多品種自制件共線機加工拉式生產模型及實現

張洪亮 （上海柴油機股份有限公司，上海 200438）

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

0 引 言

隨著近年精益生產日益廣泛的導入，“拉式生產”在企業物流和生產計劃中得到了越來越多的應用。“拉式生產”一般指上道工序（工廠、車間、工段、工序等）根據下道工序的需求進行生產和物料配送。下道工序沒有需求時，上道工序不進行生產和物料配送。

“拉式生產”在機加工生產計劃制定中的應用，特別是多品種自制件共線機加工中的應用，已有部分文獻進行了探討。文獻[1]對多產品串并聯生產系統動態看板進行了設計和計算，考慮了成批輪番生產方式，對非輪番方式沒有涉及。文獻[2]給出了多階段混流裝配的看板控制系統參數計算公式，涉及到自制件成品緩沖區的數量設置，但對自制件生產過程沒有過多論述。文獻[3]參照采用隨管理水平高低設定柔性系數從而擴大機加工安全庫存來解決庫存數量設置問題，帶有一定的經驗性。

筆者在進行SD公司多品種自制件共線機加工拉式生產方式設計時，發現現有的文獻，未提供相關參數設定的方式及方法。鑒于此，筆者根據SD公司的實際情況，建立了機加工拉式生產模型，制作了數據模擬表，該模擬表可以對多品種自制件不同機加工批量和生產周期情況下的消耗、生產及庫存情況進行模擬。根據數據模擬，確定了庫存數量等所需設置的參數，并開發了相應系統，已經在實踐中應用。

1 SD公司生產過程描述

SD公司是一家大型高新技術企業，生產D、E、H、R等系列的柴油、天然氣發動機。近年來通過在企業信息化方面的建設，SD公司已基本建成由產品數據管理（Product Data Management，PDM）、企業管理解決方案（Systems Applications and Products in Data Processing，SAP）、制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES） 等組成的完整信息化體系。但因為多種原因，SD公司下屬發動機廠的機體和缸蓋兩種自制件的機加工生產計劃，未在SAP及MES系統中運行，仍然采用手工方式編制。2011年下半年，SD公司決定將發動機廠自制件生產計劃納入MES系統中。

SD公司生產D系列產品的發動機廠，由裝配線和機加工線構成。裝配線根據客戶要求的產品型號，將外購件及相應品種的機體、缸蓋自制件組合在一起。每臺發動機使用一個機體、一個缸蓋，機體和缸蓋之間沒有固定的配置關系。D系列發動機采用多品種小批量訂單生產方式，在收到客戶訂單后，才安排裝配線進行產品裝配，每天生產發動機200臺左右。

機加工線分為機體線和缸蓋線。機體線有51臺設備，缸蓋線有42臺設備，采用自動傳輸的流水線方式布局。機體線共線生產兩個品種的機體自制件，缸蓋線共線生產三個品種的缸蓋自制件。機體、缸蓋的機加工生產工序相對比較復雜，機體要經過63道工序，缸蓋要經過44道工序。機加工生產線三班制運轉，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）的時間比較長。

2 多品種自制件共線機加工拉式生產模型建立

2.1 總體模型

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

自制件機加工拉式生產的模型，將機加工生產線看做一個整體。毛坯上線處設置毛坯緩沖區、成品下線處設置成品緩沖區。成品緩沖區消耗一定數量的自制件，即向機加工上線處發出一張生產看板，從而拉動機加工生產。這樣的生產方式，使機體缸蓋根據實際需求生產，可以有效解決提前生產或延期生產的問題，避免了手工編制生產計劃時各環節的放大因素。

圖1 自制件機加工拉式生產總體模型

考慮到機加工是流水線方式，模型中，不是向機加工生產線下線處發出生產看板，而是向機加工生產線上線處發出生產看板。

2.2 運行規則和參數

根據生產實際，設置運行規則和參數如下：①機體、缸蓋出庫，即是機體缸蓋消耗，消耗即發出生產看板。②消耗什么品種，即發出什么品種的看板。③一張生產看板啟動一個生產批次，機體線一個生產批次是45個機體，缸蓋線一個生產批次是45個缸蓋。④消耗累計不滿一個生產批次（45個）時，不發出另外一個看板，即：滿45個后，再有消耗時，發出第二張看板，滿135個后，再有消耗時發出第二張看板，以此類推。⑤以天為時間單位進行看板統計和發出。

2.3 緩沖區機體和缸蓋數量設定

除以上參數外，需要確定成品緩沖區放置多少機體和缸蓋成品。一般而言，看板拉動系統中，“后道工序對在制品的需求量，是由看板補充周期內后道工序對在制品的消耗量決定的”[1]。但此方法不適用于確定成品緩沖區機體和缸蓋放置數量。表1為不同品種的機體、缸蓋每天消耗個數。

