在的间隙。武汉烟草集团的MES投入实施以后取得了很好的成果，提高了企业的自动化水平，初步实现了管控一体化，然而现有MES系统的控制能力有限，MES的主要功能还停留在发放报表-开始生产-数据采集-检验产品质量的循环过程上，而对于生产过程中的控制，人员不能对局部产品生产控制管理，使得异常出现时控制不足；同时，华中科技大学硕士学位论文2本应有计算机安排的生产调度仍然需要人工负责，这主要是因为整个烟丝生产流程非常复杂，采用完全计算机的方法并不能很好的解决许多突发事件，特别是新型号、新品种的产品生产需要重新制定计划，而人工的生产调度依赖于调度人的调度经验以及风险昀小化的调度策略，这种调度显然不能够达到利益昀大化，而且实际生产随机情况很多，纯粹依靠经验难免出现错误。因而，如何设计好的方案帮助调度人安排生产计划，使得在保证生产正常进行的前提下，尽可能实现生产效益的昀大化，是整个生产中亟待解决的关键问题，也是本文的研究目的所在。生产调度问题的研究不仅具有较大的理论意义，而且还有相当大的实用价值。这是由于：一方面，车间作业调度问题的研究不仅可以推动相关算法、技术的研究，如模拟退火算法、遗传算法、神经网络、人工智能、离散事件仿真技术等，而且还能在此基础上提出新的算法和技术，这为其他领域类似问题的解决提供了条件和手段；另一方面，生产调度问题的解决本身具有实际意义，一个好的生产调度方案不仅可以降低生产成本，而且可以提高企业产品的准时交货能力，从而增强企业的竞争力。1.2文献综述本研究涉及到流程制造工业仿真的相关内容、研发系统时用到的Petri网建模理论、仿真理论等，下面分别对其发展现状作简要综述。1.2.1流程工业及其特点烟草工业是典型的流程制造工业，在对烟草工业仿真的时候，有必要首先介绍流程工业的生产特点，这对于建立准确的模型有很大的帮助。流程工业[1]指主要生产过程为连续生产(或较长一段时间连续生产)的工业，特点是原材料通过一系列连续的化学反应和物理变化得到要求的产品，其加工顺序固定不变，生产设施按工艺流程布置，生产过程连续不间断，而且机理复杂、数据信息华中科技大学硕士学位论文3量大、处理难度较大，对管理控制的协调性、实时性、可靠性要求较高，包括石化、冶金、电力、轻工、制药、环保、水利等行业，是国民经济中占主导地位的行业。全球500强行业中，流程工业企业有70余家，占15%，其营业收入占总收入的16.5%，我国流程工业年产值占全国企业年总产值的66%，其发展状况直接影响国家的经济基础，是国家的重要基础支柱产业。流程企业的经营策略是根据市场供求预测和各种产品的价格决定本企业生产产品的昀佳配比，并通过及时修正生产计划和优化生产调度，用物耗和能耗昀小的生产工艺流程，准确地生产出昀佳配比的产品，谋求获取昀大效益。流程工业生产连续化、设备多、变量间藕合严重、产品品种稳定、生产量大，产品不是以新取胜，而是以质量和价格取胜，这使得流程工业具有如下特点[2]：1)流程工业生产过程包括信息流、物质流、能量流，而且伴随着复杂的物理化学反应，以及突变性和不确定性等因素，是一个复杂的大系统。2)流程工业生产过程中物流连续，生产装置间或者有管道约束，或者只有简单而有限的中间存储装置，生产过程的柔性是靠改变各装置间的物流分配和生产装置的工作点来实现的，因此必须有先进的在线优化、控制技术来保证。3)流程工业的生产是连续的，因而强调生产过程的整体性，要求把不同装置和生产过程连接在一起成为一个整体。各个设备的优化不等于整个系统处于昀优，因而在求取全局昀优的过程中有时会得到相