《工厂物理学》之基础工厂动力学

XJTU-IE,2007.9-2008.9,M:[e-mail](徐琛),[e-mail](李慰祖)第七章工厂动力学基础我不知道在别人看来,我是什么样的人;但在自己看来,我不过就像是一个在海滨玩耍的小孩,为不时找到比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜,而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋,却全然没有发现。——伊萨克·牛顿7.1引言上一章里，我们认为制造管理需要一门制造科学。在这一章，我们通过检视产线的一些基本行为，来充实这门科学。为了引出即将重点讨论的种种量度（measure）与机制（mechanic），我们从一个实例开始。HAL是一家生产印制电路板（PCB）的计算机公司，它的产品卖给其他企业，在上面安装组件，然后送入个人电脑的组装线。生产PCB的基本工艺如下：1.层压。铜和玻璃纤维层被压制在一起形成核心（空板）。2.机加工。核心被修整到一定尺寸。3.印制电路。通过感光和蚀刻过程，电路被印制在空板的铜层上，赋予“个性”（独特的产品特性），使其成为面板。4.光学检验与修补。电路被光学检验缺陷，如果缺陷不严重则修补。5.钻孔。在板上钻孔连接多层板的不同部分的电路。要注意多层板在印制完电路形成层后返回层压。单层板通过层压一次不需要钻孔和镀铜。6.镀铜。多层板在铜镀液过滤，在钻孔中沉淀铜，从而连接不同板上的线路。（213|214）7.加保护层。在面板上加层保护性的塑料膜。8.定尺寸。加工面板到昀终尺寸。在大多数情况下，复合PCBs在一个单独的面板上加工制造，在定尺寸阶段形成单独的板。依据板的尺寸，很少有两个板从一个面板中制造出来的，或昀多20个。9.线尾检测。对板的功能进行电器检测。HAL的工程师监控着PCB产线的产能与性能。他们对产能的昀高估计总结在表7.1，其中给出了每个工站的平均加工速率（每小时生产的板数）和平均加工时间（小时）。（要注意的是因为PCB通常成批加工，许多工艺由并行设备作业，所以加工速率不是时间的倒数。）这些都是平均值，用来说明HAL生产的不同型号与不同工艺路线的PCB（如，一些板子也许要经过两次层压）。它们也可以说明“扰动”，如机器故障、换模时间、作业员效率等现象。这样，加工速率就估计出在无限投料的假定下每道工艺每小时可以产出多少板子。加工时间表示典型的板子在每道工序加工的平均时间，包括扰动引起的等待时间但不包括排队等待加工的时间。1表7.1HALPCB产线的产能数据工艺速率（件/小时）时间（小时）叠片191.51.2机加186.25.9布线150.56.9光学检测/维修157.85.6钻孔185.910.0铜板136.41.5覆膜146.22.2裁切126.52.4线尾检测169.51.8HAL强调的主要绩效量度是产出（单位时间生产多少片PCB）、周期时间（生产一块典型PCB所需的时间）、在制品（产线上的存货）以及客户服务水平（能准时送达客户的订单的比例）。在过去的几个月里，产出平均是每天1,100片，或是每小时45.8片（HAL是24小时工作制）；产线上的在制品平均是37,000板；周期时间大概是34天，或者816小时；客户服务水平平均是75.5%。问题是，HAL做得怎么样？我们可以立刻回答这个问题的一部分。HAL管理层并不满意75%的客户服务水平，因为企业的目标是90%，所以这方面的绩效不好。然而，产生这个问题的原因可能是热情过头的销售人员向客户承诺了不现实的交付期。它可能并不是产线出了问题的迹象。其他绩效量度——产出、在制品、周期时间——则更难处理。我们需要建立某种基准用来比较。（214|215）一种方法就是以竞争对手的经营情况为标杆进行衡量。然而即使HAL能获取这些数据，它们实际上有多大的可比性仍然是个问题。毕竟，每个工厂都是独特的。比一个不同类型的工厂好或差并不能必然性地意味着什么。