表1 各品種的機體、缸蓋每天消耗個數

由表1可以看出，每天消耗的品種一和品種二的機體個數，以及品種一、品種二和品種三的缸蓋個數，是完全隨機的，沒有規律性。

因為共線生產的限制，以及消耗的無規律性導致生產的無規律性，機體的補充周期、缸蓋的補充周期，也是沒有規律的。機體品種一生產之后，下一個批次的品種一，有可能是立即生產，有可能是品種二生產一個批次之后，也有可能是品種二生產二、三甚至四個批次之后才生產。所以，機體補充周期是不確定的。缸蓋有三個品種，情況更復雜。

也就是說，在多品種自制件共線機加工的情況下，“看板補充周期內后道工序對在制品的消耗量”兩個參數中，看板補充周期無法確定，補充周期內后道工序對在制品的消耗量也無法確定。

針對上述多品種機體共線機加工、多品種缸蓋共線機加工，消耗規律及補充周期不確定的情況下，本文采用根據歷史數據進行模擬的方式，解決成品緩沖區機體和缸蓋數量設置問題。

首先建立消耗、生產及庫存模擬表。機體數據模擬表見表2，其中包括：每個品種每天的消耗量（已知數據）、每個品種的消耗量總計、每個品種的批量數（消耗量總計除以批量數45）、批量數取整、每個品種的上線投入數（當天的批量數取整減去前一天的批量數取整）、每個產品的出產數、每天早上每個產品的庫存數量（前一天的庫存數量加上當天出產數減去前一天的消耗數）。機加工三班24小時工作，所以這里的早上指早上7:00交接班的時間。

上述運算基于以下假定條件：一是所有產品均是合格品。二是第一天投入的小于等于四個批次（含）的機體毛坯，或者和四個批次以內（含）的缸蓋毛坯，在第三天早上成品可以一次性交清。三是向機加工成品緩沖區運送的時間忽略不計。上述第一個假設的影響，將在下文系統實現章節中予以考慮。第二、三個假設，是根據生產實際情況做出的，對于數據模擬沒有影響。

機體數據模擬表（表2），其計算過程如下。根據第一天1月4日的品種一、品種二的消耗數量，計算出品種一、品種二的批量（取整）。第二天1月5日，按計算出的品種一、品種二的批量，進行毛坯上線投入、生產。第三天1月6日，按累計計算出的品種一、品種二的批量，減去已經投入的批量，進行毛坯上線投入、生產。第四天1月6日早上，第一天投入的機體，生產完畢，出產數即是投入數。出產數加上第三天的“品種一早上庫存數量”、“品種二早上庫存數量”，減去第三天的消耗數量，即可得出第四天“品種一早上庫存數量”、“品種二早上庫存數量”。第五天，重復上述過程，之后不斷的重復上述過程，一直到9月29日，共計181天。我們對每天“品種一早上庫存數量”“品種二早上庫存數量”進行總結并分析。按前述模型、參數及拉動規則，對2011年1到9月份的實際機體消耗數據，模擬出的每天7:00機體成品緩沖區機體庫存數量，列在圖2、圖3中。

表2 機體數據模擬表

圖2 機體品種一每日庫存數量

圖3 機體品種二每日庫存數量

圖2 中曲線的起點，即表2中品種一第三天早上庫存數量。圖3曲線的起點，即表2中品種二第三天早上庫存數量。因為是模擬表，所以第三天早上兩個品種的庫存數量，可以人為設定。第三天早上兩個品種的庫存數量，設置數值較大，圖2、圖3的曲線就會整體上移，設置數值較小，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，最低點小于0，即是機體成品庫存不足，機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，從而曲線最低點接近但不小于0。

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

缸蓋數據模擬表和機體類似，此處略。根據模擬的庫存結果，品種一缸蓋初始庫存設置為330個，品種二缸蓋初始庫存設置為270個，品種三缸蓋初始庫存設置為160個。

3 多品種自制件共線機加工拉式生產系統實現

3.1 業務流程

根據自制件拉式生產模型及運行規則，設計了機加工拉式生產管理業務流程。流程圖見圖4。

3.2 系統功能

SD公司的MES系統，已涵蓋主機狀態與零部件裝配采集、質量控制、條碼打印、物料配送、硬件數據采集、產品檔案等功能。多品種自制件共線機加工拉式生產管理，也納入到SD公司MES系統中，作為MES系統的一個模塊。

