基于设备可重组布局车间系统

1、引言车间作为生产制造企业的物化中心，更作为制造系统中最根本的产品物化单元，在制造系统以及生产企业中的作用日益突出。随着大规模生产模式被多品种、小批量的生产模式代替，制造企业也随之小型化，车间级生产系统也出现了深刻的变革，逐步具有了独立制造单元和经济实体的特征，表现出了较大的灵活性。同时，用户对产品的要求逐渐由数量问题，转变对交货时间、产品质量、成本以及售后服务的综合实力的要求。这就要求企业不断挖掘生产潜力、充分利用车间现有的生产资源，以降低生产成本，快速响应市场的变化，满足客户需求，以创造出尽可能好的经济效益，这是每一个制造企业当前所面临的问题，也是当前研究车间系统问题的意义和关键所在。近年来

2、车间设备布局问题以及车间管理问题的研究取得了很大的进展，获得了很大的应用，其中，乔建明。 等从工艺设计与车间作业计划的关系人手研究了车间的优化运行模式；王苏安 等从车间敏捷性方面研究了数字化的生产车间结构；楼丽丹 等从车间设备的角度对车间系统进行了研究，提出了先进制造系统的四层递阶控制结构。本文通过分析现有的设备布局方法，基于系统的思想方法，提出了一种基于设备可重组布局的车间系统，把车间生产管理的敏捷性与车间设备的可重组(构)性放人到整个车间系统中去研究，为车问系统的研究开辟了新的思路。1 车间管理系统的现状对于制造企业来说，车间是企业的关键生产单元，也是企业的物化中心，它不仅是制造计划的具体

3、执行者，也是制造信息的反馈者，更是大量制造实时信息的集散地，因此车间系统在整个制造系统中起到的作用越来越重要。车间级的资源管理、物流控制和生产过程管理及车问设备的可重组(构)性是车间系统中最重要的四个环节，车间生产管理的敏捷性以及生产没备的可重组(构)性共同决定着生产车间的敏捷性，因此，也是企业生产制造系统中的重要环节，必然会影响的整个制造企业的敏捷性。现代制造企业的生产管理系统主要采用ERPMRPII。但是由于ERPMRPII系统缺乏有限资源调度功能、实时的生产控制以及处理来自生产现场反馈的能力，很难产生及时的、准确的、符合 前生产状况的生产作业规划，同时，也很难实现企业内部生产车间之间的协

4、同作业。因此 ，ERPMRPII系统特别适合重复性生产和产品结构不复杂的产品，而对单件小批生产、品种繁多、结构复杂的情况，适应性较差。制造执行系统(MES)就是位于企业上层生产 划(MRPIIERP)和底层工业控制之间，面向车间层的生产管理技术与实时信 皂、系统，解决了ERPMRPII系统存在的问题，在计划管理层和底层控制之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的鸿沟，将车问建设成为相对独立且功能完整的敏捷化制造单元。但是，目前国内外现有的MES技术及系统在以下几个方面存在不足 ：(1)集成性较差。虽然集成解决方案可以实现MES功能的应用集成，基于分布式对象技术的可集成MES从软件建模以及开发角度构

5、建了MES集成框架，但是，其开放性、模块化和可重构性差，缺乏柔性，不易修改、扩充，难以满足敏捷制造环境的要求，而且缺乏从整个制造车间及生产系统的角度研究MES本身的功能集成与信息集成，不能够从实质上解决车问级系统的集成性问题。(2)缺乏快速重构能力。由于产品的变型以及生产批量的变化，导致生产工艺以及生产车问的设备需要重新布局、调整，如设备的增减、布局调整、控制结构的升级以及其它新技术的采用等，MES缺乏与硬件快速、有效的沟通联系而导致快速可重构能力的缺失。(3)缺乏智能性和科学的决策方法车间制造信息中大部分是不确定的、不精确的、不完备的非常规信息，这就要求MES具有智能机制，建立有效的处理非常

