批量生产企业车间计划调度系统建模.pdf

基于 IDEF 方法的批量生产企业车间计划调度系统建模 1 车间计划与调度概述 车间计划与调度技术是实现生产高效率 高柔性和高可靠性的关键 有效实 用的调度方法和优化技术的研究与应用己成为先进制造技术实践的基础 早期的 生产计划与调度工作主要依赖工厂主的个人经验 20 世纪以后 随着泰勒倡导 的科学管理运动的蓬勃发展 人们逐渐寻找各种优化生产计划与调度的科学方 法 在经过近 50 年的发展 车间计划调度问题的研究方法经历了从简单到复杂 从单一到多元的过程 目前研究的计划调度问题有以下主要特点 复杂性 动态 随机性 多目标性 多约束性 现有调度问题的解决方法大体上可以分为以下类别 1 基于运筹学 OR 方法 2 基于启发式规则的方法 3 控制理论方法 4 基于人工智能 AI 的方法 5 系统仿真的方法 6 基于 DEDS 的解析模型方法 7 基于仿真的方法 8 神经网络 NN 优化法 9 基于模糊数学理论的方法 10 拉氏松弛法 11 具有计算智能的局域搜索法 12 组合调度方法 2 批量生产企业车间计划调度 2 1 批量生产企业的特点 批量生产企业主要从事大批量制造生产 与其他类型生产企业相比 批量生 产企业的特点是 产品的品种较少 批量很大 产品结构非常复杂 典型的批量 北京航空航天大学研究生课程论文 1 生产企业是航空产品制造业 军工兵器制造业等 在本文中 我们主要考虑大批 量的航空产品制造企业 典型的批量航空产品制造企业的产品结构复杂 许多产品需要多个部门协作 完成 因此 在企业生产过程中 生产计划指令性很强 下级部门必须严格按照 上级下达的计划进行生产 在对每一种零件安排生产计划的过程中 生产部门需 要考虑产品复杂的 BOM 结构 企业的各个机械加工车间一般按照计划推动的生 产方式 Push System 的方式组织车间生产 生产车间需要依据实际情况 生产加 工能力和军方使用等特殊需要 对现有的调度方案加以综合考虑 制定出较为适 应其生产实际的生产计划 指导车间生产 批量型航空制造企业在生产过程中 为对产品的质量 产量 生产周期和追溯性进行控制 一般采用批次管理 批次 管理贯穿产品制造周期的各个环节 2 2 批量生产企业计划调度系统 批量生产企业的车间计划调度管理作为 CIMS 系统中的重要组成部分 必然 要走上信息化和网络化管理应用的道路 从 20 世纪 60 年代以来企业信息化的趋 势来看 管理软件趋向于高度集成化 应用范围也越来越广泛 由此 我们可以 看出批量生产企业的车间计划调度系统必须具有以下特点 1 系统功能的集成化 系统功能不能仅仅局限于计划调度管理中的职能管 理 还应该包括系统用户权限管理 系统安全管理以及与其他职能分系统的数据 接口等 2 系统设计的前瞻性 系统设计应具备可扩展性 对后台数据库 业务逻 辑 数据接口等部分的设计应该考虑到管理中可能发生的变化 以适应批量生产 企业车间计划调度管理的长期应用 3 系统实现的网络化特性 批量生产企业的车间计划调度管理信息系统必 须具备网络化特性 从系统的长期应用要求和发展趋势来看 系统的网络体系结 构将是混合式的 4 系统运行的高效性 应该有周密的历史数据处理机制 保证系统在大数据 量的情况下高效运行 保证系统的历史数据能够长期存放以各查询分析 北京航空航天大学研究生课程论文 2 3 基于 IDEF0 方法建立系统的功能模型 3 1 系统功能需求 根据前面介绍的车间计划调度流程 车间计调部门应该能够实现以下的功 能 根据公司生产处下达的生产任务 结合产品工艺路线 BOM 以及设备状态 库存状态和目前生产进度等信息 生成车间的生产作业计划 实现计划的临时追 加与调整 核算设备的能力与负荷情况 工段实现批次管理和流水作业卡管理 工段根据工人员出勤情况 设备状态和任务的性质编制每一个批次的工序作业计 划 工段依据工序作业计划进行作业的动态调度 车间和工段能够监控生产过程 实现在制品的实时监控和生产现场的动态调整 车间和工段完成生产任务完成情 