許孝存 周勝強

摘要：本文針對裝備制造行業(yè)的特點，提出了工廠建模中產(chǎn)線、工位設(shè)置的原則。為裝備制造行業(yè)的數(shù)字化工廠規(guī)劃、建設(shè)、改造以及數(shù)據(jù)建模提供了可參考的方向和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：裝備制造;數(shù)字化車間;工廠建模

中圖分類號：F426? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0175-03

0? 引言

制造業(yè)作為工業(yè)的基礎(chǔ)是社會經(jīng)濟發(fā)展的核心驅(qū)動力之一，在國家經(jīng)濟中占有重要地位。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各個制造強國為保持競爭優(yōu)勢相繼提出了“工業(yè)4.0”等概念，制造業(yè)的下一步發(fā)展將是與信息化的結(jié)合這一觀點已經(jīng)被普遍接受。我國也于《中國制造2025》中明確地提出了智能制造的概念，而數(shù)字化車間則是實現(xiàn)智能制造的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

為了滿足智能制造需求，數(shù)字化車間建設(shè)正在各個企業(yè)中如火如荼的進行。工廠模型作為數(shù)字化車間的基礎(chǔ)資源模型，在數(shù)字化車間建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。同時，裝備制造行業(yè)由于制造過程和市場的特點難以像流程制造企業(yè)或批量制造企業(yè)一樣建立作業(yè)內(nèi)容、產(chǎn)成品標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)車間，而必須建立有一定靈活程度的生產(chǎn)車間，這也就導(dǎo)致裝備制造行業(yè)的工廠建模更加靈活。本文針對裝備制造行業(yè)工廠模型的建模原則進行了研究，從工廠模型與生產(chǎn)、物流等業(yè)務(wù)之間的聯(lián)系著手提出了一些建議，為裝備制造行業(yè)數(shù)字化車間工廠建模的具體實施工作提供參考。

1? 工廠模型的層級及各層級的作用

工廠模型是一個層級模型，類似于行政組織架構(gòu)。目前裝備制造行業(yè)較為常見的工廠模型為車間、產(chǎn)線、工位、臺位四個級別（不同的企業(yè)可能有不同的稱呼），如圖1所示，這其實也與通常作為企業(yè)信息系統(tǒng)軟件架構(gòu)規(guī)范的ISA95標(biāo)準(zhǔn)中的描述類似。

工廠模型的各個層級在數(shù)字化車間體系中發(fā)揮著不同的作用：

1.1 車間的作用

車間是工廠管理必不可少的一個層級，在數(shù)字化車間體系中主要是作為與企業(yè)層級的管理的接口作用，用于將采集到的各種數(shù)據(jù)按照其所規(guī)定的范圍進行數(shù)據(jù)歸集并向上層企業(yè)系統(tǒng)報告。

1.2 產(chǎn)線的作用

產(chǎn)線是一組最終目標(biāo)相同的工位的集合，比如車削工位與磨削工位都是為了加工出同一個最終產(chǎn)品，那么它們就可共同組成一個產(chǎn)線。對于工藝技術(shù)人員來說，產(chǎn)線一般與產(chǎn)品的工藝路線相對應(yīng);對于生產(chǎn)計劃人員來說，產(chǎn)線一般與產(chǎn)品訂單相對應(yīng)。

1.3 工位的作用

工位是數(shù)字化車間的基本組成單元，所有的設(shè)備、人員等資源以及生產(chǎn)計劃、工藝要求等指令最終都應(yīng)關(guān)聯(lián)到工位，否則將難以驅(qū)動數(shù)字化車間的運作。對針對制造執(zhí)行層面的信息系統(tǒng)（比如MES）來說，工位的占用與釋放是其考慮的最核心要素之一。

1.4 臺位的作用

臺位在數(shù)字化車間體系中主要用于生產(chǎn)執(zhí)行結(jié)果的記錄（比如某件產(chǎn)品的具體生產(chǎn)設(shè)備），或者對設(shè)備硬件的驅(qū)動（比如根據(jù)具體設(shè)備發(fā)送不同加工程序）。一般來說，臺位在整體工藝規(guī)劃或計劃下達的過程中僅僅以“可以同時開工的產(chǎn)品數(shù)”這個參數(shù)進行體現(xiàn)。

綜上所述，車間作為與上層系統(tǒng)的接口，通常屬于企業(yè)整體層面的規(guī)劃，在工廠建模中一般只能被動接受。工位是數(shù)字化車間的基本單元、產(chǎn)線是數(shù)字化車間制造目標(biāo)的體現(xiàn)，這正是數(shù)字化車間規(guī)劃的核心內(nèi)容。臺位作為結(jié)果記錄及硬件驅(qū)動的單元，在工廠建模層面一般只會以產(chǎn)能參數(shù)形式進行體現(xiàn)，對工廠模型的影響相對較小。所以本文重點討論的將是工位的設(shè)置與產(chǎn)線的設(shè)置。

