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        船廠管子車間的新CONWIP控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2021-03-06 03:14:14磊,王
        造船技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:道工序船廠環(huán)路

        何 磊,王 岳

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

        0 引 言

        現(xiàn)代化的船廠管子車間已逐漸從加工車間(Job Shop,JS)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型為流水車間(Flow Shop,FS)生產(chǎn),一些具備能力的管子JS已實(shí)現(xiàn)混合流水車間(Hybrid flow shop,HFS)的生產(chǎn)加工模式[1]。HFS往往在加工時(shí)間較長(zhǎng)的工序安排更多的工位,加工時(shí)間較少的工序安排更少的工位,因此能在一定程度上避免生產(chǎn)過程中發(fā)生工位阻塞和工位空閑的情況。但僅僅只是工位的增加而不采取符合船廠管子HFS生產(chǎn)模式的生產(chǎn)控制系統(tǒng),則難以實(shí)現(xiàn)降低產(chǎn)品生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品產(chǎn)出速率及維持工位負(fù)荷平衡等目標(biāo)。

        傳統(tǒng)生產(chǎn)控制系統(tǒng),例如看板管理(Kanban)和定量在制品法(Constant Work-In-Process,CONWIP),在處理船廠管子這種加工時(shí)間可變性大的訂單時(shí)都不能有效解決各工位間的負(fù)荷平衡問題;此外,這2種控制系統(tǒng)的研究對(duì)象通常并非HFS[2]。近年來,THüRER等[3]提出一種能夠控制工位間負(fù)荷平衡的卡片導(dǎo)航平衡控制(Control of Balance by Card Based Navigation,COBACABANA)系統(tǒng),該系統(tǒng)在生產(chǎn)領(lǐng)域主要運(yùn)用于JS,在FS的有效性[4]方面也有文獻(xiàn)加以探討,但未曾有文獻(xiàn)證實(shí)該系統(tǒng)在HFS中是否有效。綜合考慮上述控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合船用管件的加工特點(diǎn),以某船廠管子HFS為研究對(duì)象,對(duì)CONWIP的環(huán)路設(shè)置方案進(jìn)行改進(jìn),提出以工序?yàn)閱挝粚?duì)同一工序的工位縱向設(shè)置環(huán)路;在此基礎(chǔ)上,融合COBACABANA系統(tǒng)的思想,設(shè)置工位負(fù)荷平衡表和訂單池,從而控制各工位的負(fù)荷平衡。最后,通過在仿真軟件中建模并加載不同控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和對(duì)比,驗(yàn)證新控制系統(tǒng)在控制工位負(fù)荷平衡方面的有效性及優(yōu)越性。

        1 新控制系統(tǒng)描述

        1.1 基于HFS的CONWIP改進(jìn)方案

        CONWIP由SPEARMAN等[5]提出,該系統(tǒng)通過從FS中選擇一條出口工位到入口工位的反饋環(huán)路來限制環(huán)路中的在制品數(shù)量,從而實(shí)現(xiàn)環(huán)路中系統(tǒng)的負(fù)荷控制。CONWIP能夠很好地解決生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)在制品的控制問題,然而面對(duì)船廠管子生產(chǎn)這一多品種、小批量、加工時(shí)間可變性大的柔性生產(chǎn)模式卻不具備工位間的負(fù)荷平衡能力,因?yàn)樵撓到y(tǒng)僅僅只是在加工時(shí)間可變性較小的情況下控制環(huán)路中系統(tǒng)的負(fù)荷,并不考慮單個(gè)工位的負(fù)荷平衡。對(duì)于FS,即每道工序只含1個(gè)工位的流水線,當(dāng)面對(duì)加工時(shí)間可變性較大的船廠管子時(shí),則可能由于不同管子或同一管子的不同工序?qū)е录庸r(shí)間差距較大,出現(xiàn)大量管子堵塞于某一工序或者某一工序長(zhǎng)期空閑的狀態(tài)。傳統(tǒng)CONWIP解決這一問題的有效方法只能是不斷縮小環(huán)路中工序的數(shù)量,但環(huán)路中工序數(shù)越少就越接近Kanban控制系統(tǒng),當(dāng)環(huán)路只含有1道工序時(shí)即為Kanban控制系統(tǒng)[6]。

