多品種自制件共線機(jī)加工拉式生產(chǎn)模型及實(shí)現(xiàn)

張洪亮 （上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438）

ZHANG Hong-liang (Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China)

0 引 言

隨著近年精益生產(chǎn)日益廣泛的導(dǎo)入，“拉式生產(chǎn)”在企業(yè)物流和生產(chǎn)計(jì)劃中得到了越來越多的應(yīng)用?！袄缴a(chǎn)”一般指上道工序（工廠、車間、工段、工序等）根據(jù)下道工序的需求進(jìn)行生產(chǎn)和物料配送。下道工序沒有需求時(shí)，上道工序不進(jìn)行生產(chǎn)和物料配送。

“拉式生產(chǎn)”在機(jī)加工生產(chǎn)計(jì)劃制定中的應(yīng)用，特別是多品種自制件共線機(jī)加工中的應(yīng)用，已有部分文獻(xiàn)進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[1]對多產(chǎn)品串并聯(lián)生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)看板進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，考慮了成批輪番生產(chǎn)方式，對非輪番方式?jīng)]有涉及。文獻(xiàn)[2]給出了多階段混流裝配的看板控制系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算公式，涉及到自制件成品緩沖區(qū)的數(shù)量設(shè)置，但對自制件生產(chǎn)過程沒有過多論述。文獻(xiàn)[3]參照采用隨管理水平高低設(shè)定柔性系數(shù)從而擴(kuò)大機(jī)加工安全庫存來解決庫存數(shù)量設(shè)置問題，帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性。

筆者在進(jìn)行SD公司多品種自制件共線機(jī)加工拉式生產(chǎn)方式設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的文獻(xiàn)，未提供相關(guān)參數(shù)設(shè)定的方式及方法。鑒于此，筆者根據(jù)SD公司的實(shí)際情況，建立了機(jī)加工拉式生產(chǎn)模型，制作了數(shù)據(jù)模擬表，該模擬表可以對多品種自制件不同機(jī)加工批量和生產(chǎn)周期情況下的消耗、生產(chǎn)及庫存情況進(jìn)行模擬。根據(jù)數(shù)據(jù)模擬，確定了庫存數(shù)量等所需設(shè)置的參數(shù)，并開發(fā)了相應(yīng)系統(tǒng)，已經(jīng)在實(shí)踐中應(yīng)用。

1 SD公司生產(chǎn)過程描述

SD公司是一家大型高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)D、E、H、R等系列的柴油、天然氣發(fā)動機(jī)。近年來通過在企業(yè)信息化方面的建設(shè)，SD公司已基本建成由產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）、企業(yè)管理解決方案（Systems Applications and Products in Data Processing，SAP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES） 等組成的完整信息化體系。但因?yàn)槎喾N原因，SD公司下屬發(fā)動機(jī)廠的機(jī)體和缸蓋兩種自制件的機(jī)加工生產(chǎn)計(jì)劃，未在SAP及MES系統(tǒng)中運(yùn)行，仍然采用手工方式編制。2011年下半年，SD公司決定將發(fā)動機(jī)廠自制件生產(chǎn)計(jì)劃納入MES系統(tǒng)中。

SD公司生產(chǎn)D系列產(chǎn)品的發(fā)動機(jī)廠，由裝配線和機(jī)加工線構(gòu)成。裝配線根據(jù)客戶要求的產(chǎn)品型號，將外購件及相應(yīng)品種的機(jī)體、缸蓋自制件組合在一起。每臺發(fā)動機(jī)使用一個(gè)機(jī)體、一個(gè)缸蓋，機(jī)體和缸蓋之間沒有固定的配置關(guān)系。D系列發(fā)動機(jī)采用多品種小批量訂單生產(chǎn)方式，在收到客戶訂單后，才安排裝配線進(jìn)行產(chǎn)品裝配，每天生產(chǎn)發(fā)動機(jī)200臺左右。

機(jī)加工線分為機(jī)體線和缸蓋線。機(jī)體線有51臺設(shè)備，缸蓋線有42臺設(shè)備，采用自動傳輸?shù)牧魉€方式布局。機(jī)體線共線生產(chǎn)兩個(gè)品種的機(jī)體自制件，缸蓋線共線生產(chǎn)三個(gè)品種的缸蓋自制件。機(jī)體、缸蓋的機(jī)加工生產(chǎn)工序相對比較復(fù)雜，機(jī)體要經(jīng)過63道工序，缸蓋要經(jīng)過44道工序。機(jī)加工生產(chǎn)線三班制運(yùn)轉(zhuǎn)，不同品種間需要切換，切換（包括更換工裝、更換刀具及首件檢測等）的時(shí)間比較長。