况的统计及上报 系统功能信息说明如下 基础数据管理功能主要包括 1 零件信息维护 定义零件名称 配套属性 零件生产工段等 2 BOM 管理 定义车间内部加工零件的装配关系和装配数量 3 工艺信息 定义加工各零件的工艺信息 加工设备和工装信息等 如果 车间已经运行了 CAPP 该模块提供自动导入功能 实现与 CAPP 系统的集成 如果车间尚未运行 CAPP 则提供人机交互接口 人员手工输入所需的主要工艺 信息 4 定额工时 维护加工各工序所需的定额工时等信息 5 设备能力 定义设备型号 设备类别 设备名称 设备加工能力等 6 工厂日历 维护车间实际生产工作日和节假日信息 7 用户管理 定义操作该系统的登陆用户和权限控制 车间计划编制管理功能包括 1 接收和反馈生产处下达的年度计划 2 接收和反馈生产处下达的季度计划 3 接收管理生产处下达的零件月份计划 接收管理零件月份计划功能包括 自动导入和手工录入上级计划等功能 4 追加和修正月份计划 依据车间的在制品库存 实际生产能力 追加 修正生产处下达的月份计划 最终生成指导车间正式生产的零件生产月计划 其 北京航空航天大学研究生课程论文 3 中的修正功能主要指对时间和数量两个方面的修正 5 工序计划生成 依据工艺信息和工时信息 对车间正式零件月计划进行 工序展开 同时基于设备能力平衡和规则排序 自动编排出合理的车间工序月计 划 6 工序计划修正 车间计划员对编制的工序计划在时间和产量两个方面加 以修正 修正的方式包括对其中的一道工序加以修正和对其中的多道工序同时指 定时间加以修正 7 中转需求计划 依据工序计划正式稿 向外车间提出工序的中转需求计 划 工段计划调度管理功能包括 1 生产领料 依据车间工序日计划进行原材料生产领料和组合件生产领零 件 2 批次管理 依据车间的发料情况 生成批次信息 对生产过程中的一个 批次 可以分解成多个批次 记录每个批次的分解过程 3 流水作业卡管理 依据零件某一批次的生产版次 批量和批次的生成工 序 生成工段加工流水作业卡 可以同时指定若干个批次号 一次生成多个流水 作业卡 当出现批次分解时 对分解出的每一个批次生成一张流水作业卡 4 批次工序计划 对零件的每一个批次编排工序作业计划 从而进行严格 的工序生产进度控制 5 工序中转计划 生成需要中转到其他车间生产的中转计划 6 生产派工管理 对流水作业卡的每道本车间加工工序 进行生产派工 组织生产 7 配套单管理 根据发料情况生成组合件的初始配套单 根据加工的实际 情况调整组合件的配套单 8 废品补制管理 车间生产出废品后 出具废品补制计划 记录废品信息 上报至公司生产处 9 现场问题反馈 当流水作业卡上的一道工序产生了生产问题时 需要记 录问题所属的类型 问题解决情况等信息 10 日历进度 主要包括对零件月计划和批次工序计划的数据显示和甘特图 北京航空航天大学研究生课程论文 4 显示 日历进度显示每种零件的生产进度 每道工序的完成情况 用甘特图的形 式显示零件的计划结果和实际生产进度 11 在制品实时清点 对生产的每一个批次进行随时统计 对己经完成的生 产批次 统计得到各批次的投料数 完工入库数 对尚未完成的生产批次 得到 批次的投料数和己经完成的工序以及目前的加工合格数量 12 现场问题汇总 对流水作业卡上的各种生产问题加以分类汇总 统计分析包括功能 1 月 季 年完工工时的统计 包括按照车间 工段 工人三种层次的统 计 2 加工周期的统计 通过流水作业卡信息 统计分析得到零件的加工周期 和各个工序的加工周期 3 设各负荷分布分析 显示一段时间内每种类型设备的负荷随时间分布情 况 4 设备任务分布分析 显示每种类型设备随时间而负载的生产任务情况 本文主要用 IDEF0 建立的系统的功能模型 用 BPWin 软件建立的 下面进 行介绍 3 2 系统整体功能模型 图 1 是系统的内外关系图 北京航空航天大学研究生课程论文 5 图图 1 系统内外关系图系统内外关系图 IDEF0 建模的第一步通常是建立内外关系图 