侯世旺,朱慧明,夏 莉
(1.中北大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院,山西 太原 030051;2.湖南大學(xué) 工商管理學(xué)院,湖南 長沙 410082)
由于需求的快速變化、信息共享及更新等存在障礙,傳統(tǒng)的以制造資源計劃(Manufacturing Resource Planning,MRP)為主要工具的推式生產(chǎn)方式,在交貨期以及庫存控制上存在諸多問題。準(zhǔn)時制生產(chǎn)方式(Just in Time,JIT)可以滿足多品種小批量混合生產(chǎn)條件下的高質(zhì)量、低消耗生產(chǎn),被廣泛應(yīng)用于各類制造企業(yè)[1]。
準(zhǔn)時化生產(chǎn)以看板作為生產(chǎn)組織工具,實現(xiàn)在必要的時間向必要的工序供應(yīng)必要數(shù)量的物料或零部件。以雙看板系統(tǒng)為例,工序間的看板循環(huán)流動情況如圖1所示,后工序i的領(lǐng)取看板到達前工序i-1的輸出暫存區(qū),按照領(lǐng)取看板的數(shù)量領(lǐng)取工件,并取下附在工件上工序i-1的生產(chǎn)看板,放入工序i-1的生產(chǎn)看板收集箱,同時掛上后工序領(lǐng)用看板;領(lǐng)回的工件在進入后工序i前,取下附在工件上工序i的領(lǐng)用看板,放入工序i的領(lǐng)用看板收集箱,同時掛上后工序的生產(chǎn)看板;工序i-1與工序i一樣向前面工序領(lǐng)取零部件,使整條生產(chǎn)線實現(xiàn)拉動式生產(chǎn)。
在這種生產(chǎn)過程中,后工序利用看板向前工序“拉”入所需的工件,前工序只有接到后工序的需求訂單后才開始生產(chǎn),因此生產(chǎn)計劃只下達到最后一道工序。當(dāng)從前道工序領(lǐng)取在制品時,生產(chǎn)線上便形成了一條前后關(guān)聯(lián)的信息鏈,每道工序都能精確知道交貨的時間與數(shù)量。
看板量是JIT 生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計時的重要參數(shù),看板數(shù)量代表了生產(chǎn)線的庫存水平,看板的增減直接影響在制品的水平。受生產(chǎn)系統(tǒng)諸多因素的制約,如最終產(chǎn)品的需求數(shù)量及其波動性、生產(chǎn)時間、物流及在制品流轉(zhuǎn)時間、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性等,以及這些因素之間的相互影響,大大增加了看板參數(shù)設(shè)計的復(fù)雜性。對于多產(chǎn)品多階段系統(tǒng),生產(chǎn)條件發(fā)生變化時,預(yù)先設(shè)定的看板量對生產(chǎn)過程的組織調(diào)度效果會明顯下降,根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)動態(tài)確定看板量具有重要的意義。建模與仿真是國內(nèi)外文獻中研究不同條件下看板生產(chǎn)系統(tǒng)的主要手段,如對需求、加工時間、生產(chǎn)能力、提前期[2]等的建模,并使用Petri網(wǎng)[3]、Witness[4]、Anylogic[5]等 仿真軟件以及遺傳算法[6-7]等智能求解算法進行求解分析,研究看板量參數(shù)設(shè)置[8]與平均在制品量[9-11]、緩沖量[12]和制造成本[13]等系統(tǒng)性能的關(guān)系,但均以單一產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象,對多產(chǎn)品多階段生產(chǎn)系統(tǒng)的看板設(shè)計研究得較少。
本文應(yīng)用SimEvent建立多產(chǎn)品多階段看板生產(chǎn)系統(tǒng)模型,通過仿真運行結(jié)果,研究看板數(shù)量與產(chǎn)品種類、客戶需求、生產(chǎn)時間和運輸時間等變量之間的關(guān)系,優(yōu)化設(shè)置系統(tǒng)參數(shù),為多階段多產(chǎn)品看板生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化提供決策依據(jù),降低看板系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計成本,優(yōu)化運行效果。
