卷烟制丝生产的柔性制造初探_先进制造技术_柔性制造_141

1、卷烟制丝生产的柔性制造初探_先进制造技术_柔性制造    随着国家烟草专卖局组织的“按客户订单组织货源”试点工作的逐步推广，烟草工业企业的制造工艺、生产管理等环节日益面临着市场导向的挑战。“按客户订单组织货源”是指烟草工业企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，而其最根本的就是要解决制造工艺的柔性化问题。    1.1 传统制丝线    传统制丝生产线一般根据各个工序段所承担的工

2、艺任务不同，将制丝过程分为几个工段，这些工段的衔接通过贮柜连接起来，形成制丝生产的有机整体。卷烟厂制丝生产线一般分为烟叶预处理、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、再造烟叶、糖香料配料等工段。这种生产线是典型的流水线作业，一条生产线由多台工艺装备组成，每台装备完成固定专一的工序，适合固定产品的大批量生产。由于一条生产线一般只能同时生产一种固定的烟草制丝产品，改变比较困难，因此将其划分为刚性生产线。    随着工艺技术的不断改进，刚性生产线给卷烟新产品的开发、制丝工艺的技术完善等带来了很多限制，卷烟企业在生产线工艺布局中更多地采用串

3、联、并联、绕过、返回等方式组成工段，进而相互衔接形成产品加工能力，尽可能地实现一定程度的柔性化生产。    1.2 半柔性制丝线(分组加工技术)    目前国内大多数卷烟企业的制丝工艺技术已经具备了初步的柔性化生产能力。例如，制丝线整体布局采用双线、多线并联;多次加料;烟片输送时可以任意选柜进料、任意选柜出料;自动化烟叶配方仓库、成品烟丝立体仓库;连续式在线真空回潮机组;分布式智能控制系统等，尤其是分组加工特色工艺技术，对配方中不同产地、不同等级的烟叶根据感官质量和理化特性重新分组，选择不同的关键加工设备(如加料机、烘丝机)，并制定相

4、应的工艺参数指标分别进行处理。相比传统的刚性制丝生产线，分组加工技术极大地拓展了原料使用范围，对不同分组的烟叶进行不同的加料、烘丝等处理工艺，实现了一定的精细化加工，产品质量得到明显提升。    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因素的制约，并未达到理想的柔性化生产目标，尤其是固有设备工艺的刚性给多批量、多品种的生产调度带来了较大麻烦，使得制丝线不得不增加大量的贮柜来协调批次生产的连续性，同时又带来其他诸如设备利用率、占地面积等问题。因此，从柔性制造的角度分析，当前应用的分组加工技术可划分为半柔性制丝线。 

5、;   1.3 柔性制丝生产系统    柔性制丝 工艺基础是分组加工技术，同样是将烟叶按照不同的加工特性进行分组并确定工艺过程，选择相应的加工设备和工艺参数以及物料储运系统等，并由计算机进行控制，因此能够自动调整并实现要求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。与分组加工技术(半柔性制丝线)最大的区别在于，柔性制丝线将高效的全自动物流系统集成到制丝过程中，并把制丝处理工序单元化和模块化，在各加工单元之间采用柔性物流传送技术进行衔接，在储存环节则利用物流立体式仓库代替占地面积庞大的贮柜组进行物料存储和信息

6、的跟踪、传递。    柔性制丝生产系统(也称为制丝一柔性制造系统，ZS-FMS)一般由3个子系统组成(图1):加工系统、物流系统和控制与管理系统，从而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、辅料流、托盘和容器流)和信息流(制造过程的信息和数据处理)。    1.3.1 加工系统    加工系统是完成改变物性任务的执行系统。对不同品质的烟叶可按任意顺序进行分组，并选择相应的加工单元、合理的加工参数进行加工以满足工艺要求，同时还具有工艺质量和在制品理化指标

7、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、膨化与烘丝等加工单元(还包括自动清洗、在线检测等辅助与检测单元)构成。该系统中的加工单元和检测单元等与其他两个子系统都具有相连接的标准接口。    加工系统中的加工单元，是指以单台加工设备为基础的完成一定的烟叶加工工艺的单元模块，既可以是一台单独的设备(如加料机、切丝机等)，也可以是完成一定功能的设备组合(如喂料机十计量管+电子秤)。单个的加工单元可作为一套固定的加工设备，由相关的控制模块进行控制。多个相同工序的加工单元可并行设置，完成相同的加工工艺

