制造系統(tǒng)分析、控制與設(shè)計.pdf

Copyright by Zheng Wang All rights reserved 課程編號課程編號 B008107 制造系統(tǒng)分析 控制制造系統(tǒng)分析 控制 與設(shè)計與設(shè)計 汪汪 崢崢 東南大學(xué)自動化學(xué)院東南大學(xué)自動化學(xué)院 2008 年年 9 月月 1 教學(xué)周歷教學(xué)周歷 周 次 教學(xué)內(nèi)容 1 從控制的觀念看制造系統(tǒng) 2 制造系統(tǒng)控制概述 3 基于仿真的制造系統(tǒng)分析與控制 1 4 基于仿真的制造系統(tǒng)分析與控制 2 5 基于 Petri 網(wǎng)的制造系統(tǒng)分析與控制 1 6 基于 Petri 網(wǎng)的制造系統(tǒng)分析與控制 2 7 基于 Petri 網(wǎng)的制造系統(tǒng)分析與控制 3 8 基于排隊網(wǎng)絡(luò)與隨機(jī)模型的制造系統(tǒng)分析與控制 1 9 基于排隊網(wǎng)絡(luò)與隨機(jī)模型的制造系統(tǒng)分析與控制 2 10 基于排隊網(wǎng)絡(luò)與隨機(jī)模型的制造系統(tǒng)分析與控制 3 11 基于連續(xù)系統(tǒng)模型的制造系統(tǒng)分析與控制 1 12 基于連續(xù)系統(tǒng)模型的制造系統(tǒng)分析與控制 2 13 制造系統(tǒng)設(shè)計概述 2 第 1 章 從控制的觀念看制造系統(tǒng) 本課程的內(nèi)容包括制造系統(tǒng)的分析 控制與設(shè)計三個部分 實際上這是研究制造 系統(tǒng)的三個基本步驟 首先是分析一個已有的制造系統(tǒng) 了解它的各種性質(zhì)并對 其性能進(jìn)行定量的評估 其次是對一個已有的制造系統(tǒng)進(jìn)行控制 以改善它的性 能 使之實現(xiàn)人們所期望的目標(biāo) 最后是設(shè)計并建造一個新的制造系統(tǒng) 并對其 進(jìn)行控制 使之實現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)和要求 控制是核心 分析是控制的基礎(chǔ) 建模是分析的基礎(chǔ) 而設(shè)計是控制的延伸 控 制系統(tǒng)的一般表達(dá)形式 ux fx 其意義可解釋為 控制量 u 施加在狀態(tài)量 x 上 在系統(tǒng)的動力學(xué)機(jī)制 f 的作 用下 所引起的狀態(tài)的變化量 x 從控制的觀念來看 對于制造系統(tǒng)也是如此 需要了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是怎樣的 其 狀態(tài)量是什么 控制量是什么 動力學(xué)機(jī)制是怎樣的 有哪些重要的性能指標(biāo) 應(yīng)該如何控制 1 1 制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 1 制造系統(tǒng)的構(gòu)成元素 制造系統(tǒng)是一個很寬泛的概念 狹義的制造系統(tǒng) 加工設(shè)備 機(jī)床 存儲設(shè)備 緩沖區(qū) buffer 倉庫 stock 物料 運(yùn)輸設(shè)備 自動引導(dǎo)小車 automated guiding vehicle AGV 傳送帶 conveyer 機(jī) 器人 robot 零件 part 控制系統(tǒng) 工人 刀具 cutting tools 托盤 pallet 等 例 如 生產(chǎn)流水線 flow line 裝配線 assembly line 單元制造系統(tǒng) manufacturing cell 柔性制造系統(tǒng) flexible manufacturing systems FMS 推廣 車間制造系統(tǒng) shop floor 增加了制造執(zhí)行系統(tǒng) manufacturing execution systems MES 再推廣 制造企業(yè) 生產(chǎn)系統(tǒng) 庫存系統(tǒng) 采購系統(tǒng) 銷售系統(tǒng) 廣義的制造系統(tǒng) 敏捷制造系統(tǒng) agile manufacturing systems 虛擬企業(yè) virtual 3 enterprises 網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng) networked manufacturing systems 物流 logistics 及 供應(yīng)鏈 supply chain 系統(tǒng) 更廣義的制造系統(tǒng) 包含了產(chǎn)品的設(shè)計 制造 銷售 維護(hù) 回收這一全生命周 期 life cycle 的每個環(huán)節(jié) 本課程著重討論狹義的制造系統(tǒng) 即車間內(nèi)部的制造系統(tǒng) 車間制造系統(tǒng)由以下 主要元素構(gòu)成 1 生產(chǎn)資源 生產(chǎn)能力 production capacity 機(jī)器 machine 工具 tool 工人 operator 2 庫存資源 緩沖區(qū) buffer 倉庫 storage warehouse 3 物料操縱系統(tǒng) material handling systems 小車 automatically guided vehicle AGV 傳送帶 conveyer 機(jī)器人 robot 2 制造系統(tǒng)的組織形式 flow shop 流水線生產(chǎn)車間 job shop 離散作業(yè)車間 reentrant system 可重入制 造系統(tǒng) Flow Shop 流水線生產(chǎn)車間 