钣金车间的生产调度问题分析
- 【导读】
- 钣金生产部是公司制造系统(制造行业研发系统、国内销售系统、国际销售系统、制造系统、行政系统、用服系统等六大系统之一)管辖范围内的一个生产部门，属于内部钣金类物料供应商
2.1钣金生产部概况
钣金生产部是公司制造系统(制造行业研发系统、国内销售系统、国际销售系统、制造系统、行政系统、用服系统等六大系统之一)管辖范围内的一个生产部门，属于内部钣金类物料供应商，成立于2004年10月，现有人员200多人，关键设备有数控冲床6台、激光切割机1台、冲床8台、折弯机14台，电弧焊接16台、压铆机20台等先进的加工设备，如图2-1所示。
图2-1先进的加工设备介绍
a)液压成型冲床
b)数字折弯机
c)高精密数控机床加工中心
d)高精密激光切割机
目前，生产总成品零件6000多种，每月按照需求可以提供成品零件3000多种。同时有品质检验、工程设计、计划调度、物料采购、仓储管理等部门进行相关的生产辅助类工作，表面处理工艺(电镀、喷粉、丝印等)外发给外部供应商进行协作生产加工，物料返回后通过其他的工艺处理后，到达检验工序进行产品质量的最终检验，检验合格后进行包装处理，之后产品存储到仓库，根据医疗设备装配线的需求，按需进行分拣，然后配送到相应的产品线进行装配作业。
2.2钣金车间工艺特点及调度现状
2.2.1钣金车间工艺特性
钣金车间生产工艺主要以冷加工为主，以为钢铁厂家生产的钢板、铝板、铁板等金属板材为原材料，针对金属薄板(通常在6以下)一种综合冷加工工艺，包括的工艺有剪料、冲切、折弯、焊接、铆接、拼接、成型(如医疗设备的机架)等。其显著的特征就是同一零件厚度一致。
其加工过程是首先用数控冲剪复合机床(Nuerical Control Turret Punch Press，NCT)将板材冲孔、成型及剪切过程一次完成，将原材料直接生成工件的平面雏形，然后经过折弯变成需要的形状，然后根据整机生产的需要将其联接(主要工艺有电弧焊、点焊、二氧化碳保护焊、手工电弧焊、拉铆等)成需要的形状，过程会产生一定的毛刺、劈锋等需要经过打磨将其消除，由于板材的断口处在自然环境下容易氧化，故一般的成型后的产品会进行根据设计的需求进行表面处理(主要有镀锌、镀镍、喷粉等)，在一些表面处理是因装配过程中无法保护得工件内部压铆上螺母(螺柱)，同时也起到与其他零件的连接作用。电镀之后零件进行严格的质量检验，检验合格后装入专用的包装袋中进行保护，装入纸箱或专用周转箱，运输到库房进行入库存储，即可即完成生产过程。
2.2.2钣金车间生产调度特点
钣金类零件生产的工艺比较的复杂，以落料工序为例，简单物料以剪料冲压-折弯为主，复杂零件以数控冲床-折弯为主，异型零件以Laser-折弯为主，当然以剪料和NCT为下料工序的物料可以用Laser的工艺，但以Laser下料工序的物料却不能用NCT和剪料的，相互之间的通过性有一定的限制，这样就给生产调度带来了一定的限制条件，再将整个钣金工序连接起来，加工的工艺就有上千种组合，由于设备的特性和差异、工艺的不同要求等各方面的约束，生产调度人员需要清楚的了解车间设备、人员技能、生产物料、加工工艺、生产能力、特殊要求、生产异常、加工优先级等方面的因素，将这些因素综合起来才能够将生产车间合理的调度，而目前公司虽然有ERP系统进行调度，但是ERP的调度都是基于工序无限产能的调度。故计划人员想给出出一个合理的调度方案是相当困难的。
2.2.3钣金车间生产调度现状概述
基于上面存在的困难，公司组织人员开发了工序扫描系统进行生产过程的监控，但在生产车间的生产调度上还是存在着一些难以克服的问题：
(1)生产周期过长
医疗设备结构复杂，装配环节需求的零件种类繁多、生产环节复杂、生产订单多、需求数量少、生产加工工艺及设备需求差异大，给生产现场管理工作带来巨大的挑战。同时，产品换线次数多，换线时间长、设备稼动率低等，也会直接影响生产周期长、零件交付周期长、零件的更新换代周期慢和生产设备的改进周期长。
(2)产品质量稳定性与可靠性无法保证
由于车间的工艺路线不同，同时各个工序的组合种类多，生产调度人员根据自己的经验对各个工序的物料进行调度和排配，根据产能的状况对加工方式进行调整，这样的对产品质量的稳定性和可靠性就无法保证，从而造成生产过程的异常问题比较多。
(3)资源浪费严重