實現(xiàn)一個流、零庫存是JIT 生產(chǎn)方式追求的目標(biāo),每道工序都應(yīng)設(shè)法做到只生產(chǎn)后工序必需的量,過量生產(chǎn)是生產(chǎn)系統(tǒng)最大的浪費。但由于工序之間不可能絕對平衡,加上需求的波動性、物料、工件周轉(zhuǎn)的不確定性等,使得一個流不間斷生產(chǎn)總是難以實現(xiàn)。
本文考慮一個多產(chǎn)品多階段JIT 生產(chǎn)線,包含m道工序和n種產(chǎn)品,圖2所示為該生產(chǎn)系統(tǒng)工藝路線上兩個相鄰工序看板組織生產(chǎn)的基本流程。圖3所示為多產(chǎn)品多多階段看板生產(chǎn)系統(tǒng)模型總圖,主要包括原料部、生產(chǎn)部和市場部,其中市場部主要接受市場訂單,并向生產(chǎn)部發(fā)出訂貨生產(chǎn)指令,表現(xiàn)為使用領(lǐng)用看板從生產(chǎn)部成品暫存庫領(lǐng)取成品;生產(chǎn)部按照產(chǎn)品暫存庫摘下的生產(chǎn)看板組織生產(chǎn),并由調(diào)度中心依據(jù)產(chǎn)品類型指示,在不同的工序之間進行領(lǐng)用看板及生產(chǎn)看板的流轉(zhuǎn);原材料庫接受生產(chǎn)車間的領(lǐng)料指令,完成原料供應(yīng)及組織原料采購。
下面將對上述系統(tǒng)的工序單元、市場部的訂單產(chǎn)生、原材料供應(yīng)以及生產(chǎn)部的中間件和看板流程建模分別進行詳細闡述。
關(guān)于本文研究的看板生產(chǎn)系統(tǒng)的幾點假設(shè):
(1)多品種批量生產(chǎn)。
(2)按滿足全部產(chǎn)品的工藝要求,以流水線形式布置工序,允許不同產(chǎn)品的加工路線在一個或幾個工序上無操作。
(3)工序之間設(shè)置在制品(Work in Process,WIP)暫存庫。
看板生產(chǎn)系統(tǒng)的工序單元完成的工作內(nèi)容主要包括:上道工序輸入工件的接受、領(lǐng)用看板的摘取、本工序生產(chǎn)看板領(lǐng)取、加工作業(yè)、本工序加工完畢后生產(chǎn)看板的收回、本工序完工品與下道工序的領(lǐng)用看板一起輸出給下道工序。SimEvent的工序單元模型如圖4所示。
每道工序都有預(yù)定數(shù)量的領(lǐng)用看板和生產(chǎn)看板。其中:陰影①部分為領(lǐng)用看板的模擬,陰影②部分為生產(chǎn)看板的模擬,系統(tǒng)在開始運行時,領(lǐng)用看板和生產(chǎn)看板箱應(yīng)該放置預(yù)定數(shù)量的看板,為了滿足這一要求,采用實體預(yù)載技術(shù),即在系統(tǒng)仿真開始的初始時刻產(chǎn)生指定數(shù)量的實體數(shù),具體方法為:利用函數(shù)調(diào)用發(fā)生器模塊,設(shè)置參數(shù)Number of iterations為預(yù)置的看板數(shù),并設(shè)置采樣時間Sample Time為大于系統(tǒng)仿真結(jié)束時間的任意數(shù)值,保證該模塊在整個仿真周期只在初始時刻運行一次。
生產(chǎn)看板在工序內(nèi)部流轉(zhuǎn),領(lǐng)用看板在本工序與上游工序流轉(zhuǎn)。為了便于系統(tǒng)對實體的識別并方便流轉(zhuǎn)路線的調(diào)度,分別設(shè)置相應(yīng)的屬性并賦值。屬性WDClass(領(lǐng)用看板類型)用于指示領(lǐng)用看板對應(yīng)的產(chǎn)品類型,屬性WDLocation(領(lǐng)用看板位置)用于指示看板所屬的工序號,屬性WIPClass(生產(chǎn)看板類型)用于指示生產(chǎn)看板對應(yīng)的產(chǎn)品類型。
對于多階段看板生產(chǎn)系統(tǒng),可由多個基本工序單元按照工藝路線連接而成,每個單元設(shè)置不同的參數(shù),如處理時間、流轉(zhuǎn)延遲、領(lǐng)用看板數(shù)量和在生產(chǎn)看板數(shù)量等。對于多產(chǎn)品系統(tǒng),可以按照物料/中間件和看板屬性分別對物料流轉(zhuǎn)路線及看板流轉(zhuǎn)路線建立調(diào)度模型,詳細介紹見2.5節(jié)。
(1)訂單的產(chǎn)生及分發(fā)機制