又稱作 flow line transfer line production line N個機(jī)器或工位 workstation M 個零件 part job 每個零件都要經(jīng)過N道工 序 每道工序在一臺機(jī)器上加工 沒有重復(fù) 即多道工序在同一臺機(jī)器上加工的 情況 也沒有遺漏 并且這 M 個零件在 N 個機(jī)器上的加工順序都是一樣的 通常用于大批量 high volume 少品種 low variety 產(chǎn)品的生產(chǎn) 實例 南汽總裝廠躍進(jìn)輕型卡車裝配線 山東臨工 ZL50 裝載機(jī)總裝線 上 海柴油機(jī)廠某種型號的柴油發(fā)動機(jī)裝配線 Jobs B1 M1 B2 M2 B3 M3 4 香港大學(xué)工業(yè)及制造系統(tǒng)工程系的柔性裝配線實驗裝置 Job Shop 離散作業(yè)車間 N 個機(jī)器或工位 workstation M 個零件 part job 每個零件都要經(jīng)過不超過 N 道工序 每道工序在一臺機(jī)器上加工 沒有重復(fù) 但有可能某個零件不經(jīng)過某 臺機(jī)器 并且這 M 個零件在 N 個機(jī)器上的加工順序是不同的 通常用于小批量 low volume 多品種 high variety 產(chǎn)品的生產(chǎn) 實例 南汽車身廠沖壓 裝焊和油漆車間 B3 M3 Job1 Job2 B1 M1 B2 M2 B4 M4 5 香港大學(xué)工業(yè)及制造系統(tǒng)工程系柔性制造系統(tǒng)實驗裝置 reentrant system 可重入制造系統(tǒng) N 個機(jī)器或工位 workstation M 個零件 part job 每個零件要經(jīng)過可能超過 N 道工序 每個零件的不同工序可能在一臺機(jī)器上加工 形成回流現(xiàn)象 但也有 可能某個零件不經(jīng)過某臺機(jī)器 并且這 M 個零件在 N 個機(jī)器上的加工順序是不 完全相同的 例如 集成電路芯片晶圓制造系統(tǒng) IC wafer fab 實例 上海中芯國際 臺積電 華虹 NEC 的 6 英寸 8 英寸 12 英寸晶圓制造 車間 B1 B4 M1 B2 B5 M2 B3 M3 J1 6 IC wafer的制造過程的制造過程 集成電路芯片的制造是制造業(yè)中的一個新興行業(yè) 尤其在我國內(nèi)地 是 1990 年代后期才發(fā)展起來的 主要生產(chǎn)工廠集中于上海 例如 中芯國際 臺積 電 華虹 NEC 等 集成電路芯片的制造通常分為兩部分 前道工序 front end 和 后道工序 back end 前道工序為晶圓的制造 wafer fabrication 后道工序包括晶 圓的切割 封裝與測試 其中 wafer 的制造最為復(fù)雜 按照尺寸的不同 wafer 可 分為 6 英寸 8 英寸 200mm 12 英寸 300mm 相應(yīng)的制造系統(tǒng)有所不同 300mm wafer fab 的自動化程度最高 集成電路晶圓制造系統(tǒng)有不同于傳統(tǒng)機(jī)械制造系統(tǒng)的特點 工序多 上百道工序 主要分為四類 沉積與擴(kuò)散 deposition and diffusion or thin film 照相 lithography 蝕刻 etching 離子注入 ion implanting 每道工序時間差異大 從一 二十分鐘到十幾小時 每道工序的工藝要求和生產(chǎn)方式不同 有的以單個 wafer 為單位 有的以 lot 為單位 一個 lot 由 12 或 24 個 wafer 構(gòu)成 有的以 batch 為單位 batch size 可 能大于 lot size 也可能小于 lot size 設(shè)備多且價格昂貴 分為生產(chǎn)設(shè)備 存儲設(shè)備 物料運(yùn)輸設(shè)備 一個 300mm wafer fab 有上百臺的生產(chǎn)設(shè)備 工藝路線復(fù)雜 一個顯著的特點是可重入 re entrant 的物流 即一種 wafer 的 不同層的工序在同一臺設(shè)備上加工 這給生產(chǎn)過程調(diào)度帶來了很大困難 經(jīng)常有急件 hot lot 和返工 rework 出現(xiàn) 設(shè)備容易發(fā)生故障 要安排預(yù)防性維護(hù) preventive maintenance 上圖引自 HiFiVE v3 0 A High Fidelity Virtual Environment for 300mm Wafer Fabrication by HiFiVE Project Team Keck Virtual Factory Laboratory Georgia Institute of Technology Lot Releaser Warehouse Process Tool Intrabay OHT Stocker Interbay OHT BAY 7 wafer fab 的布局 一個 wafer fab 通常由多個 bay 構(gòu)成 bay 相當(dāng)于一個工段或制 造單元 通常工藝相近的設(shè)備 tool 構(gòu)成一個 bay 一個 bay 有一個或幾個 stocker 用于存放 wafer 或工具 一個 bay 的內(nèi)部有 intra bay 的物料運(yùn)輸系統(tǒng) material handling systems e g AGV 整個 fab 有 inter bay 的物料運(yùn)輸系統(tǒng) 1 2 制造系統(tǒng)的狀態(tài)量 控制量 動力學(xué)機(jī)制與性能指標(biāo) 1 狀態(tài)量 states 一個制造系統(tǒng)的狀態(tài)量通常可分為如下幾類 機(jī)器狀態(tài) 庫存狀態(tài) 