離散制造業(yè)計劃執(zhí)行和控制方法*

徐 煒，曾九孫，蔡晉輝

(中國計量大學 計量測試工程學院，杭州 310000)

0 引言

當前我國信息通信技術的基礎設施已相當完善，阿里巴巴和騰訊等企業(yè)的成功令世界刮目相看，但傳統(tǒng)離散制造企業(yè)信息化與工業(yè)化尚未很好融合，與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算[1]形成巨大的時代反差，為提高企業(yè)效率、降低成本，離散制造企業(yè)必須推進企業(yè)的“智能生產(chǎn)”[2]，以適應即將到來的工業(yè)4.0時代。在現(xiàn)有離散制造企業(yè)的生產(chǎn)計劃管理過程中，企業(yè)ERP系統(tǒng)根據(jù)訂單要求制定生產(chǎn)計劃，MES系統(tǒng)根據(jù)設備能力、員工能力、加工工序優(yōu)先級[3]等對設備級和工序級的作業(yè)計劃進行生產(chǎn)排程并根據(jù)現(xiàn)場情況進行生產(chǎn)調度[4]。目前，國內外對車間作業(yè)調度算法的理論研究已經(jīng)比較成熟，如Ishikawa等[5]在設備和工序兩個層次空間下采用分層混合空間遺傳算法，交替優(yōu)化；張騰飛[6]針對離散制造企業(yè)提出了一種面向柔性作業(yè)車間作業(yè)調度問題的改進遺傳算法。李傳鵬等[7]總結了車間調度建模方法及優(yōu)化算法的研究現(xiàn)狀。這些改進方法在計算效率等方面有了較大提升優(yōu)化，然而如何將生產(chǎn)計劃及調度結果加以整合利用，并有效管控生產(chǎn)過程，是實現(xiàn)離散制造企業(yè)智能生產(chǎn)急需解決的一個問題。

本文針對離散制造企業(yè)物料種類繁雜、批次換單快、離散周轉工序多等特點，提出了一種離散制造企業(yè)派工單生產(chǎn)管控模式。該模式分為派工任務生成執(zhí)行和質量控制兩部分，通過任務派工模型結構將生產(chǎn)能力約束條件下制定的物料、工序、設備等作業(yè)調度結果快速生成派工任務并利用各工序端一體機實現(xiàn)派工單流轉執(zhí)行；通過工序間差錯互鎖、工序位過程控制等實現(xiàn)對產(chǎn)品生產(chǎn)過程的質量控制。解決了企業(yè)生產(chǎn)計劃調度結果與生產(chǎn)管理脫節(jié)的問題，同時提高了企業(yè)產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。

1 離散制造企業(yè)派工單生產(chǎn)管控模式的設計

1.1 離散制造企業(yè)的特點和生產(chǎn)計劃層次

離散制造業(yè)主要包括機械制造、電子電器、汽車制造等制造行業(yè)，派工單生產(chǎn)管控模式的設計首先需要分析其企業(yè)生產(chǎn)特點，本文從物料、訂單和生產(chǎn)三個方面對離散制造企業(yè)生產(chǎn)特點進行了研究，總結如下：物料多且雜、粒度難以細分，種類多、形狀相似度高、易竄料；訂單多、換單快、變更訂單現(xiàn)象普遍；離散周轉、周轉工序多、人工工位多、質控難。離散制造業(yè)普遍采用混流裝配生產(chǎn)方式，能夠在基本不改變生產(chǎn)組織方式的前提下，同時生產(chǎn)出多種不同型號、不同數(shù)量的產(chǎn)品。

根據(jù)離散制造企業(yè)生產(chǎn)特點和管理要求，對生產(chǎn)計劃功能層次進行劃分，見表1。

表1 離散制造企業(yè)生產(chǎn)計劃層次分類

1.2 派工單生產(chǎn)管控模式的設計思想

當前對離散制造企業(yè)計劃層和調度層的理論研究已較為成熟，本文主要研究生產(chǎn)計劃的執(zhí)行過程，分為派工任務的生成執(zhí)行和生產(chǎn)過程的質量控制兩部分。本節(jié)介紹派工任務生成執(zhí)行的設計思路，包括任務派工模型結構和任務執(zhí)行方式的設計，對于生產(chǎn)過程質量控制的設計和實現(xiàn)將在下一節(jié)中詳細介紹。

1.2.1 任務派工模型結構

模型以零件、組件、產(chǎn)品型號、派工單四個部分為主線結構，如圖1所示，各部分以層層組態(tài)疊加方式完成。如圖2所示。

圖1 零件-組件-產(chǎn)品型號-派工單結構

圖2 模型結構關系分層圖

該模型結構各部分的設計思想如下：

在零件部分，離散制造企業(yè)零件種類多，部分零件體積小、數(shù)量多，不能以“個”為單位，因此在設計的過程中除了零件名稱、型號、編碼等基礎信息外，還加入了最小顆粒單位(如百個、包等)，作為零件基礎單位，并配備結構圖紙，方便區(qū)分。

