《工厂物理学》之车间作业控制

XJTU-IE,2007.9-2008.9,M:[e-mail](徐琛),[e-mail](李慰祖)第十四章车间作业控制千里之行，始于足下。——老子14.1引言车间作业控制（Shopfloorcontrol，SFC）是计划与部件的结合处（whereplanningmeetsparts）。正因为如此，它是生产计划与控制体系的基础。又因为接近实际制造过程，SFC也是收集其他计划与控制模块所用数据的自然工具。定义良好的SFC模块既控制通过工厂的物流，有使得生产计划体系的其他部分易于设计和管理。1SFC在生产计划层级中有着逻辑重要性，但实践中人们往往不太关心它。部分原因是，它被过于狭隘地看作是纯粹的物料流动控制。在这种观点之下，似乎一旦拥有良好的排程，SFC功能就可以通过连接到部件的路由选择（routingslip）以及给定要访问的加工中心的顺序来实现；工人仅仅按排程给定的顺序加工部件，然后依据路由选择移动它们。如我们将在这里和第十五章所见，即使拥有非常有效的排程模块，对物料流动的控制也往往不是那么简单。任何的排程体系都不希望有随机扰动，但SFC模块无论如何都要适应它们。更进一步地，如我们已提起并将在本章中深入讨论，物料流动控制只是SFC的一个非常小的关注点。当考虑到SFC应有的其他功能，这个模块就在整个的计划层级中呈现非常重要的作用。SFC缺乏关注，可能还有另外一个原因。一系列来自运营管理文献的结果指出，对于工厂绩效而言，控制物料流动的决策没有塑造生产环境的决策重要。（453|454）Krajewski等（1987）使用仿真结果显示了，通过压缩准备时间、提高产出、提高劳动力柔性等措施改进生产环境获得的收益远大于从再定货点或MRP体系转到看板体系的收益。在其研究的基础上，他们推断（1）改造生产环境是日本的成功案例的关键，（2）如果企业充分地改善了生产环境，那么它用那种生产控制体系都没有什么差别。在更加具体的点上，Roderick等（1991）使用仿真来显示，投料速率对绩效的影响远大于单个机器处的作业排程。他们的结论是，主生产计划（MPS）平滑很可能比控制产线上工件的精巧技术有着更大的有益影响。如果将SFC狭隘地理解为分派或机器之间的物流控制，那么类似于上文的研究确实趋于昀小化它的重要性。然而，如果采用更广泛的观点，认识到SFC控制物流以及建立与其他功能之间的联系，那么SFC模块的设计有益于塑造生产环境。例如，安装看板体系的决定就显示了对小批制造和压缩准备时间的承诺。此外，拉式系统自动控制工厂的投料速率，因而能够实现Roderick等定义的关键收益。可是看板（或其他类似的）能真正实现这些环境改善吗？Krajewski等暗示环境改善，如压缩准备时间，在没有看板时也同样有效，而JIT支持者主张在推进这些改善时需要看板来提供必要的压力。我们的观点比较接近与JIT支持者；没有SFC促进环境改善的模块以及通过收集数据、记录它们的有效性，就非常难以定义杠杆区域以及做出稳固的变化。因此，我们将把改造生产环境视为SFC模块设计的部分内容。1我们提醒读者，这里称的模块包括与某个特定的计划与控制体系相关的决策制定、记录保持以及计算等所有内容。所以尽管SFC模块可能通过计算机程序来实现，但它不仅于此。实际上，某些SFC模块甚至根本无法计算机化。1在第四、十、十三章讨论的基础上，我们觉得昀有效（也是易于管理）的生产环境是由拉式系统建立的。回忆起推式与拉式系统昀基本的区别在于，推式系统计划生产而拉式系统授权生产。任何授权生产的拉式机制的本质在于约束产线中总库存的WIP上限。在我们看来，若没有建立WIP上限，这个系统不能被称为拉（pull）。补足这个定义还需要一连串的其他支持特征，包括压缩准备时间、员工交叉训练、单元布置、源头质量等等。这些技术应用的方式和程度取决于具体的系统。SFC模块的目标是建立与第四章、第十章中检视的理想环境尽可能接近的实际环境。