工件狀態(tài) 機(jī)器狀態(tài) 機(jī)器可能處于正常工作狀態(tài) operational up 或故障狀態(tài) failure down 在正常時可能處于工作狀態(tài) 或忙狀態(tài)busy 也可能處于空閑狀態(tài) idle 一般地 經(jīng)常假定機(jī)器的正常工作時間是服從負(fù)指數(shù)分布的隨機(jī)變量 概率密度函數(shù)為 0 則凈需求為0 否則 凈需求為其絕對值 令t 表 示It由正變負(fù)的時刻 則凈需求為 if if if 0 ttD ttI tt N t tt 28 2 確定批量 lot sizing 最常用的兩種確定生產(chǎn)批量的方法 1 最小批量生產(chǎn) lot for lot 每個周期的凈需求量是多少就生產(chǎn)多少 2 固定定貨周期 fixed order period 把m個周期的凈需求量累積在一起生 產(chǎn) 以減少生產(chǎn)準(zhǔn)備 setup 的次數(shù) 顯然 m 1時 以上兩種方法是等價的 3 確定生產(chǎn)任務(wù)或采購訂單下達(dá)時間 time phasing 根據(jù)交付期和提前期確定生產(chǎn)或采購任務(wù)下達(dá)時間 生產(chǎn)或采購任務(wù)下達(dá)時 間 Start time 交付期 Due date 提前期 Lead time 一般地 在MRP中 假定lead time是固定的 4 BOM展開 BOM explosion 首先計算LLC 0的產(chǎn)品或零部件的生產(chǎn)計劃 然后按照LLC由小到大的順 序 根據(jù)BOM計算各零部件的生產(chǎn)計劃 注 LLC編碼方法 Low level Code 為BOM中每個節(jié)點上的零部件建立一 個標(biāo)識其在BOM中所處層次的代碼 其編碼規(guī)則是 根節(jié)點的LLC 0 對于處 于其他節(jié)點位置上的某類零部件Pi 若其所有可能的父節(jié)點的集合為Fi 則Pi 的代碼為 LLCi max LLCj j Fi 1 例 零件A的MRP計算流程 Part A 1 2 3 4 5 6 7 8 Gross requirements 15 20 50 10 30 30 30 30 Scheduled receipts 10 10 100 Adjusted SRs 20 100 On hand inventory 20 5 5 55 45 15 15 Net requirements 15 30 30 Planned order receipts 45 30 Planned order releases 45 30 零件B 100 300 500的當(dāng)前庫存 已安排生產(chǎn)任務(wù)的交付期和產(chǎn)量 批量劃分規(guī) 則和提前期 Part Number Current On Hand Lot Sizing Rule Lead Time B 40 2 weeks 2 weeks 100 40 Lot for lot 2 weeks 300 40 Lot for lot 1 week 500 40 Lot for lot 4 weeks 29 零件B的MRP計算流程 Part B 1 2 3 4 5 6 7 8 Gross requirements 10 15 10 20 20 15 15 15 Scheduled receipts Adjusted SRs On hand inventory 40 30 15 5 15 Net requirements 15 20 15 15 15 Planned order receipts 35 30 15 Planned order releases 35 30 15 零件500的MRP計算流程 其毛需求量即為零件B的凈需求量乘以每份零件B 中零件500 的數(shù)量 Part 500 1 2 3 4 5 6 7 8 Gross requirements 35 30 15 Scheduled receipts Adjusted SRs On hand inventory 40 40 5 5 25 Net requirements 25 15 Planned order receipts 25 15 Planned order releases 25 15 例外報告 延遲下達(dá)生產(chǎn)指令 零件100的MRP計算流程 其毛需求量 零件A的凈需求量乘以每份零件A中零 件100 的數(shù)量 零件500的凈需求量乘以每份零件500中零件100的數(shù)量 Part 100 1 2 3 4 5 6 7 8 Required from A 90 60 Required from 500 25 15 Gross requirements 25 15 90 60 Scheduled receipts Adjusted SRs 30 On hand inventory 40 15 0 0 90 Net requirements 90 60 Planned order receipts 90 60 Planned order releases 90 60 零件300的MRP計算流程 其毛需求量 零件B的凈需求量乘以每份零件B中零 件300 的數(shù)量 零件100的凈需求量乘以每份零件100中零件300的數(shù)量 Part 300 1 2 3 4 5 6 7 8 Required from B 35 30 15 Required from 100 90 60 Gross requirements 125 90 15 Scheduled receipts 100 Adjusted SRs 100 On hand inventory 50 50 25 25 65 Net requirements 65 15 Planned order receipts 65 15 Planned order releases 65 15 