船舶管件生產(chǎn)的CONWIP 控制方案設(shè)計(jì)研究

王岳，馬瑞，何磊

江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003

為了增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，制造企業(yè)紛紛開始引入看板生產(chǎn)控制系統(tǒng)。這是一種拉動(dòng)式生產(chǎn)控制系統(tǒng)，是替代推動(dòng)式生產(chǎn)管控，實(shí)現(xiàn)精益化生產(chǎn)的典型方案。其主要通過(guò)看板信號(hào)傳遞生產(chǎn)信息，實(shí)現(xiàn)工位間的快速響應(yīng)。然而，這樣的系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)波動(dòng)較為敏感，在多變或不確定的生產(chǎn)中會(huì)限制其能力，無(wú)法適應(yīng)具有多品種、小批量建造特征的船舶產(chǎn)品生產(chǎn)[1]。當(dāng)前，高技術(shù)、高附加值的大型船舶市場(chǎng)前景良好。船企在高端產(chǎn)品市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，研發(fā)與之相適應(yīng)的精益生產(chǎn)控制方案，成為業(yè)界的研究熱點(diǎn)之一[2]。

CONWIP（constant work-in-process，固定在制品）系統(tǒng)[3]融合推動(dòng)式和拉動(dòng)式生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在生產(chǎn)線首尾工位間引入環(huán)路，調(diào)整環(huán)路的資源投入量[4]，進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行保障，具有重要的研究?jī)r(jià)值。G Huang等[5]面向單件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)裝配過(guò)程，提出5種CONWIP回路設(shè)計(jì)模式和相關(guān)控制策略。Leonardo等[6]提出一種KANBAN/CONWIP混合控制方案。Takahashi[7]、Li[8]和Pettersen等[9-11]證明了CONWIP控制在適應(yīng)變化性需求中優(yōu)勢(shì)明顯。Zong[12]、Jaegler[13]等對(duì)當(dāng)前所開發(fā)的CONWIP系統(tǒng)方案進(jìn)行了分類綜述。Roy等[14]提出基于CONWIP卡和作業(yè)起始時(shí)間控制生產(chǎn)體系的運(yùn)行。這些研究成果驗(yàn)證了CONWIP系統(tǒng)在混合裝配生產(chǎn)線應(yīng)用的可行性。

多樣化的高端船舶產(chǎn)品帶來(lái)了舾裝作業(yè)量和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的大幅提升，致使原推動(dòng)式生產(chǎn)管理下船舶管件生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，工位阻塞嚴(yán)重現(xiàn)象出現(xiàn)頻繁。為此，本文設(shè)計(jì)了無(wú)縫鋼管及紫銅管加工生產(chǎn)線3種CONWIP控制方案，對(duì)比研究這些控制方案的相關(guān)影響。

1 管件生產(chǎn)工藝流程

目前船用無(wú)縫鋼管和紫銅管均包含直管和彎管[15]。如圖 1所示，管件加工主要涵蓋從下料、彎管、校管、裝焊到打磨等工藝[16]。其中，有部分管件涉及法蘭等附件的裝焊[17]。

圖1 無(wú)縫鋼管與紫銅管生產(chǎn)線工藝流程

某廠H1138船中的901分段管件采用托盤形式進(jìn)行制作和集配管理，部分管件生產(chǎn)計(jì)劃情況如表1所示。該分段中共有556根無(wú)縫鋼管，其中338根是彎管，451根需裝焊法蘭等附件；紫銅管均需裝焊法蘭等附件；共有419根，其中彎管有277根。

表1 901分段管件生產(chǎn)計(jì)劃

按照生產(chǎn)線布設(shè)實(shí)際，所有工位設(shè)備、人員等均無(wú)間斷推動(dòng)式生產(chǎn)運(yùn)行，在管件下料切割、彎管、附件制作等工位存在在制品積壓、阻滯率高等問(wèn)題。完成該分段的管件制作需要17 d左右，其中單件管件的平均生產(chǎn)周期是4.6 h，產(chǎn)出率為2.4根/h，生產(chǎn)線上的平均在制品數(shù)約為20根。