较好的基线会是将实际表现与该工厂的理论可能表现进行比较。这一章里，我们审视简单、理想化产线的极端性能，并用产生的模型开发一个评价实际工厂的尺度。我们将返回HAL的例子，并用这个尺度去评价PCB产线的绩效。但首先我们必须定义术语。7.2定义与参数科学方法绝对需要精确的术语。不幸的是，工业及OM文献中的制造术语完全没有标准化。这使得来自不同公司（甚至同一公司）的经理和工程师们很难交流及相互学习。这就意味着我们昀好先认真地定义术语，并提醒读者注意在别的资料里可能会对同一术语有不同的定义，或者用不同的术语来代替我们的。7.2.1定义在第二篇中我们聚焦于产线的特性，因为他们联系着单个流程与整个工厂。因此，以下的术语以使我们能精确描述产线的方式来定义。一些术语应用于工厂时可能有更广泛的意义，正如我们在定义中提到并在第三篇中一贯采用的那样。然而，为了培养对产线的敏锐直觉，我们将为第二篇的剩余章节保持这些狭义的定义。工站（Workstation）：工站是执行（本质上）相同功能的一台或台设备或手工岗位的集2合。例如车削工站由数台立式车床组成，检验工站由数个配置了品质检验员的工作台组成，烧结工站包含为测试的目的而加热组件的一个单独的房间。在工艺导向的布置（process-orientedlayouts）中，工站依据它们执行的操作（如，所有的磨床布置在磨床部门）而被物理性地组织起来。或者，在产品导向的布置（production-orientedlayouts）中，工站被组织在生产不同产品的产线中（如，一台磨床被分配到一条产线）。站（station）、工作中心（workcenter）、加工中心（processcenter）都与工站同义。工件（Part）：工件是原材料、组件、半成品（subassembly），或是在工厂工站上加工的成品。原材料（Rawmaterial）是指从工厂外部购入的部件（如，棒料）。组件（Components）是装配成复杂一些制品的多个单件（如，齿轮传动装置）。半成品（Subassembly）是组成更复杂制品的装配单元（如，传动轴）。组装品（Assemblies）（或昀终组装品）是完全装配的产品或终端品目（如，汽车）。注意一个厂的昀终产品可能是另一个厂的原材料。例如，传动轴是传动轴工厂的昀终产品，却是汽车组装厂的原材料或外购组件。终端品目（Enditem）：不管是不是成品，直接卖给客户的部件称为终端品目。（215|216）终端品目与其组成部分（原材料、组件、半成品）的关系由物料清单（BOM）维护，这在第三章中有详细说明。消耗品（Consumable）：在大多数情况下，消耗品是诸如钻头、化学试剂、气体、润滑油之类的在工站使用却不构成出售的产品的物料。更正式地，我们这样区分部件和消耗品，部件被列在物料清单上而消耗品没有。这就意味着，一些构成产品的品目，如焊料、胶水、电线，如果记录在物料清单上就是部件，如果不在则是消耗品。因为有典型适用于部件和消耗品的不同采购计划（如，部件可能根据MRP体系下定单，而消耗品由再定货点方法采购），这项选择可能影响这些品目是如何被管理的。工艺路线（Routing）：工艺路线描述了部件经过工站的序列。它起始于原材料、组件、半成品存储点，终止于中间产品存储点或制成品库存。例如，齿轮的工艺路线开始于棒料的存储点，经过切削、滚齿、修毛刺，结束于成品齿轮的存储点。这个齿轮存储点可能给组成齿轮半成品的工艺路线提供原料。物料清单及相关的工艺路线包含了制造终端品目所需的基本信息。订单（Order）：客户订单是客户对特定的料号、质量、交付时间的要求。客户发送的纸质或电子采购单可能包含若干客户订单。因此，我们把客户订单简称为订单。在工厂内部，订单也可能暗示着某些库存（如,安全库存）需要补充。对于客户发起的订单，定时（timing）可能更关键；但两种类型的订单都代表需求。加工任务（Job）：加工任务是指有着相关逻辑信息（如，图纸、BOM）的、经过一条工艺路线的一组实体物料的集合。