制造資源計劃 Manufacturing Resource Planning MRPII MRPII是對MRP的拓展 它超越了物料的范疇 從制造資源的角度分析企 業(yè)的效益 它以BOM為基礎(chǔ) 自下而上地計算每件物料的材料成本 人工成本 制造成本 從而得出產(chǎn)品的最終成本 實現(xiàn)物料信息與資金信息的集成 把帳務(wù) 處理與事務(wù)處理相結(jié)合 追溯資金的流動過程 MRPII分為長期計劃 中期計劃 和短期生產(chǎn)控制這三個層次 且增加了需求預(yù)測 能力需求計劃等功能 長期計劃 長期需求預(yù)測 資源計劃 長期的總體生產(chǎn)計劃 中期計劃 主生產(chǎn)計劃 粗能力需求計劃 能力需求計劃 短期生產(chǎn)控制 生產(chǎn)任務(wù)下達(dá) 生產(chǎn)調(diào)度 輸入輸出控制 主要模塊 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理 MPS MRP CRP 庫存管理 車間作業(yè)管理 質(zhì)量 管理 銷售管理 采購管理 財務(wù)管理 成本管理等 企業(yè)資源計劃 Enterprise Resource Planning ERP 把MRPII拓展到企業(yè)的產(chǎn) 供 銷 人 財 物 質(zhì)量管理 庫存管理和 供應(yīng)鏈管理等各個方面 ERP把企業(yè)各方面的信息集成起來 有助于企業(yè)管理者 做出正確的決策 它超越了企業(yè)內(nèi)部的范疇 把客戶需求 企業(yè)內(nèi)部的經(jīng)營活動 以及供應(yīng)商的資源融合起來 增加了供應(yīng)鏈管理 supply chain management SCM 客戶關(guān)系管理 CRM customer relationship management 等模塊 它超越了 31 制造業(yè)的范疇 應(yīng)用于金融 IT 零售等行業(yè) 其優(yōu)點包括 各部門信息與功能 的集成 統(tǒng)一的用戶界面 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫 統(tǒng)一的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工具集等 其缺點 包括 與現(xiàn)存系統(tǒng)的不完全兼容 實施的長期性和高成本 回報周期長等 主流的ERP系統(tǒng) SAP R3 面向事務(wù)處理的ERP系統(tǒng) 包括財務(wù)管理 人 力資源管理 制造與物流管理 銷售與分銷管理等四個方面的應(yīng)用軟件包 Long range planning Intermediate range planning Short term control MRPII的遞階結(jié)構(gòu) Long term forecast Aggregate production planning Resource planning Master production planning Rough cut capacity planning Material requirements planning Demand management Capacity requirements planning Firm orders Short term forecast Bill of material On hand 緩沖區(qū)容量無限 機(jī)器在 正常狀態(tài)下的最大生產(chǎn)率 production rate 是 為一常數(shù) 需求率為d 也為一 常數(shù) 機(jī)器可能發(fā)生故障 以 t 表示t時刻機(jī)器的狀態(tài) 1 t 表示機(jī)器是正 常的 operational或up 0 t 表示機(jī)器發(fā)生故障 failure或down 單位時間內(nèi) 的故障率為p 修復(fù)率為q 以 tx表示t時刻系統(tǒng)內(nèi)的在制品狀態(tài) 若0 tx 則 tx表示實際的在制品數(shù)量 若0 tx 則 tx表示欠產(chǎn)數(shù)量 以 tu表示t 時刻機(jī)器的實際生產(chǎn)率 當(dāng)然 tu 對于這樣一個簡單的制造系統(tǒng) 可以容易地寫出它作為一個連續(xù)時間系統(tǒng)的動 態(tài)方程 dtu dt tdx 1 其中 控制變量 tu是有約束的 ttu 2 現(xiàn)在考慮控制的目標(biāo) 最小化生產(chǎn)成本 這里僅考慮兩類成本 在制品庫存成本 和欠產(chǎn)懲罰 以 c表示單位時間單位數(shù)量的在制品的成本 以 c表示單位時間 單 位 數(shù) 量 欠 產(chǎn) 懲 罰 另 0 max txtx 表 示 實 際 在 制 品 數(shù) 量 以 0 max txtx 表示實際欠產(chǎn)數(shù)量 于是在 0 T這段時間內(nèi)的生產(chǎn)成本的 均值為 T dttxctxcE T 0 1 3 于是這樣一類單機(jī)器單品種制造系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題可以表述為 min T dttxctxcE T 0 1 s t dtu dt tdx ttu 0 tu 用動態(tài)規(guī)劃法來解這一最優(yōu)控制問題 可以獲得這是一種根據(jù)不同狀態(tài)來切換 控制變量值的控制策略 稱為bang bang控制 0 if 0 1 and if 1 and if 1 and if 0 Zx Zxd Zx u 4 這里 Z為一常數(shù) 稱作Hedging Point 因此 這種控制策略也稱作Hedging Point Control Policy 34 2 3 基于離散事件系統(tǒng)模型的生產(chǎn)控制 1 