2 CONWIP控制方案設(shè)計(jì)

2.1 CONWIP系統(tǒng)的原理

圖2是單環(huán)路串聯(lián)的 CONWIP系統(tǒng)模型，借以闡述系統(tǒng)的運(yùn)行原理。其中，在制品的流動(dòng)路徑以實(shí)線表示，看板的流動(dòng)路徑則以虛線表示?？窗迮c生產(chǎn)需求和加工執(zhí)行相關(guān)聯(lián)。其數(shù)量與在制品數(shù)量通過(guò)貼附時(shí)刻保持一致。從看板發(fā)射端到接收端體現(xiàn)了拉動(dòng)式生產(chǎn)管控特征，又從看板接收端經(jīng)過(guò)系列工位作業(yè)到看板發(fā)射端，則兼容了推動(dòng)式生產(chǎn)執(zhí)行特征。由此構(gòu)成了 CONWIP的環(huán)路[18]。當(dāng)看板接收端有了看板后，便意味著待加工品可以進(jìn)入環(huán)路進(jìn)行加工，成為在制品。進(jìn)而可以看出，CONWIP系統(tǒng)中的看板主要用來(lái)保證環(huán)路中的在制品數(shù)量。而看板生產(chǎn)系統(tǒng)的看板則還要與產(chǎn)品類型相對(duì)應(yīng)，致使系統(tǒng)兼容性有所下降，單個(gè)工位的問(wèn)題會(huì)直接牽連整條生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。

圖2 CONWIP單環(huán)路串聯(lián)模型

將CONWIP控制引入到管件生產(chǎn)線，為了深入分析該控制方式的管控效果。在圖1所示工藝流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了4種生產(chǎn)方案如下：

方案1 單一產(chǎn)品理想生產(chǎn)線，4個(gè)加工工位（加工時(shí)間分別為2/2/2/2 min）；

方案2 單一產(chǎn)品生產(chǎn)線，瓶頸位置固定，4個(gè)加工工位（加工時(shí)間分別為2/2/8/2 min）；

方案3 三產(chǎn)品（無(wú)縫鋼管/法蘭等附件/紫銅管，a/b/c）理想生產(chǎn)線，4個(gè)加工工位（加工時(shí)間分 別 為a： 2/2/2/2 min；b：1/2/1/2 min；c：1/2/3/4 min）；

方案4 三產(chǎn)品（a/b/c）混流生產(chǎn)線，4個(gè)加工工位、1個(gè)裝配工位（a/b/c在SP_3工位的加工時(shí)間分別為4/1/1 min；產(chǎn)品a在SP1_3工位的加工時(shí)間為1 min；產(chǎn)品c需要裝配1個(gè)a和1個(gè)b，Assembly工位的加工時(shí)間均為5 min；產(chǎn)品c在SP2_3/SP3_3工位的加工時(shí)間為2/5 min）。

應(yīng)用Plant-Simulation建立各方案的仿真模型如圖3所示，其中，CT表示產(chǎn)品平均生產(chǎn)周期，h；TH表示產(chǎn)品的產(chǎn)出速率，根/h；Output表示總產(chǎn)量，根；TotalTime表示總加工時(shí)間，d；BF為緩沖區(qū)。WIP_x表示在制品投入量，環(huán)路之間通過(guò)信號(hào)發(fā)射端和接收端來(lái)實(shí)現(xiàn)首尾端工位的聯(lián)系，用程序控制環(huán)路中在制品數(shù)量。在方案1～3中WIP_x的值分別取為1～10，即增大環(huán)路中在制品投入量，這3個(gè)方案總計(jì)運(yùn)行模型30次；由于方案4中存在裝配工位Assembly，在滿足3種產(chǎn)品裝配比的前提下，裝配作業(yè)才能進(jìn)行，這里采用WIP_x初始大取值的方式減少無(wú)效仿真運(yùn)行。方案4的WIP_x取值為5～14，共運(yùn)行模型10次。模型每次運(yùn)行時(shí)間設(shè)為 1：00：00（1h，Plant-Simulation中時(shí)間的完整格式為“天數(shù)：小時(shí)：分鐘：秒數(shù)”），記錄仿真模型中的Output、CT和TH值，運(yùn)行結(jié)果如表2所示。

