计算机集成制造系统中的车间管理

计算机集成制造系统中的车间管理 计算机集成制造系统中的车间管理王子斌1前言本文是笔者自19871994年从事计算机工作其间，受航天部之邀，与清华大学及国家“863”专题组共同为湖北省潜江江汉油田钻头厂（JZ），实施计算机集成制造系统，当任“Shop floor control of CIMS”主任设计师所作设计报告的肤浅体会，此设计在1994年经“863”专家鉴定通过，后由华中理工大学负责实施。2计算机集成制造系统的车间管理（SFC）主要功能及目标车间管理是计算机集成制造系统中的一个重要组成部分，它隶属于管理信息系统之下，处于生产领域的前沿位置。因此，SFC的优劣直接影响车间生产计划完成与否及产品质量的好坏，车间管理最主要功能是实施厂级生产计划，对车间层要制定车间生产作业计划，单元作业工令，工具工装及物料管理，产品质量管理及FMS，DNC，NC加工作业管理等，由此需要对各项生产状况进行统计分析，生产进度监督等。主要功能有：生产计划管理、生产资源准备、物流与作业管理、质量管理、成本管理等五大功能，由图1所示。车间管理系统结构按制造类型划分为二大类，第一类为先进制造系统（Advanced Manufacturing system,简称AMS），第二类为非先进制造系统（NAMS），它们的结构形式如图2所示。SFC系统功能必须满足车间任务管理与生产作业管理的需求，对于AMS而言，由于它是自动化生产单元，因此概括为车间运行管理，单元层作业管理，工作站作业管理，机械加工过程仿真及车间运行支持。车间运行管理。为完成车间生产计划而制订，车间生产统计管理，车间运行分析和诊断，车间资源管理和车间质量分析。单元层作业管理。是根据下达的作业计划，制定FMS，DNC加工单元的日作业计划，单元作业完工作业统计。工作站作业管理。主要对刀具管理，刀具信息与加工单元的通讯传输，零件离线检测信息管理，加工过程仿真，对数控中心FMS、DNC的加工过程，作业批量排序等仿真，以得到最优生产调度。车间运行支持。主要是车间正常运行需要的水、电、气、油的供应和消耗的管理。车间管理的总目标是建立起能够适应JZ-CIMS运行需要的底层制造集成制造系统，从而实现经济与技术上的新突破。以工厂牙轮牙掌车间为实施对象，在经济效应方面最终达到：缩短生产周期；减少再制品与半成品库存量。在技术上：对制造底层进行系统分析，制定调整计划，合理划分加工中心或单元，细化管理与考核；在车间建立局域网；建立车间的FMS、DNC单元等。2.1目标描述1） SFC的目标是在车间现有设备，人力约束条件下，合理编制车间作业工序进度计划并进行监督和动态调整，达到如下目标： 保证按时交库；由于严密的计划和监督，维护作业的优先级，防止顾止失彼和遗漏，保证按时交库。 缩短生产提前期；只有严密的车间作业计划才有可能使厂级生产作业计划按零件提前期组织生产，最大限度地缩短车间生提前期，减少在制品。 减少机器和人工的空闲时间；由于精细的能力需求计划和工作进度计划，使得各工作中心负荷均衡，减少了机器和人工的空闲时间，防止“瓶颈”现象出现，能力需求计划和生产任务下达功能相结合，就能有效地控制车间在制品。 为车间计划员、调度员提供足够的信息，为车间作业调度提供科学依据。2） SFC的另一个主要任务是对车间生产进度和计划执行状况进行监督，对任务下达与维护，并完成生产统计和分析、监控的目标。 按厂级作业计划的要求（部门、品种、数量、时间），根据执行部门当前生产状况（能力、生产准备、在制任务等），以及执行某项计划所必须具备的前提条件（图纸、工装模具、材料等），实时组织生产任务，下达生产指令。 在原生产计划必须变更，监控功能支持管理人员对车间作业计划和任务进行干预。 组织和监控生产任务的实施。 全面管理在制活动，为下期厂级计划编制提供依据。 为各级管理人员提供最新车间生产信息和分析结果。 降低生产成本。 执行作业计划，既完成产量指标，又完成品种指标。 建立设备台帐、人事业绩管理。3） SFC另一个与MRP核心任务相对独立的目标，它们是： 实现数控机床的DNC，自动编程。 建立并使用好FMS，解决小批量及新产品试制任务；以上目标的实现前提是先建立MIS，安装使用MRP，或ERP等系统。