离散制造业计划执行和控制方法*

徐 炜，曾九孙，蔡晋辉

(中国计量大学 计量测试工程学院，杭州 310000)

0 引言

当前我国信息通信技术的基础设施已相当完善，阿里巴巴和腾讯等企业的成功令世界刮目相看，但传统离散制造企业信息化与工业化尚未很好融合，与互联网、物联网、大数据和云计算[1]形成巨大的时代反差，为提高企业效率、降低成本，离散制造企业必须推进企业的“智能生产”[2]，以适应即将到来的工业4.0时代。在现有离散制造企业的生产计划管理过程中，企业ERP系统根据订单要求制定生产计划，MES系统根据设备能力、员工能力、加工工序优先级[3]等对设备级和工序级的作业计划进行生产排程并根据现场情况进行生产调度[4]。目前，国内外对车间作业调度算法的理论研究已经比较成熟，如Ishikawa等[5]在设备和工序两个层次空间下采用分层混合空间遗传算法，交替优化；张腾飞[6]针对离散制造企业提出了一种面向柔性作业车间作业调度问题的改进遗传算法。李传鹏等[7]总结了车间调度建模方法及优化算法的研究现状。这些改进方法在计算效率等方面有了较大提升优化，然而如何将生产计划及调度结果加以整合利用，并有效管控生产过程，是实现离散制造企业智能生产急需解决的一个问题。

本文针对离散制造企业物料种类繁杂、批次换单快、离散周转工序多等特点，提出了一种离散制造企业派工单生产管控模式。该模式分为派工任务生成执行和质量控制两部分，通过任务派工模型结构将生产能力约束条件下制定的物料、工序、设备等作业调度结果快速生成派工任务并利用各工序端一体机实现派工单流转执行；通过工序间差错互锁、工序位过程控制等实现对产品生产过程的质量控制。解决了企业生产计划调度结果与生产管理脱节的问题，同时提高了企业产品质量和生产效率。

1 离散制造企业派工单生产管控模式的设计

1.1 离散制造企业的特点和生产计划层次

离散制造业主要包括机械制造、电子电器、汽车制造等制造行业，派工单生产管控模式的设计首先需要分析其企业生产特点，本文从物料、订单和生产三个方面对离散制造企业生产特点进行了研究，总结如下：物料多且杂、粒度难以细分，种类多、形状相似度高、易窜料；订单多、换单快、变更订单现象普遍；离散周转、周转工序多、人工工位多、质控难。离散制造业普遍采用混流装配生产方式，能够在基本不改变生产组织方式的前提下，同时生产出多种不同型号、不同数量的产品。

根据离散制造企业生产特点和管理要求，对生产计划功能层次进行划分，见表1。

表1 离散制造企业生产计划层次分类

1.2 派工单生产管控模式的设计思想

当前对离散制造企业计划层和调度层的理论研究已较为成熟，本文主要研究生产计划的执行过程，分为派工任务的生成执行和生产过程的质量控制两部分。本节介绍派工任务生成执行的设计思路，包括任务派工模型结构和任务执行方式的设计，对于生产过程质量控制的设计和实现将在下一节中详细介绍。

1.2.1 任务派工模型结构

模型以零件、组件、产品型号、派工单四个部分为主线结构，如图1所示，各部分以层层组态叠加方式完成。如图2所示。

图1 零件-组件-产品型号-派工单结构

图2 模型结构关系分层图

该模型结构各部分的设计思想如下：

在零件部分，离散制造企业零件种类多，部分零件体积小、数量多，不能以“个”为单位，因此在设计的过程中除了零件名称、型号、编码等基础信息外，还加入了最小颗粒单位(如百个、包等)，作为零件基础单位，并配备结构图纸，方便区分。

在组件部分，组件作为一种中间件，有其特殊性。它是由若干零件组合而成，结构中包含零件配比，与零件是分层关系；同时它又是成品的零件，符合零件的特性，可和零件以同层的关系组成产品型号。

在产品型号部分，产品型号由多个零件和组件根据不同数量配比关系组成，而零件、组件又根据产品工艺流程情况，分布到各个工序中，同时与各个工序的电子作业指导书相关联。因此产品型号的设计包含了一系列关键因素，如生产某产品型号所需的工序数、工序名称、各工序所需零件或组件配比、各零部件编码以及工序位作业指导书等。产品型号是整个结构的核心部分，将生产过程中涉及的物料、配比、工序、作业指导书、派工单等关联起来。

在派工单部分，派工单是产品型号的任务具体化，需配置现场信息。在派工单结构的设计中，包含了产品型号要到哪条生产线去生产，由谁负责生产，开始结束时间,关联单号，完成情况等信息。