在組件部分，組件作為一種中間件，有其特殊性。它是由若干零件組合而成，結構中包含零件配比，與零件是分層關系；同時它又是成品的零件，符合零件的特性，可和零件以同層的關系組成產(chǎn)品型號。

在產(chǎn)品型號部分，產(chǎn)品型號由多個零件和組件根據(jù)不同數(shù)量配比關系組成，而零件、組件又根據(jù)產(chǎn)品工藝流程情況，分布到各個工序中，同時與各個工序的電子作業(yè)指導書相關聯(lián)。因此產(chǎn)品型號的設計包含了一系列關鍵因素，如生產(chǎn)某產(chǎn)品型號所需的工序數(shù)、工序名稱、各工序所需零件或組件配比、各零部件編碼以及工序位作業(yè)指導書等。產(chǎn)品型號是整個結構的核心部分，將生產(chǎn)過程中涉及的物料、配比、工序、作業(yè)指導書、派工單等關聯(lián)起來。

在派工單部分，派工單是產(chǎn)品型號的任務具體化，需配置現(xiàn)場信息。在派工單結構的設計中，包含了產(chǎn)品型號要到哪條生產(chǎn)線去生產(chǎn)，由誰負責生產(chǎn)，開始結束時間,關聯(lián)單號，完成情況等信息。

該模型結構的實質是將各類生產(chǎn)信息進行融合，并對派工單制定過程進行細分。以該模型結構為基礎設計的生產(chǎn)管控系統(tǒng)能夠根據(jù)計劃層和調度層的執(zhí)行結果，以派工單、產(chǎn)品型號、組件、零件的層次順序對派工任務進行配置；以該模型結構為基礎設計的關系數(shù)據(jù)庫，將離散制造企業(yè)繁雜的各類物料信息及裝配信息儲存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，除派工單層需要根據(jù)計劃調度結果特殊生成外，其余各層信息可根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫儲備自動生成或在原有基礎上進行修改，適應離散制造企業(yè)訂單變化快的特點。

1.2.2 任務執(zhí)行方式

為實現(xiàn)派工任務的準確快速執(zhí)行，首先在重要的工序位配置工業(yè)一體機，并在客戶端程序中設置生產(chǎn)線及工序名稱。服務器端派工任務生成后，通過識別匹配生產(chǎn)線和工序名稱，將派工任務下達給對應工序位，并按派工單生產(chǎn)工藝流程在各工序間流轉。

并且為加強對離散工序位的管理，對工序進行了改進設計，在現(xiàn)有生產(chǎn)性工序的基礎上，以生產(chǎn)線為單位，設置了上料、下料、裝箱等管理性工序，又針對離散制造企業(yè)離散工位多產(chǎn)生的上料管控困難問題，將各生產(chǎn)線相鄰段工序以工段為單位進行分組，每個工段中幾個生產(chǎn)性工序所需的物料在段首處統(tǒng)一上料。

2 派工單生產(chǎn)管控模式的實現(xiàn)技術

2.1 數(shù)據(jù)庫技術

派工生產(chǎn)計劃的執(zhí)行和過程管控涉及大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分為非實時數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)兩類[8]，需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫平臺，統(tǒng)一實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)管理等基本功能。

2.1.1 數(shù)據(jù)庫E-R模型

數(shù)據(jù)庫的概念結構設計一般使用E-R模型來表示[9]，根據(jù)任務派工模型結構設計的關系數(shù)據(jù)庫E-R模型圖，如圖3所示。

圖3 關系數(shù)據(jù)庫E-R模型圖

該模型圖中，PK表示該欄位信息是這個對象的主鍵，F(xiàn)K表示該欄位是本對象的外鍵，同時是所指向的對象的主鍵。上圖顯示了各表的主鍵、字段、數(shù)據(jù)類型、存儲字符數(shù)等數(shù)據(jù)庫設計信息，同時顯示了各表間主鍵的關聯(lián)。

