基于訂單的紡紗排產信息化系統開發及應用

金海偉 戴寧 沈春婭 史偉民 胡旭東

摘 要：針對目前紡紗車間加工工序復雜多樣、生產部門間信息交互閉塞、訂單按期交貨能力不足以及人力物力調配不合理等痛點問題，以企業實際生產車間為對象，在對生產現狀分析的基礎上進行排產流程設計以及生產訂單分析，并采用微服務架構進行合理的紡紗排產信息化系統設計。應用結果顯示該系統為以訂單為導向的生產計劃排產和車間作業執行提供了科學、高效的管理模式，保證了紗線訂單正常生產進度和按期交貨，為企業后續信息化發展奠定了基礎。

關鍵詞：紡紗車間；生產訂單；排產系統；信息化

中圖分類號：TS 111.8

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）03-0045-08

基金項目：浙江省博士后科研項目擇優資助一等資助項目（ZJ2021038）；浙江理工大學科研啟動基金項目（11150131722114）；浙江省科技計劃項目（2022C01202）

作者簡介：金海偉（1998—），男，浙江溫州人，碩士研究生，主要從事紡織裝備技術及智能制造方面的研究。

通信作者：戴寧，E-mail： 990713260@qq.com

伴隨著信息革命的快速發展，以信息技術為主導的高新技術極大推進了紡紗行業的發展，提高了勞動生產率和工作效率［1-2］。然而目前大部分紡紗企業的生產排產依然根據經驗擬定總計劃再直接下發到生產車間進行生產，這樣的“黑燈排法”造成的結果是溝通成本高、生產效率低，影響企業的競爭能力和生產效益，因此科學實用的排產方法對企業制定生產計劃起著重要的作用。馬春俠等［3］針對小規模的紡紗車間提出了正排和倒排兩種方法，并依據排產模型確定不同制品的加工機臺、投入順序從而縮短了生產周期，但其研究對象主要適用于固定工序路線，對具有不同訂單品種的多樣化加工工序生產模式并不適用；陳天水［4］結合紡織品制造商生產現狀，提出通過從供應商、訂單及原料的三維關聯來改善企業運營管理現狀，但其無法根據訂單生產過程的實際使用情況（如因設備損壞導致的預計訂單延期等）對生產進行有效的動態調整；練坤玉［5］通過對企業生產管理的調研，設計出面向中小型企業的訂單型紡織計劃調度信息化系統，解決了企業中業務管理不規范、人為制定計劃緩慢、生產調度困難等問題，然而該系統僅部分管理模塊實現了B/S模式，無法滿足工作人員隨時隨地通過瀏覽器、手機APP等方式進行辦公。基于此，本文以實際紡紗生產車間為對象開展研究，進行紡紗排產信息化系統的開發及應用，從而通過信息化管理實現排產作業科學化、高效化、便捷化。

1 企業現狀分析

本文以河北石家莊市某企業的紡紗生產車間為研究對象，該企業的紡紗工藝過程以棉紡、混紡為主，各生產部門結構如圖1所示。

從準備部門中的原料到入庫后的紗線，生產流程將根據訂單需求品種的產品工藝來規劃工序路線以及生產設備型號。例如混紡紗是由不同纖維按一定比例混合紡制，因此需要根據混紡比例設定不同加工參數的并條工序（混一、混二等）和相應機臺。此外，相較于普梳紡紗（梳棉制成棉條后供并條使用），精梳工藝路線需將普梳過的棉條經過預并、成卷，然后通過精梳機進一步梳理，其紗線在質感、耐用度與均勻度等方面上都有一定程度的提升［6］，但過多的工序切換和工藝翻改導致車間工作人員工作量增加、機臺調度的靈活性下降、紗線原料的浪費等問題。因此針對生產中加工環節的多樣性，原本各自獨立的生產部門需要及時進行信息共享并作出應對措施。

公司現役的紡紗裝備具有自動化程度高等特點（如自動絡筒機），并在傳統的環錠細紗機上加入了緊密紡技術，使得成紗具有毛羽少、強力高的特點［7］。此外，通過工業互聯網、云端服務器將海量的生產數據與制造執行系統（MES）、企業資源規劃系統（ERP）、數據采集與監視控制系統（SCADA）等聯通，實現了信息化基礎平臺搭建。但目前企業部門間仍采用紙質表單和人工交互的方式來進行加工計劃的執行以及部門間生產信息的傳遞，低效的業務交互方式造成訂單難以按期交貨、人力物力調配不合理等問題。因此需要根據目前的生產情況優化原有的排產流程，并通過信息化對所有的訂單、部門、計劃以及人力物力進行管理，形成高效的生產管理模式。

