卷煙制絲生產的柔性制造初探_先進制造技術_柔性制造_141

1、卷煙制絲生產的柔性制造初探_先進制造技術_柔性制造    隨著國家煙草專賣局組織的“按客戶訂單組織貨源”試點工作的逐步推廣，煙草工業(yè)企業(yè)的制造工藝、生產管理等環(huán)節(jié)日益面臨著市場導向的挑戰(zhàn)?！鞍纯蛻粲唵谓M織貨源”是指煙草工業(yè)企業(yè)按照商業(yè)企業(yè)反映的零售客戶的實際需求來組織生產，實現按需定制，柔性化生產。這就必然要求煙草工業(yè)企業(yè)要努力提高生產組織的快速響應能力，即提高生產組織的柔性化生產程度，而其最根本的就是要解決制造工藝的柔性化問題。    1.1 傳統(tǒng)制絲線    傳統(tǒng)制絲生產線一般根據各個工序段所承擔的工

2、藝任務不同，將制絲過程分為幾個工段，這些工段的銜接通過貯柜連接起來，形成制絲生產的有機整體。卷煙廠制絲生產線一般分為煙葉預處理、白肋煙處理、制葉絲、煙梗預處理、制梗絲、摻配加香、貯絲、CO2膨脹絲、再造煙葉、糖香料配料等工段。這種生產線是典型的流水線作業(yè)，一條生產線由多臺工藝裝備組成，每臺裝備完成固定專一的工序，適合固定產品的大批量生產。由于一條生產線一般只能同時生產一種固定的煙草制絲產品，改變比較困難，因此將其劃分為剛性生產線。    隨著工藝技術的不斷改進，剛性生產線給卷煙新產品的開發(fā)、制絲工藝的技術完善等帶來了很多限制，卷煙企業(yè)在生產線工藝布局中更多地采用串

3、聯、并聯、繞過、返回等方式組成工段，進而相互銜接形成產品加工能力，盡可能地實現一定程度的柔性化生產。    1.2 半柔性制絲線(分組加工技術)    目前國內大多數卷煙企業(yè)的制絲工藝技術已經具備了初步的柔性化生產能力。例如，制絲線整體布局采用雙線、多線并聯;多次加料;煙片輸送時可以任意選柜進料、任意選柜出料;自動化煙葉配方倉庫、成品煙絲立體倉庫;連續(xù)式在線真空回潮機組;分布式智能控制系統(tǒng)等，尤其是分組加工特色工藝技術，對配方中不同產地、不同等級的煙葉根據感官質量和理化特性重新分組，選擇不同的關鍵加工設備(如加料機、烘絲機)，并制定相

4、應的工藝參數指標分別進行處理。相比傳統(tǒng)的剛性制絲生產線，分組加工技術極大地拓展了原料使用范圍，對不同分組的煙葉進行不同的加料、烘絲等處理工藝，實現了一定的精細化加工，產品質量得到明顯提升。    但目前的分組加工技術受煙葉原料的成分多樣性、加工設備的可調整性、產品均質化的穩(wěn)定性等因素的制約，并未達到理想的柔性化生產目標，尤其是固有設備工藝的剛性給多批量、多品種的生產調度帶來了較大麻煩，使得制絲線不得不增加大量的貯柜來協調批次生產的連續(xù)性，同時又帶來其他諸如設備利用率、占地面積等問題。因此，從柔性制造的角度分析，當前應用的分組加工技術可劃分為半柔性制絲線。 

5、;   1.3 柔性制絲生產系統(tǒng)    柔性制絲 工藝基礎是分組加工技術，同樣是將煙葉按照不同的加工特性進行分組并確定工藝過程，選擇相應的加工設備和工藝參數以及物料儲運系統(tǒng)等，并由計算機進行控制，因此能夠自動調整并實現要求范圍內多種物料的成批高效生產(即具有柔性)，并能及時地改變產品結構以滿足市場需求。與分組加工技術(半柔性制絲線)最大的區(qū)別在于，柔性制絲線將高效的全自動物流系統(tǒng)集成到制絲過程中，并把制絲處理工序單元化和模塊化，在各加工單元之間采用柔性物流傳送技術進行銜接，在儲存環(huán)節(jié)則利用物流立體式倉庫代替占地面積龐大的貯柜組進行物料存儲和信息