目前钣金车间的生产计划排产通过人工计算完成，人工调度根据个人的经验和口头约定的规则进行管理，没有一套完整的科学依据，生产过程的协调一致和高效有序很难保证，同时对生产过程中的各种信息无法精确的掌控，因为虚零件生产调度的不合理性，从而造成组合生产的匹配性不好，不需要的零件随处可见，需要使用的零件却不知道在什么地方，每个客户配备一个订单负责人进行物料跟进和寻找需要的物料，浪费极为严重，从而严重降低了车间的运营利润。
(4)生产计划达成率低
人工计划调度由于其信息的不及时准确、需求发生变化无法及时的进行调度、出现异常解决速度慢以及本身的不合理性造成生产计划达成率低，对于生产现场的管理出现不确定性，对于客户的交期满足情况无法准确的判断，客户的满意度和忠诚度也就无法保证。
(5)信息传递不畅
由于原材料、在制品、设备特性、工装夹具数量、现场的异常、工艺的变更、需求波动等相关信息无法及时的知道，造成信息传递不够畅通。同时，在产品生产中出现异常(如设备故障、品质异常、刀具冲突、物料未及时送到、规格不确定等)时，现场管理人员个人经验对作业计划做出临时调整，而未及时地反馈给计划员，从而直接影响到第二天生产计划准确性；所有的信息沟通传递问题，会直接影响计划的准确性、生产周期、产品质量、交付时间、库存周转等，从而影响交付。
2.3钣金车间调度问题的分析与研究
生产调度问题通常是多约束、多目标和随机不确定的优化问题，实际生产中，待解决的生产调度问题往往是少批量、多品种的大规模调度问题，涉及资源包括：原料、设备、人力、工艺、信息、能源等。产品的投产期、交货期(完成期)、生产能力、加工顺序、加工设备和原料的可用性、批量大小、加工路径、成本限制等都是影响生产调度的约束条件。生产计划和调度系统能够帮助制造企业克服这些约束条件，找到最优的生产调度方法，生产调度时需要将这些约束分为确定性和不确定性分别进行考虑。
衡量生产调度的性能指标有成本、库存、生产周期、生产切换、设备利用率、生产效率、计划达成率、交付率、不良率、客诉比率、三废比例等。生产调度问题也管理方法和生产环境的生产调度的影响。在解决生产领域管理调度问题时须将人、数学方法和信息技术结合起来进行的研究。
按照生产过程的不同生产调度问题有不同的分类方法，根据其加工系统的复杂度，可分为单机车间、并行机器车间、流水车间、置换流水车间、作业车间、开放车间等。
按照资源约束种类和数量划分，生产调度问题可以分为单资源调度、双资源调度和多资源调度。根据生产坏境的特点，可分为加工时间及相关参数为已知确定量的确定性调度和加工时间及相关参数为随机变量的不确定性调度。根据被加工工件的特征，可分为静态调度和动态调度。
生产调度的优化包括成本和性能指标两方面因素。本文主要针对作业车间调度和批处理调度等车间调度问题，考虑其不确定性因素、多目标、动态性等特点，对动态车间实时调度方法进行研究。
2.3.1钣金车间调度概述
目前，钣金车间由于都是大型的设备，各个工序之间由于工艺的差异又没有连接起来，同时由于受零件型号需求的影响，各个工序之间也不平衡，目前的生产调度方式也仅是针对各个工序内部的排产，工序之间间断的，故公司的钣金车间属于作业车间，是典型的传统调度模式，如图2-2所示。
图2-2生产计划运行流程图
整机接到销售预测的需求，将其进行物料需求计划(Material Requirement Planning，MRP)的运行后转化为物料的需求，每周二接受整机生产的主生产计划(Main Production Scheduling，PS)转化为生产工单投入生产，产能不足部分由外协厂商进行生产的协作，外协部分需要由物料控制人员审核后，再有采购人员开采购订单，转由供应商进行生产，周四下达给供应商，同时由于外协厂商生产的零件种类较少，故外协供应商收到需求后7天即可将需求送达装配线，而公司的内部的钣金车间由于生产物料的种类多，存在一定程度上排队问题，从而造成生产周期长达20天，相对于外协厂商周期长近3倍以上，严重影响装配线的生产供应，从而对组装线的交付也有一定的影响。
计划员在每天下午3:00，开始根据各个工序的加工能力、物料的优先级、工序的物料排队情况对第二天的各个工序需要加工的物料进行排配，各个工序间的工艺关系如图2-3所示。
图2-3钣金各零件的工艺关系图
计划员排产调度完成后会生成一张各个工序的日计划表，工序加工人员根据日计划表上所排配的物料进行随机作业，当出现紧急的物料进行插队作业的时候，指派有专门的人员进行订单的跟踪，确保紧急物料的生产，以满足整机生产的需求，如图2-4所示。正常情况下，物料默认在一个工序需要停留1天时间，除非紧急订单有专门人员在现场进行跟进处理之外，否则物料就推挤在暂存区。
图2-4计划员调度过程示意图