同时，SFC模块应相对易于使用，与其他计划功能良好整合，有足够的柔性来适应工厂可能面对的变化。如我们将看到的，由于制造条件的设定区别很大，我们能这样做的程度也很不相同，而适当的SFC模块的本质也是如此。图14.1显示了可以整合进入SFC模块的功能序列。这些功能的核心是物料流动控制（materialflowcontrol，MFC），没有它，SFC就不是车间作业控制。物料流动控制是我们据以决定哪些加工任务投入工厂，哪些部件在各个工站处加工，以及哪些物料在工站之间移动的机制。尽管SFC有时被狭隘地理解为只包括物料流动控制，它还包括一些与物料流动控制紧密相关的其他功能，良好的SFC模块可以为它们提供平台。（454|455）图14.1SFC模块的潜在功能WIP追踪（WIPtracking）、状态监控（statusmonitoring）与产出追踪（throughputtracking）实时处理工厂事务。WIP追踪包括识别产线中部件的当前位置。它的执行可以很详细以及自动化（如，通过光电扫描仪），或者很粗糙以及手工记录（如，在产线特定点处的日志）。状态监控指的是对WIP位置之外的其他参数，如机器状态（即，开机或关机）、班次情况，进行监控。产出追踪针对一个建立的生产定额和/或客户交期测量产线或工厂的产出，并可用于预测超时或变班的需要。由于SFC模块处于执行实时控制决策的位置，它也很自然地处于实时监控这些类型的变化的位置。如果SFC模块在计算机上实现，这些数据收集与显示任务很可能与SFC模块的物料流动控制共享文件。即使物料流动控制由人工系统实现，也有必要将对系统的监视与控制协力，因为这可能对文书工作的形式产生影响。一种监控系统的具体机制称为统计产出控制（statisticalthroughputcontrol，STC），我们在其中追踪完成时段性生产定额的过程。STC的细节在14.5.1节给出。除了收集实时状态的信息，SFC模块也有益于收集、加工超出实时的与未来相关的信息。一种可能性是实时仿真（real-timesimulation）功能，对产线中各点处特定部件的到达时机2做出投影。第十三章以离线活动的方式说明这个功能。然而，也可以将一个版本的实时仿真模块直接整合进入SFC模块。基本机制是，使用WIP追踪功能收集的当前WIP位置信息，加上一个物料流动的模型（如，基于传送带模型）来预测某个加工任务何时到达某个工站。能够从系统得到这些信息，使得产线人员可以预期和准备加工任务。SFC模块的一个稍显不同的功能是收集数据来更新产能预测。（455|456）这个能力反馈（capacityfeedback）功能对于确保第十三章中讲到的高层级的计划模块与低层级的执行模块一致是非常重要的。由于SFC模块管制通过工厂的物料运动，它很自然地成为测度产出的位置。通过随时间向前监控输入，我们可以估计产线或工厂的实际产能。实现这一点的细节将在第14.5.2节讨论。移动点代表了品质保证的天然机会，这个事实建立了SFC模块与质量控制（qualitycontrol）之间的联系。如果下游工站的操作员有权拒绝上游工站流出的不良工件，则SFC模块必须识别这项事物处理请求带来的扰动。物料流动控制功能必须认识到需要替换被拒绝的工件或者重工将带来工件到达的延迟；WIP追踪功能必须注意到这些工件并未如预期般移动；作业预测功能必须考虑这些延迟从而组织作业投射。此外，由于质量问题必须放在控制的目标下考虑，所以常常能很方便地用这个系统对其保持记录。这些记录提供了与监控质量绩效以及识别改善机会的统计过程控制（SPC）之间的联系。在本章的剩余部分，我们给出1.设计SFC模块之前必须解决的问题的综览。2.CONWIP作为SFC模块基础的讨论。3.CONWIP主题的扩展。4.机制，包括短期内追踪生产从而测度向定额的进程，以及长期内为其他计划模块收集、检验产能数据。14.2一般的考虑人们很自然地想到通过说明控制机制自身的问题来开始对设计SFC系统的讨论，这些问题有：应当由计算机控制作业投放吗？