2 排產流程設計

結合實際生產情況和業務功能特點以及信息化發展需求，本文將訂單由ERP下發至生產車間到生產結束的過程作為該訂單的生產周期，并設計了基于訂單的生產線規劃圖（見圖2）。

由圖2可知，該紡紗車間的生產運作以紗線訂單為導向。依照訂單的品種、數量、交期需求等，結合產品工藝對訂單進行分解從而確定所需的工序數和每個工序下預設的機臺數，其分別對應各部門下的主任務以及子任務數。一方面，上層主任務將目標函數F（X，Y，Z）中X（工藝信息）、Y（部門組別）、Z（子計劃數）3個綜合模型作為索引展開加工計劃。另一方面，下層子任務與當前生產車間內優先級最高的機臺綁定形成子計劃，因此加工計劃下的子計劃數即為該工序下的工作機臺數。而機臺的優先等級K由如圖3所示的排列組合方式決定，圖3中M（機臺狀態）、T（預完工時間）、V（在機品種）、P（在機擋車工）為機臺調度的約束參數，m（空閑）、t（計劃生產時間）、v（計劃品種）、p（計劃擋車工）為機臺調度的約束參數目標值。根據所選機臺的屬性是否滿足目標值來判定其K值大小，且K越小表示調度優先級越高。匹配過程中優先選擇空閑機臺，若設備處于生產狀態，則在滿足其預完工時間在計劃生產時間前后12 h（單班時長）區間內的前提下進行關聯。

經審核后，將制成的加工計劃轉換為車間調度通知單，作為車間內指揮生產的信息載體，通知單包含關聯機臺的翻改工藝、生產測試情況、注意事項等。相比于以往的人為口述或者手寫通知單，新的通知單流轉于各部門下的擋車工間，提高了信息傳遞的高效性及穩定性。擋車工隨即根據下發的通知控制機臺生產，并在生產結束后將產量信息錄入至系統中。最后部門負責人經由擋車工的報產記錄，清晰掌握現場的生產情況和各加工環節信息，通過消息通知等方式在生產部門間形成信息流轉從而對當前生產訂單做出改善性計劃調整。

3 生產訂單分析

考慮到產品品種、訂單數量、交期等多樣性因素，在該排產系統的構建中，需基于訂單的需求對各加工計劃展開評估和調整，從而保證訂單按期交貨能力，提高企業盈利［8-10］。

3.1 加工計劃評估與調整

現假設客戶向企業提交生產訂單及其訂單總量N和訂單交期TE。加工流程如圖4所示，其中l為工序號，l=1，2，…，n，計劃加工量pl為計劃制定時確認的完成指標（由訂單總量N決定），而報工數rl則為加工完成量。

根據各加工計劃此刻的生產能力得出其預計加工時長和完成時間，如式（1）所示。

式中：ml為工序號為l的在制機臺數；yl為工序號為l的機臺日產量，kg；dl為工序號為l的預計加工時長，d；tl為工序號為l的計劃當前時間；Tl為工序號為l的計劃預計完成時間。

生產過程中，計劃的加工時長dl由于機臺故障等原因增加，導致其預計完成時間Tl超過了訂單交期TE，造成訂單生產延期。因此需按如圖5所示模型對訂單下的各加工計劃進行評估。

若計劃的預計完成時間超過訂單交期，應增加該計劃的在制臺數ml（根據圖3所示進行機臺調度），同時避免調整后的完成時間早于前一道工序，故使ml滿足如式（2）所示約束條件。通過調整使每條計劃符合評估標準，保證訂單按期交貨。

式中：Tl－1為前一道工序的計劃預計完成時間。

3.2 實例分析

本節以ERP下發的一條紗線訂單為例，通過上述方法進行生產線調整以保證訂單按期交貨。已知訂單總量為30000 kg，根據其需求品種SZB9.7（天竹），判斷工序路線為普梳路線，因此紗線需經過“清梳聯—并條（頭并）—并條（末并）—粗紗—細紗—絡筒”六道工序加工而成，下單、交期時間分別為2022年5月30日和6月20日。針對當前訂單信息，展開的上層主任務共有6條，對應的加工計劃參數信息如表1所示。其中計劃單下的子計劃數即為該工序在制機臺數，而機臺型號由工藝需要選定，并根據紡紗車間近1個月的報產記錄得出臺均班產量信息。另外前后紡車間的日開班數均為2，A班時間為8：00至20：00，B班時間為20：00至翌日8：00。最后考慮到生產中的加工損耗（約為1 %）、運輸損耗等，故各計劃的加工量需在訂單總量的基礎上增加1 %～2 %。

