消耗鏈模型在鋼鐵企業計算機集成制造系統中的應用研究
2008-01-01 00:00:00劉曉冰呂強薛冬娟
計算機應用研究 2008年5期
摘要：結合鋼鐵企業生產過程中投入產出的特點，提出了消耗鏈的概念，給出了消耗鏈模型的相關計算公式；建立了消耗鏈與計算機集成制造系統的集成關系；運用面向對象的建模思想，建立了消耗鏈模型和計算機集成制造系統的面向對象模型和信息模型；具體分析了消耗鏈模型在物料需求計劃的應用。最后結合企業實例，說明該模型的有效性和實用性。
關鍵詞：消耗鏈； 鋼鐵企業； 計算機集成制造系統； 物料需求計劃
中圖分類號：TP391文獻標志碼：A
文章編號：1001-3695(2008)05-1442-04
0引言
物料清單(BOM)是機械制造企業CIMS中的一個重要概念。它描述了產品的零部件(材料)構成及其零部件之間的關系，是CIMS中工程設計(技術)子系統、生產制造子系統、質量管理子系統和經營管理子系統的重要組成部分。以BOM為核心的MRP、MRP－Ⅱ、ERP以及物流管理，已成為離散制造企業CIMS建設的關鍵技術之一[1，2]。
鋼鐵行業屬于典型的流程與離散相混合的生產類型，其生產過程從有限的原材料開始，逐漸形成一個擴張的產品流，最終產出屬性多樣的產成品。鋼鐵產品的種類盡管成千上萬，但大都是以返回鋼、廢鋼、鐵合金等為基本原料，通過原材料處理、煉鐵、煉鋼和軋鋼等生產工序使幾十噸的鋼水一步步地轉換成要求各異的用戶合同。由此可見，它的制造過程是一個分解過程，是化整(鋼水)為零(客戶合同)。可想而知，它的計劃過程應該是化零為整，即進行組爐和組批生產的過程。同時，上級物料與下級物料之間的數量關系可能隨溫度、壓力、濕度、天氣、季節、人員技術水平、工藝條件、配方等的不同而不同。而且在每個工藝過程中，伴隨產出的不只是產品或中間產品，還可能細分為主產品、副產品、回流物和廢物。在屬于混合類型的鋼鐵制造業，由于產品之間的屬性不同以及生產過程的復雜性，使得裝配行業的部件樹型BOM在描述鋼鐵產品方面無法表示出必要的狀態信息[3~5]。
鋼鐵產品在屬性上的差異本質上是由于產品在制造過程中所歷經的狀態(這里狀態定義為物料在生產特定階段的特性和工藝處理方式的信息集合)不同導致的，不同特征屬性的鋼鐵產品所經過的工藝路線有所不同。在鋼鐵企業供產銷一體化系統中，如果能夠建立有效地反映出產品在制造過程中歷經各種狀態的可定量分析的模型，則可能為以銷定產以及以產定供，即生產計劃以及物料采購計劃的制訂等提供必要的支持信息。
本文提出了基于消耗鏈模型的投入產出分析方法，以解決上述問題。在鋼鐵企業運用消耗鏈的目的在于研究企業產品之間的相互依存關系，根據生產訂單來分析企業產成品、半成品、原主材料以及各種資源之間的數量依賴關系，并對企業生產經營活動進行預測和控制，最終能有效支持以供產銷一體為核心的各種經營管理模型的構建。
1消耗鏈模型的概念
在鋼鐵企業里，生產中的產成品、半成品以及原主材料在數量上曾顯出一種遞價的消耗關系。這種遞價的消耗關系表現為交叉的鏈狀結構，稱之為消耗鏈，如圖1所示。
這種面向生產過程的消耗鏈模型結構反映了鋼鐵產品生產過程狀態，揭示了產品在生產過程中各種消耗信息以及它們之間的關系，不僅反映了產品的物質構成，還反映了工藝流程，從而可以為鋼鐵供產銷一體化的基于工作中心和物料配方的物料需求計劃制訂以及作業成本控制提供必要的信息支持[9，10]。
2消耗鏈與計算機集成制造系統的集成設計
2．1消耗鏈與計算機集成制造系統集成的總體架構
