注塑机企业钣金车间APS解决方案

【导读】
摘要:针对某注塑机制造企业钣金件车间的生产计划和排程。分析原有直接采用企业管理解决方案(SAP)中物料需求计划(MRP)/运算结果作为车间作业计划这一方式的不足之处。提出运用高
摘要:针对某注塑机制造企业钣金件车间的生产计划和排程。分析原有直接采用企业管理解决方案(SAP)中物料需求计划(MRP)/运算结果作为车间作业计划这一方式的不足之处。提出运用高级计划与排程(APS)技术,根据注塑机企业钣金件生产的特点,编程建立资源模型,集成SAP系统的输入数据。实现每台设备小时级别的精细工序排程,通过扫描派工单上的条码收集完工反馈信息。用于滚动重排车间作业计划,最后将APS排程结果用可交互的设备一工序甘特图形式,交付给钣金车间基层管理人员,用于人工干预。
 



1课题背景
  注塑机是生产各种塑料制品的主要成型设备,制品广泛应用于生活的方方面面。某企业生产精密高档注塑机,客户订单源源不断,但生产计划管理手段比较原始,导致订单延期交货率居高不下,严重影响客户满意度。
 
  钣金件的生产是公司的老大难问题,因为钣金是整机完工的最后一个大部件,留给钣金的缓冲时间很少,而为了保持“最大程度满足客户个性化需求”这一公司的核心竞争力,钣金件每月新增图纸数之多,生产物料状况之繁杂,均居各生产部门之首,但钣金车间的准时精益配套能力却是整个企业内最薄弱的。
 
  在增加钣金车间资源产能的同时。笔者注意到目前粗放的生产计划管理方式大有内部潜力可挖。车间计划员直接用企业管理解决方案(SAP)中物料需求计划(MRP)运算得到的派工单基本开始时间作为投放生产的时间,但是SAP中该日期其实是根据物料清单(BOM)中物料固定提前期倒推得出的,若车间直接将所有基本开始时间为当日的派工单全部投到首个工位,让工段长自主决定安排生产,则会导致工段长各自为政,只为本工段工人的工时饱满着想,忽略整体协同和整体最优。工人在生产操作时,往往取物料摆放距离较近的优先生产,导致生产协同性差,存在制品库存上升的现象。
 
  高级计划与排程(APS)技术可以应对本企业钣金车间的作业计划,填补SAP的盲点,考虑生产过程的多种资源能力约束,不强制要求工艺路线唯一固定,提前期可以动态计算。根据选定的排产方式,迅速自动生成排产计划,并将车间作业计划精确到每道工序、每台设备、每一小时甚至每分钟,这样的快速重排能力,可以应对在有限产能约束下频繁的计划变更或插单问题。
 
  运用APS技术的难点在于是否能结合企业实际,即难在实践应用。笔者将详细介绍在注塑机企业钣金车间应用APS技术来改善车间作业计划的4个阶段过程。




 
2计划阶段
2.1目前的计划方式
  SAP系统主生产计划在MRP运算之后,将携带有基本开始时间和基本结束时间信息的钣金加工订单释放到钣金车间,如图1所示。
 
图1SAP中MRP基本开始时间和结束时间
 
  MRP的基本结束时间由所对应的整机装配订单大致需求日期前推一个偏置值来决定。确定了基本结束时间之后,再前推一个提前期就得到了基本开始时间。最重要的提前期是在钣金物料号创建时输入的固定属性值,这个提前期是固定的,不会随订单中投料数量的增减而变化。有的钣金物料没有维护提前期,这样就出现了一种不合理的情况:SAP订单中基本开始时间和基本结束时间相同。钣金车间在接收到这些生产订单之后,直接选择SAP基本开始时间是当天的,投放到首道工序所在工位上。
 
  分析这样的计划方式,存在以下问题和不足。
  (1)可执行性差,过于粗放简单,不科学。原有方式并不是有限产能的排程方式,没有考虑工作中心加载其它生产派工单之后的生产能力。也没有考虑在既定生产压力下顺序优化的问题,更不会考虑建立目标函数来评价多种排产方式的利弊得失。