由表1信息分析得出該訂單的初始生產進度情況（如圖6（a）），其中橫坐標為時間，縱坐標自上而下分別為清梳至絡筒計劃。圖6（a）中，隨著時間的推移各加工計劃相繼展開，a為清梳計劃的開始時間點，b為其預計完工時間點，兩者的時間間隔為8.1 d，依此類推，k、l、9.9 d分別為絡筒計劃的開始、完工時間點以及加工時長。生產初期各加工計劃均預計在交期前完成。然而生產過程中機臺由于故障產能降低，造成計劃的預計完成時間延后，于某一換班時刻針對當前各計劃生產能力分析得出訂單異常生產進度（如圖6（b）），根據圖5所示模型對各計劃進行評估發現需對絡筒計劃進行調整。此時絡筒計劃剩余加工量25921.5 kg，已加工時長1.5 d，由前一班的報產量可知絡筒機的臺班產量下降至263.7 kg。因此由式（2）求得絡筒計劃的在制機臺數應維持在6臺，調整后的訂單進度顯示當前各計劃均不逾期（如圖6（c））。該實例描述了在絡筒環節，計劃預計完成時間超過訂單交期時的調整過程，若訂單中其他環節出現多條異常加工計劃，圖5模型以及式（2）約束條件同樣適用。兩者對各計劃依次進行評估與調整，最終保證訂單生產進度正常以及按期交貨。

4 系統開發及應用

為方便負責人調整生產計劃、幫助車間員工快速生產報工、實現對訂單進度定期分析以保證其按期交貨，本文構建基于訂單的云服務平臺系統實現在紡紗車間生產排產過程中的高效管理模式。

4.1 系統開發

如圖7所示，采用微服務架構與規則引擎對系統進行微服務拆分以提升生產排產以及訂單分析的效率。4個獨立的微服務模塊通過服務網關與訪問層中的PC端和移動端應用展開排產業務交互，其中計劃排產、生產報工兩個微服務模塊實現訂單的分解、下發、執行。報產信息錄入后，信息追溯模塊提供的訂單、計劃追溯功能幫助分析管理模塊對生產訂單展開分析，若發現異常訂單可及時通過計劃

排產模塊調整加工計劃。當發生業務請求時，對應的微服務模塊在紡紗排產信息化存儲模型中進行排產信息讀寫，隨后將數據集持久化并封裝返回，實現瀏覽界面的動態渲染。

開發過程中考慮到紡紗生產車間涉及訂單信息量大、加工工序多樣、車間環境復雜，因此合理的存儲模型設計是系統構建的前提。結合排產流程，設計如圖8所示業務關系E-R圖，從實際車間中抽象出訂單、部門、計劃以及人員設備之間的關系，依照此業務關系在數據庫中搭建數字化存儲模型，滿足后續微服務模塊進行高效的排產信息讀寫。

最終排產系統在云服務中成功搭建，其中PC端應用主要集中在MES中，包括計劃制定與調整、信息追溯、訂單分析以及消息通知等功能，利用信息化服務平臺的數據統計、分析管理功能幫助用戶快速了解各部門信息以及訂單狀態并做出改善措施。而基于移動端平臺不依賴地域限制的特點，擋車工通過手機APP快速實現設備生產和報工報產，從而改善以往繁瑣的加工計劃執行過程。