6、的跟蹤、傳遞。    柔性制絲生產系統(tǒng)(也稱為制絲一柔性制造系統(tǒng)，ZS-FMS)一般由3個子系統(tǒng)組成(圖1):加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和控制與管理系統(tǒng)，從而構成了一個制造系統(tǒng)的加工流(通過制造工藝改變物料的物理性狀和化學特性)、物料流(主要指原料流、輔料流、托盤和容器流)和信息流(制造過程的信息和數據處理)。    1.3.1 加工系統(tǒng)    加工系統(tǒng)是完成改變物性任務的執(zhí)行系統(tǒng)。對不同品質的煙葉可按任意順序進行分組，并選擇相應的加工單元、合理的加工參數進行加工以滿足工藝要求，同時還具有工藝質量和在制品理化指標

7、檢測的功能。加工系統(tǒng)分為煙葉處理設備和煙梗處理設備，主要由原料開包、原料松散回潮、煙葉加溫加濕處理、加料處理、切絲、膨化與烘絲等加工單元(還包括自動清洗、在線檢測等輔助與檢測單元)構成。該系統(tǒng)中的加工單元和檢測單元等與其他兩個子系統(tǒng)都具有相連接的標準接口。    加工系統(tǒng)中的加工單元，是指以單臺加工設備為基礎的完成一定的煙葉加工工藝的單元模塊，既可以是一臺單獨的設備(如加料機、切絲機等)，也可以是完成一定功能的設備組合(如喂料機十計量管+電子秤)。單個的加工單元可作為一套固定的加工設備，由相關的控制模塊進行控制。多個相同工序的加工單元可并行設置，完成相同的加工工藝

8、過程。不同工序間通過物流系統(tǒng)連接，柔性地在加工單元間傳送物料。    1.3.2 物流系統(tǒng)    物流系統(tǒng) 緊密地鑲嵌在ZS-FMS(制絲一柔性制造系統(tǒng))中，是從各個加工單元的出口到下一道工序加工單元的進口，實現對這些物料的自動識別、存儲、分配、輸送、交換和管理功能的系統(tǒng)。在ZS-FMS中流動的物料主要有煙葉、煙梗、葉絲、梗絲、容器、其他填充料及糖香料(還包括水、氣、汽)等。相比傳統(tǒng)的制絲線，ZS-FMS中的物流系統(tǒng)具有多點到多點輸送的優(yōu)勢，可根據工藝需求，任意選擇相應的加工單元，以滿足生產中有選擇、可調整、個性化的加工工藝要求。&#

9、160;   圖1 柔性制絲生產系統(tǒng)結構    1.3.3 控制與管理系統(tǒng)    控制與管理系統(tǒng)完成對加工系統(tǒng)和物流系統(tǒng)的自動控制和整體協調、在線數據自動采集和處理、運行仿真和故障自動診斷等功能。    ZS- FM S 的控制與管理系統(tǒng)實現了ZS-FMS加工過程、物料流動過程的控制、協調、調度、監(jiān)測和管理的信息流系統(tǒng)。由計算機、工業(yè)控制機、可編程序控制器、通信網絡、數據庫和相應的控制與管理軟件等組成，是各子系統(tǒng)之間的聯系紐帶。    2 柔性制絲生產系統(tǒng)

