機械加工車間工時管理信息系統的分析與設計

嚴 輝，仲梁維 ，倪 靜

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引言

機械加工車間作為制造企業的物化中心，它不僅是制造計劃的具體執行者，也是制造信息的反饋者，更是大量實時制造信息的集散地。車間管理和生產的自動化是實施企業CIMS的共性核心關鍵技術，車間生產管理及其信息系統的敏捷性在很大程度上決定著整個企業的敏捷性。隨著制造業信息化的發展，面向解決工廠級計劃的MRPII、ERP、PDM等信息系統，以及面向底層車間控制的信息系統，已經發展的比較成熟。但這些系統并沒有實現對車間工時信息的自動化管理，致使計劃層與控制層產生了信息斷層，公司級的業務管理系統無法得到及時準確的工作令生產進度、在制品狀況和設備利用狀況等生產現場數據，從而造成企業生產經營信息在垂直方向的阻斷。機械加工車間里，工時管理是車間生產過程中非常重要的一個環節。針對當前手工車間工時管理的混亂狀況，同時考慮到機械加工車間的特殊性，筆者提出機械加工車間工時管理信息系統，工時管理信息系統是位于企業上層生產計劃(EMS)和底層工業控制之間，面向車間層的生產管理技術與實時信息系統。通過該系統的應用來解決車間和管理層的信息斷層問題，實現車間工時以及工作票的信息化管理，并為調度人員提供信息采集、處理的應用平臺，把制造業信息化向車間層推進。

1 工時管理信息系統的功能模塊設計

在現代市場敏捷化的驅動下，機械加工車間若要滿足市場對多品種、小批量的產品需求，不僅需要能夠及時響應多變的外部環境，還要能快速重構，重新配置內部各種資源，并對其進行協同和調度決策以達到優化生產的目的。然而，當前制造企業的信息系統與企業的物理現實之間存在著一定的距離,企業的管理人員不能實時、準確、詳細地獲取企業的真實運作情況。缺乏統一的工時管理信息系統等問題,是實現企業工時信息共享的最大障礙。

1.1 車間級工時管理信息系統的功能需求分析

根據在上海某破碎機生產企業的實地調研,當前車間的人工工時管理具有以下弊端：1）定額工時的可控性差。手工開票是根據紙質工藝定額文件來開工票，定額信息都掌握在開票員手中，造成管理、調度、加工這三個層次人員信息共享的脫節，缺乏一種有效的工時管理和監督體系。從而給亂開、濫開工時提供了平臺，導致定額工時的無故增加，給企業造成了很大的損失；2）工票格式不規范。手工填寫工票雖然操作起來比較簡單，但是由于沒有一個統一的標準，工票上數據的格式和類型等都沒有明確的規范。而且手寫工票的開票效率低、可靠性差；3）工時統計困難。目前車間使用的是的手工統計。通過把工時數據匯總到Excel表上然后再使用Excel的數據透視表功能進行工時數據的處理，生成統計數據和工時的各種報表。工時的匯總和統計工作勞動強度高，并且統計數據的準確性差；4）報表生成復雜。數據統計的分散性，導致生成車間以及公司的各種報表的時候，報表上所有數據都需人工計算，大大增加了統計人員的工作強度。而且人為失誤等原因造成報表的準確性差；5）信息查詢困難。前面說列出的幾點直接造成的最終后果就是工時信息的查詢困難，如果管理層要查詢某工作令的相關信息，必須讓車間提供相關報表，而且只有在出報表的特定時間點才能查詢到最新的生產信息。

針對上述特點，結合企業的要求，工時管理信息系統提出實現車間工時信息的計算機網絡管理，達到信息動態維護、信息共享、快速反應的目的，全面提高企業工時管理的計算機系統化管理水平，為企業的整體信息化管理打下堅實的基礎。其實施的目標主要包括：1）定額工時的控制管理。以生產計劃為中心、以工藝卡片和期量標準為依據、以數據庫技術為手段，對每個工作令的工藝定額進行工時控制。2）生產計劃的智能化輔助管理。根據公司下達的指令計劃以及相應機型的工藝信息和零件信息生成生產計劃，并根據與中央倉庫和配套庫庫存平衡的情況向各個車間下達生產計劃；系統同時提供靈活的小批量生產計劃處理方法，調度員可以憑借經驗，合理安排產品加工過程，結合工時信息系統中的總工時、打印工時、已完成工時等信息，對各個工作命令的加工進度進行監督控制，使生產管理具有一定的智能特征；3）工時數據的信息化。以數據庫為依托，實現工時統計的信息化，把統計的數據統一保存到數據庫中，進行信息化管理。同時也給其他系統調用工時數據提供了接口。同時，以工時數據的信息化為依托，公司各部門可以根據權限查詢所需要的數據。而且可以自定義查詢條件，定制個性化報表，充分滿足各部門的差異化要求。