4.2 系統生產應用

為檢驗排產系統的有效性，在企業紡紗車間中采用該系統進行基于訂單的生產管理。根據排產流程（圖2）對紗線訂單進行分解并下發至各部門，由生產部門制定各自的加工計劃并交由擋車工生產報工。報產過程在手機APP上實現（如圖9（a）），選擇加工工序后通過掃描機臺上的二維碼獲取設備參數，并與加工單號、產量、生產日期及班次信息相結合作為報產記錄存入數據庫中。如圖9（b）、圖9（c）所示，用戶依靠系統的信息追溯功能可查詢紡紗車間內的紗線訂單狀態，同時可選擇指定訂單查看其排產詳情，掌握該訂單下各加工計劃信息以及生產進度。此外，系統在每次換班時刻自動輪詢生產中的訂單并根據圖5模型分析其生產進度，若預測到某訂單將出現生產延期，會自動推送訂單異常通知。該通知由多個部門共享并給出生產線調整建議，部門負責人針對建議內容以及相關部門的生產情況在計劃詳情界面（如圖9（d）所示以絡筒計劃為例）中進行計劃調整，保證該訂單按期交貨。在調整加工計劃參數的同時，若需要增加在制機臺數，系統將根據機臺調度優先級（圖3）自動篩選出當前優先等級最高的機臺，負責人可在下方子計劃單的機器號中選擇該機臺與子計劃綁定。系統運行期間由訂單任務分解得到的加工計劃下發到各車間交由負責人指揮生產，生產過程穩定高效，信息反饋即時，用戶體驗無卡頓，訂單按期完成率、在制機臺率等均明顯提升。

5 結 論

本文針對目前紡紗車間加工工序復雜多樣、生產部門間信息交互閉塞、訂單按期交貨能力不足以及人力物力調配不合理等問題，結合企業生產現狀，對信息化管理、排產流程設計、訂單進度分析以及分布式微服務架構等方面開展了相關技術研究并實現了紡紗排產信息化系統的開發。目前，開發成果已應用到企業生產管理中，并從實際應用層面實現信息化生產排產以及訂單按期交貨，提升了紡紗車間生產效率、改善了企業生產管理模式。結論如下：

a）紡紗企業的信息化發展不僅集中在各工序設備、加工方式的自動化，更關鍵在于工序之間信息的傳遞與共享，使生產排產與生產過程中的工藝、數據相結合，形成高效的生產管理模式。

b）訂單延誤情況下的處理措施是提升企業按期交貨能力的關鍵。目前采取的措施能快速提升車間的生產速度滿足交期時限，但隨著顧客需求個性化、加工環節聯系復雜化等現象更加顯著，僅采取增加在制臺數的方式會造成車間生產過載、資源浪費等問題，因此針對排產系統的智能化有待進一步的研究。

本文開發的基于生產訂單的紡紗排產系統其應用，不僅僅局限于紡紗車間的信息化生產管理，對其他紡織企業車間的生產管理模式同樣具有重要工程應用價值。

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Abstract： With the rapid development of the information revolution， high-tech technology dominated by information technology has greatly promoted the development of the spinning industry and improved labor productivity and work efficiency. However， at present， the production and production of most spinning enterprises still draw up master plans based on experience and send them directly to the production workshop for production. Such a "black light layout" causes the results of high communication cost and low production efficiency， which affects the competitiveness and production efficiency of enterprises. Therefore， scientific and practical production scheduling method plays an important role in making production plans. We take the actual spinning production workshop as the object to carry out research to develop and apply the spinning production information system， so as to realize the scientific， efficient and convenient scheduling operation through information management.

First of all， aiming at the complexand diverse processing process of the spinning workshop， the occlusion of information interaction between production departments， insufficient order delivery capacity on time， and unreasonable allocation of human and material resources， we designed an order-based production line planning drawing in combination with the actual production situation and business function characteristics and information development needs. Considering the variety of products， order quantity， delivery date and other factors， we further carry out analysis and adjustment of production orders. Finally， in order to facilitate the person-in-charge to adjust the production plan， help the employees of the workshop to produce and report work quickly， and realize the regular analysis of the order progress to ensure their timely delivery， we build an order-based cloud service platform system to realize an efficient management model in the production and scheduling process of the spinning workshop. At present， the development results have been applied to enterprise production management， and information production scheduling and order delivery on time have been realized from the practical application level， which has improved the production efficiency of spinning workshops and improved the enterprise production management mode. The research results show that the informatization development of spinning enterprises not only focuses on the automation of various process equipments and processing methods， but also lies in the transmission and sharing of information between processes， so as to combine production scheduling with the process and data in the production process to form an efficient production management model.

The measures taken in this paper in the case of order delay can quickly improve the production speed of the workshop to meet the delivery time limit. However， with the phenomenon of customer needs being personalized and the complexity of processing links， only increasing the number of tables in the production capacity will cause overload， waste of resources and other problems in the workshop. Therefore， further research is needed to realize the intellectualization of the production scheduling system. In addition， the spinning production system based on production orders is not limited to the information production management of the spinning workshop， but also has important engineering application value for the production management mode of other textile enterprise workshops.

Keywords： spinning workshop; production order; scheduling system; informatization