A 0 图 A 0 图是建模范围的 具体体现 它确定了整个系统的内外关系和系统的边界 构成了进一步分解的基 础 很多情况下 A 0 图只是一个局部 我们希望从更大范围来考虑全局性问题 则可以建立 A 0 图的父图 称之为 A 1 图 还可逐级上推至 A 2 A 3 A 4 等 北京航空航天大学研究生课程论文 6 等 图 2 是车间计划调度系统顶层 IDEF0 图 车间计划调度系统由基础数据管 理 计划编制管理 工段调度管理 生产监督控制四个子模块组成 图图 2 系统整体功能图系统整体功能图 北京航空航天大学研究生课程论文 7 3 3 系统各模块功能模型 图 3 是车间计划管理的 IDEF0 图 它由计划接收管理 调整月份计划 编 制车间计划 中转计划管理四个子功能模块组成 图图 3 车间计划管理的车间计划管理的 IDEF0 图图 北京航空航天大学研究生课程论文 8 图 4 是工段调度管理的 IDEF0 图 它由生产领用 批次管理 配套单管理 批次工序计划管理 流水作业卡管理五个子功能模块组成 图图 4 工段调度管理的工段调度管理的 IDEF0 图图 基础数据管理由零件管理 工时管理 设备管理 工厂日历管理等四个子功 能模块组成 零件管理包括对产品型号定义 零件性质定义和对零件工序的定义 北京航空航天大学研究生课程论文 9 工时定额管理维护零件各工序的定额工时 零件各工序的实际生产工时 零件各 工序补充工时等 设备管理用于定义车间各个工段的加工设备数据 包括设备类 型 设备型号 设备台数 设备定额加工能力 设备实际加工能力等 工厂日历 管理用于制定维护指导工厂生产的工厂日历 系统的基础数据管理的功能模型比 较简单 其详细 IDEF0 图不再单独给出 而生产监督管理方面本文未作重点讨 论 这里也不给出其详细的 IDEF0 图 4 基于 IDEF1X 方法建立系统的信息模型 建立系统的信息模型的主要目的是提供一个数据的含义和相互关系的一致 定义 从而用来集成 共享和管理数据的完整性 IDEF1X 是一种数据模型化技 术 主要用于支持概念模式 即系统信息模型的开发 并具有所期望的一致性 可扩展性和可变换性等 用 IDEF1X 方法建立的信息模型可以作为系统数据库设 计的主要依据 4 1 基础数据管理信息模型 车间计划调度系统的基础数据管理信息模型如图 5 所示 基础数据管理模块 描述了车间一些基本的数据信息 如物料 零件和设备的基本信息 零件实体通 过产品类型 生产车间与零件号和物料实体建立了一对多的联系 零件工序信息 和工时定额通过工艺号 产品类型和零件号建立的确定性联系 零件信息和零件 加工信息也通过产品类型 零件号和加工车间建立了确定性联系 北京航空航天大学研究生课程论文 10 控制 控制 被引用 被参照 被引用 控制 被引用 被引用 被引用 物料基本信息 物料编码 零组件号 FK 产品型别 FK 生产车间 FK 物料定额 备注 材料规格 材料牌号 技术条件 计量单位 项目基本信息 产品型别 产品属性 备注 零件基本信息 零组件号 生产车间 产品型别 FK 零件名称 零件关键件标识 零件重要件标识 零件外协件标识 零件属性 零件类别 计量单位 主制工段 备注 单机数量 BOM信息 级联编码 父项零组件号 子项零组件号 结构数量 车间常用工序信息 产品型别 FK 零组件号 FK 生产车间 FK 工序名称 工序内容 工序号 FK 工艺版本 FK 零件工序信息 工序号 工艺版本 零组件号 FK 产品型别 FK 生产车间 FK 使用设备类别 使用设备型号 工序名称 工序内容 生产工段 中转车间 备注 计划使用标志 工厂日历 实际日 生产日 节假日标识 节假日名称 备注 设备型号定义 设备类别 FK 生产车间 FK 生产工段 FK 日正常加工能力 日实际加工能力 关键设备标识 备注 设备类别定义 设备类别 生产车间 生产工段 日正常加工能力 日实际加工能力 关键设备标识 备注 工时定额 工序号 FK 工艺版本 FK 零组件号 FK 产品型别 