車間生產(chǎn)控制 shop floor control 車間生產(chǎn)控制的實現(xiàn)有 推 push 和 拉 pull 兩種方式 推 生產(chǎn)方式根據(jù)需求 來調(diào)度生產(chǎn)作業(yè) 拉 生產(chǎn)方式根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)來授權(quán) authorize 生產(chǎn)作業(yè)的下達(dá) 推生產(chǎn)方式能夠保證滿足生產(chǎn)率的要求 但WIP可能較高 拉生產(chǎn)方式能夠保 證WIP控制在一定水平上 但不能保證生產(chǎn)率一定滿足要求 推推 push 生產(chǎn)方式生產(chǎn)方式 在 2 1中介紹的MRP生產(chǎn)方式是一種 推 push 生產(chǎn)方式 MRP系統(tǒng)生成的每 天或每班的物料需求計劃 下達(dá)給車間 車間生產(chǎn)控制系統(tǒng)則通過對生產(chǎn)過程進(jìn) 行調(diào)度來滿足物料需求計劃 生產(chǎn)調(diào)度問題是一個很難的問題 其一般提法如 下 給定n個工件 job m臺機(jī)器 其中n個工件的加工工藝順序 即所經(jīng)過的機(jī)器的 順序 是已經(jīng)確定的 要確定每臺機(jī)器上每個工件的加工順序 使得某個性能指 標(biāo) 例如所有工件加工完成的時間 最優(yōu) 例如 下圖 Gantt圖 所示的一個3零件3機(jī)器的調(diào)度方案 M1 M2 M3 o31 o32 o11 o12 o21 o22 o33 o23 o13 J1 J2 J3 t s11 s21 s31 e31 e21 s32 e11 s12 s22 e32 s33 e12 s13 s23 e33 e23 e13 Cmax e22 35 由這個簡單的例子可以看出 1 生產(chǎn)能力沒有被全部利用 機(jī)器有空閑 這就可能造成生產(chǎn)計劃可能完不成 2 正因為機(jī)器有空閑時間 所以調(diào)度存在優(yōu)化的余地 3 每個零件的加工必須滿足工藝順序約束 4 每臺機(jī)器同時只能加工一個零件 5 每道工序的加工一旦開始就不能中斷 直到加工結(jié)束為止 上述3 5為一個可行調(diào)度的基本約束條件 調(diào)度問題的常用性能指標(biāo) performance measurements 1 完成所有工件加工的最大時間 時間跨度 makespan niCC i 1 max max 這里 i C為工件i的完成時間 2 完成所有加工作業(yè)的平均時間 nCC n i i 1 3 所有工件的最大生產(chǎn)周期 sojourn time niFF i 1 max max 這里 i F為工件i的停留時間 iii bCF 4 所有工件的平均生產(chǎn)周期 nFF n i i 1 5 工件加工的最大推遲完成時間 lateness niLL i 1 max max 這里 i L為 工件i的推遲時間 iii dCL 其中 i d為工件i的交貨期 due date 6 工件加工的平均推遲完成時間 nLL n i i 1 7 工件加工的最大拖后完成時間 tardiness niTT i 1 max max 這里 i T 為工件i的拖后時間 0 max ii LT 8 工件加工的平均推遲完成時間 nTT n i i 1 單機(jī)調(diào)度問題 Minimize F 把工件按加工時間從小到大排序 SPT shortest processing time 調(diào)度 Minimize max L 把工件按交貨期從小到大排序 EDD earliest due date 調(diào)度 注意 目前很多關(guān)于單機(jī)調(diào)度的研究考慮的情況更為復(fù)雜一些 例如考慮批量生 產(chǎn)的情形 考慮準(zhǔn)備時間和排序有關(guān)的情形 雙機(jī)調(diào)度問題 Minimize max C Johnson算法 把所有工件分為兩個集合A與B 凡是在機(jī)器1 上的加工時間小于或等于在機(jī)器2上的加工時間的工件屬于集合A 而其余的工 件屬于集合B 先按照最短加工時間優(yōu)先的規(guī)則調(diào)度集合A中的工件 然后按照 最長加工時間優(yōu)先的原則調(diào)度集合B中的工件 則獲得可以最小化加工時間跨 度的最優(yōu)調(diào)度 研究表明 機(jī)器數(shù)3 m的n個工件的調(diào)度問題是NP困難 NP hard 的 即至今尚 未找到多項式復(fù)雜程度的算法來解決此問題 在NP困難問題中 最困難的一類 36 稱作NP完全問題 NP complete 一旦NP完全問題被解決 則所有的NP問題都 被解決 對于NP難題 既然難以獲得其最優(yōu)解 那么就會有很多求取滿意解的 方法 例如 基于規(guī)則的調(diào)度 啟發(fā)式算法 智能優(yōu)化算法等 常用的調(diào)度規(guī)則 1 FCFS 先到先服務(wù) 2 LCFS 后到先服務(wù) 3 EDD 交貨期最早優(yōu)先 4 SPT 最短加工時間優(yōu)先 5 LPT 最長加工時間優(yōu)先 6 LWKR 最少剩余加工時間優(yōu)先 7 MWKR 最多剩余加工時間優(yōu)先 8 SLK 最小松弛時間優(yōu)先 i n jq iqi ptdSLACK 9 FOPNR 剩余工序數(shù) 1 jni最少優(yōu)先 10 MOPNR 剩余工序最多優(yōu)先 這些規(guī)則的有效性要通過仿真來驗證和比較 規(guī)則不是一成不變的 應(yīng)當(dāng)針對具 體的問題應(yīng)用現(xiàn)有的規(guī)則 或設(shè)計新的規(guī)則 解生產(chǎn)調(diào)度問題的一些常用算法 分支定界算法 Branch and Bound 