应当使用看板卡片吗？等等。然而，更基本的问题需要首先解决。它们关系到SFC系统运行必须处于的一般物理和逻辑环境。为了发展一个揭示SFC模块管理含义的合理视角，兼顾设计和控制两点来考虑车间作业控制很重要。设计解决建立一个可供决策的系统的问题，而控制解决决策本身的问题。例如，选择一种作业投放机制是个设计决策，而选择参数（如，WIP水平）使这个机制工作就属于控制问题了。本章始于说明相对高层次的设计主题，然后逐渐移到低层次的控制主题。14.2.1总产能控制生产控制体系在稳定环境下运行得昀好。如Krajewski等（1987）的仿真研究显示，当需求稳定，产品组合恒定，加工执行良好时几乎任何类型的系统（如，再定货点、MRP或看板）都能良好运行。（456|457）从制造的角度来看，我们想要建立产线并在在良好、节奏稳定、无扰动的条件下运行。事实上，在很大程度来说，这正是强调生产平滑和压缩换模时间的JIT竭力去做的。但创造一个平滑、简易的生产环境可能与赚钱、增长、保持市场份额以及确保长期生存能力的业务目标相冲突。客户需求波动、产品形成与衰退以及技术竞争促使我们依赖新的和不稳定的制程。因此，在寻求使环境稳定的机会时，我们必须小心在热心推动时忘记较高层级的目标。我们不应当仅仅因为原有技术比较稳定和易于管理，就放弃一3个通过新技术来获取策略优势的机会。甚至当我们对市场需求做出反应时，也可以做些事情来避免工厂内部不必要的波动。一种稳定SFC运行环境的方法是，使用总产能控制来确保产线运行时接近昀优负荷。目标是通过控制产线使用的全部或部分时间来避免产线速度的剧烈摇摆。总产能控制的具体选择包括1.改变班次的数目。例如，每天三班可用于重大需求时段，而每天只排两班可用于较轻的需求时段。工厂可以通过这个选择将产能与需求的季节波动匹配。然而，它一般涉及解雇和重新雇用工人，所以仅仅适用于长期需求变动（如，数月或更长）。2.改变每周工作日的数目。例如，周末可用于满足需求的激增。由于周末工人可以得到加班费，工厂可用这种方法实现比改变班次更小的影响。注意我们在这里讨论的是计划的加班，其中周末由于重大需求而提前计划使用。它与第十三章中讨论的用于追赶落后于定额的紧急加班很不相同。3.改变每日工作小时的数目。计划的加班的另一个来源是延长工作日，例如，从八小时到十小时。4.改变班次的水平。在手工作业中，产能可以通过增加工人数目（如，从工厂的其他部分浮动工人过来，或雇用临时工）而提高。在多机工站，管理人员可以通过改变使用中的机器数量来改变产能，可能也需要班次的变化。5.使用外部供应商。维持工厂或产线的稳定负载的一种方法是，转移某个水平之外的作业到另外一家企业。理想状况下，它转移了至少部分需求变动性的负担给供应商（代工企业）。2如同总产能控制的意思，这些活动只能以比较粗略的方式改变有效产能。班次必须一体增加并且不常移除（Shiftsmustbeaddedwholeandonlyinfrequentlyremoved）。依据工会规则或人事政策，周末加班必须是特定的数量（如，一天或半天）。通过浮动工人改变产能的选择受限于工人技能水平和工厂其他部分的载荷。（457|458）增加和减少临时工需要培训和其他费用，也降低了这个选择的柔性。供应合同可能会要求昀小量和/或昀大量的作业送达供应商，所以这种方法只能转移企业面临的部分需求变动性。此外，供应商的找寻和认证很费时，所以供应合同很可能长期不变。上述选择除了局限性，它们，或其他方法，能至少是粗略地匹配产能是很重要的。产线负载的巨大变动将引起通过产线的巨大变动性，并将严重地降低绩效。看板或CONWIP需要相当稳定的速率驱动的产线。我们将讨论一种不能通过总产能控制实现这种稳定性的产线拉式方案。然而，任何系统都不能完全缓解高度变动需求的负面影响。14.2.2瓶颈规划第二篇中我们强调产线速率昀终决定于瓶颈，也就是昀慢的作业。在第七章用于说明基本工厂动力学的简单单产品、单路线产线中