需要注意的是，本文所討論的車間、產(chǎn)線、工位均是從制造業(yè)務(wù)本身的邏輯關(guān)系出發(fā)，并不意味著企業(yè)的組織架構(gòu)必須與其一致，比如當(dāng)一個車間只包含一條產(chǎn)線時，在組織架構(gòu)上就有可能會將其合并，由車間直接管到工位，這時的車間實際就起到了工廠模型中車間和產(chǎn)線兩個層級的作用。

2? 產(chǎn)線的設(shè)置

2.1 裝備制造行業(yè)的特點

對于裝備制造行業(yè)來說，其產(chǎn)品有制造流程長、批量較小、客戶定制化程度較高、可單獨銷售的部件多等特點。制造流程長意味著可選擇分隔產(chǎn)線的工序點較多，批量小意味著不同訂單間生產(chǎn)資源的共享較常見，客戶定制化程度較高意味著產(chǎn)品細(xì)節(jié)變化多，可單獨銷售的部件多意味著對部件產(chǎn)能的需求會突發(fā)性增加。

最終，這些制造過程和市場上的特點給裝備制造行業(yè)的產(chǎn)線設(shè)置帶來了來自產(chǎn)品設(shè)計方面的限制較小，而來自生產(chǎn)、銷售方面的限制較大的特點。換而言之，裝備制造行業(yè)的產(chǎn)線設(shè)置目標(biāo)與難點是滿足生產(chǎn)、銷售上的需要。

2.2 幾種產(chǎn)線劃分方式的分析

圖2展示了一個簡單的由車輪與車軸組成驅(qū)動單元的制造過程及其四種產(chǎn)線劃分方式。方式一將所有的制造過程劃分到了一個產(chǎn)線中，適用于所生產(chǎn)的車輪與車軸均用于生產(chǎn)驅(qū)動單元，在此過程中全部車輪與車軸均被消耗，最終只產(chǎn)出了驅(qū)動單元。

方式二將車軸與驅(qū)動單元的制造劃分到了一個產(chǎn)線中、將車輪的制造單獨劃分到了另一個產(chǎn)線中，方式二更適用于以下的情況：①車輪存在單獨銷售需求且單獨銷售需求和整機共用資源，要求車輪擁有除了滿足驅(qū)動單元生產(chǎn)之外的產(chǎn)能;②車輪生產(chǎn)與驅(qū)動單元生產(chǎn)時間上的聯(lián)系性較弱，可能是因為需要提前投產(chǎn)、需要預(yù)留轉(zhuǎn)運時間等原因產(chǎn)生;③車輪的產(chǎn)能與驅(qū)動單元的產(chǎn)能不匹配，需要緩存才能保證整體生產(chǎn)的流暢運行?？梢园l(fā)現(xiàn)這三個例子其實都是非制造過程和市場的要求，而不是來自產(chǎn)品設(shè)計方面的要求。方式三與方式四的情況與方式二類似，本文不再贅訴。

圖2充分展示了裝備制造行業(yè)產(chǎn)線劃分的靈活性，以及受制造過程和市場的限制多于產(chǎn)品設(shè)計方面的限制的情況。

值得注意的是，除了圖2展示的由于多配件制造流并行生產(chǎn)再合流時導(dǎo)致的產(chǎn)線劃分情況外，對于單制造流串行生產(chǎn)同樣也會有產(chǎn)線劃分問題。以下是兩個例子：①一般來說會將底漆和面漆工位共同劃入油漆產(chǎn)線，但是如果某產(chǎn)品不同客戶要求的面漆顏色不同而底漆顏色相同，為了方便生產(chǎn)很可能將產(chǎn)品批量生產(chǎn)到底漆工序后存儲，待確定了客戶再進行面漆，這時，其實是將油漆產(chǎn)線分隔成了底漆產(chǎn)線和面漆產(chǎn)線。②由于技術(shù)或產(chǎn)能原因，需要將一部分工序交由外單位完成，那么產(chǎn)線實際就分為了本單位和外單位兩條，這其實也就是常說的委外生產(chǎn)。