2 多品種自制件共線機(jī)加工拉式生產(chǎn)模型建立

2.1 總體模型

參照文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]的看板拉動方式，結(jié)合SD公司的生產(chǎn)特點(diǎn)，與裝配線采用訂單拉動生產(chǎn)方式相適應(yīng)，我們建立了自制件機(jī)加工拉式生產(chǎn)模型（如圖1所示）。

自制件機(jī)加工拉式生產(chǎn)的模型，將機(jī)加工生產(chǎn)線看做一個(gè)整體。毛坯上線處設(shè)置毛坯緩沖區(qū)、成品下線處設(shè)置成品緩沖區(qū)。成品緩沖區(qū)消耗一定數(shù)量的自制件，即向機(jī)加工上線處發(fā)出一張生產(chǎn)看板，從而拉動機(jī)加工生產(chǎn)。這樣的生產(chǎn)方式，使機(jī)體缸蓋根據(jù)實(shí)際需求生產(chǎn)，可以有效解決提前生產(chǎn)或延期生產(chǎn)的問題，避免了手工編制生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)各環(huán)節(jié)的放大因素。

圖1 自制件機(jī)加工拉式生產(chǎn)總體模型

考慮到機(jī)加工是流水線方式，模型中，不是向機(jī)加工生產(chǎn)線下線處發(fā)出生產(chǎn)看板，而是向機(jī)加工生產(chǎn)線上線處發(fā)出生產(chǎn)看板。

2.2 運(yùn)行規(guī)則和參數(shù)

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)置運(yùn)行規(guī)則和參數(shù)如下：①機(jī)體、缸蓋出庫，即是機(jī)體缸蓋消耗，消耗即發(fā)出生產(chǎn)看板。②消耗什么品種，即發(fā)出什么品種的看板。③一張生產(chǎn)看板啟動一個(gè)生產(chǎn)批次，機(jī)體線一個(gè)生產(chǎn)批次是45個(gè)機(jī)體，缸蓋線一個(gè)生產(chǎn)批次是45個(gè)缸蓋。④消耗累計(jì)不滿一個(gè)生產(chǎn)批次（45個(gè)）時(shí)，不發(fā)出另外一個(gè)看板，即：滿45個(gè)后，再有消耗時(shí)，發(fā)出第二張看板，滿135個(gè)后，再有消耗時(shí)發(fā)出第二張看板，以此類推。⑤以天為時(shí)間單位進(jìn)行看板統(tǒng)計(jì)和發(fā)出。

2.3 緩沖區(qū)機(jī)體和缸蓋數(shù)量設(shè)定

除以上參數(shù)外，需要確定成品緩沖區(qū)放置多少機(jī)體和缸蓋成品。一般而言，看板拉動系統(tǒng)中，“后道工序?qū)υ谥破返男枨罅?，是由看板補(bǔ)充周期內(nèi)后道工序?qū)υ谥破返南牧繘Q定的”[1]。但此方法不適用于確定成品緩沖區(qū)機(jī)體和缸蓋放置數(shù)量。表1為不同品種的機(jī)體、缸蓋每天消耗個(gè)數(shù)。

表1 各品種的機(jī)體、缸蓋每天消耗個(gè)數(shù)

由表1可以看出，每天消耗的品種一和品種二的機(jī)體個(gè)數(shù)，以及品種一、品種二和品種三的缸蓋個(gè)數(shù)，是完全隨機(jī)的，沒有規(guī)律性。

因?yàn)楣簿€生產(chǎn)的限制，以及消耗的無規(guī)律性導(dǎo)致生產(chǎn)的無規(guī)律性，機(jī)體的補(bǔ)充周期、缸蓋的補(bǔ)充周期，也是沒有規(guī)律的。機(jī)體品種一生產(chǎn)之后，下一個(gè)批次的品種一，有可能是立即生產(chǎn)，有可能是品種二生產(chǎn)一個(gè)批次之后，也有可能是品種二生產(chǎn)二、三甚至四個(gè)批次之后才生產(chǎn)。所以，機(jī)體補(bǔ)充周期是不確定的。缸蓋有三個(gè)品種，情況更復(fù)雜。