2.2实现SFC需要解决的主要问题针对JZ厂存在的问题，提出如下方案： 积极采用具有开放系统，适应多种应用程序开发的平台，用户界面友好，便于建立和管理分布系统和网络的计算机系统。 MIS/SFC是MIS的一个重要组成部分，是MIS的一个子系统，因此需要运行MRP或ERP中的管理子系统模块。 建立柔性加工系统（FMS），与刚性加工系统相比，柔性加工系统具有更大的灵活性，工件传递靠机械手或自动传送带，物料的移动方法，即所谓的“推式”（Push）方法，当本道工序完成时，就将物料“推”到一下工序，这是小批量生产的特点，如加工中心满足这样要求。 建立DNC系统，要求数控机床与CAD/CAPP/CAM间有接口，特别是CAD应用软件要有很强的后置处理能力，要实现车间管理，最主要的是MIS/SFC的功能，由于车间管理的复杂性，它涉及的主要内容有： 车间任务的维护与下达 车间任务的排序 车间任务的调整与监控 车间在制品管理 车间生产成本的计算与控制 车间工人业绩的管理与统计3SFC的信息模型3.1信息类型SFC信息主要分为主题信息与应用信息，主题信息来自SFC的上层物料需求计划，由MRP驱动，向车间下达定单及物料采购定单，所谓应用信息，主要指SFC模块根据其原始数据产生应用数据等。车间数据基本有四种类型： 人工数据（直接与间接数据） 生产数据 质量控制数据 物料移动数据以上四种数据的内容如下表1所示。表1 车间数据分类人工数据生产数据上下班时数每个定单/操作/部门时数操作工序/设备号 零件/批次/系列号运行时间 生产准备时间 停工时间 生产量 报废量 工具使用量 延迟原因质量控制数据物料移动数据订单/零件号 测试结果 报废率 返工要求接收 发放 检验至工作中心工作中心至工作中心包装与发运 3.2信息结构模型车间信息结构模型分成四层：车间层、单元间、工作站层、设备层、按次组织信息关系，最终向厂级管理发送信息，实现信息集成，达到企业管理目的，图3表示车间信息结构模型。3.2.1车间层的信息主要由车间数据库提供，它们是： 生产计划 产量目标 原材料，辅助材料及备件库存 设备运行记录 诊断记录 零件编码 人事档案 其它统计数据3.2.2单元层的信息主要由单元层数据库提供，它们是： 生产作业计划 刀、夹、托盘数据 零件编码 工艺文件 设备运行状态 能耗统计 生产质量、消防数据3.2.3工作站层将设备层信息搜集上来传至单元层，同时又将单元层信息传至设备层，它是中间桥梁。工作站层接收单元层的信息有： 工作站调度命令 刀、夹具数据 工序祥情文件 托盘数据 DNC数据 FMS数据工作站层传送至单元层的信息有： 加工请求     工作站状态 刀具，托盘状态 能力数据 物料报告 工时报告3.2.4设备层为执行命令层，它接收工作站层数据同时将底层信息往上传递，其信息主要有： 设备状态 生产数据 质量数据 材料消耗数据 故障检测数据 操作命令 控制消息 零件代码上述数据按变动频率划分，可分为静态与动态数据，以下略加说明。1）静态数据 产品定义数据（即项目定义数据）产品定义数据对企业的生产对象加以定义，称为“项目”，一种产品，一个部门或一个零件，有时也可以将原材料、消耗品定义为项目，产品定义数据是企业管理中最起码的基本数据管理，每一种产品，部件或零件有唯一的定义和相应的描述，如项目号、名称、类型、计量单位、加工工艺号、底层代码等。 生产工艺数据工艺路线数据将各工艺阶段中所要执行的各加工工序，所用设备工装，工时定额及至各种技术要求等，还常按项目的加工工序（或装配顺序）详细地予以描述，对一般系统而言，只考虑标准工艺、工序，正常情况下的加工设备。 工作中心数据设备，人是企业计划生产活动的主要资源，在生产加工中所需的设备和人员按一定规律组织起来的加工的能力集合称为工作中心（Work Center-WC），它包括：设备代号、名称、台数、能力、数据、所需工人定额人数等。 产品结构数据这是描述产品部件与零件之间的装配和数量关系，同时产品结构数据它不仅描述了产品设计结构，还要体现产品在制造过程中的逻辑关系，这种逻辑关系不只是与工艺流程有关，还涉及到生产计划的编制，生产信息的反馈和成本核算。