圖3 4種方案的仿真模型

將表2中的數(shù)據(jù)用散點(diǎn)圖表示，WIP_x為橫坐標(biāo)，TH、CT為縱坐標(biāo)，如圖4所示。

各方案均存在一個(gè)最佳在制品投入量WIP#，即在TH最大、CT最小時(shí)對(duì)應(yīng)的環(huán)路在制品投入量。在WIP#左側(cè)，TH隨著在制品投入量的增加而增加，CT隨之減?。ㄈ绻幸粋€(gè)待加工產(chǎn)品在生產(chǎn)線旁等待，則等待時(shí)間也計(jì)入CT中）；在其右側(cè)，TH始終保持最大值，CT一直在增大，而在方案2具有瓶頸工位的生產(chǎn)線中，受瓶頸的影響，CT先增大，而后保持不變。

綜上所述，可以看出CONWIP生產(chǎn)線具有2個(gè)重要特性：

1）在制品投入量的多少對(duì)生產(chǎn)線有關(guān)鍵性影響，存在一個(gè)最佳在制品投入量WIP#，使TH最大，CT最?。?/p>

2）無(wú)瓶頸工位的理想狀態(tài)下，當(dāng)在制品投入量大于WIP#時(shí)，生產(chǎn)線的TH不會(huì)改變，而CT會(huì)隨之增大；具有固定瓶頸工位時(shí)，投入量大于WIP#后，TH保持一定值不變，而CT隨之先增大，后保持不變。

表2 仿真結(jié)果

圖4 各方案下的仿真結(jié)果對(duì)比散點(diǎn)圖

2.2 CONWIP環(huán)路設(shè)置研究

多環(huán)路生產(chǎn)線的系統(tǒng)WIP總量應(yīng)等于各個(gè)環(huán)路在制品量的總和。環(huán)路的設(shè)置在串、并聯(lián)的CONWIP生產(chǎn)線中比較簡(jiǎn)單，但是在混聯(lián)裝配生產(chǎn)線中，由于生產(chǎn)線的復(fù)雜性，其環(huán)路有多種設(shè)置方式，設(shè)置方式不同也會(huì)對(duì)生產(chǎn)線帶來(lái)不一樣的結(jié)果。

以圖1工藝流程為基礎(chǔ)，可以構(gòu)建出由3條并聯(lián)生產(chǎn)線和2個(gè)裝配工位而成的混聯(lián)裝配生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線存在3種環(huán)路設(shè)置方式，其中方式（a）如圖5所示有4環(huán)路，即環(huán)路1由BF至SP2組成，環(huán)路2由BF3至SP4組成，環(huán)路3由BF7至SP7組成，環(huán)路4由Assembly至BF6組成，Assembly1和BF9獨(dú)立，不設(shè)環(huán)路；方式（b）為3環(huán)路設(shè)置，即環(huán)路1由BF至BF6組成，環(huán)路2由BF3至SP4組成，環(huán)路3由BF7至BF9組成；方式（c）是4環(huán)路設(shè)置，即環(huán)路1由BF至SP2組成，環(huán)路2由BF3至BF6組成，環(huán)路3由BF3至BF9組成，環(huán)路4由工位BF7至SP7組成。