2.3 產(chǎn)線設(shè)置的原則

上文分析了幾種產(chǎn)線劃分的方法和原因，可以發(fā)現(xiàn)很難從原因方面來確定產(chǎn)線劃分的原則，因為靈活性過高。但是，如果從結(jié)果上來看，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)線劃分的一個共同點，即：不同的產(chǎn)線之間一定會產(chǎn)生實物庫存，而不是生產(chǎn)完成后立即轉(zhuǎn)入下工序消耗。所以，產(chǎn)線應(yīng)以是否產(chǎn)生實物庫存為分界線進行劃分。

3? 工位的設(shè)置

3.1 基于設(shè)計產(chǎn)能的臺位總數(shù)規(guī)劃

工位的設(shè)置首先要確定的是需要同時作業(yè)的臺位數(shù)量，其計算方式為總生產(chǎn)時間與允許交付時間的商。比如，產(chǎn)線設(shè)計時要求滿足在1000小時工作時間內(nèi)交付200件單件生產(chǎn)時間為15小時的產(chǎn)品的產(chǎn)能需求，那么需要同時作業(yè)的臺位數(shù)量就是（200×15）/1000=3個。

3.2 工位設(shè)置的限制條件

工位的設(shè)置與產(chǎn)線的生產(chǎn)模式相關(guān)。在上述例子中需要有3個作業(yè)臺位同時開工，可以將這3個作業(yè)臺位可以配置為完全一樣，這時它們可以作為一個工位進行工廠建模，這時的生產(chǎn)模式是一次出3件產(chǎn)品;但是，若要求產(chǎn)線為流水線生產(chǎn)模式，一次出1件產(chǎn)品，這時3個作業(yè)臺位的配置就會不相同了，應(yīng)該將其設(shè)置為3個工位進行工廠建模。

工位的設(shè)置同時也受到技術(shù)上的限制，這個限制主要體現(xiàn)采用流水線作業(yè)模式的時候。對于組裝工序，由于可以較為方便的分隔作業(yè)內(nèi)容，可以做到單件產(chǎn)品在不同工位間作業(yè)時間平衡，工位可以按照上述的簡單計算進行設(shè)置。但是，對于機加工工序，由于裝夾、校準(zhǔn)位置等要求的存在，一些作業(yè)內(nèi)容無法平衡拆分，這時就只能通過增加瓶頸工位的產(chǎn)能（增加資源配置，比如增加一臺機床）來取得在批量生產(chǎn)時的整體平衡，這時工位就需要參照技術(shù)的要求進行設(shè)置了。同樣以上述3個臺位進行舉例，假設(shè)此產(chǎn)品15小時的制造時間均為加工且只裝夾一次，那么將這3個臺位設(shè)置為一個工位更為合理。

工位的設(shè)置受到物流的限制。工位作為數(shù)字化車間基本組成單元，所有的計劃類數(shù)據(jù)都將描述到工位為止、不會進一步向下描述到臺位。這就意味的轉(zhuǎn)運計劃只能識別到工位，換而言之同一工位的不同臺位之間必須有可完全共享的物料進出區(qū)域。在上述3個臺位的例子中，若由于廠房建筑面積等原因，2個臺位在一個廠房、1個臺位在另一個距離較遠(yuǎn)的廠房，這時物料進出區(qū)域也就不同了，只能將其配置為2個工位，否則將導(dǎo)致物流的混亂。當(dāng)然這種劃分也不是絕對的，若有專用的轉(zhuǎn)運資源（比如傳送帶）為遠(yuǎn)處的廠房轉(zhuǎn)運物料，滿足了完全共享的物料進出區(qū)域要求，則也可將其設(shè)置為一個工位。

3.3 工位設(shè)置的原則

綜上所述，數(shù)字化車間的工位的設(shè)置應(yīng)該符合產(chǎn)線生產(chǎn)模式、符合技術(shù)方面的要求、符合物流方面要求。同時，由于工位是數(shù)字化車間的基本單元，各個數(shù)據(jù)都要與工位對應(yīng)，為了降低數(shù)據(jù)的維護難度，減少各個信息系統(tǒng)中計算模型的復(fù)雜程度，工位應(yīng)該盡量少。

4? 結(jié)語

數(shù)字化車間是制造管理發(fā)展的重要研究方向，工廠建模是數(shù)字化車間實現(xiàn)的基礎(chǔ)之一，本文針對裝備制造行業(yè)的特點，對產(chǎn)線、工位的設(shè)置進行了討論，提出了產(chǎn)線應(yīng)以實物庫存為分界線進行劃分，工位設(shè)置應(yīng)該符合產(chǎn)線生產(chǎn)模式、符合技術(shù)要求、符合物流要求并盡量少的原則。為裝備制造行業(yè)的數(shù)字化工廠規(guī)劃、建設(shè)、改造以及數(shù)據(jù)建模提供了可參考的方向和依據(jù)。

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