6、规性信息的科学的决策方法，以保证生产过程中的自适应、自组织和鲁棒性。目前，国内的MES系统却缺乏智能性和基于非常规信息科学的科学的决策方法。(4)缺乏敏捷性。在车间系统中还存在着大量来自外部的不可预测的变化和内部的扰动，但是由于缺乏了智能性和科学的决策方法，也就直接导致了MES系统敏捷性的缺失通过在计划管理层和底层控制之间加入MES，使得车间管理信息系统得到了完善，在一定程度上解决车问管理层与设备控制层之间的信息沟通的困难。但是，在多品种、小批量生产方式下的车间生产过程更复杂，随机性更强，目前的车间系统仍然存在着不能很好的满足客户个性化要求、生产现场的数据采集滞后或者丢失、信息传递反映速度慢以

7、及缺乏人、技术与设备的有效集成等不足。2 设备可重组布局的原则与方法设备布局 就是指按照一定的原则，在设备和车间内部空问面积的约束下，对车间内各组成单元、工作地以及生产设备进行合理的布置，使它们之问的生产配合关系最优，物料运送代价最小传统设备的布局，一旦设计建造完成以后，便基本不再变化或者在没计过程中就根本没有考虑到布局调整的问题。当前随着生产模式的变化，车间的生产任务是随时变化的，包括产品品种的变化、生产批量的变化、制造技术与设备的变化等，因此车间设备的布局调整是非常频繁的事情。这就要求现在的车间布局应该具备更好的柔性和敏捷性。以达到均衡设备能力、保持物流平衡、降低生产成本、缩短生产周期、提

8、高企业竞争力的作用。21 设备可重组布局的原则企业的生存能力取决于它的市场竞争力，产品是企业竞争力的载体。车问系统的配置和设备布局方式是影响企业及其产品竞争力的一个重要闵素。近年来，公共地基理沦与实践的研究、系统设计与仿真技术的口益成熟、数控机床的广泛使用都为设备的可重组布局提供了坚实的基础。设备可重组布局是为了适应产品的快速变化，来及时调整其功能和生产能力，因此，为了满足设备可重组布局的高柔性和敏捷性，设备可重组布局应遵循以下原贝0 ：(1)工艺性原则工艺性是产品生产制造过程合理、连续以及生产各环节加工能力相匹配的有力保证。_艺的合理不仅可以减少生产过程中的中断、等待和停顿，还可以避免系统配

9、置的不平衡，减少生产能力的冗余。(2)经济性原则经济性是在设备重组前必须考虑的重要因素之一。若设备重组的成本过高，必然会提高产品的生产成本，导致产品不为顾客接受，难以满足市场的要求，因此，在进行设备重组之前，必须先对重组成本的经济性进行综合评估，以保证企业的效益。(3)可持续性原则可持续性是对车间系统更新和升级能力的要求。一方面通过重组或变更串接的设备，就能方便地组成适应形状和工艺变动较大的零件加工的新设备布局；另一方面通过扩展或减少并联的设备，就可在不影响己有设备运行的前提下，根据市场的动向迅速无缝地调整产品的产量(4)安全性原则安全是生产的前提和保证。设备布置要严格遵循“安全第一”的原则，

10、切实保证工人操作的安全。22 设备可重组布局的方法未来产品市场的变化是快速和难以预测的。适应产品的快速变化是催生可重组制造技术的根源，因此，为了满足不同种类和批量的产品需求，设备需要以适当的重组配置方案予以满足。下面列出了JL种适用设备布局方法 ：(1)对于种类少需求量大的产品，在满足经济性分析重组条件的基础上(即重组后，在不提高产品价格的基础上可获得更高的经济效益)，可以按照工艺和生产能力需求进行设备组态的重新布局和规划，以满足产品的需求。(2)对于品种多的中小批量产品，可以根据成组相似性的原则，将所有的产品零件按分类编码系统进行分类编号，划分零件组，编制成组工艺，并进行经济性分析，在满足重