2）动态变化数据：库存日出入库凭据，车间生产统计，销售日（月）报等等，这些数据时间性强，变化快，流动性大，犹如人体中的血液维持人的生命一样赋予企业以生命，企业的动态信息不准确，不流畅，则会使企业失去活力。数据分类的目的，一是为了计算机处理之用，二是为了便于管理，使企业管理人员对数据的准确性，可靠性，实时性及流动性的特点充分予以重视，以利于为企业管理服务。3.3车间数据结构设计SFC在MRP中的位置及信息之间的关系，基于此，考虑SFC应用信息的结构设计，图4表明了它们之间关系。SFC与MRP、CRP、CST、MPS、IM、BOM之间均有信息关联，由此确定SFC的数据文件，除了公用的数据文件：项目文件、项目类型文件、项目类别文件之外，对SFC主要的数据文件有以下10种： 工艺路线文件。为牙轮、牙掌、总装、锻压、热处理车间产品加工服务工艺路线文件用于记录项目加工流程的，任何一种项目，无论是成品、半成品，它们都需要经过一道以上的加工工序，而牙轮、牙掌的加工有30多道工序，每道工序都有固定设备及加工工时要求，这些数据是进行能力计算和车间作业排序的依据，工艺路线文件（Process Routing）主要数据项有：物料号 工序号 工序状态工序说明 工作中心号 工时计算基础标识准备工事 人工工时 机器工时工具说明 标准搬运时间 标准排队时间 部门文件部门文件是一个编码对照文件，需要说明的是对外协单位，一般如果它的生产计划受总计划的影响，那么它在广义上也应算一个部门，部门可以是车间、科室或仓库，但特别强调生产系统，车间和仓库可另设编码。部门文件的主要数据项有：部门号 部门说明 有效标识 车间日历文件（工厂日历文件）车间日历文件是为计算能力和车间作业排序的，编制物料需求计划也用到日历数据，社会上通用日历，称社会日历，社会日历规定了社会假日和休息日，而企业规定的休息日和放假日往往不一定和社会日历相同，为了计算有效的工作日，故在MRP系统中，特设一个车间日历文件，也称工厂日历文件。车间日历文件包括的主要数据项有：工作中心号 社会日期 工作日标识日工作时数 有效标识因为车间和社会日历的休息日只有少数是不同的，因此可以提供某些起始参数，然后自动生成车间日历数据。 工作中心文件车间在行政上一般要划分小组进行管理，在生产上，生产设备一般也要划分为小组，以便安装加工任务，这些设备组，我们称为工作中心（Work center简称WC），一般情况下，具有相同加工能力的设备划规为同一个工作中，MRP在分配生产任务中，根据项目的工艺路线只分配到工作中心上，而在WC中那台设备上加工则由车间调度员根据具体发生的实际情况随机调动，因此，工作中心在MRP系统中是能力、成本、派工等的最小核算单位。工作中心文件的主要数据项有：工作中心号 工作中心说明 负荷代码工作效率 工时利用率 所属车间号关键工作中心标识 日开动班次 每班工作小时数月累计能力小时 年累计能力小时 机床台数标准能力小时/周 平均排队时间 标准排队时间管理员号 当前总负荷 实际管理费分摊标识标准管理费分摊标识 有效标识 车间订单文件该文件存放下达给车间的每一项加工任务的有关数据，这里一般包括：1）任务下达数据2）加工反馈数据3）加工任务分配的有关计算数据车间订单文件所包含的主要数据项有：车间订单号 顺序号 计划下达日期计划完工日期 计划需求数量 订当状态客户订单号 客户号 车间号订单优秀级 计划重排日期 关键比剩余工作工时 剩余准备工时 剩余机器工时当前工作中心 当前工序号 完工入库仓库号已完工数量 有效标识 项目分配文件该文件存放的数据是指那些已经为车间加工任务分配了所需材料或零部，但尚未从仓库中领回来的那些项目，项目分配文件所包含的主要数据项有：车间订单号 顺序号 分配项目号需要数量 已分配数量 有效标识所有工序号 出库仓库号 有效标识 工序详情文件工序详情文件不同于工艺路线文件和车间订单文件，车间定单文件记录的是零件的加工，完工信息；而工序详情文件记录的是每道工序的加工，完工信息，工艺路线单文件记录的是每道工序加工参数。工序详情文件（亦称车间订单详细文件）的主要数据项有：车间订单号 工序号 工作中心号计划开始日期 需求数量 计划完成日期订单状态 剩余加工小时数 已加工工作小时数剩余准备工时数 已加工准备小时数 剩余机器小时数已加工机器小时时数 加工成本 管理费关键比 已完工数量 有效标识 工票文件工票文件是及时掌握车间生产状况，考核工人业绩的依据。