  (2)协同性差,负载不均衡。没有工序级别的明细计划,生产过程存在盲目性,设备人员忙闲不均。由于员工生产操作时没有强制的生产顺序,还会导致工序间制品库存上升。

  (3)预测性差,计划不够透明。紧急的插单任务会影响一系列其它正常的生产状况,且无法作出准确有效的评估。
 
2.2提出改善的方向和方法
  如果说MRP从侧重BOM结构的角度来制定生产计划,那么APS则是侧重根据工艺过程和实动工时来制定生产计划。基于此,笔者提出将原有基于MRP基本开始时间的方式改为使用APS的运算结果来制定车间作业计划。
 
2.3制定改善的计划
  为了顺利达到上述改善目标,制定了如下过程计划。首先推动工艺路线数据的整理和标准工时的测定;其次和财务人员确定改善前的标的指标,提出改善后的预期效果;然后在钣金车间导人APS理念,进行精益生产方法的培训;最后开始实施应用APS技术。




 
3执行阶段
3.1建立数据模型
  根据注塑机企业钣金件车间的工艺过程,收集整理工序、人员、设备和班组班次数据。所建立的APS数据模型见表1。
 
3.1.1建立工艺模型
  注塑机企业钣金车间整体工艺过程如图2所示。根据工具工装满配的特点,建立模型时不需要考虑工具、工装夹具等约束,所以主要约束分为两大类:设备约束和人力约束。钣金件车间的前四道工序为设备约束,工艺过程分别为:激光切割、剪板、电子冲、折弯。后两道工序——焊接和喷粉为人力约束。 

图2 注塑机钣金车间工艺过程
 
3.1.2建立设备模型
  在定义设备时,将可加工同一种工序的同类设备概括为设备组,设备组关联某道工序。同一设备组内的设备可以根据产能负荷情况相互替换,自动调整。设备组同时对应SAP的工作中心。
 
  因为激光切割机设备的特点,需要利用排版软件在固定规格的原料板材上将不同形状的钣金件一起切割下来,所以建模时将激光切割机定义为非独占类设备。其它机床因为加工某种钣金件工序需要设置特定的参数,或者安装特定的模具夹具,所以均定义为独占类设备。
 
3.1.3建立人员模型
  人员以班组的形式组织起来。班组内定义每个人的技能矩阵和日产能。班组分为设备类和人力类。有些注塑机钣金车间的机床(如折弯机),需要两人才能操作,这人有特定的劳动技能矩阵搭配关系,类似这样的班组属于设备类班组。人力类班组主要在焊接工段和喷漆喷粉工段。班组表内同时维护了工时定额比例,用于结算员工工资。
 
3.1.4建立时间模型
  建立工厂日历表,用于APS自动规避非工作日。然后为每个设备维护好轮班班次数据,定义出设备每班的开动时间,并导入预定的保养时间计划。
 
3.2确定APS与SAP的集成方式
  在SAP中使用ABAP编程工具编写RFC接口程序。使SAP中的原生函数ORDER_GET_LIST和ORDER_GET_DETAIL增强,增强后的接口函数信息见表2。
 
 
  笔者开发的APS软件通过SAPnc03.0方式调用SAP中的接口程序来自动传输SAP订单和工序数据,程序在编写时引用nc03.0中的sapnco.dll和sapnco_utils.dll这两个动态链接库,并手工加入如下引用:using SAP.Middleware.Connector在app.config配置文件中写入SAP服务器的连接信息,包括用户名、密码、服务器网际协议地址(IP)、客户端号等。最后在C#程序中执行RFC函数的调用获取订单头信息和订单内容信息,保存到APS的Oracle数据库中。
 
3.3选择执行排产算法
  根据前述步骤中从SAP接口获取到的订单工艺路线,选择一种排产算法。目前APS领域常用的排产算法大致分以下几类。
  (1)基于系统仿真或模拟的优化算法。

  (2)基于数学规划或运筹学的算法。

  (3)基于约束理论一限制趋导式管理方法(TOC—DBR)的优化排产算法;

  (4)运用遗传算法或各种群智能算法;