10、的應用    2.1 系統(tǒng)結構    如圖2所示，加工系統(tǒng)中的加工單元之間的連接不再像傳統(tǒng)生產線一樣采用剛性連接加工設備，而是利用柔性物流傳送技術將物料輸送至加工設備。當然，某些固有的工藝段仍然可在設備間采用剛性連接，此時可將該工藝段視為一個加工單元，并賦予其相關控制參數。與傳統(tǒng)的剛性制絲線或分組加工的半柔性制絲線相比，ZS-FMS在同一個加工工序中擁有多個不同的加工單元，這些加工單元既可以通過調整參數加工不同的煙葉，也能夠有針對性地同時加工不同個性化的煙葉。還可通過同工序段各加工單元具有不同加工能力的合理設置，在大批量生產和小批量精

11、品加工同時生產之間找到高效、合理的平衡點。    圖2 柔性制絲生產系統(tǒng)應用結構示意    2.2 系統(tǒng)功能    各加工單元之間通過物流柔性連接，加工系統(tǒng)和物流系統(tǒng)形成有機的結合，而控制與管理系統(tǒng)則通過與這兩個子系統(tǒng)的信息交流對整個ZSFMS進行控制和管理，主要實現以下功能:    (1) 數據分配。向ZS-FMS內的各設備發(fā)送數據、加工工藝流程、工時標準、生產調度計劃、數控加工程序、設備控制程序、工件檢驗程序等。    (2) 控制與協調?？?/p>

12、制系統(tǒng)內各設備的運行并協調它們之間的各種活動，使物料分配與輸送能及時滿足加工設備的需求。    (3) 決策與優(yōu)化。根據生產任務和系統(tǒng)內的資源狀況，決策生產方案，優(yōu)化資源分配，使各設備達到最佳使用狀態(tài)，保證任務按時、按質完成，以最少的投人獲得最大的利潤。    (4) 操作支持功能。通過系統(tǒng)的人機交互界面，對系統(tǒng)進行操作、監(jiān)視、控制和數據輸人，在系統(tǒng)發(fā)生故障時通過人工介人實現再啟動和繼續(xù)運行。    通過ZS -FMS中三個子系統(tǒng)的有機結合，未來的制絲線 或者應稱為“制絲系統(tǒng)”在生產中具備了廣泛的柔性:分

13、組加工更加靈活;煙葉加工更加精細化、數字化;生產中的過程控制由工藝段、整線控制轉變?yōu)榧庸卧⒐ば蚰K的控制;設備故障的查找、排除更加迅速高效;信息流的跟蹤、處理更加有序、準確。    生產能力的柔性，可根據需要合理設置大、中、小不同能力的加工單元，以進行不同流量的物料加工。在一些精品產品或試驗性質的生產中安排小能力加工單元，市場需求大的品牌可安排較大能力的加工單元。通過柔性傳送物流技術，大批量生產和小流量精品加工可以在ZS-FMS中同時進行;在產品新配方的試驗過程中，也能方便地分段、分工序進行試驗，大大提高了設備使用率，縮短了試驗周期，節(jié)約了試驗成本。在 ZS-

14、 FM S中，煙草生產企業(yè)將不再像現在一樣，在一個龐大的車間內布置一條或幾條彎來繞去的制絲線，而可以采用功能車間串、并聯的方式，每個功能車間完成一個或幾個特定的加工工序，通過多個功能車間的串、并聯完成整個煙草制絲過程(圖3)。這樣，對于生產的管理、人員的分工、責任的明晰都帶來極大的方便。    當新的加工工藝出現時，只需在相應的功能車間添加或更換相應的加工單元或工序模塊，同時改變相關控制模塊即可達到技術改造的目的，不會再出現傳統(tǒng)制絲線技改時整條制絲線大動干戈、生產停滯的局面。    圖3 ZS-FMS廠房布局示意    3 結語    重點討論了煙草制絲工藝中多品種、多配方、處理工藝多樣、在成品煙絲中占最大比重的葉片葉絲的柔性制造工藝，對于梗和梗絲、白肋煙、膨脹煙絲等煙草填充物的生產，如