圖5 CONWIP環(huán)路設(shè)置方式（a）的生產(chǎn)線仿真模型

2.3 CONWIP在制品投入量研究

為確定各個(gè)環(huán)路最佳的在制品投入量，基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)（design of experiment，DOE）[19]，以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)，采用Plant-Simulation中的試驗(yàn)管理器ExperimentManager控件進(jìn)行試驗(yàn)。WIP_xn表示第n個(gè)環(huán)路的在制品投入量，試驗(yàn)以WIP_xn為輸入值，TH、CT、TotalTime為輸出值。方式（a）中有4個(gè)環(huán)路在制品投入量WIP_x1至WIP_x4，其上值為4，下值為1，差值為 1，共計(jì)256場(chǎng)試驗(yàn)；方式（b）中有3個(gè)環(huán)路在制品投入量WIP_x1至 WIP_x3，其上值為 5，下值為 1，差值為1，共計(jì)125場(chǎng)試驗(yàn)；方式（c）中有4個(gè)環(huán)路在制品投入量WIP_x1至WIP_x4，但是由于環(huán)路2和環(huán)路3是共用附件生產(chǎn)線，一根管子一般需2個(gè)附件才能進(jìn)行裝配，因此環(huán)路中至少存在2個(gè)在制品才能進(jìn)行生產(chǎn)，所以該方式的WIP_x2、WIP_x3的下值為 2，WIP_x1、WIP_x4的下值為 1，上值均為4，差值均為1，共計(jì)144場(chǎng)試驗(yàn)。

運(yùn)行試驗(yàn)管理器，記錄各個(gè)試驗(yàn)的TH、CT、TotalTime值，并以試驗(yàn)場(chǎng)次為橫坐標(biāo)，TH值和TotalTime值為縱坐標(biāo)繪制成散點(diǎn)圖，試驗(yàn)結(jié)果如圖6～8所示。以試驗(yàn)場(chǎng)次為橫坐標(biāo)，CT值為縱坐標(biāo)，繪制出3種方式下的CT變化曲線，如圖9所示。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）對(duì)比圖8和圖9，生產(chǎn)周期CT有不斷增大的趨勢(shì)，隨著在制品投入量的改變，TotalTime和TH進(jìn)行周期性變化，均存在上下限，繼續(xù)增大投入量不會(huì)使TotalTime和TH超出上下限范圍，但在制品的等待時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，使得CT不斷增大；

2）3種方式的最小TotalTime和最大TH是相同的，分別為17 d，2.4根/h。與無(wú)間斷推動(dòng)式生產(chǎn)的理想狀態(tài)的指標(biāo)值基本一致；

圖6 方式（a）試驗(yàn)結(jié)果

圖7 方式（b）試驗(yàn)結(jié)果

圖8 方式（c）試驗(yàn)結(jié)果

圖9 CT變化曲線

3）在3個(gè)環(huán)路設(shè)置方式的試驗(yàn)初期，TotalTime和TH值有很大波動(dòng)，其中圖7最為明顯（0～30次試驗(yàn)）。這是由于初期在制品投入量過(guò)小，產(chǎn)品需求小于生產(chǎn)線的產(chǎn)能，生產(chǎn)線并不是最佳運(yùn)行狀態(tài)（不穩(wěn)定狀態(tài)）；

4）運(yùn)用Excell表格的功能添加CT趨勢(shì)線（線性公式），方式（a）CT趨勢(shì)線公式y(tǒng)= 0.006 1x+2.864 5，方式（b）CT趨勢(shì)線公式y(tǒng)= 0.011 5x+2.571 2，方式（c）CT趨勢(shì)線公式y(tǒng)= 0.011 2x+2.797 5。在生產(chǎn)線穩(wěn)定狀態(tài)下（即TotalTime和TH進(jìn)行周期性變化時(shí)），方式（a）的TotalTime最大值為29 d，最小值為 17 d，差值為 12 d，方式（b）的 TotalTime最大值為 24 d，最小值為 17 d，差值為 7 d，方式（c）的TotalTime最大值為22 d，最小值為17 d，差值為5 d；方式（a）的TH最大值為2.3根/h，最小值為1.4根/h，差值為0.9根/h，方式（b）的TH最大值為2.4根/h，最小值為1.7根/h，差值為0.7根/h，方式（c）的TH最大值為2.4根/h，最小值為1.9根/h，差值為0.5根/h。