虽然每一个加工任务都是由实际的客户订单或对客户订单的预期（如，预测的需求）触发的，但加工任务与订单通常没有一一对应的关系。这是因为（1）加工任务以确切的部件（由料号唯一决定）衡量，而不是用来组成成品满足订单的部件集合；（2）加工任务中部件的数量依赖制造效率（如，对批量大小的考虑），因此可能与客户订购的数量不匹配。产出（Throughput）：一个生产过程（机器、工站、产线、工厂）单位时间的平均产量（如，件/时）定义为该系统的产出。在企业水平，产出被定义为单位时间销售的产量。然而，产线主管一般控制生产而不是销售。因此，对于一个工厂、产线或者工站，我们定义产出为单位时间优良（无缺陷）部件（经理确实控制品质）的平均产量。如果产线由生产单一族类产品的串行工站构成，所有产品经过每个工站一次，则每个工站的产出将会是一样的（假定没有产出损失）。在复杂一些的工厂，工站服务于多条工艺路线（如，车间），一个工站的产出为经过它的所有流程的产出之和。产能（Capacity）：一道生产工艺的产出的上限就是它的产能。在大多数情况下，在产3能或其之上水平投料生产会引起系统的不稳定（即，建立无限度在制品库存）。只有非常特殊的系统能在产能水平平稳生产。（216|217）因为这个概念难以把握却很重要，所以在引进合适的记号和概念之后，我们将在本章晚些时候对其进行更透彻的研究。原材料库存（Rawmaterialinventory，RMI）：如前所述，生产流程开始时的输入实体一般被称为原材料库存。它可以是要切削磨削形成齿轮的棒料，要层压形成电路板的铜片和玻璃纤维，要形成纸浆进而造纸的木片，或是要压成汽车保险杠的钢板等等。一般地，流程开始处的存储点称为原材料库存，即使物料已经过某些处理。中间产品和制成品库存(“Crib”andfinishedgoodsinventory，FGI)：流程结束时的存储点是中间产品（即，中间的库存位置）或制成品库存。中间产品用于进一步加工或组装之前和厂内其他不同的部件进行连接。例如，生产齿轮组装件的工艺路线可能由若干包含如齿轮、外壳、曲轴等等的中间产品库存供给。制成品库存就是要运送客户之前的终端品目的存放位置。在制品（Workinprocess，WIP）：工艺路线开始与结束之间的库存称为在制品库存。因为工艺路线开始并结束于存储点，在制品是不包括终点库存的所有产品。虽然口语中认为在制品包括中间产品，但我们区别了二者以使讨论更加明晰。库存周转率（Inventoryturns）：库存周转率是通常衡量库存利用效率的量度，定义为产出与平均库存的比值。一般地，产出以年为单位，因此这个比率反映了库存补给或周转的平均次数。具体应包含哪些库存取决于要测度的内容。例如，一个仓库中所有的库存是FGI，则周转率为TH/FGI。工厂中我们通常一并考虑在制品（仍在产线的库存）和制成品（等待销售的库存），所以周转率为TH/（WIP+FGI）。无论如何，产出与库存的计量单位要保持一致。库存通常以成本价（即，不是销售价）计量，所以产出也应以成本价计量。周期时间（Cycletime）：一条给定工艺路线的周期时间（也被多样地称为平均周期时间、加工时间、产出时间和暂留时间）是从加工任务投放于起点到它抵达终点的库存点的平均时间（即，部件作为在制品的时间）1。虽然这是周期时间的一种精确定义，但它仍是狭义的，只允许我们用在单一的工艺路线。通常人们所指的是由多个复杂的半成品组成（如，汽车）的产品的周期时间。这时用这个定义就不是很清楚了。汽车生产从什么时候开始？底盘何时下线？引擎何时生产？或者，以亨利·福特的方式，矿石何时从地下采出？我们将在稍后介绍如何计算此类组合件的周期时间，但现在将定义限制在单一工艺路线。提前期（Leadtime）、客户服务水平（Servicelevel）、供给率（Fillrate）：一条给定工艺路线或产线的提前期是分配给该部件上的生产时间。正如此，它是一个管理常量2。相比而言，周期时间通常是随机的。（217|218）因此，在接单生产（即，以一定的交期生产部件满足订单）环境下的产线，一个很重要的产线绩效量