看板生產(chǎn)系統(tǒng)以最終的產(chǎn)品訂單作為輸入信號,由成品庫出發(fā),逆產(chǎn)品工藝路線逐級向前道工序“領(lǐng)料”,實現(xiàn)拉動生產(chǎn)。為了對系統(tǒng)一年的訂單進行模擬,采用離散時間序列重復(fù)輸出模塊Repeating Sequence Stair,設(shè)一年中各個月份的平均日需求量為Order=[D1,D2,…,D12],設(shè)置模塊參數(shù)Vector of output values為1./Order,參數(shù)Sample Time為30,保證在每個月產(chǎn)生指定的訂單量。通過改變上述參數(shù)值,可以模擬任意時間段的訂單量,如圖5中的陰影部分①所示。仿真系統(tǒng)運行后,因為訂單產(chǎn)生與上游工序同步進行,初始時刻必定存在訂單輸出堵塞,所以設(shè)置初始訂單的延遲來模擬生產(chǎn)系統(tǒng)提前期,保證訂單產(chǎn)生后上游工序已經(jīng)有產(chǎn)品輸出,如圖5中的陰影部分②所示。按照看板生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)組織特點,當(dāng)上游工序能力有限且新訂單到來時,如果上一訂單未完工,則新來的訂單必須延遲或損失,為了模擬這種生產(chǎn)實際,訂單發(fā)送時采用開關(guān)模塊,并設(shè)置為“當(dāng)1號端口堵塞時,實體從端口2流出”,如圖5中的陰影部分④所示。
(2)訂單的屬性設(shè)置
為了區(qū)分工序間流轉(zhuǎn)的產(chǎn)品類型,并根據(jù)類型確定各品種的流轉(zhuǎn)路線,本方案為系統(tǒng)產(chǎn)生的每一個實體設(shè)置屬性并賦值。通過為屬性“產(chǎn)品類別”賦值1、2或3,分別表示生產(chǎn)系統(tǒng)的三個產(chǎn)品品種,如圖5中的陰影部分③所示。
原材料供應(yīng)單元從本質(zhì)上可以用前面的工序基本單元來模擬,考慮到該單元為所有產(chǎn)品的工藝出發(fā)點,為了便于流轉(zhuǎn)路線的調(diào)度建模,對該單元進行單獨建模。
為了區(qū)分工序間流轉(zhuǎn)的物料或工件的類型,并方便調(diào)度模塊根據(jù)類型確定各流轉(zhuǎn)路線,同樣為系統(tǒng)產(chǎn)生的每一物料實體設(shè)置屬性并賦值。屬性MClass(物料類別)賦值為1,2或3,分別表示系統(tǒng)三種產(chǎn)品的原料;屬性Process(工藝路線)賦值為一個工序號序列,例如[1,2,4,2,3,5],表示產(chǎn)品的加工路線為1→2→4→2→3→5,數(shù)字表示生產(chǎn)系統(tǒng)的工序號或機器號;屬性MachiningTime(加工時間)賦值為一個與工藝路線相對應(yīng)的時間值序列,例如[4,1,0.1,0.5,2,0],分別表示產(chǎn)品在工藝路線上的每一步所需的加工時間;為了對不同類型產(chǎn)品實體流轉(zhuǎn)路線的調(diào)度,設(shè)置CurrentRoute(當(dāng)前路線)屬性用于指示每一實體將要流向的工序號,設(shè)置CurrentStep(當(dāng)前工步)屬性用于記錄每一實體當(dāng)前的工步號,設(shè)置“CurretnTime”(當(dāng)前加工時間)屬性,用于記錄每一實體當(dāng)前工序所需的時間,并設(shè)置該屬性為流向的工序的加工時間,如圖6中的陰影部分①所示。
下游工序以領(lǐng)用看板的形式向原料庫發(fā)出物料需求信號,與3.1節(jié)介紹的生產(chǎn)看板和領(lǐng)用看板采用的實體預(yù)載方法一樣,圖6中陰影部分②的領(lǐng)用看板子系統(tǒng)的詳細展開如圖7所示。產(chǎn)生的物料與下游工序來的領(lǐng)用看板一起輸出,如圖6中的陰影部分③所示。
對于多階段多產(chǎn)品看板系統(tǒng),將不同的生產(chǎn)單元分別連接到原料/中間件和看板調(diào)度模塊,由調(diào)度模塊根據(jù)輸入實體的相關(guān)屬性來確定流向的目標(biāo)工序(如圖8)??窗辶鬓D(zhuǎn)路線選擇模塊三個輸入分別表示訂單輸入、工序n領(lǐng)用看板的輸入和工序(n-1)領(lǐng)用看板的輸入,三個輸出分別表示工序n領(lǐng)用看板、工序(n-1)領(lǐng)用看板的返回以及向原料部領(lǐng)料看板的輸出,此時的輸出按照產(chǎn)品類型及其工藝輸出到指定端口,實現(xiàn)看板流向的調(diào)度;工件流轉(zhuǎn)路線選擇模塊的三個輸入分別表示工序n完工品、工序(n-1)完工品的輸入以及原材料的輸入,三個輸出分別表示工序n完工品、工序(n-1)完工品的返回以及向市場部產(chǎn)成品的輸出,此時的輸出也是按照產(chǎn)品類型及其工藝輸出到指定端口,實現(xiàn)工件/產(chǎn)品流向的調(diào)度。