FK 生产车间 FK 定额工时 实际工时 补偿工时 定额员 备注 人员信息 人员编码 人员名称 所属分厂 人员类别 备注 所属车间 所属工段 单位编码 FK 单位信息 单位编码 分厂名称 车间名称 工段名称 图图 5 基础数据管理信息模型基础数据管理信息模型 4 2 车间计划管理信息模型 车间计划管理信息模型如图 6 所示 零件工序信息和工序计划通过工序号 生产车间 零件号等属性建立了确定性联系 零件工序信息实体描述了计调部门 为零件建立的工序 而工序计划实体则描述了该零件的详细工艺信息 月计划实 体详细规定了一个零件的月产量等信息 北京航空航天大学研究生课程论文 11 被引用 被引用 被引用 被引用 参照 参照 参照 被引用 被引用 被引用 被引用 零件基本信息 零组件号 生产车间 产品型别 零件名称 零件关键件标识 零件重要件标识 零件外协件标识 零件属性 零件类别 计量单位 主制工段 备注 单机数量 零件工序信息 工序号 工艺版本 零组件号 产品型别 生产车间 使用设备类别 使用设备型号 工序名称 工序内容 生产工段 中转车间 备注 计划使用标志 工厂日历 实际日 生产日 节假日标识 节假日名称 备注 人员信息 人员编码 人员名称 所属分厂 人员类别 备注 所属车间 所属工段 单位编码 设备型号定义 设备类别 生产车间 生产工段 日正常加工能力 日实际加工能力 关键设备标识 备注 设备类别定义 设备类别 生产车间 生产工段 日正常加工能力 日实际加工能力 关键设备标识 备注 年度计划 年度 序号 生产车间 FK 单台数量 期初连续台号 期末连续台号 开工数量 完工数量 计划使用目的 生产单位 零件名称 预计上一年完成数量 预计下一年完成数量 预计下两年完成数量 备注 零组件号 FK 产品型别 FK 季度计划 年度 季度 序号 生产车间 FK 单台数量 期初连续台号 期末连续台号 开工数量 完工数量 计划使用目的 生产单位 备注 零组件号 FK 产品型别 FK 零件月计划 生产车间 FK 序号 生产主制工段 期初连续台号整量 期初连续台号余量 期末连续台号整量 期末连续台号余量 开工生产数量 完工生产数量 计划使用目的 计划性质 计划类别 下一月产量 下两月产量 计划最早开工实际日 计划最晚开工实际日 计划最早完工实际日 计划最晚完工实际日 计划信息来源 加工标识 领料数量 批次生成标识 备注 零件名称 零件属性 外协标识 要求外协开工数量 要求外协完工数量 车间外协计划 外协发出计划序号 外协接受计划序号 年度 月份 外协发出车间 外协接受车间 产品型别 零组件号 外协要求开工数量 外协要求完工数量 外协要求最早开工实际日 外协要求最晚开工实际日 外协要求最早完工实际日 外协要求最晚完工实际日 外协发出时间 外协合格回归数量 外协不合格回归数量 外协回归时间 备注 报废计划 年度 月份 序号 产品类型 零组件号 保费单位 报废责任人 报废数量 补制数量 补制单位 补制日期 补制要求开工日期 补制要求完工日期 工序计划 工序号 FK 工艺版本 FK 零组件号 FK 产品型别 FK 生产车间 FK 工序计划序号 工序生产工段 开工生产数量 完工生产数量 计划最早开工实际日 计划最晚开工实际日 计划最早完工实际日 计划最晚完工实际日 计划最早开工生产日 计划最晚开工生产日 计划最早完工生产日 计划最晚完工生产日 加工标志 计划信息来源 中转标识 要求中转开工数量 要求中转完工数量 备注 优先级 人员编码 FK 实际日 FK 生产工段 FK 月份中转计划 中转发出计划序号 中转接受计划序号 年度 月份 中转发出车间 中转接受车间 产品型别 FK 零组件号 FK 工序号 FK 中转要求开工数量 中转要求完工数量 中转最早开工实际日 中转最晚开工实际日 中转最早完工实际日 中转最晚完工实际日 中转发出时间 中转合格返回数量 中转不合格返回数量 中转返回时间 备注 工艺版本 FK 生产车间 FK 图图 6 车间计划管理信息模型车间计划管理信息模型 