  (5)启发式规则类算法。
 
  结合本注塑机企业钣金车间的实际,最终选择实现难度较低的启发式规则类算法。利用测定出的每种零件每道工序的实动工时,结合该生产订单工艺路线及要求的交货期,来确定每一个工序的计划开始时间和计划结束时间。再按照时间进程为每个生产资源安排一个加工对象。这里生产资源可以是一台折弯的机床,也可以是一个负责焊接的工人。加工对象指某个订单的某道工序。安排时从待选的作业中选取优先级最高的进行加工,优先级的规则由使用人员事先选定。已经开发实现的规则包括按交货期、按先到先服务、按最短生产时间三种。这一规则库可以增加。最终产生一组假定的最初排产计划。如图3所示。
 
图3 选择执行排产规则
 
3.4调整APS结果。滚动重排计划
  根据上述步骤产生的最初排产计划,用c#编程实现可交互的设备工序甘特图,将每个订单的每道工序安排到每个设备的某一时刻。系统还可以分析排产计划。进行图形化的交互修改,并处理紧急插单事件。将制定好的工序作业计划下达到设备工段执行,完工后扫描条码,将执行结果反馈给APS,如图4所示。将实际的前一工序完工时间加上物流时间更新替
换下一工序的预计开始时间,可以形成闭环并反复滚动的重排计划。
 
图4 扫描完工信息



 
4检阶段
4.1内部自检APS计划的可行性
  根据APS自动运算得出车间作业计划,虽然已经大大优于该注塑机企业钣金件车间原有的计划制定方式。但是因为实际车间生产的约束错综复杂,所以为了便于建模计算,只取部分关键的约束参与APS计算,不可能面面俱到。为了让APS运算得到的计划更贴近车间实际生产状况,还需要合理地结合一线基层管理人员的经验知识,发挥车间管理者的主观能动作用,对APS计划做检查审视和人工调整。
 
4.2外部审查APS的改善效果
  整理各种数据,检查确定APS产生的车间作业计划准确率。同时检查项目初期和财务人员预定的改善效果。钣金件最终交付给整机装配分厂,经过交付分厂物流部门和集团财务人员审查确认,在不增加劳动力成本和设备且不影响产品质量的前提下,使用APS优化排产方法后。钣金车间的订单准时交货率提高10个百分点。




 
5纠正阶段
5.1总结推广
  基于以上过程,笔者总结了在企业钣金车间用APS改善车间作业计划的经验,写成集团范围内的提案改善报告,并大力宣传APS的原理方法及价值点,培训推广人员。宣传和推广的过程使得APS的观点理念逐渐被集团的其它分厂车间接受.利于后续逐步推广至集团内其它分厂和车间。
 
5.2提出尚未解决完善的问题
  笔者所述改善过程针对注塑机企业钣金车间的作业计划,所以在模型约束上大大简化,只考虑最关心的设备和人力约束,而且约束定义得比较简单,排产算法采用启发式规则,没有采用前后道工序精益拉动的模式,没有尝试使用更先进的遗传算法。或基于模拟仿真的APS技术。对于车间在制品库存的控制上还欠缺考虑,暂时无法应对复杂车间的业务场景。
 
  程序设计实现过程中采用C#ADO方式连接Oracle数据库,程序和数据库之间交互比较频繁,没有采用常驻内存的计算模式,导致APS重排计划的运算速度比较慢。
 
  应用计划、执行、检查、纠正(PDCA)循环的方法论必须循环起来才能达到持续改善的效果,所以APS技术在注塑机企业的钣金车间应用过程中出现的上述这些遗留问题应该反映到下一个PDCA循环中,以利于持续改善。




 
6总语
  以BOM结构结合订单需求和库存运算的MRP方法,适合于处理主生产计划,但是因为缺少对现场要素的有限产能约束的考虑,所以不适合直接用于车间作业计划的制定。笔者总结了在注塑机企业钣金车间应用APS技术的实施过程,项目实施中探索了与SAP系统的集成方式,还通过C#编程实现注塑机企业APS的基本功能,可以部分替代昂贵的国外APS软件。最终实践证明:在笔者所述业务环境中。APS技术可以用于持续改善车间作业计划。
 

  • 2019-06-18 09:33
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