在看板調(diào)度模塊,根據(jù)輸入領(lǐng)用看板的屬性Location(領(lǐng)用看板位置)確定流出的端口號,該端口與對應(yīng)工序的領(lǐng)用看板輸入端口連接,調(diào)度方案如下:
Kanban.WDCurrentRoute=Kanban.WDLocation。
在原料/中間件調(diào)度模塊的調(diào)度方案如下:
Part.CurrentRoute=Part.Process(Part.CurrentStep),
Part.CurrentTime=MachiningTime(Part.CurrentStep),
Part.CurrentStep=Part.CurrentStep +1。
考慮1個包含原材料庫(Material Inventory)、4個加工工作站(Station1~Station4)、1 個產(chǎn)品庫(Product Inventory)和1 個客戶中心(Customer Center)的看板生產(chǎn)系統(tǒng),生產(chǎn)3個不同品種的產(chǎn)品(P1~P3),不同產(chǎn)品的工藝路線(如圖9)及各工序處理時間為:P1:[3 2 4 2 1 5],[0.2 0.1 0.5 0.3 4 0];P2:[2 1 3 1 4 5],[1 1 2 1 0.3 0];P3:[3 2 1 2 4 5],[0.5 1 2 1 1 0]。編號1~4分別表示工序1~4,編號5表示成品庫。
全年各個月份,三種產(chǎn)品的日平均訂單量分別為[0,2,5,10,10,5,3,2,2,2,1,1],[1,2,5,10,10,5,3,2,2,2,1 1],[1,2,5,10,10,5,3,2,2,2,1,1]。
按照3.1 節(jié)~3.4 節(jié)提出的多產(chǎn)品多階段Si-mEvent建模方案建立的本案例仿真模型如圖10所示,通過仿真結(jié)果確定缺貨損失最小情況下,在制品量及成品庫的庫存水平較低的看板參數(shù)。
為了運行仿真模型,并利用仿真結(jié)果對生產(chǎn)系統(tǒng)的看板數(shù)設(shè)置提供決策依據(jù),需要進行如下參數(shù)設(shè)置:三種原材料的到達間隔以及運輸延遲為[0.2 0.3 0.25],[1 0.25 0.1],各工序的工件輸出延遲為[0.1 0.1 0.1 0.1]。上述參數(shù)均可以設(shè)置為隨機數(shù)或服從指定概率分布的數(shù)據(jù)。運行仿真模型,便可以得出三種產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各工序的狀態(tài)數(shù)據(jù)。
為了利用仿真結(jié)果輔助看板參數(shù)設(shè)計,設(shè)置三種產(chǎn)品的兩種看板數(shù)分別為一個較大的值(保證訂單的拒絕率較低,可以通過反復(fù)實驗來確定,或直接指定為一個系統(tǒng)允許的最大整數(shù)值),本例設(shè)置為500。圖11所示為產(chǎn)品3的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。
工序1~4中產(chǎn)品3的部件積壓情況:從圖11h~圖11k可以看出,工序1~4部件的無積壓;
工序1~4用于產(chǎn)品3的領(lǐng)用看板箱的看板數(shù)量變化情況:從圖11d~圖11f可以看出,工序1~3領(lǐng)用看板箱的看板數(shù)量在499~500交替變化,即實際流轉(zhuǎn)的領(lǐng)用看板數(shù)量為1,根據(jù)此結(jié)果,可以設(shè)定工序1~3 用于產(chǎn)品3 的領(lǐng)用看板數(shù)量為2;從圖11g和圖11p可以看出,從0~60d,工序4領(lǐng)用看板箱看板數(shù)量從500 降到312,同時成品庫產(chǎn)品3的庫存量從0上升到188,從90d開始,成品庫產(chǎn)品3的庫存量從最高值188開始下降,到145d時將為0;從圖11c可以看出,缺貨量從145 開始上升,到150d時達到最大值28,此時對應(yīng)的領(lǐng)用看板箱的看板數(shù)量為499,從上述分析可以看出,工序4領(lǐng)用看板箱的看板數(shù)量的最大流轉(zhuǎn)量為188,145~150d內(nèi)的缺貨量主要由工序生產(chǎn)周期長引起,且前期生產(chǎn)未受限制,一直在備貨生產(chǎn);從145d開始到仿真結(jié)束,成品庫產(chǎn)品3的庫存量持續(xù)增加,直到工序4領(lǐng)用看板箱的看板耗盡。因此在保證最小缺貨量的條件下,工序4 領(lǐng)用看板箱看板數(shù)量的最佳值為188。