11、组条件的情况下，按照成组工艺进行设备的布局设计。(3)在待选设备库中，按照传统的机群式布置，将同类的设备布置在一起如车床组、铣床组等。在多种产品并存的企业中。这种布置方式不仅有利于系统重组时设备的查找和搬运，又可以承担部分单件小批量生产的任务。在完成设备的布局设计后，还应利用模板布置法(面积)进行系统仿真，以分析系统设计的工艺性、合理性、经济性和安全性，并对不合理处进行适当调整、改进和完善。以保证重组后系统的高效、稳定生产。3 基于设备可重组布局的车间系统结构在生产实际中，车间系统既要根据生产计划的变更满足批产高效性，又要根据产品设计满足研制生产的不确定性，同时，制造过程中还存在生产批量变化、

12、产品变型等不确定性因素。因此，需要车间系统具有能够灵活处理突发事件、快速响应生产任务变更、机动的进行没备调整的能力，并且要具有一定的容错能力和较高的可靠性。这就要求生产车间系统的工艺计划生成应该符合车间生产实际并达到最优或近优，并可方便调整；控制系统应具有实时性、合理性和准确性；底层设备状态信息要能实时采集并且能够与上层管理系统进行快速有效的沟通；资源管理、统计查询要能实时更新，信息准确；同时系统内不同层次之问既有联系且又相互独立。车间系统是一个复杂的实际的生产系统，根据车间的软硬件可以分为生产管理层和生产设备层。因此针对不同车间层次的任务和功能需求，本文提出了基于设备布局的车间系统建立ERP

13、MRPII层、EMS层、设备布局层以及车间技术层四层车间系统模型(图1)。其中ERPMRPII层主要根据来自企业的生产计_划安排，制订生产作业计划，并下达日生产计划，以及根据来自底层设备的信息反馈对生产计划进行调整，同时，进行系统设置和数据管理。MES层将来自上层的生产任务进一步分解，具体分配到每台设备，并完成调配物料、人力分配、设备管理、系统管理以及订单管理等一系列任务，并且，需要根据车间布局层设备调整进行有效的跟踪管理，对下面的车间布局有较好的兼容性和适应性 车间布局层主要是根据生产批量、产品变型以及设备技术更新等变化完成对设备的布局规划、设备的能力平衡以及车间物流的规划等任务，以建立优化

14、的车间布局。车间技术层主要包括基本的加工设备和产品工艺设计两方面，基本加工设备主要是指机床、加工中心的基本的加工设备以及用来测量的测量没备和加 'I二过程中必须的工辅具设备，产品工艺设计主要是指：加工工艺的设计、优化以及调整。1 基于没备布局的四层结构车间系统框图基于设备布局的车问系统的四层结构是从系统研究的角度出发，将车间涉及的各方面都考虑进来，并以车间设备布局为核心建立的车间系统，其各层次之间既有联系又相互独立 车间技术层作为车间的最底层的技术核心，足车间一切活动的基础它不仅是车间布局层进行车间布局的对象而且还是为ERPMRPII层和EMS层进行生产计划制订、分配以及调整提供技术支

15、持，可以说车间技术层是车间系统进行生产和管理的技术保障。将车间技术层单独划分为一层主要目的是可以使我们在研究车间系统时。可以不必纠缠于过于琐碎并且相对成熟的工艺技术上，可以更专注于我们所要研究的车问的主要问题上。车间布局层是车间系统中与硬件联系最紧密的一层，同时也是连接生产管理系统的一层，在这里是生产设备与生产管理系统联系最为紧密地地方，车间生产系统的柔性以及可重构性都是通过这一层具体体现出来的。MES层是位于车问管理系统中的最底层，直接与设备进行沟通车间系统的敏捷性都是通过这一层体现出来的，同时要求这一层应该具有很强的兼容性，能够随(下转第105页)_(上接第102页)时接受来自车问设备布局层的变更。ERPMRPII层是车问系统中的最上层，是车间系统企业生产系统进行沟通的桥梁，一方面使车问获得生产任务信息，另一方面将车间的牛产任务完成情况反馈给企业生产系统，以便企、 ，仁产系统能够及时调整生产任务。4 结束语本系统往北京市某汽l乍企业发动机新车问规划设计中，得到