工票文件的主要数据项有：员工号 开始日期 车间订单号加工工号 已加工小时数 工作中心号项目号 部门号 工序完工标识工票号 废品量 有效标识 工作中心负荷文件工作中心负荷文件是根据加工任务和工艺路线提供的基本数据计算出来的工作中心负荷数据，这些数据用于平衡能力需求的，主要用来产生粗能力计划。工作中心负荷文件所含数据项有：项目号 工作中心号 总负荷小时数总准备小时数 偏置天数 有效标识 工作中心能力需求详情文件该文件所包含的不是项目能力的数据，而是工序的能力数据，用于产生细能力计划的。工作中心能力需求详情文件所包含的主要数据项有：工作中心号 计划日期 顺序号订单类型 负荷小时数 项目号工序号 需要数量 下达日期工序总数 有效标识以上所列10种文件数据均为车间作业生产、控制、调度、统计方面的应用数据，因而市场直接采购适合的MRP软件及相关的硬件产品，采用“直接实施法”，无须自行做大量的开发工作，其数据结构设计也无须做“E-R”图，节省人力物力。4 SFC技术方案及技术路线4.1技术方案原则技术方案原则与技术路线要紧密结合生产类型考虑，不同的生产类型它的组织方式和生产方法也不相同，就是相同的产品随着生产批量和生产组织的不同也含有不同的管理方法，前面涉及到的生产管理特征分类，一般分为两大类：流程型生产，离散型生产。而江汉钻头厂属于离散型生产。在离散型生产中又可分为三种类型 单件生产（Project Manufacturing）企业生产围绕着一个项目进行，对每个项目分别进行计划和控制，一般采用网络计划法。 多品种小批量或批量生产（Job Shop Manufacturing）企业同时生产多个品种，生产以批量方式下达，按设备工艺布置，按所谓机群式生产组织方式，这种车间作业管理采用所谓“后拉式”（Pull System）管理方式，由后序对前序提出生产要求，用完工后减库存方法，即所谓倒冲法（Back Flush）维护车间在制品（Work-in-Process WIP）,在这种方式中，能力需求计划变得简单而且不十分重要。具体到江汉厂，它的生产类型为两种并存且以中批量生产为主，不同的生产类型，反映在MRP上的软件功能中的SFC的结构不同。大批量生产在车间生产作业上，常用PACR（Production Activity Control/Repetitive）表示，它在MRP系统中的能力平衡很简单，PACR，指的是“流水”方式生产，它的生产作业计划编制方法主要参用“JIT”法，在日本称为“看板”管理法，在外国称为“在制品储备定额”法，需要完整的BOM和工艺路线记录形式组成的生产数据。PACR有以下特点： 按每天或某时间段（某一生产周期）如旬的计划量组织生产，而不是按加工量组织生产，采用分层计划法分配任务，并按加工周期（工作中心为单位）进行能力平衡。 采用拉式方法，并根据在制品储备定额法对每条生产线进行调度，确定投入材料量与计划产出量。 采用倒冲法（Backflush）进行在制品库存管理：根据已完成的项目数量，自动地从在制品库存中递减掉消耗的材料，简化了在制品管理。 通过设置检测点（CheckPoint）进行管理和数据搜集，以实现对生产计划、生产统计、成本和质量的控制。因此PACR的主要功能是：数据维护计划编制生产统计生产控制倒冲库存系统初使化报表打印单件小批量生产，在车间生产作业上，常用PAC（Production Activity Control）表示，它在MRP中，能力平衡很强，它的厂级生产作业计划的编制，采用国外流行的MRP方法，这个方法是根据年度生产计划大纲规定的最终产出数量和时间要求，产品结构数据、毛坯、零件库存数据、制品数量，前期计划执行情况和零部件生产提前期，用反工艺制造顺序法，计划每个零部件在各车间的投入产出日期和数量，使各车间生产的零部件在时间和数量上精确衔接，从而实现用人工方法难以做到的按零件提前期组织生产，这样缩短了零件制造提前期，减少在制品，节约流动资金。4.2技术方案确定技术方案与它的体系结构有关，一般分为厂级，车间层、单元层、工作站层及设备层。由于篇幅有限，本文省略未画，它的车间作业子系统逻辑图，子系统配置图，运控软件结构图等均被省略。8-8