1.2 機械加工車間的制造流程設計

車間生產活動主要流程如圖1所示：首先根據銷售部下達的工作命令進行任務分解，從技術部獲得產品工藝文件及技術資料，并制定作業計劃。實際生產過程中，質檢部門隨時對加工的零件進行抽查，并將檢驗信息反饋到計劃部門，實現質量管理。通過工時統計，掌握車間完成工時信息，為成本控制和工時報表以及查詢功能提供數據支持。同時，也為管理層實時了解工作令的進度狀態提供方便。

圖1 機械加工車間制造流程

2 系統功能模塊設計

根據實地調研，充分分析公司需求，遵循把相對獨立的事物處理過程作為一個模塊、盡可能提高單個模塊的內聚度、減少不同功能模塊之間耦合度的原則,把工時管理信息系統劃分為以下幾個模塊：1）系統管理；2）工作票管理；3）數據管理；4）統計分析；5）綜合查詢。系統功能結構樹如圖2所示。

圖2 系統功能結構樹

系統管理可分為用戶管理和權限管理兩部分。其中權限管理部分通過用戶/角色/權限三級控制策略,實現工時管理信息系統的權限控制, 用戶權限管理模塊可創建不同的角色用戶,控制各個角色用戶的權限功能,如系統管理員、分廠管理員、開票員、統計員等，為整個系統提供安全保障。

工作票管理包括生成工藝定額、工藝定額打印、特殊工票打印三個模塊功能。特殊工票打印包括等工工時、油漆工時、機修工時、工廢料廢工時、增補工時等特殊工票的打印。

數據管理包括，工作令管理、工票作廢管理、已完成工作令的備份、工藝修改管理，并提供第三方軟件集成接口，提供了同其他系統集成的接口,主要有同CAPP系統的接口、同PDM系統的接口、同公司銷售合同管理系統的接口，方便各系統間的數據調用。同時該模塊亦可提供對外的數據接口，供企業相應信息系統的數據調用。

統計分析模塊主要是進行已完成工時定額以及對應的實做工時的數據回收和對該數據相關的數據匯總和統計分析等功能。系統中集成了強大的數據分析功能，包括電子報表、查詢語言和決策支持等，給企業管理人員、調度人員和企業相關子系統提供準確詳盡的分廠生產報表和公司總報表等，并以圖表相結合的方式顯示匯總分析結果，作為企業管理層決策支持和進度控制的參考數據。

圖3 工時管理信息系統與其它系統之間的關系

綜合查詢功能抽取、過濾、壓縮和跟蹤關鍵數據，包括工作令進度查詢、設備使用率查詢、各分廠完成工時情況查詢、各工種完成工時情況查詢等。系統提供了強大的多條件自定義查詢功能，管理者、調度人員、操作工人等都可以查詢到所需的準確、詳盡、實時的信息。

系統各功能模塊之間的關系如圖3所示。

3 網絡結構設計

目前，分布式網絡體系結構主要有文件/服務器(File/Server,F/S)、客戶/服務器(Client/Server,C/S)、瀏覽器/服務器(Browser/Server,B/S)三種模式。其中F/S模式由于對數據的一致性、并發控制等方面能力有限,將逐漸被淘汰；基于中間件的三層網絡結構是一個完全的分布式系統，系統節點的自治能力強，開放性好，適應異構環境的集成，B/S結構就是一個典型的基于中間件的三層網絡結構。但是這種模式對資源的一致性、安全性維護相對較困難；C/S結構在資源管理的方便性，數據的安全性、一致性，并發控制等方面已有一套成熟的理論和技術，雖然它在管理空間上分布的松耦合的多數據源時，依然有一定的局限性，節點的自治能力較弱，系統的可擴充性能差，難以完全適應協同作業系統的要求。

C/S架構在數據的安全性和一致性方面比較成熟，符合本系統的開發要求。協同性差作為C/S架構的致命弱點，安裝客戶端以及配置環境等問題給系統的實施帶來了很大的困難。因此，在實際調研的基礎上，結合客戶的實際情況，本系統采用了一種C/S和B/S混合式的網絡體系結構應用于工時管理信息系統。在低層局部地區采用C/S結構，而遠程數據的訪問和管用B/S結構。系統以C/S架構的客戶端為基礎，該客戶端具備本系統的絕大部分功能，如工作票打印、工時匯總、報表生成等，大大增強了操作的安全性。其中把綜合查詢模塊分離出來，應用B/S模式架構，避免安裝客戶端、配置數據源等操作，方便管理層進行實時的工作令生產進度查詢、完成工時查詢等查詢操作。其邏輯拓撲結構圖，如圖4所示。

4 結論

圖4 工時管理信息系統的網絡體系結構

本文針對目前車間普遍存在的工作票和工時管理難題，研究了制造企業中企業管理人員、調度人員和現場操作人員對車間工時管理的需求，分析了車間里工作票打印、工時回收統計以及生成報表的流程，以及企業管理層對工時數據查詢的需求，設計此工時管理信息系統。該系統已應用于上海某大型破碎機生產企業，應用結果表明，系統提高了下達工作票的效率，規范了工作票的格式，而且使工作令的管理更加透明化，實現了對各個工作令的統一管理，嚴格控制工作令的定額工時。

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