        船廠管子HFS根據(jù)管子生產(chǎn)的特點(diǎn),在不同工序設(shè)置不同數(shù)量的工位,可以有效避免由于工位不足而造成的工位堵塞現(xiàn)象,但由于沒有對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的在制品數(shù)量進(jìn)行有效控制,造成在制品積壓,不僅增加現(xiàn)場(chǎng)管理工作的負(fù)擔(dān),也延長(zhǎng)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期[7]。通常,CONWIP在FS中以橫向設(shè)置環(huán)路的方式來控制不同工序的在制品數(shù)量[8],而在HFS中的在制品,在前道工序完工后可以選擇后道工序的任何空閑工位進(jìn)行加工,所以不適用于橫向設(shè)置CONWIP環(huán)路。因此,以工序?yàn)閱挝豢v向設(shè)置環(huán)路,環(huán)路設(shè)置可以是包含1道工序的單工序環(huán)路,也可以是包含多道工序的多工序環(huán)路,1條混合流水線可以設(shè)置1個(gè)環(huán)路,也可以設(shè)置多個(gè)環(huán)路[9]。環(huán)路設(shè)置方式如圖1所示,假設(shè)該HFS有n道工序,每道工序有k個(gè)并行工位,其中Mi,j代表第i道工序的第j個(gè)工位。

        圖1 基于縱向CONWIP環(huán)路設(shè)置的HFS

        1.2 考慮工位負(fù)荷平衡的新CONWIP控制系統(tǒng)

        該方案對(duì)每道工序設(shè)置1個(gè)訂單池和該工序各工位的負(fù)荷平衡表。訂單池存放按加工順序排列的投放卡;各工位的負(fù)荷平衡表顯示工位的實(shí)時(shí)負(fù)荷情況。理論上,每張投放卡的大小由工件在該工序加工時(shí)間的大小按比例縮小后決定。當(dāng)工件在該工位加工完成后便將投放卡取出,放置在代表該工位的負(fù)荷平衡表中,如此該工位在每加工完1個(gè)工件后就累加1張大小代表工件加工時(shí)長(zhǎng)的投放卡,直到最后1個(gè)工件達(dá)到或剛剛超過工位設(shè)定的負(fù)荷最大界限,就關(guān)閉該工位不再接收工件。訂單池和工位負(fù)荷平衡表的具體原理如圖2所示。實(shí)際操作中,投放卡可以記錄工件的加工時(shí)間和其他需要附加的生產(chǎn)信息,每當(dāng)1個(gè)工件開始進(jìn)入該工序的某個(gè)工位,就把該工件對(duì)應(yīng)的投放卡放置在工件上。加工完成后,將帶有加工時(shí)長(zhǎng)信息的投放卡取下,在計(jì)算機(jī)端輸入相應(yīng)的加工工時(shí),直接在電子屏幕或者電子看板上顯示該工位工時(shí)累加的過程。

        圖2 某工序的訂單池與工位負(fù)荷平衡表

        其中,各工位加工工時(shí)負(fù)荷的上限,基于按工位性能平均分?jǐn)偟乃枷氩⒏鶕?jù)每批待加工工件的加工工時(shí),由式(1)決定:

        (1)

        式中:Si為工序i的工位總數(shù);Ti為生產(chǎn)計(jì)劃中所有工件在工序i的加工時(shí)長(zhǎng);δi,j為工序i中工位j的加工性能系數(shù);Li,j為工序i中工位j的負(fù)荷上限時(shí)長(zhǎng)。

        2 船廠管子HFS仿真

        2.1 船廠管子HFS建模及環(huán)路設(shè)定

        以某船廠管子HFS為例,使用生產(chǎn)仿真軟件Plant Simulation 12建立無控制系統(tǒng)、傳統(tǒng)CONWIP控制系統(tǒng)和新CONWIP控制系統(tǒng)等3種模型,各控制系統(tǒng)的工藝流程相同。圖3為考慮工位負(fù)荷平衡的縱向CONWIP環(huán)路模型。在HFS中,管子只能從初始工序進(jìn)入,從最后一道工序離開,并嚴(yán)格按照工序進(jìn)行加工,每個(gè)工件在每道工序只需選擇1個(gè)工位加工,加工完成后即可移動(dòng)至后道工序,每個(gè)工位1次只能加工1個(gè)工件[10]。工件的加工原則是先到先加工,依次優(yōu)先分配給空閑機(jī)器。假定各工位加工能力相同,且不考慮機(jī)器故障率和機(jī)器的休息時(shí)間。