多品種自制件共線機加工拉式生產管理模塊，實現的功能有：

（1） 基礎數據管理。包括：①看板參數設置。②自制件物料清單（Bill of Material，BOM）數據管理，即從SAP系統集成自制件BOM數據，并提供自制件BOM數據查詢功能。③自制件機加工線工位數據管理，從SAP集成自制件機加工線工位數據或自行配置自制件機加工線工位數據。④自制件工藝路徑管理，提供自制件生產工藝路徑數據查詢和配置功能。

（2）生產計劃管理。包括：①根據裝配消耗以及在制品報廢生成生產看板，即生產計劃。②生產看板調整管理。③臨時看板管理。

（3）生產過程管理。①機體和缸蓋自制件生產過程數據采集：實現機體缸蓋自制件生產過程上線、報繳等數據采集；對于返修、返線自制件系統中加以區分和提示。②自制件生產質量管理：實現自制件生產過程中產品加工報廢數據錄入。③自制件回用：實現存在可容忍缺陷的自制件的回用，記錄回用自制件數據。④自制件庫存管理：根據上線、繳庫等信息提供自制件庫存信息。

（4）統計報表。提供看板信息查詢、工時統計表、在制品庫存統計表、報廢統計表、加工數量統計表、返修統計表等。

3.3 硬件配置及系統開發

在機體、缸蓋線上線處，配置工控機，操作人員根據MES系統界面顯示的生產計劃，進行不同品種的毛坯上線操作，并對毛坯進行編碼。在機體、缸蓋毛坯面被切除后的工序中，配置二維碼打標機，在機體、缸蓋加工面上根據編碼刻印明碼及二維碼。編碼作為機體、缸蓋在MES系統中的區分標識。在機體、缸蓋線下線處，配置工控機、二維碼掃描槍。對合格品，掃描二維碼后作為合格成品進入緩沖區。

在裝配上線處，配置二維碼掃描槍，對機體、缸蓋進行上線掃描。一經掃描，即認為機體、缸蓋出庫，記為機體、缸蓋的消耗。

多品種自制件共線機加工拉式生產管理模塊，使用面向對象的、運行于.NET Framework之上的高級程序設計語言C#，進行程序開發。系統界面如圖5、圖6所示。

3.4 上線過程及效果

經過模型建立及數據模擬、軟硬件準備、系統測試、操作人員培訓、系統基礎數據設置、生產線在制品和緩沖區庫存數量配置之后，2012年1月4日，多品種自制件共線機加工拉式生產管理模塊在SD公司正式上線運行。

上線后，除五次集中生產（將節假日后面的生產提前到節假日前來生產）時手工增減計劃外，全部是系統自動運行。上線起至2013年12月，系統已經運行24個月，沒有出現過拉斷現象。鑒于系統的正常運行，該發動機廠2012年已經將手工編制機加工生產計劃的崗位撤銷、人員調離。目前，該系統已經推廣應用到SD公司生產R、E等系列的發動機廠。

MES系統的機加工拉式生產管理模塊，實現了生產現場信息的實時采集，確保機加工生產物流與信息流同步，使得生產現場管理、生產計劃與MES等系統形成一個有機整體。借助MES系統，機加工上線、在制品、報繳等生產運行情況能夠及時反饋到管理部門，促進了企業管理水平的進一步提高。

4 結束語

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

論文通過模擬的方式，解決了拉式生產方式下，消耗數量及補充周期不確定時，自制件共線機加工成品數量設置及投產順序的問題。研究成果可以廣泛應用多品種自制件共線機加工，具有一定的推廣性和實用性。

圖4 機加工拉式生產管理業務流程圖

圖5 看板參數設置界面

圖6 生產計劃查詢界面

本文建立的機加工數據模擬表，可以根據不同企業的實際情況，對共線生產的自制件的生產批量、生產周期和初始庫存進行手工設置和更改，實現對不同批量和生產周期情況下的消耗、生產及庫存情況的模擬，從而得到緩沖區成品數量等拉式生產中必需的參數。

[1] 金青，丁兆國.多產品串并聯生產系統動態看板的設計和計算[J].工業工程，2011,14(6):90-93.

[2] 楊雷，張曉鵬.多階段混流裝配的看板控制系統設計及應用[J].系統工程理論與實踐，2009,29(9):64-72.

[3] 蘇金川.沖壓成批輪番生產看板管理體系[J].工業工程與管理，2000,4:57-60.

[4] 門田安弘.新豐田生產方式[M].2版.王瑞珠，胡躍隆，毛杰,等譯.保定：河北大學出版社，2006.

[5] 劉樹華，魯建廈，王家堯.精益生產[M].北京：機械工業出版社，2009:30-36.