工序1~4用于產(chǎn)品3的生產(chǎn)看板箱的看板數(shù)量變化情況為[9,10],[8,10],[2,3],[4,5],據(jù)此設(shè)置工序1~4用于產(chǎn)品3的生產(chǎn)看板箱的看板數(shù)量分別為10,10,3,5。
按照仿真結(jié)果,重新設(shè)置模型參數(shù)后的運行結(jié)果如圖12所示。
從圖12可以看出,按照前面的仿真結(jié)果對系統(tǒng)參數(shù)重新設(shè)置后,訂單的完成率沒有發(fā)生變化,即缺貨率最低,但各工序的在制品量和成品庫的庫存水平得到了有效控制,成品庫產(chǎn)品3的庫存量的最大值從原來的480下降為188。
本文考慮多產(chǎn)品多階段看板生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)組織的特點,提出生產(chǎn)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的SimEvent建模方法,以訂單的到達、領(lǐng)料看板的摘取、上工序工件的運達等系統(tǒng)事件的發(fā)生作為系統(tǒng)的驅(qū)動信號,以最大程度地滿足市場需求為目標(biāo),通過仿真確定復(fù)雜看板生產(chǎn)系統(tǒng)兩種類型的看板數(shù)量。仿真結(jié)果表明了模型仿真過程的有效性和結(jié)果的可靠性。
本文研究得出的結(jié)論如下:
(1)所構(gòu)建的用于多產(chǎn)品多階段看板生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型是合理、有效的,SimEvent能夠很好地表達看板生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)組織與物料、看板流轉(zhuǎn)過程。
(2)通過設(shè)置與看板生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)對應(yīng)的模型參數(shù),可以驗證不同參數(shù)設(shè)置的運行效果,及時發(fā)現(xiàn)不當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置,為實際生產(chǎn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置提供依據(jù)。
(3)當(dāng)看板生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)品品種發(fā)生變化或產(chǎn)品工藝改變時,無需徹底重建模型,可以利用基本的工序單元對增加的工序建模,與調(diào)度模塊接口相連,并在相應(yīng)的調(diào)度模塊中增加變化的工藝路線,以適應(yīng)對不同看板生產(chǎn)系統(tǒng)的快速建模與仿真。
利用本文提出的看板生產(chǎn)系統(tǒng)模型,通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的瓶頸工序以及各工序的利用率情況;對于多產(chǎn)品多階段看板生產(chǎn)系統(tǒng),通過仿真結(jié)果可以為不同的需求周期設(shè)置不同的看板數(shù),實現(xiàn)不同生產(chǎn)周期在制品數(shù)量與訂單交付率的綜合優(yōu)化??窗鍏?shù)的變動設(shè)置受訂單信息的影響很大,而需求信息不確定,因此通過建模仿真來輔助變看板系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置有待進一步研究。
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