2.1.2 實時數(shù)據(jù)的采集

離散制造企業(yè)生產(chǎn)過程中需要從生產(chǎn)現(xiàn)場采集大量的過程數(shù)據(jù)，包括設備、產(chǎn)品、物料信息以及技術數(shù)據(jù)等[10]。除利用常用的掃碼槍、RFID數(shù)據(jù)采集器、工業(yè)觸屏電腦等自動設備對這些信息進行采集外，本文還利用移動式生產(chǎn)效率監(jiān)控終端加強對工序位的實時監(jiān)控。該終端裝置利用兩個接近開關，分別檢測從流水線傳來的上工位產(chǎn)品和本工位加工完成后放回流水線的產(chǎn)品，在實際使用過程中若第二個接近開關計數(shù)少于第一個或者二者記數(shù)時間差過長，則可通過轉換計算得到本工位實際生產(chǎn)速度和產(chǎn)品滯留數(shù)，并利用無線傳輸模塊將這些數(shù)據(jù)傳至遠端電腦。

2.1.3 非實時數(shù)據(jù)的轉換

離散制造企業(yè)ERP系統(tǒng)制定的生產(chǎn)BOM包含物料代碼、名稱型號等物料信息及物料數(shù)量、需求工序位等裝配關系信息[11]。為避免對原有系統(tǒng)和本系統(tǒng)做較大改動，本文設計了企業(yè)ERP與本地MES數(shù)據(jù)的專用轉換模式，即體現(xiàn)ERP的規(guī)范性又滿足車間的特殊性。尤其在產(chǎn)品型號數(shù)據(jù)轉換過程中，為將同一產(chǎn)品型號、同一工段、同一工序中不同零部件信息匯總轉錄，以Oracle數(shù)據(jù)庫中的工單組件表為基礎，其余相關表信息通過關鍵鍵位搜索，在程序中處理并匯總成一條包含該產(chǎn)品型號所有相關數(shù)據(jù)的信息轉錄至SQL Server數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品型號表中，實現(xiàn)企業(yè)ERP中BOM等信息與本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合。

2.2 質量控制功能的實現(xiàn)

質量控制功能是為了解決離散制造企業(yè)離散周轉工序多、人工工位多導致的質控困難問題，其現(xiàn)場實現(xiàn)方式，如圖4所示。

圖4 質量控制功能現(xiàn)場實現(xiàn)圖

2.2.1 編碼形式和工序任務的規(guī)定

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)范采集，將員工、零件、組件、產(chǎn)品型號統(tǒng)一設置為8位編碼，派工單設置為16位編碼,派工單前8位即產(chǎn)品型號編碼，后8位為年月日及批次。為避免編碼識別混亂同時盡可能減少人工操作，對工序任務步驟進行了規(guī)定，電子派工單流轉到指定工序后，工作人員按照員工條碼確認、派工任務選擇、產(chǎn)品型號確認、零部件確認、確定投產(chǎn)、中斷上報及工序完成的步驟順序進行操作，每道步驟完成后自動判別并跳轉到后一道步驟，防止系統(tǒng)在掃碼識別過程中重復循環(huán)掃碼而產(chǎn)生停滯現(xiàn)象。

2.2.2 工序間差錯互鎖技術

質量控制首先需要盡量避免非合格加工件在流水線上進行流轉，以減少后續(xù)不必要的加工操作。本文根據(jù)離散制造企業(yè)的制造流程，按電子派工單流轉順序對各工序位進行差錯互鎖。首先獲取前工序位生產(chǎn)信息和質量信息。若前工序位未完成預定目標或產(chǎn)品檢測不合格，則本工序位工序鎖定，禁止派工單流轉，其中管理性工序自動報警，生產(chǎn)性工序人工確認報警，通過無線網(wǎng)絡將發(fā)生錯誤的前序工序信息及時反饋給車間負責人，待錯誤消除后確認解鎖，將本工序位采集到的生產(chǎn)信息上傳至派工單管控系統(tǒng)后流轉到指定的下一道工序，后序工序重復上述過程，從而實現(xiàn)對流轉電子派工單中各離散工序位的有效管控。

2.2.3 工序位過程控制

工序是完成產(chǎn)品加工或裝配的基本單元[12]，工序位過程控制就是對在該工序上的生產(chǎn)信息，如被裝配零部件的類型和批次以及工藝過程進行管控并記錄，當工序任務完成后，立刻將這些信息及完成狀態(tài)回報給系統(tǒng)并存儲到對應數(shù)據(jù)庫表中，工序位過程控制是為了使管理性工序位能更加規(guī)范簡便進行操作，生產(chǎn)性工序位能盡可能提高產(chǎn)品合格率。以管理性工序中上料工序位過程控制為例，通過掃描員工條碼，確認并記錄責任人信息；在生產(chǎn)線上料位一體機上根據(jù)任務優(yōu)先級選擇派工單，系統(tǒng)顯示該派工單任務中所在工段各工序需要的零部件名稱、編碼等信息；再利用掃碼槍掃描待上料物料識別碼，并按照規(guī)定的編碼形式進行自動識別匹配，完成精準工段工序位上料。

