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(xué) 計量測試工程學(xué)院，杭州 310000)

0 引言

當(dāng)前我國信息通信技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施已相當(dāng)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(jìn)企業(yè)的“智能生產(chǎn)”[2]，以適應(yīng)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(shè)備能力、員工能力、加工工序優(yōu)先級[3]等對設(shè)備級和工序級的作業(yè)計劃進(jìn)行生產(chǎn)排程并根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度[4]。目前，國內(nèi)外對車間作業(yè)調(diào)度算法的理論研究已經(jīng)比較成熟，如Ishikawa等[5]在設(shè)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(diào)度問題的改進(jìn)遺傳算法。李傳鵬等[7]總結(jié)了車間調(diào)度建模方法及優(yōu)化算法的研究現(xiàn)狀。這些改進(jìn)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(diào)度結(jié)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(zhuǎn)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(wù)生成執(zhí)行和質(zhì)量控制兩部分，通過任務(wù)派工模型結(jié)構(gòu)將生產(chǎn)能力約束條件下制定的物料、工序、設(shè)備等作業(yè)調(diào)度結(jié)果快速生成派工任務(wù)并利用各工序端一體機(jī)實現(xiàn)派工單流轉(zhuǎn)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(zhì)量控制。解決了企業(yè)生產(chǎn)計劃調(diào)度結(jié)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(zhì)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(shè)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(jī)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(shè)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(jìn)行了研究，總結(jié)如下：物料多且雜、粒度難以細(xì)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(zhuǎn)、周轉(zhuǎn)工序多、人工工位多、質(zhì)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(jìn)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(shè)計思想

當(dāng)前對離散制造企業(yè)計劃層和調(diào)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(wù)的生成執(zhí)行和生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制兩部分。本節(jié)介紹派工任務(wù)生成執(zhí)行的設(shè)計思路，包括任務(wù)派工模型結(jié)構(gòu)和任務(wù)執(zhí)行方式的設(shè)計，對于生產(chǎn)過程質(zhì)量控制的設(shè)計和實現(xiàn)將在下一節(jié)中詳細(xì)介紹。

1.2.1 任務(wù)派工模型結(jié)構(gòu)

模型以零件、組件、產(chǎn)品型號、派工單四個部分為主線結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)

圖2 模型結(jié)構(gòu)關(guān)系分層圖

該模型結(jié)構(gòu)各部分的設(shè)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(shè)計的過程中除了零件名稱、型號、編碼等基礎(chǔ)信息外，還加入了最小顆粒單位(如百個、包等)，作為零件基礎(chǔ)單位，并配備結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中包含零件配比，與零件是分層關(guān)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(guān)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(guān)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(dǎo)書相關(guān)聯(lián)。因此產(chǎn)品型號的設(shè)計包含了一系列關(guān)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(dǎo)書等。產(chǎn)品型號是整個結(jié)構(gòu)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(dǎo)書、派工單等關(guān)聯(lián)起來。

在派工單部分，派工單是產(chǎn)品型號的任務(wù)具體化，需配置現(xiàn)場信息。在派工單結(jié)構(gòu)的設(shè)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(fù)責(zé)生產(chǎn)，開始結(jié)束時間,關(guān)聯(lián)單號，完成情況等信息。

該模型結(jié)構(gòu)的實質(zhì)是將各類生產(chǎn)信息進(jìn)行融合，并對派工單制定過程進(jìn)行細(xì)分。以該模型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計的生產(chǎn)管控系統(tǒng)能夠根據(jù)計劃層和調(diào)度層的執(zhí)行結(jié)果，以派工單、產(chǎn)品型號、組件、零件的層次順序?qū)ε晒と蝿?wù)進(jìn)行配置；以該模型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計的關(guān)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(diào)度結(jié)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(chǔ)上進(jìn)行修改，適應(yīng)離散制造企業(yè)訂單變化快的特點。

1.2.2 任務(wù)執(zhí)行方式

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

并且為加強(qiáng)對離散工序位的管理，對工序進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，在現(xiàn)有生產(chǎn)性工序的基礎(chǔ)上，以生產(chǎn)線為單位，設(shè)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(jìn)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(shù)

2.1 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

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(jié)構(gòu)設(shè)計一般使用E-R模型來表示[9]，根據(jù)任務(wù)派工模型結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)系數(shù)據(jù)庫E-R模型圖，如圖3所示。

圖3 關(guān)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(shè)計信息，同時顯示了各表間主鍵的關(guān)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(shè)備、產(chǎn)品、物料信息以及技術(shù)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(shè)備對這些信息進(jìn)行采集外，本文還利用移動式生產(chǎn)效率監(jiān)控終端加強(qiáng)對工序位的實時監(jiān)控。該終端裝置利用兩個接近開關(guān)，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(guān)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(zhuǎn)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(yuǎn)端電腦。