北京航空航天大学研究生课程论文 12 4 3 工段调度与生产监督管理信息模型 图 7 为工段调度与生产监督管理信息模型 控制 批次生成 算法展开 控制 被引用 零件月计划 生产车间 序号 生产主制工段 期初连续台号整量 期初连续台号余量 期末连续台号整量 期末连续台号余量 开工生产数量 完工生产数量 计划使用目的 计划性质 计划类别 下一月产量 下两月产量 计划最早开工实际日 计划最晚开工实际日 计划最早完工实际日 计划最晚完工实际日 计划信息来源 加工标识 领料数量 批次生成标识 备注 零件名称 零件属性 外协标识 要求外协开工数量 要求外协完工数量 物料领用单 领用单号 生产车间 FK 月计划序号 FK 零组件名称 产品型别 FK 零组件号 FK 批次号 FK 批次生产车间 FK 领用时间 领用单位 领用人 领用类型 备注 批次信息 产品型别 零组件号 批次号 批次生产车间 批量 批次产生时间 零件月计划序号 工艺版本 零组件起始序列号 零组件终止序列号 批次生产工序 批次完成标识 制表人 审核人 备注 批次工序计划 工序号 产品型别 FK 零组件号 FK 批次号 FK 批次生产车间 FK 工序计划最早开工实际日 工序计划最晚开工实际日 工序计划最早完工实际日 工序计划最晚完工实际日 备注 工序计划最早开工生产日 工序计划最晚开工生产日 工序计划最早完工生产日 工序计划最晚完工生产日 工序定额工时 使用设备型号 设备正常加工能力 批次生产标识 流水作业卡 工序号 产品型别 FK 零组件号 FK 批次号 FK 批次生产车间 FK 工艺版本 工序生产工段 批量 工作者 工序名称 加工数量 加工日期 工序完成标识 工序完工时间 合格数量 年度 FK 月份 FK 人员编码 FK 人员工时统计 年度 月份 人员编码 完成实际工时 完成定额工时 人员姓名 所属单位 图图 7 工段调度与生产监督管理信息模型 工段调度与生产监督管理信息模型 5 基于 IDEF3 方法的系统部分流程描述 目前企业的车间计划调度工作存在诸多问题 批量生产的企业车间在计划调 度方面面临许多要求 考虑这些因素 本文采用了 车间计划 工段调度两级协 同控制 计划推动生产准备 的流程处理模式 该设计主要是按照以下几个方面 来考虑的 1 车间级计划部分 车间接收公司生产处下达的年度计划 季度计划和月份计划 车间计划员依 北京航空航天大学研究生课程论文 13 据车间的在制品库存 实际生产能力等信息 追加 修正公司生产处的月份计划 最终生成指导车间正式生产的零件生产月计划 下发给工段 车间依据工艺信息 对车间正式月计划进行展开 同时基于设备能力和工时 信息进行能力平衡和规则排序 自动编排出合理的车间工序生产计划 计划员依 据编排出的计划 得到生产使用的设备在某一时间段内的设备负荷值 得到此设 备负荷随时间的分布情况 从而分析计划的可行性 计划员根据计划的可行性 可以对计划加以调整 以 IDEF3 方法描述的车间计划编制流程如图 8 图图 8 车间计划编制流程车间计划编制流程 IDEF3 图图 2 工段级调度部分 车间把编排好的计划下发到各个生产工段 工段依据车间计划进行原材料领 用和零件领用 工段计划员依据车间的发料情况和经济批量 生成批次信息 对 生产过程中的一个批次 工段可以对之加以分解 成为多个批次 工段依据零件每一批次的生产版次 批量和批次的生成工序 生成工段加工 流水作业卡 分解批次时 对分解出的每一个批次生成一张流水作业卡 工段需 要对零件的每一个批次编排工序作业计划 从而进行严格的工序生产控制 工段调度过程中 生产必须严格遵循批次管理的原则 进行批次划分和批次 控制 批次管理是工段管理的一个重要的部分 在改进的流程中 对批次生成的 过程中进行严格控制 对批次分解加以层次性记录 计划调度总业务流程中的批 次管理可以分解成下面两个子流程 1 批次生成流程 工段计划员根据车间库存发出的材料和零件 按照生产依据的工艺版次信 北京航空航天大学研究生课程论文 14 息 工艺工序信