该模型结构的实质是将各类生产信息进行融合，并对派工单制定过程进行细分。以该模型结构为基础设计的生产管控系统能够根据计划层和调度层的执行结果，以派工单、产品型号、组件、零件的层次顺序对派工任务进行配置；以该模型结构为基础设计的关系数据库，将离散制造企业繁杂的各类物料信息及装配信息储存在系统数据库中，除派工单层需要根据计划调度结果特殊生成外，其余各层信息可根据系统数据库储备自动生成或在原有基础上进行修改，适应离散制造企业订单变化快的特点。

1.2.2 任务执行方式

为实现派工任务的准确快速执行，首先在重要的工序位配置工业一体机，并在客户端程序中设置生产线及工序名称。服务器端派工任务生成后，通过识别匹配生产线和工序名称，将派工任务下达给对应工序位，并按派工单生产工艺流程在各工序间流转。

并且为加强对离散工序位的管理，对工序进行了改进设计，在现有生产性工序的基础上，以生产线为单位，设置了上料、下料、装箱等管理性工序，又针对离散制造企业离散工位多产生的上料管控困难问题，将各生产线相邻段工序以工段为单位进行分组，每个工段中几个生产性工序所需的物料在段首处统一上料。

2 派工单生产管控模式的实现技术

2.1 数据库技术

派工生产计划的执行和过程管控涉及大量的数据，这些数据分为非实时数据和实时数据两类[8]，需要建立统一的数据库平台，统一实现数据采集、数据存储、实时数据处理、历史数据管理等基本功能。

2.1.1 数据库E-R模型

数据库的概念结构设计一般使用E-R模型来表示[9]，根据任务派工模型结构设计的关系数据库E-R模型图，如图3所示。

图3 关系数据库E-R模型图

该模型图中，PK表示该栏位信息是这个对象的主键，FK表示该栏位是本对象的外键，同时是所指向的对象的主键。上图显示了各表的主键、字段、数据类型、存储字符数等数据库设计信息，同时显示了各表间主键的关联。

2.1.2 实时数据的采集

离散制造企业生产过程中需要从生产现场采集大量的过程数据，包括设备、产品、物料信息以及技术数据等[10]。除利用常用的扫码枪、RFID数据采集器、工业触屏电脑等自动设备对这些信息进行采集外，本文还利用移动式生产效率监控终端加强对工序位的实时监控。该终端装置利用两个接近开关，分别检测从流水线传来的上工位产品和本工位加工完成后放回流水线的产品，在实际使用过程中若第二个接近开关计数少于第一个或者二者记数时间差过长，则可通过转换计算得到本工位实际生产速度和产品滞留数，并利用无线传输模块将这些数据传至远端电脑。

2.1.3 非实时数据的转换

离散制造企业ERP系统制定的生产BOM包含物料代码、名称型号等物料信息及物料数量、需求工序位等装配关系信息[11]。为避免对原有系统和本系统做较大改动，本文设计了企业ERP与本地MES数据的专用转换模式，即体现ERP的规范性又满足车间的特殊性。尤其在产品型号数据转换过程中，为将同一产品型号、同一工段、同一工序中不同零部件信息汇总转录，以Oracle数据库中的工单组件表为基础，其余相关表信息通过关键键位搜索，在程序中处理并汇总成一条包含该产品型号所有相关数据的信息转录至SQL Server数据库产品型号表中，实现企业ERP中BOM等信息与本系统数据的融合。

2.2 质量控制功能的实现

质量控制功能是为了解决离散制造企业离散周转工序多、人工工位多导致的质控困难问题，其现场实现方式，如图4所示。

图4 质量控制功能现场实现图

2.2.1 编码形式和工序任务的规定

为实现数据的规范采集，将员工、零件、组件、产品型号统一设置为8位编码，派工单设置为16位编码,派工单前8位即产品型号编码，后8位为年月日及批次。为避免编码识别混乱同时尽可能减少人工操作，对工序任务步骤进行了规定，电子派工单流转到指定工序后，工作人员按照员工条码确认、派工任务选择、产品型号确认、零部件确认、确定投产、中断上报及工序完成的步骤顺序进行操作，每道步骤完成后自动判别并跳转到后一道步骤，防止系统在扫码识别过程中重复循环扫码而产生停滞现象。