拉格朗日松弛法 Lagrange Relaxation 禁忌搜索算法 Tabu Searching 模擬退火算法 Simulated Annealing 遺傳算法 Genetic Algorithm 拉拉 pull 生產(chǎn)方式生產(chǎn)方式 拉 生產(chǎn)方式起源于豐田汽車的 準(zhǔn)時生產(chǎn) JIT just in time 即只有下游在需要 的時候才生產(chǎn) 是一種旨在盡可能減少浪費(fèi)的生產(chǎn)管理思想和模式 其總的目標(biāo) 是 在生產(chǎn)線上 物流應(yīng)該是連續(xù)的 順暢的 每個工位只有在它需要時才從其 上游工位獲得所需的物料 且數(shù)量是精確的 實際上JIT的內(nèi)涵不僅僅是準(zhǔn)時 JIT的目標(biāo)是實現(xiàn) 七個零 零缺陷 zero defects 零批量 zero lot size 零準(zhǔn)備時 間 zero setups 零故障 zero breakdowns 零搬運(yùn) zero handling 零提前期 zero lead time 零波動 zero surging 實現(xiàn)JIT的方法 1 平滑生產(chǎn) production smoothing 生產(chǎn)線各工位負(fù)荷盡量平衡 2 能力緩沖 capacity buffer MRP是通過WIP來緩沖生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的波動 而JIT追求零在制品 因此采用增加生產(chǎn)能力 時間 的方法來平滑生產(chǎn)過程 3 減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時間 setup reduction MRP采用增大批量的方法減少準(zhǔn)備時間 這樣會導(dǎo)致WIP增加 而JIT正相反 它要求減少生產(chǎn)準(zhǔn)備絕對時間 4 培訓(xùn)多面手工人 cross training 5 改善車間布局 plant layout 6 全面質(zhì)量管理 total quality management 重視解決生產(chǎn)過程中每個環(huán)節(jié)的質(zhì) 量問題 一個工人甚至可以停止整個生產(chǎn)線來解決質(zhì)量問題 不把質(zhì)量問題 37 傳播到下游生產(chǎn)環(huán)節(jié) 也不接受來自上游生產(chǎn)環(huán)節(jié)的有質(zhì)量問題的零件 1990年 MIT的科學(xué)家在JIT的基礎(chǔ)上提出了 精益生產(chǎn) lean production 幾種 拉 生產(chǎn)方式的實現(xiàn)方法 1 基本庫存控制系統(tǒng) Base Stock Control System BSCS 上圖中 Pi中的在制品數(shù)量為基本庫存量 每到達(dá)一個需求 則上游機(jī)器釋放一 個零件給下游機(jī)器 下游機(jī)器生產(chǎn)一個零件 補(bǔ)充庫存 使庫存量始終保持在基 本庫存量的水平上 2 看板控制系統(tǒng) kanban control system KCS 看板 又稱 生產(chǎn)授權(quán)卡 production aurhorization card PAC 設(shè)有一如下圖 所示的串行生產(chǎn)線 在看板控制系統(tǒng)作用下 其生產(chǎn)過程如下圖所示 其邏輯關(guān)系如下圖所示 38 上圖中 DAi中保存的是 看板 看板的數(shù)量是確定的 只有在有看板授權(quán) authorize 的情況下 上游機(jī)器才能釋放一個零件給下游機(jī)器 3 定量在制品 constant work in process CONWIP 控制系統(tǒng) 生產(chǎn)線中的在制品總量是常數(shù) 由kanban來控制 每個kanban附著于一個工件 當(dāng)一個工件完成生產(chǎn)離開生產(chǎn)線時 釋放出其kanban 該kanban返回生產(chǎn)線起 始端 授權(quán)一個新的工件進(jìn)入生產(chǎn)線 4 分階段在制品控制系統(tǒng) stage WIP control system 以看板控制機(jī)器的生產(chǎn) 以看板控制機(jī)器及其輸入緩沖區(qū) 39 以看板控制機(jī)器及其輸出緩沖區(qū) 5 擴(kuò)展看板控制系統(tǒng) extended kanban control system EKCS 擴(kuò)展看板控制系統(tǒng)結(jié)合了基本庫存控制系統(tǒng)和看板控制系統(tǒng)的特點 既能保證每 個機(jī)器上在制品的基本庫存水平 又是由看板來授權(quán)上游機(jī)器向下游機(jī)器釋放零 件 從而拉動生產(chǎn)進(jìn)行的 上圖中 PAi是機(jī)器的輸出緩沖區(qū) 其中包含Si個零件 這是基本庫存量 每個 零件上附著一個看板 Ai中包含的是Ki Si個看板 因此看板總數(shù)是Ki個 看板 數(shù)量決定了在制品數(shù)量的上界 6 并行擴(kuò)展看板控制系統(tǒng) simultaneous extended kanban control system SEKCS 對于如下圖所示的機(jī)加工與裝配生產(chǎn)系統(tǒng) 可以采用如下形式的擴(kuò)展看板控制系統(tǒng) 40 由于裝配車間有多個并行的上游生產(chǎn)單位 因此采取并行擴(kuò)展看板控制系統(tǒng) 以上各圖引自 1 Liberopoulos G and Dallery Y 2000 A unified framework for pull control mechanisms in multi stage manufacturing systems