對(duì)比記錄的結(jié)果可知，在穩(wěn)定狀態(tài)下，隨著在制品投入量的改變，總生產(chǎn)時(shí)間TotalTime波動(dòng)最小的是（c），其次是（b）；產(chǎn)出率 TH 波動(dòng)最小的是（c），其次是（b）；生產(chǎn)周期CT增長(zhǎng)最慢（趨勢(shì)線斜率最小）的是（a），其次是（c）。綜上所述，投入量改變過(guò)程中系統(tǒng)最穩(wěn)定的是（c），其次是（b），最差的是（a）。

2.5 CONWIP控制與無(wú)CONWIP控制的生產(chǎn)線對(duì)比分析

秉承“以最小的在制品投入量使生產(chǎn)系統(tǒng)達(dá)到最大產(chǎn)出率和最小循環(huán)時(shí)間”的成本控制理念[20]，結(jié)合試驗(yàn)所得散點(diǎn)圖，可以得到管件生產(chǎn)線中3種CONWIP控制方式的最佳在制品投入量WIP#、TH、CT 與TotalTime值，以及無(wú)CONWIP控制的生產(chǎn)線中TH、CT與TotalTime值。圖10對(duì)無(wú)CONWIP控制生產(chǎn)線，以及按照最佳在制品投入量進(jìn)行生產(chǎn)的（a）、（b）、（c）3 種CONWIP控制生產(chǎn)線的各工位阻塞率進(jìn)行了對(duì)比分析，其中（a）和（c）生產(chǎn)線中工位阻塞率相同。由于3種方式下Assembly、Assembly1與SP5的阻塞率均為零，未在折線圖中顯示。從表3可知，在CONWIP控制下的生產(chǎn)線中在制品數(shù)和產(chǎn)品生產(chǎn)周期均比無(wú)CONWIP控制的少，最明顯的是方式（c）；從圖10可以看出，在無(wú)CONWIP控制的管子生產(chǎn)線阻塞比較嚴(yán)重，工位 SP、SP1、SP3、SP6阻塞率均已超過(guò)50%，加入CONWIP控制后，工位阻塞情況明顯有所好轉(zhuǎn)，其中工位SP與SP3阻塞率直接降為零，效果最明顯的是方式（a）和方式（c）。

圖10 4種生產(chǎn)控制方案各工位阻塞率折線

表3 CONWIP控制與無(wú)CONWIP控制的數(shù)據(jù)對(duì)比

綜合考慮所有影響因素，即系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)在制品數(shù)量、生產(chǎn)周期以及阻塞情況，在該管件生產(chǎn)線的最佳方案是CONWIP控制方案中的方式（c）。實(shí)施CONWIP控制能夠有效地減少生產(chǎn)線中的在制品數(shù)量，以最小的在制品投入量來(lái)達(dá)到生產(chǎn)線產(chǎn)量需求，避免了產(chǎn)品積壓，方便人員對(duì)生產(chǎn)線的管理，同時(shí)也能有效緩解工位阻塞，使生產(chǎn)線運(yùn)行更為順暢。

3 結(jié)論

經(jīng)典看板系統(tǒng)由于內(nèi)部關(guān)聯(lián)度高，生產(chǎn)平衡保障困難，無(wú)法在船舶建造中實(shí)施。CONWIP系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)了此局面，便于管理、節(jié)約成本。通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證表明：

1）在總加工時(shí)間和產(chǎn)出速率保持不變的情況下， CONWIP方案可以有效降低生產(chǎn)線在制品數(shù)和產(chǎn)品平均生產(chǎn)周期，有利于緩解生產(chǎn)阻滯現(xiàn)象，使有效作業(yè)時(shí)間比率大幅提升，使生產(chǎn)更加精益化。

2）CONWIP控制在降低系統(tǒng)復(fù)雜度、控制在制品數(shù)量和調(diào)控生產(chǎn)節(jié)拍等方面均有明顯的比較優(yōu)勢(shì)，有利于在對(duì)生產(chǎn)波動(dòng)較為敏感的系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

3）仿真技術(shù)與CONWIP控制相結(jié)合，有利于在計(jì)劃階段準(zhǔn)確響應(yīng)系統(tǒng)的產(chǎn)能情況，為精益造船的深入推進(jìn)提供了一個(gè)新的有效途徑。