也就是說，在多品種自制件共線機(jī)加工的情況下，“看板補(bǔ)充周期內(nèi)后道工序?qū)υ谥破返南牧俊眱蓚€(gè)參數(shù)中，看板補(bǔ)充周期無法確定，補(bǔ)充周期內(nèi)后道工序?qū)υ谥破返南牧恳矡o法確定。

針對上述多品種機(jī)體共線機(jī)加工、多品種缸蓋共線機(jī)加工，消耗規(guī)律及補(bǔ)充周期不確定的情況下，本文采用根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬的方式，解決成品緩沖區(qū)機(jī)體和缸蓋數(shù)量設(shè)置問題。

首先建立消耗、生產(chǎn)及庫存模擬表。機(jī)體數(shù)據(jù)模擬表見表2，其中包括：每個(gè)品種每天的消耗量（已知數(shù)據(jù)）、每個(gè)品種的消耗量總計(jì)、每個(gè)品種的批量數(shù)（消耗量總計(jì)除以批量數(shù)45）、批量數(shù)取整、每個(gè)品種的上線投入數(shù)（當(dāng)天的批量數(shù)取整減去前一天的批量數(shù)取整）、每個(gè)產(chǎn)品的出產(chǎn)數(shù)、每天早上每個(gè)產(chǎn)品的庫存數(shù)量（前一天的庫存數(shù)量加上當(dāng)天出產(chǎn)數(shù)減去前一天的消耗數(shù)）。機(jī)加工三班24小時(shí)工作，所以這里的早上指早上7:00交接班的時(shí)間。

上述運(yùn)算基于以下假定條件：一是所有產(chǎn)品均是合格品。二是第一天投入的小于等于四個(gè)批次（含）的機(jī)體毛坯，或者和四個(gè)批次以內(nèi)（含）的缸蓋毛坯，在第三天早上成品可以一次性交清。三是向機(jī)加工成品緩沖區(qū)運(yùn)送的時(shí)間忽略不計(jì)。上述第一個(gè)假設(shè)的影響，將在下文系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)章節(jié)中予以考慮。第二、三個(gè)假設(shè)，是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況做出的，對于數(shù)據(jù)模擬沒有影響。

機(jī)體數(shù)據(jù)模擬表（表2），其計(jì)算過程如下。根據(jù)第一天1月4日的品種一、品種二的消耗數(shù)量，計(jì)算出品種一、品種二的批量（取整）。第二天1月5日，按計(jì)算出的品種一、品種二的批量，進(jìn)行毛坯上線投入、生產(chǎn)。第三天1月6日，按累計(jì)計(jì)算出的品種一、品種二的批量，減去已經(jīng)投入的批量，進(jìn)行毛坯上線投入、生產(chǎn)。第四天1月6日早上，第一天投入的機(jī)體，生產(chǎn)完畢，出產(chǎn)數(shù)即是投入數(shù)。出產(chǎn)數(shù)加上第三天的“品種一早上庫存數(shù)量”、“品種二早上庫存數(shù)量”，減去第三天的消耗數(shù)量，即可得出第四天“品種一早上庫存數(shù)量”、“品種二早上庫存數(shù)量”。第五天，重復(fù)上述過程，之后不斷的重復(fù)上述過程，一直到9月29日，共計(jì)181天。我們對每天“品種一早上庫存數(shù)量”“品種二早上庫存數(shù)量”進(jìn)行總結(jié)并分析。按前述模型、參數(shù)及拉動規(guī)則，對2011年1到9月份的實(shí)際機(jī)體消耗數(shù)據(jù)，模擬出的每天7:00機(jī)體成品緩沖區(qū)機(jī)體庫存數(shù)量，列在圖2、圖3中。

表2 機(jī)體數(shù)據(jù)模擬表

圖2 機(jī)體品種一每日庫存數(shù)量

圖3 機(jī)體品種二每日庫存數(shù)量

圖2 中曲線的起點(diǎn)，即表2中品種一第三天早上庫存數(shù)量。圖3曲線的起點(diǎn)，即表2中品種二第三天早上庫存數(shù)量。因?yàn)槭悄M表，所以第三天早上兩個(gè)品種的庫存數(shù)量，可以人為設(shè)定。第三天早上兩個(gè)品種的庫存數(shù)量，設(shè)置數(shù)值較大，圖2、圖3的曲線就會整體上移，設(shè)置數(shù)值較小，圖2、圖3的曲線會整體降低。曲線太高，成品庫存太多，占用較多庫存資金。曲線太低，最低點(diǎn)小于0，即是機(jī)體成品庫存不足，機(jī)體成品庫存不足會造成裝配線中斷。在消耗情況已知的情況下，模擬中分別取為80和220，從而曲線最低點(diǎn)接近但不小于0。