Annals of Operations Research vol 93 pp 325 355 2 Chaouiya C Liberopoulos G and Dallery Y 2000 The extended kanban control system for production coordination of assembly manufacturing systems IIE Transactions vol 32 pp 999 1012 2 基于 Petri 網(wǎng)模型的控制 系統(tǒng)的監(jiān)控 supervisory control 和避免死鎖 dead lock free 的控制 見第5 7章 3 基于排隊網(wǎng)絡(luò)模型的控制 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 生產(chǎn)率控制 工件進(jìn)入系統(tǒng) admission control 的控制 見第 8 10章 41 第 3 章 基于仿真的制造系統(tǒng)分析與控制 1 制造系統(tǒng)仿真軟件在工程上已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用 常用的仿真軟件包括 ProModel Witness eM Plant QUEST Simul8 Flexsim等 MathWorks公司在其 2006年版的Matlab Simulink中增加了離散事件系統(tǒng)仿真模塊SimEvents 這一模 塊的出現(xiàn)為在Simulink環(huán)境下對制造系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析提供了良好的工具 本 章將首先介紹一個基于eM Plant的裝配線仿真分析工程實例 然后介紹基于 SimEvents的制造系統(tǒng)分析與控制方法 3 1 工程實例 裝載機(jī)總裝生產(chǎn)線仿真分析 某裝載機(jī)總裝生產(chǎn)線包括1條總裝線 2條分裝線 前 后車架分裝線 駕駛室分 裝線 和7個分裝工序 分配閥分裝 加力泵 儲氣罐分裝 機(jī)油冷卻器分裝 油 門拉桿分裝 濾清器分裝 發(fā)動機(jī)罩分裝 輪胎總成分裝 總裝線共由19個工 位組成 其中有16個工位分布在總裝車間內(nèi) 另外三個工位在完成工作裝置裝 配 在另一個車間完成 總裝線上每個工位要完成若干道工序 16個工位共完成 工序68道 車間共有操作工人73人 其中38人在總裝線上工作 另外 總裝線 上共有大小行車11臺 氣槍 扳手若干 裝配作業(yè)時間測定 work measurement work study 以第一和第七兩個工位為例 一工位 上線 2 裝下平 衡塊 3 裝后平 衡塊 4 安裝動臂缸 5安 裝 動 臂 缸 鋼管 6 注 潤 滑 油 脂 7 平均 1 01 6 5 31 3 4 33 5 00 5 41 3 0 55 2 工人分配 白天翔 劉林 白天翔 劉林 白天翔 劉林 張強(qiáng) 徐剛 徐剛 運(yùn)動中可否裝配 F F F F F T 工位范圍 1 1 1 1 2 1 2 1 2 七工位 后轉(zhuǎn)動軸 安裝 34 濾清器 安裝 35 裝壓力 油管 36 操縱機(jī)構(gòu) 連接 37 連氣管 38 電線連接 馬達(dá) 39 裝油門 40 注 與 31 合 已在 6 工位體現(xiàn) 平均 7 36 4 2 02 5 1 48 0 27 1 30 4 23 1 00 工人分配 李品振 賈文迎薛永芹張守文 董現(xiàn)寶劉靜 曹幼光 運(yùn)動中可否裝配 F T T T 工位范圍 6 7 6 7 6 7 6 8 42 裝配作業(yè)先后順序關(guān)系矩陣 上 線 裝 下 平 衡 塊 裝 后 平 衡 塊 安 裝 動 臂 缸 安 裝 動 臂 缸 鋼 管 注 油 脂 發(fā) 動 機(jī) 安 裝 裝 油 管 水 箱 安 裝 后 轉(zhuǎn) 動 軸 安 裝 慮 清 器 安 裝 裝 壓 力 油 管 操 縱 機(jī) 構(gòu) 連 接 進(jìn) 氣 管 連 接 電 線 連 接 油 門 管 連 接 油 管 安 裝 管 路 連 接 發(fā) 動 機(jī) 罩 安 裝 上線 裝下平衡塊 1 裝后平衡塊 1 安裝動臂缸 1 安裝動臂缸鋼管 1 注油脂 1 發(fā)動機(jī)安裝 裝油管 1 水箱安裝 1 后轉(zhuǎn)動軸安裝 1 慮清器安裝 1 裝壓力油管 1 操縱機(jī)構(gòu)連接 1 進(jìn)氣管連接 1 電線連接 1 油門管連接 1 油管安裝 1 管路連接 1 發(fā)動機(jī)罩安裝 1 1 1 1 1 1 1 1 1 EM Plant仿真軟件環(huán)境下總裝線仿真模型的設(shè)計 該裝載機(jī)總裝線的特點 1 總裝線為同步線 同走同停 移動一個工位 約6 8m 需2 30 在每個工位上 停留14 30 靜止與運(yùn)動交替進(jìn)行 2 一個工位中含有多道工序 每道工序可能由不同的工人來完成 一個工位上 有些工序之間的存在相互約束關(guān)系 使得工位上總的工序的作業(yè)存在串行與 并行兩種情況 43 3 工人跨工位作業(yè)頻繁 由于工人分配或是由于工人不能按時到位進(jìn)行操作等 原因 有可能使原來可并行作業(yè)的工序?qū)嶋H上以串行方式進(jìn)行作業(yè) 4 由于行車 空間位置等資源的約束也有可能使原來可并行作業(yè)的工序最終以 串行方式進(jìn)行作業(yè) 解決方案 通常生產(chǎn)線的計算機(jī)仿真都以工位為對象建模 然而 對于這一總裝線 上述特 點使得一個工位中工序之間的串行與并行關(guān)系很復(fù)雜 并且每個工位的工作持續(xù) 時間也很難確定 因此 難以簡單地用工位為對象來建模 此外 由于一個工位 上存在多個工人操作 用這種表示方法也很難反映出每個工人的工作量 因此 這里采用以工序為對象進(jìn)行建模的方法 工序控件 工序控件是模型中的最基本的單元 用來模擬實現(xiàn)實際工序裝配操作 工 序的主要屬性包括 Object Name 工序名稱 Work Position 分配到哪個工位 Restrict Work Position 設(shè)置該道工序 是否一定要在所分配的工位處完成 默認(rèn)為是 如選否 則出現(xiàn)兩個輸入框 用來輸入完成該道工序的工位起始處 Working When Moving 工件在移動 時 是否可繼續(xù)操作 Succedent Object 后續(xù)操作內(nèi)容 Setworkstation 設(shè)置工作站 Assembly time failure 該道工序的作 業(yè)時間及故障時間定義 Buffer Set 緩沖區(qū)容量定義 裝配線走?？