2.3.2钣金车间调度问题分析
由于物料默认在一个工序需要停留1天时间，那么物料在生产过程中的排队等待情况是比较严重的，正常情况下，物料1天一个工序，而工站的加工时间在3H以内，出现排队情况时，物料在个别工序停留时间长达10天，有时甚至会更长，这就会导致后面需要的零件无法及时的生产出来，整个生产过程中的在制工单就会比较的多，造成物料在工站排队、等待、被挑选等浪费时间长，从而造成整机设备无法按时组装出货，延误客户的交期，对生产的管理难度比较的大。
抽取钣金车间的一个零件，记录其生产过程，信息包括该零件经过的工序，所在工序的加工时间、生产节拍、生产班次、良率等数据，运用改善工具价值流图(Value Steam Mapping，VSM)将销售、计划、采购、供应商、质量检验部门、仓库、生产、物流和客户连接起来，形成一个有机的整体，如图2-5所示，通过该图可以准确的物料和客户的需求信息在各个环节的进出周期，同时也可以体现出产品流动过程中的增值时间，用整个过程中的价值时间与总的处理时间相比较，得出整个供应链环节的有价值比例仅为1.45%，即意味着我们会的生产过程中有98%以上的时间都是没有价值的，客户不会为这部分时间付费的，但是这部分时间在生产的运营过程中时需要考虑投入成本，那么就会记入运营费用，零件成本就会提高，在公平的市场环境下，与同行业相比较，若其他公司的价值比例比较高的话，我们的利润空间就会比别的公司少，我们利润少就会给运营带来很大的困难，对后段的交付也就无法保证，那么从整个公司的角度来将，就无法给客户满意的交付和可靠的产品，客户的忠诚度就会下降，那么公司的声誉和品牌价值就会受到影响。
图2-5钣金零件生产价值流图
上面分析以某一个物料可能无法说明整体的情况，那么选取一个时段(数据来源SAP，7/1~8/13，共2917张生产工单)的所有的物料生产情进行运用Minitab软件分析，如图2-6所示。通过其整体的情况来看，生产周期平均20.02天，波动为9.95天，这样的不稳定性造成了主要是由于调度不合理造成。
图2-6钣金零件生产周期分析图
根据上面的目前钣金车间的生产调度方式和生产周期的现状分析可以知，会影响生产交付的达成，主要存在以下几个方面的问题：
(1)从客户需求的MPS到生产执行的DPS，中间需要3~4天的时间，时间太长需控制；
(2)SAP运行出来的需求外协部分有审核，自制部分无审核，需求波动造成响应速度慢，需要控制；
(3)自制生产零件的生产周期平均长达20天，严重影响交付需求，生产调度方式需要优化；
(4)车间的日计划每天做一次，中间遇到紧急的物料，反应比较的慢；
(5)物料在一个工序需要待一天的时间，而实际在在一个工序的加工实际在1~2H，正常情况下1天可以加工2~3个工序，这样才能缩短加工的周期；
(6)由于下料工序不间断的投料，造成后面各个工序的在制品远远大于该工序一天的加工能力，造成物料排队等待的较多，有时一个物料在一个工序等待2~3天；
2.3.3解决作业车间调度问题算法研究
目前钣金车间的物料在生产调度方面存在较大的问题，这个也是造成零件生产周期较长、无法满足整机生产交付的最主要原因，本论文就从生产调度方面入手，通过选择合理的优化算法来解决钣金车间存在的问题。
钣金生产车间的的生产调度问题属于作业车间的调度，在绪论部分对于解决作业车间调度问题的几种常用的智能优化算(遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法)法进行了比较，有鉴于遗传算法的搜索范围广并且全局搜索能力强等优势、同时钣金车间的零件种类多和生产批量小、运算时的数据量比较大等特点，最终选择遗传算法作为本论文的研究算法，同时也对国内外学者对遗传算法在各个领域的最新应用进行了总结回顾，遗传算法在各个领域的应用，无论是工业、航空业、学校、交通运输等方面都离不开调度这个最基本的功能，在这些方面，遗传算法都展示了其强大的运算能力，并且获得的结果也是最优的，同时也得出结论：遗传算法是适合本文研究的最佳算法。
2.4小结
首先对公司的情况和钣金车间的情况作了详细的介绍，然后对目前调度方式进行描述和分析，指出了目前钣金车间影响交付的主要原因在于生产调度方面存在一定的不足，从而造成了加工过程的生产周期长，最后总结了本文研究的钣金车间属于作业车间问题，并根据绪论的研究提出采用遗传算法作为研究的基础。
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