在未來消耗規(guī)律未知的情況下，即曲線從何處開始未知的情況下，從圖2和圖3的模擬結(jié)果可以直觀看出，要確保機(jī)體成品不被拉斷（裝配線不斷線），應(yīng)將初始庫存設(shè)置在曲線的最高點(diǎn)。品種一初始庫存設(shè)置為340個(gè)，品種二初始庫存設(shè)置為340個(gè)。即成品緩沖區(qū)放置品種一機(jī)體340個(gè)，放置品種二機(jī)體340個(gè)，放置完畢后，即可以按拉式生產(chǎn)總體模型自動運(yùn)行。此模擬中沒有傳統(tǒng)的安全庫存的概念，所需的安全余量，已經(jīng)在模擬過程中考慮，并在初始庫存設(shè)置中體現(xiàn)。

缸蓋數(shù)據(jù)模擬表和機(jī)體類似，此處略。根據(jù)模擬的庫存結(jié)果，品種一缸蓋初始庫存設(shè)置為330個(gè)，品種二缸蓋初始庫存設(shè)置為270個(gè)，品種三缸蓋初始庫存設(shè)置為160個(gè)。

3 多品種自制件共線機(jī)加工拉式生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 業(yè)務(wù)流程

根據(jù)自制件拉式生產(chǎn)模型及運(yùn)行規(guī)則，設(shè)計(jì)了機(jī)加工拉式生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)流程。流程圖見圖4。

3.2 系統(tǒng)功能

SD公司的MES系統(tǒng)，已涵蓋主機(jī)狀態(tài)與零部件裝配采集、質(zhì)量控制、條碼打印、物料配送、硬件數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品檔案等功能。多品種自制件共線機(jī)加工拉式生產(chǎn)管理，也納入到SD公司MES系統(tǒng)中，作為MES系統(tǒng)的一個(gè)模塊。

多品種自制件共線機(jī)加工拉式生產(chǎn)管理模塊，實(shí)現(xiàn)的功能有：

（1） 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。包括：①看板參數(shù)設(shè)置。②自制件物料清單（Bill of Material，BOM）數(shù)據(jù)管理，即從SAP系統(tǒng)集成自制件BOM數(shù)據(jù)，并提供自制件BOM數(shù)據(jù)查詢功能。③自制件機(jī)加工線工位數(shù)據(jù)管理，從SAP集成自制件機(jī)加工線工位數(shù)據(jù)或自行配置自制件機(jī)加工線工位數(shù)據(jù)。④自制件工藝路徑管理，提供自制件生產(chǎn)工藝路徑數(shù)據(jù)查詢和配置功能。

（2）生產(chǎn)計(jì)劃管理。包括：①根據(jù)裝配消耗以及在制品報(bào)廢生成生產(chǎn)看板，即生產(chǎn)計(jì)劃。②生產(chǎn)看板調(diào)整管理。③臨時(shí)看板管理。

（3）生產(chǎn)過程管理。①機(jī)體和缸蓋自制件生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集：實(shí)現(xiàn)機(jī)體缸蓋自制件生產(chǎn)過程上線、報(bào)繳等數(shù)據(jù)采集；對于返修、返線自制件系統(tǒng)中加以區(qū)分和提示。②自制件生產(chǎn)質(zhì)量管理：實(shí)現(xiàn)自制件生產(chǎn)過程中產(chǎn)品加工報(bào)廢數(shù)據(jù)錄入。③自制件回用：實(shí)現(xiàn)存在可容忍缺陷的自制件的回用，記錄回用自制件數(shù)據(jù)。④自制件庫存管理：根據(jù)上線、繳庫等信息提供自制件庫存信息。

（4）統(tǒng)計(jì)報(bào)表。提供看板信息查詢、工時(shí)統(tǒng)計(jì)表、在制品庫存統(tǒng)計(jì)表、報(bào)廢統(tǒng)計(jì)表、加工數(shù)量統(tǒng)計(jì)表、返修統(tǒng)計(jì)表等。

3.3 硬件配置及系統(tǒng)開發(fā)