8、过程。不同工序间通过物流系统连接，柔性地在加工单元间传送物料。    1.3.2 物流系统    物流系统 紧密地镶嵌在ZS-FMS(制丝一柔性制造系统)中，是从各个加工单元的出口到下一道工序加工单元的进口，实现对这些物料的自动识别、存储、分配、输送、交换和管理功能的系统。在ZS-FMS中流动的物料主要有烟叶、烟梗、叶丝、梗丝、容器、其他填充料及糖香料(还包括水、气、汽)等。相比传统的制丝线，ZS-FMS中的物流系统具有多点到多点输送的优势，可根据工艺需求，任意选择相应的加工单元，以满足生产中有选择、可调整、个性化的加工工艺要求。&#

9、160;   图1 柔性制丝生产系统结构    1.3.3 控制与管理系统    控制与管理系统完成对加工系统和物流系统的自动控制和整体协调、在线数据自动采集和处理、运行仿真和故障自动诊断等功能。    ZS- FM S 的控制与管理系统实现了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。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，是各子系统之间的联系纽带。    2 柔性制丝生产系统

10、的应用    2.1 系统结构    如图2所示，加工系统中的加工单元之间的连接不再像传统生产线一样采用刚性连接加工设备，而是利用柔性物流传送技术将物料输送至加工设备。当然，某些固有的工艺段仍然可在设备间采用刚性连接，此时可将该工艺段视为一个加工单元，并赋予其相关控制参数。与传统的刚性制丝线或分组加工的半柔性制丝线相比，ZS-FMS在同一个加工工序中拥有多个不同的加工单元，这些加工单元既可以通过调整参数加工不同的烟叶，也能够有针对性地同时加工不同个性化的烟叶。还可通过同工序段各加工单元具有不同加工能力的合理设置，在大批量生产和小批量精

11、品加工同时生产之间找到高效、合理的平衡点。    图2 柔性制丝生产系统应用结构示意    2.2 系统功能    各加工单元之间通过物流柔性连接，加工系统和物流系统形成有机的结合，而控制与管理系统则通过与这两个子系统的信息交流对整个ZSFMS进行控制和管理，主要实现以下功能:    (1) 数据分配。向ZS-FMS内的各设备发送数据、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。控

12、制系统内各设备的运行并协调它们之间的各种活动，使物料分配与输送能及时满足加工设备的需求。    (3) 决策与优化。根据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，使各设备达到最佳使用状态，保证任务按时、按质完成，以最少的投人获得最大的利润。    (4) 操作支持功能。通过系统的人机交互界面，对系统进行操作、监视、控制和数据输人，在系统发生故障时通过人工介人实现再启动和继续运行。    通过ZS -FMS中三个子系统的有机结合，未来的制丝线 或者应称为“制丝系统”在生产中具备了广泛的柔性:分

13、组加工更加灵活;烟叶加工更加精细化、数字化;生产中的过程控制由工艺段、整线控制转变为加工单元、工序模块的控制;设备故障的查找、排除更加迅速高效;信息流的跟踪、处理更加有序、准确。    生产能力的柔性，可根据需要合理设置大、中、小不同能力的加工单元，以进行不同流量的物料加工。在一些精品产品或试验性质的生产中安排小能力加工单元，市场需求大的品牌可安排较大能力的加工单元。通过柔性传送物流技术，大批量生产和小流量精品加工可以在ZS-FMS中同时进行;在产品新配方的试验过程中，也能方便地分段、分工序进行试验，大大提高了设备使用率，缩短了试验周期，节约了试验成本。在 ZS-

14、 FM S中，烟草生产企业将不再像现在一样，在一个庞大的车间内布置一条或几条弯来绕去的制丝线，而可以采用功能车间串、并联的方式，每个功能车间完成一个或几个特定的加工工序，通过多个功能车间的串、并联完成整个烟草制丝过程(图3)。这样，对于生产的管理、人员的分工、责任的明晰都带来极大的方便。    当新的加工工艺出现时，只需在相应的功能车间添加或更换相应的加工单元或工序模块，同时改变相关控制模块即可达到技术改造的目的，不会再出现传统制丝线技改时整条制丝线大动干戈、生产停滞的局面。    图3 ZS-FMS厂房布局示意    3 结语    重点讨论了烟草制丝工艺中多品种、多配方、处理工艺多样、在成品烟丝中占最大比重的叶片叶丝的柔性制造工艺，对于梗和梗丝、白肋烟、膨胀烟丝等烟草填充物的生产，如