2.2.4 離散裝配電子看板

離散裝配的電子看板可分為執(zhí)行看板和監(jiān)控看板[13]。本文執(zhí)行看板的功能是通過客戶端一體機顯示上級派工任務以及裝配工藝流程，并通過winsock替換指令，將附帶多媒體信息(如照片和視頻等)的電子作業(yè)指導書跟隨派工單進行更換，更好的指導工人操作；監(jiān)控看板的功能是通過服務器商務機和液晶大屏幕對各條生產(chǎn)線各工序位采集的數(shù)據(jù)以及完成狀態(tài)進行統(tǒng)計，并以表格和圖像形式更直觀的向管理者展示所需信息。

3 派工單生產(chǎn)管控模式的操作應用

3.1 派工單生產(chǎn)管控的操作流程

本小節(jié)以派工任務的生成執(zhí)行和質量控制兩部分為基礎設計派工單生產(chǎn)管控的操作流程，如圖5所示。

圖5 派工單生產(chǎn)管控操作流程圖

員工操作：

Step1：車間管理員將ERP生產(chǎn)工藝路線融入產(chǎn)品型號界面配置，并結合ERP生產(chǎn)計劃、MES調度計劃的結果，在服務器端以任務派工模型結構為基礎進行派工單的制定；

Step2：倉庫管理員在倉庫一體機上確認派工單號，根據(jù)派工單上產(chǎn)品型號所需零件、組件的種類和數(shù)量在庫存中找到對應物料并掃碼出庫；

Step3：上料位員工在各工段起始位置一體機上，將本工段各生產(chǎn)工序需要的物料掃碼匹配確認，統(tǒng)一上料；

Step4：生產(chǎn)性工序位員工接收到當前派工單任務后，先掃描自己員工編碼，再確認本工序位任務、所需物料、作業(yè)指導書，確認無誤后開始裝配生產(chǎn)，否則在系統(tǒng)工序操作界面點擊確認報警；

Step5：下料位員工在生產(chǎn)線末端將裝配生產(chǎn)完成的產(chǎn)品確認下料，并入庫、裝箱。

程序內部工作機制：電子派工單按產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中工序位的先后順序進行流轉，各工序位一體機在完成當前派工單任務并確認后，根據(jù)工序調度結果自動匹配接收下一派工單任務。

3.2 系統(tǒng)應用

本文描述的離散制造企業(yè)派工單生產(chǎn)管控模式在某智能開關生產(chǎn)企業(yè)MES系統(tǒng)中得到了成功應用。該系統(tǒng)的具體應用如下：

Step1：實現(xiàn)企業(yè)原有ERP數(shù)據(jù)庫與MES數(shù)據(jù)庫對接，利用編寫的數(shù)據(jù)轉換程序將零件、組件、產(chǎn)品型號、派工單、工序等非實時數(shù)據(jù)轉錄入SQL Server數(shù)據(jù)庫中；

Step2：在系統(tǒng)服務器端根據(jù)模型結構對派工單進行配置，根據(jù)調度結果及實際需求調整產(chǎn)品型號及生產(chǎn)工序，生成派工計劃；

Step3：通過生產(chǎn)線工序位客戶端下達派工計劃，同時利用前述數(shù)據(jù)采集裝置采集現(xiàn)場生產(chǎn)信息，將采集到的實時數(shù)據(jù)遠程傳送至服務器數(shù)據(jù)庫并反饋給監(jiān)控端；

Step4：在客戶端程序運行過程中，針對工序位生產(chǎn)加工情況對派工計劃完成情況進行檢測、控制及上傳，提高產(chǎn)品質量。

整個系統(tǒng)最終使企業(yè)生產(chǎn)管理規(guī)范化、靈活化，同時有效提高了產(chǎn)品合格率，并提高了近20%的生產(chǎn)產(chǎn)能。

4 結束語

本文針對離散制造企業(yè)生產(chǎn)計劃與調度結果在企業(yè)生產(chǎn)管控上存在的不足，提出了一種派工單生產(chǎn)管控模式，將生產(chǎn)調度的人員、物料、設備、工序等信息以任務派工模型結構為基礎融入電子派工單，實現(xiàn)調度結果到派工單生產(chǎn)管控模式的轉化，同時利用工序間差錯互鎖、工序位過程控制等方法實現(xiàn)對離散制造企業(yè)生產(chǎn)過程的質量控制，最后給出了派工單生產(chǎn)管控的操作流程和系統(tǒng)應用。本文除介紹派工單生成、執(zhí)行、控制方法的設計和功能的實現(xiàn)外，還涉及數(shù)據(jù)分類處理及轉換方式的選擇，原有系統(tǒng)與新開發(fā)系統(tǒng)的融合方式等，對離散制造企業(yè)生產(chǎn)管理的研究有一定的參考意義。