        圖3 船廠管子HFS仿真模型

        隨機(jī)選取某批管子訂單共286根,按照排產(chǎn)順序進(jìn)行仿真。表1中顯示部分待加工管子的加工工時(shí)信息。

        表1 部分待加工管子在各工序的額定工時(shí) h

        待加工的管子在各工序的總加工時(shí)長(zhǎng)分別為:切割,53 h 36 min;彎管,70 h 22 min 48 s;校管,478 h 22 min 12 s;氬弧焊,82 h 27 min 36 s;CO2焊,295 h 34 min 48 s;修正,189 h 1 min 12 s。綜合考慮各工序工位數(shù)量及管子在各工序的平均加工時(shí)間后,將切割工序和彎管工序設(shè)置為環(huán)路1,校管工序和氬弧焊工序設(shè)置為環(huán)路2,CO2焊工序和修正工序設(shè)置為環(huán)路3,共3條環(huán)路。

        2.2 仿真模型參數(shù)設(shè)置

        CONWIP環(huán)路需要輸入每個(gè)工序縱向環(huán)路的最大在制品數(shù)量。如圖3(a)所示,x1、x2、x3分別為環(huán)路1、環(huán)路2、環(huán)路3的最大在制品數(shù)量。在此基礎(chǔ)上,考慮各工位負(fù)荷平衡的CONWIP環(huán)路需要輸入上述工序各工位的負(fù)荷上限時(shí)間,各工序的限定值對(duì)應(yīng)模型的輸入變量依次為CutLimit、BendLimit、CheckLimit、AAWLimit、CO2WLimit、TrimLimit??紤]每道工序各工位的生產(chǎn)能力相同,因此根據(jù)式(1)及各工序的總加工時(shí)間得出各工序的負(fù)荷上限值分別為:切割,26 h 48 min;彎管,17 h 35 min 42 s;校管,47 h 50 min 13 s;氬弧焊,27 h 29 min 12 s;CO2焊,32 h 50 min 32 s;修正,47 h 15 min 18 s。

        3 仿真分析

        3.1 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        規(guī)定無控制系統(tǒng)為方案1,傳統(tǒng)CONWIP控制系統(tǒng)為方案2,考慮工位負(fù)荷平衡的新CONWIP控制系統(tǒng)為方案3。需要分析的仿真結(jié)果包括:產(chǎn)品產(chǎn)出速率(TH);產(chǎn)品平均生產(chǎn)周期(CT);總產(chǎn)量(Output);全部工件完工時(shí)間(TotalTime);各工位的負(fù)荷(WorkLoad)。對(duì)于方案2和方案3,為分析各環(huán)路中不同在制品數(shù)量對(duì)模型輸出結(jié)果的影響,運(yùn)用仿真軟件中基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Design of Experiment,DOE)理論的Experiment Manager(試驗(yàn)管理器)來定義試驗(yàn)。

        船廠HFS每道工序包含多個(gè)并行工位,環(huán)路中在制品數(shù)量可根據(jù)工位數(shù)量進(jìn)行設(shè)置,因此在試驗(yàn)時(shí)設(shè)置環(huán)路1的在制品數(shù)量從6開始,以1個(gè)工件為增量增至16;環(huán)路2的在制品數(shù)量從13開始,以1個(gè)工件為增量增至23;環(huán)路3的在制品數(shù)量從14開始,以1個(gè)工件為增量增至24。即,x1的取值范圍為6~16,x2的取值范圍為13~23,x3的取值范圍為14~24,共計(jì)1 331場(chǎng)試驗(yàn)。