在機(jī)體、缸蓋線上線處，配置工控機(jī)，操作人員根據(jù)MES系統(tǒng)界面顯示的生產(chǎn)計(jì)劃，進(jìn)行不同品種的毛坯上線操作，并對毛坯進(jìn)行編碼。在機(jī)體、缸蓋毛坯面被切除后的工序中，配置二維碼打標(biāo)機(jī)，在機(jī)體、缸蓋加工面上根據(jù)編碼刻印明碼及二維碼。編碼作為機(jī)體、缸蓋在MES系統(tǒng)中的區(qū)分標(biāo)識。在機(jī)體、缸蓋線下線處，配置工控機(jī)、二維碼掃描槍。對合格品，掃描二維碼后作為合格成品進(jìn)入緩沖區(qū)。

在裝配上線處，配置二維碼掃描槍，對機(jī)體、缸蓋進(jìn)行上線掃描。一經(jīng)掃描，即認(rèn)為機(jī)體、缸蓋出庫，記為機(jī)體、缸蓋的消耗。

多品種自制件共線機(jī)加工拉式生產(chǎn)管理模塊，使用面向?qū)ο蟮摹⑦\(yùn)行于.NET Framework之上的高級程序設(shè)計(jì)語言C#，進(jìn)行程序開發(fā)。系統(tǒng)界面如圖5、圖6所示。

3.4 上線過程及效果

經(jīng)過模型建立及數(shù)據(jù)模擬、軟硬件準(zhǔn)備、系統(tǒng)測試、操作人員培訓(xùn)、系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)置、生產(chǎn)線在制品和緩沖區(qū)庫存數(shù)量配置之后，2012年1月4日，多品種自制件共線機(jī)加工拉式生產(chǎn)管理模塊在SD公司正式上線運(yùn)行。

上線后，除五次集中生產(chǎn)（將節(jié)假日后面的生產(chǎn)提前到節(jié)假日前來生產(chǎn)）時(shí)手工增減計(jì)劃外，全部是系統(tǒng)自動運(yùn)行。上線起至2013年12月，系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行24個(gè)月，沒有出現(xiàn)過拉斷現(xiàn)象。鑒于系統(tǒng)的正常運(yùn)行，該發(fā)動機(jī)廠2012年已經(jīng)將手工編制機(jī)加工生產(chǎn)計(jì)劃的崗位撤銷、人員調(diào)離。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)推廣應(yīng)用到SD公司生產(chǎn)R、E等系列的發(fā)動機(jī)廠。

MES系統(tǒng)的機(jī)加工拉式生產(chǎn)管理模塊，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場信息的實(shí)時(shí)采集，確保機(jī)加工生產(chǎn)物流與信息流同步，使得生產(chǎn)現(xiàn)場管理、生產(chǎn)計(jì)劃與MES等系統(tǒng)形成一個(gè)有機(jī)整體。借助MES系統(tǒng)，機(jī)加工上線、在制品、報(bào)繳等生產(chǎn)運(yùn)行情況能夠及時(shí)反饋到管理部門，促進(jìn)了企業(yè)管理水平的進(jìn)一步提高。

4 結(jié)束語

本文建立的多品種自制件共線機(jī)加工拉式生產(chǎn)模型，通過控制物料投入，控制了機(jī)加工線的在制品庫存，從而使企業(yè)資源得到充分利用，最大限度地減少浪費(fèi)，降低成本，增強(qiáng)了企業(yè)的靈活性和應(yīng)變能力。

論文通過模擬的方式，解決了拉式生產(chǎn)方式下，消耗數(shù)量及補(bǔ)充周期不確定時(shí)，自制件共線機(jī)加工成品數(shù)量設(shè)置及投產(chǎn)順序的問題。研究成果可以廣泛應(yīng)用多品種自制件共線機(jī)加工，具有一定的推廣性和實(shí)用性。

圖4 機(jī)加工拉式生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)流程圖

圖5 看板參數(shù)設(shè)置界面

圖6 生產(chǎn)計(jì)劃查詢界面

本文建立的機(jī)加工數(shù)據(jù)模擬表，可以根據(jù)不同企業(yè)的實(shí)際情況，對共線生產(chǎn)的自制件的生產(chǎn)批量、生產(chǎn)周期和初始庫存進(jìn)行手工設(shè)置和更改，實(shí)現(xiàn)對不同批量和生產(chǎn)周期情況下的消耗、生產(chǎn)及庫存情況的模擬，從而得到緩沖區(qū)成品數(shù)量等拉式生產(chǎn)中必需的參數(shù)。

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