鋼鐵企業的產品常常不是最終產品，而是一種原材料，如各種板材、線材、管材、型材等。用戶的需求除對于幾何尺寸的要求外，更多地表現為對材料成分和性質的要求。它的生產過程是一種物理化學過程，并且不是組裝式的，而是分解式的。那么，在鋼鐵企業供產銷一體化中如何描述各類成品、半成品以及原主材料等消耗關系？基于以上論述，本文提出了鋼鐵企業產銷一體化系統與消耗鏈模型的系統集成關系。
消耗鏈與鋼鐵企業計算機集成制造系統集成的總體架構如圖2所示[11]。
2．2消耗鏈與計算機集成制造系統的對象和信息模型
本文采用虛擬生產號的概念來代表具有相同或者類似屬性的一類鋼鐵產品，它們的加工工藝相同或者很類似，具有同樣虛擬生產號的產品在系統中具有相同的工藝路線，即經過的作業中心是一樣的。工藝路線包含多個作業中心，它們是一對多的關系。虛擬生產號采用16位十進制字符。其構成如圖3所示。
合同及其生產號（合同和生產號是一對多的關系，每一個合同由于所訂產品種類、屬性的不同，會形成多個生產號)。
爐號是鋼鐵企業重要的標志，它表示冶煉某鋼號的跟蹤標志，爐號和鋼號是一對一的關系。在冶煉過程中，每一爐鋼水均需消耗多種鋼鐵料和鐵合金，以保證獲取適當的產品屬性標準。
在鋼鐵產品的生產過程中，每個作業中心實際是一個投入產出中心，即投入來自上工序的半成品以及本工序的各種定額費用（人工、能源等）產出符合要求的半成品或產成品，同時還產出一定的返回物資（切頭、切尾以及廢品等）。每一作業中心對于某種產品均存在一個成材率和損耗比。將工藝路線上的作業鏈依次串接起來，并獲取每一作業各項目的直接消耗系數、成材率損耗比等信息，就獲得了某產品的消耗鏈信息。
消耗鏈模型和計算機集成制造系統的面向對象集成關系如圖4所示，信息模型如圖5所示。
2．3原材料需求模型的構建
鋼鐵企業原材料成本占整個鋼鐵企業成本的主要部分，如何降低原材料的庫存，以及根據當月排產的訂單對各類原材料的需求進行計劃和估算，并在此基礎上進行原材料的采購。這對于鋼鐵企業降低原材料庫存以及提高供應生產所需原材料的及時性，從而降低成本具有重要的意義。本文提出的借助于消耗鏈模型對鋼鐵企業原材料需求計劃估算模型如圖6所示。
鋼鐵企業原材料需求算法流程如下:
a)首先獲取某月訂單庫中一條生產任務信息，將生產任務屬性信息與虛擬生產號信息相匹配。
b)匹配虛擬生產號信息后，獲取編碼前四位，獲取該訂單的工藝路線編碼。
c)由工藝路線編碼獲取產品依次經過的關鍵作業鏈信息，并獲得作業鏈上各半成品的投入產出系數。
d)獲得各作業鏈下各項目的投入系數信息，逆作業鏈計算各作業半成品需求矩陣B=[B1，B2，B3，B4]=[bki]，依據訂單獲得各階段半成品需求量并逆作業鏈減去庫存，依次反推獲得鋼錠的需求量b。
e)由產品鋼號以及標準信息獲取該鋼號的化學成分信息。
f)依據計算規則獲得鋼錠冶煉作業各原主材料的直接消耗系數向量a(0)1=(a11，a12，…，a1n)T。
g)獲得訂單產品對原料的完全消耗矩陣a(0)1b。
h)訂單庫中是否還存在未匹配的訂單，如有，返回a)，如沒有，繼續。
i)按類別匯總所有生產任務原材料需求量，扣除已有原主材料庫存，得到原材料月需求計劃。
j)結束。
3應用實例
2006年1月份鋼號為ML20MnVB的不同規格產品的訂單如表2所示，且冶煉時加入返回鋼比例為0。
4結束語
本文提出的消耗鏈模型和鋼鐵企業計算機集成制造系統的結合應用方法，是以企業基礎信息平臺為基礎，以客戶訂單為中心，以投入產出為研究對象，實現了原主材料需求計劃模型的構建。這對于鋼鐵企業形成物料需求計劃以及對生產過程進行定量分析決策具有借鑒意義。
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