        3.2 各控制系統(tǒng)對(duì)比與分析

        對(duì)各方案的仿真結(jié)果進(jìn)行匯總和統(tǒng)計(jì)。方案1的TH為5根/h,CT為28.3 h,TotalTime為2.4 d。方案2的TH最優(yōu)值為5.2根/h,最差值為4.9根/h;CT最優(yōu)值為6 h,最差值為9.2 h;TotalTime最優(yōu)值為2.3 d,最差值為2.4 d。方案3的TH最優(yōu)值為5.1根/h,最差值為4.5根/h;CT最優(yōu)值為5.8 h,最差值為9.1 h;TotalTime最優(yōu)值為2.3 d,最差值為2.6 d。

        以方案2和方案3的CT為例,繪制如圖4所示的散點(diǎn)圖進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn):方案3在各試驗(yàn)場(chǎng)次的CT結(jié)果總體優(yōu)于方案2。隨著在制品投入量的增加,2種方案的CT值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。這表明在制品的數(shù)量應(yīng)該控制在一個(gè)較低的范圍,才能縮短生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)在制品的等待時(shí)間。

        為確定方案3在控制工位負(fù)荷平衡方面的有效性,隨機(jī)選取方案2和方案3中結(jié)果較為接近的試驗(yàn)場(chǎng)次Exp 889進(jìn)行分析。各方案的仿真結(jié)果如表2所示,工位負(fù)荷情況如圖5所示。

        由圖5可以發(fā)現(xiàn):在方案3控制下的各工序工位負(fù)荷總體趨于平穩(wěn);在切割工序中,方案3的工位負(fù)荷最為平衡,其次為方案1,最差為方案2;在彎管工序中,方案1與方案3的工位負(fù)荷平衡能力相當(dāng),都優(yōu)于方案2;在校管工序中,方案1的工位負(fù)荷最為平衡,其次為方案2和方案3;在氬弧焊工序中,方案3的工位負(fù)荷最為平衡,其次為方案2,最差為方案1;在CO2焊工序中,方案3的工位負(fù)荷最為平衡,其次為方案1,最差為方案2;在修正工序中,方案1的工位負(fù)荷最為平衡,其次為方案3和方案2。

        圖4 方案2和方案3的CT曲線

        由上述仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)設(shè)定環(huán)路使生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)在制品數(shù)量維持在合理范圍時(shí),方案2和方案3的CT、TH、TotalTime指標(biāo)均優(yōu)于方案1;方案2的TH和TotalTime指標(biāo)略優(yōu)于方案3;方案3的CT、WorkLoad指標(biāo)總體優(yōu)于方案2。這表明:當(dāng)考慮CT和WorkLoad為最優(yōu)目標(biāo)時(shí),采用方案3進(jìn)行生產(chǎn)控制能取得更好的效果。

        表2 各方案的仿真結(jié)果

        圖5 各方案的工位負(fù)荷對(duì)比

        4 結(jié) 語

        所設(shè)計(jì)的新CONWIP控制系統(tǒng)方案通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證,整體反映出在總加工時(shí)間和產(chǎn)出速率保持小范圍浮動(dòng)的情況下,可以有效降低船廠管子HFS的產(chǎn)品平均生產(chǎn)周期并保持各工位的負(fù)荷平衡,有利于緩解工位阻滯現(xiàn)象,提升有效作業(yè)時(shí)間占比,使生產(chǎn)更為精益化。

        傳統(tǒng)CONWIP控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)于多品種、小批量生產(chǎn)的HFS,其生產(chǎn)平衡難以保障,不符合船廠管子車間多工序、多工位生產(chǎn)的實(shí)際需求。新CONWIP控制系統(tǒng)方案扭轉(zhuǎn)此局面,在保障工位負(fù)荷平衡和調(diào)控生產(chǎn)節(jié)拍等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。然而,新方案在優(yōu)化平均產(chǎn)出速率和總加工時(shí)間等方面仍有不足之處,今后可以對(duì)縱向環(huán)路的劃分方法開展進(jìn)一步研究,并結(jié)合新CONWIP控制系統(tǒng)方案,運(yùn)用仿真技術(shù)在計(jì)劃階段準(zhǔn)確預(yù)估系統(tǒng)的產(chǎn)能情況,為精益造船的深入推進(jìn)提供新的有效途徑。

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