2.1.3 非實時數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)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(guān)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(shè)計了企業(yè)ERP與本地MES數(shù)據(jù)的專用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)錄，以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫中的工單組件表為基礎(chǔ)，其余相關(guān)表信息通過關(guān)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(guān)數(shù)據(jù)的信息轉(zhuǎn)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(zhì)量控制功能的實現(xiàn)

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

圖4 質(zhì)量控制功能現(xiàn)場實現(xiàn)圖

2.2.1 編碼形式和工序任務(wù)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(shè)置為8位編碼，派工單設(shè)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(wù)步驟進(jìn)行了規(guī)定，電子派工單流轉(zhuǎn)到指定工序后，工作人員按照員工條碼確認(rèn)、派工任務(wù)選擇、產(chǎn)品型號確認(rèn)、零部件確認(rèn)、確定投產(chǎn)、中斷上報及工序完成的步驟順序進(jìn)行操作，每道步驟完成后自動判別并跳轉(zhuǎn)到后一道步驟，防止系統(tǒng)在掃碼識別過程中重復(fù)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(shù)

質(zhì)量控制首先需要盡量避免非合格加工件在流水線上進(jìn)行流轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)順序?qū)Ω鞴ば蛭贿M(jìn)行差錯互鎖。首先獲取前工序位生產(chǎn)信息和質(zhì)量信息。若前工序位未完成預(yù)定目標(biāo)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(zhuǎn)，其中管理性工序自動報警，生產(chǎn)性工序人工確認(rèn)報警，通過無線網(wǎng)絡(luò)將發(fā)生錯誤的前序工序信息及時反饋給車間負(fù)責(zé)人，待錯誤消除后確認(rèn)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(zhuǎn)到指定的下一道工序，后序工序重復(fù)上述過程，從而實現(xiàn)對流轉(zhuǎn)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(jìn)行管控并記錄，當(dāng)工序任務(wù)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(yīng)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(jìn)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(rèn)并記錄責(zé)任人信息；在生產(chǎn)線上料位一體機(jī)上根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級選擇派工單，系統(tǒng)顯示該派工單任務(wù)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(jìn)行自動識別匹配，完成精準(zhǔn)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(jī)顯示上級派工任務(wù)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(dǎo)書跟隨派工單進(jìn)行更換，更好的指導(dǎo)工人操作；監(jiān)控看板的功能是通過服務(wù)器商務(wù)機(jī)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(jìn)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(yīng)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(wù)的生成執(zhí)行和質(zhì)量控制兩部分為基礎(chǔ)設(shè)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(jié)合ERP生產(chǎn)計劃、MES調(diào)度計劃的結(jié)果，在服務(wù)器端以任務(wù)派工模型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行派工單的制定；

Step2：倉庫管理員在倉庫一體機(jī)上確認(rèn)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(yīng)物料并掃碼出庫；

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

Step4：生產(chǎn)性工序位員工接收到當(dāng)前派工單任務(wù)后，先掃描自己員工編碼，再確認(rèn)本工序位任務(wù)、所需物料、作業(yè)指導(dǎo)書，確認(rèn)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(rèn)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(rèn)下料，并入庫、裝箱。

程序內(nèi)部工作機(jī)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(jìn)行流轉(zhuǎn)，各工序位一體機(jī)在完成當(dāng)前派工單任務(wù)并確認(rèn)后，根據(jù)工序調(diào)度結(jié)果自動匹配接收下一派工單任務(wù)。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)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(guān)生產(chǎn)企業(yè)MES系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用。該系統(tǒng)的具體應(yīng)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(zhuǎn)換程序?qū)⒘慵?、組件、產(chǎn)品型號、派工單、工序等非實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄入SQL Server數(shù)據(jù)庫中；

Step2：在系統(tǒng)服務(wù)器端根據(jù)模型結(jié)構(gòu)對派工單進(jìn)行配置，根據(jù)調(diào)度結(jié)果及實際需求調(diào)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(dá)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(yuǎn)程傳送至服務(wù)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(jìn)行檢測、控制及上傳，提高產(chǎn)品質(zhì)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(jié)束語

本文針對離散制造企業(yè)生產(chǎn)計劃與調(diào)度結(jié)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(diào)度的人員、物料、設(shè)備、工序等信息以任務(wù)派工模型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)融入電子派工單，實現(xiàn)調(diào)度結(jié)果到派工單生產(chǎn)管控模式的轉(zhuǎn)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(zhì)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(yīng)用。本文除介紹派工單生成、執(zhí)行、控制方法的設(shè)計和功能的實現(xiàn)外，還涉及數(shù)據(jù)分類處理及轉(zhuǎn)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。