2.2.2 工序间差错互锁技术

质量控制首先需要尽量避免非合格加工件在流水线上进行流转，以减少后续不必要的加工操作。本文根据离散制造企业的制造流程，按电子派工单流转顺序对各工序位进行差错互锁。首先获取前工序位生产信息和质量信息。若前工序位未完成预定目标或产品检测不合格，则本工序位工序锁定，禁止派工单流转，其中管理性工序自动报警，生产性工序人工确认报警，通过无线网络将发生错误的前序工序信息及时反馈给车间负责人，待错误消除后确认解锁，将本工序位采集到的生产信息上传至派工单管控系统后流转到指定的下一道工序，后序工序重复上述过程，从而实现对流转电子派工单中各离散工序位的有效管控。

2.2.3 工序位过程控制

工序是完成产品加工或装配的基本单元[12]，工序位过程控制就是对在该工序上的生产信息，如被装配零部件的类型和批次以及工艺过程进行管控并记录，当工序任务完成后，立刻将这些信息及完成状态回报给系统并存储到对应数据库表中，工序位过程控制是为了使管理性工序位能更加规范简便进行操作，生产性工序位能尽可能提高产品合格率。以管理性工序中上料工序位过程控制为例，通过扫描员工条码，确认并记录责任人信息；在生产线上料位一体机上根据任务优先级选择派工单，系统显示该派工单任务中所在工段各工序需要的零部件名称、编码等信息；再利用扫码枪扫描待上料物料识别码，并按照规定的编码形式进行自动识别匹配，完成精准工段工序位上料。

2.2.4 离散装配电子看板

离散装配的电子看板可分为执行看板和监控看板[13]。本文执行看板的功能是通过客户端一体机显示上级派工任务以及装配工艺流程，并通过winsock替换指令，将附带多媒体信息(如照片和视频等)的电子作业指导书跟随派工单进行更换，更好的指导工人操作；监控看板的功能是通过服务器商务机和液晶大屏幕对各条生产线各工序位采集的数据以及完成状态进行统计，并以表格和图像形式更直观的向管理者展示所需信息。

3 派工单生产管控模式的操作应用

3.1 派工单生产管控的操作流程

本小节以派工任务的生成执行和质量控制两部分为基础设计派工单生产管控的操作流程，如图5所示。

图5 派工单生产管控操作流程图

员工操作：

Step1：车间管理员将ERP生产工艺路线融入产品型号界面配置，并结合ERP生产计划、MES调度计划的结果，在服务器端以任务派工模型结构为基础进行派工单的制定；

Step2：仓库管理员在仓库一体机上确认派工单号，根据派工单上产品型号所需零件、组件的种类和数量在库存中找到对应物料并扫码出库；

Step3：上料位员工在各工段起始位置一体机上，将本工段各生产工序需要的物料扫码匹配确认，统一上料；

Step4：生产性工序位员工接收到当前派工单任务后，先扫描自己员工编码，再确认本工序位任务、所需物料、作业指导书，确认无误后开始装配生产，否则在系统工序操作界面点击确认报警；

Step5：下料位员工在生产线末端将装配生产完成的产品确认下料，并入库、装箱。

程序内部工作机制：电子派工单按产品生产工艺中工序位的先后顺序进行流转，各工序位一体机在完成当前派工单任务并确认后，根据工序调度结果自动匹配接收下一派工单任务。

3.2 系统应用

本文描述的离散制造企业派工单生产管控模式在某智能开关生产企业MES系统中得到了成功应用。该系统的具体应用如下：

Step1：实现企业原有ERP数据库与MES数据库对接，利用编写的数据转换程序将零件、组件、产品型号、派工单、工序等非实时数据转录入SQL Server数据库中；

Step2：在系统服务器端根据模型结构对派工单进行配置，根据调度结果及实际需求调整产品型号及生产工序，生成派工计划；

Step3：通过生产线工序位客户端下达派工计划，同时利用前述数据采集装置采集现场生产信息，将采集到的实时数据远程传送至服务器数据库并反馈给监控端；

Step4：在客户端程序运行过程中，针对工序位生产加工情况对派工计划完成情况进行检测、控制及上传，提高产品质量。

整个系统最终使企业生产管理规范化、灵活化，同时有效提高了产品合格率，并提高了近20%的生产产能。

4 结束语

本文针对离散制造企业生产计划与调度结果在企业生产管控上存在的不足，提出了一种派工单生产管控模式，将生产调度的人员、物料、设备、工序等信息以任务派工模型结构为基础融入电子派工单，实现调度结果到派工单生产管控模式的转化，同时利用工序间差错互锁、工序位过程控制等方法实现对离散制造企业生产过程的质量控制，最后给出了派工单生产管控的操作流程和系统应用。本文除介绍派工单生成、执行、控制方法的设计和功能的实现外，还涉及数据分类处理及转换方式的选择，原有系统与新开发系统的融合方式等，对离散制造企业生产管理的研究有一定的参考意义。