丶?用來設(shè)定裝配線的節(jié)拍 作業(yè)時間與 走動時間 并在節(jié)拍的作業(yè)時間到達(dá) 時 判斷是否所有工位上的作業(yè)內(nèi)容 均已完成 根據(jù)判斷結(jié)果來推進(jìn)工件 走向下一工位或是停線 等待直至所 有工位上的作業(yè)內(nèi)容均告完成 其主 要屬性包括 Object Name 控件名稱 Workplace Set 設(shè)置每個生產(chǎn)節(jié)拍時 間內(nèi)用于裝配作業(yè)的時間 Walk Set 設(shè)置每個生產(chǎn)節(jié)拍時間內(nèi)裝配線走動時間 Success Object 后續(xù)操作內(nèi)容 44 其它控件 仿真時鐘 用來模擬現(xiàn)實世界中時間的變化 工件生成序列 確定工件以什么方式產(chǎn)生 工件生成器 根據(jù)工件生成序列生成工件 成品站 放置裝配完的產(chǎn)品 并對產(chǎn)量進(jìn)行分析 顯示 緩沖區(qū) 臨時存放待裝工件的地方 裝配器 把部件裝配到工件上 衍生器 由一個源工件復(fù)印生成多個具體同樣性質(zhì)工件的副本 圖表顯示器 以表或圖的形式顯示分析結(jié)果 工人管理器 工人的調(diào)度管理 根據(jù)請求派出工人 無需求時招回工人 工人 表示具體的一個工人 工作站 提供一個用來裝配的空間 工件 待裝配的原型 如裝載機(jī)的車架 通過開發(fā)與應(yīng)用以上控件 以工序為對象 以工序的先后作業(yè)順序關(guān)系及所需的 作業(yè)資源為約束 建立裝配線的工序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 然后 給每個工序控件的各個 屬性賦以相應(yīng)的值 即分配的工位 作業(yè)時間 分配的工人 在工序資源約束表 中 給每道工序設(shè)定相應(yīng)的資源 行車 工具 空間位置等 約束 在工件生成序 列控件中 設(shè)置工件的產(chǎn)生模式 單品種或是混合品種 在裝配線走?？丶?設(shè)定裝配線節(jié)拍 工作時間與走動時間 完成所有的操作后 裝配線的建模工作 就完成了 最終模型如下圖所示 仿真時鐘仿真時鐘 工件生成序列工件生成序列 工件生成器工件生成器 成品站成品站 緩沖區(qū)緩沖區(qū) 裝配器裝配器 衍生器衍生器 圖表顯示器圖表顯示器 工人管理器工人管理器 工人工人 工作站工作站 工件工件 45 現(xiàn)行總裝線運(yùn)行狀況分析 在完成系統(tǒng)的建模后 運(yùn)行仿真模型 生產(chǎn)節(jié)拍 17分鐘 其中走動2 30秒 工作 14 30 得到如下結(jié)果 見下表 從所得結(jié)果分析可知 1 工位負(fù)荷分布不均 2 生產(chǎn)節(jié)拍為17分鐘時 總裝線上各工位并沒有處于滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行 每工位裝配時間 生產(chǎn)節(jié)拍 17分鐘 工位 耗時 工位 耗時 1 11 41 1000 9 8 40 0000 2 6 21 0000 10 9 20 0000 3 2 36 8000 11 11 35 0000 4 8 57 0000 12 9 29 5000 5 8 07 3000 13 8 53 0000 6 6 54 6000 14 9 28 0000 7 7 36 4000 15 6 00 0000 8 9 55 0000 16 注 第16工位的工作內(nèi)容為加油加水 開動裝載機(jī)下線 并無實質(zhì)的裝配工作 并且時間較短 因此在仿真分析中不予考慮 46 工人負(fù)荷分析 1 總裝線上工人的負(fù)荷極其不均 最大的達(dá)到節(jié)拍時間的70 14分鐘 這 已接近工節(jié)拍所允許的最大作業(yè)時間 而最小的不足10 不到2分鐘 2 總裝線上有一半工人的工作負(fù)荷小于50 也就是說 其休息的時間比工作 的時間更長 勞動強(qiáng)度明顯不足 限制日產(chǎn)量提高 即生產(chǎn)節(jié)拍加快 的原因分析 1 工序分配不合理 對于在作業(yè)上有前后約束關(guān)系的工序 沒有盡量分配到不 同的工位上 2 工序劃分不合理 某些單道工序的作業(yè)時間都很長 某些工序還可以進(jìn)行進(jìn) 一步的拆分 3 資源的分布不合理 例如行車的分配 4 工位的空間布局不合理的情況 未考慮到空間位置的約束 多種改進(jìn)方案仿真實驗分析 節(jié)拍壓縮到14分鐘時 走動2 30 工作11 30 現(xiàn)有裝配線上 1工位與11工位的作業(yè)時間均超過11 30 形成瓶頸 因此要壓 縮這兩個工位的作業(yè)時間 為此可采取如下措施 一是把有先后約束關(guān)系的工序 分配到不同的工位上 二是拆分工序 重新分配工人與工位 三是減少工序在總 裝線上作業(yè)時間 方案一 把1工位上的安裝動臂缸鋼管與注潤滑油脂調(diào)整到2工位上 把11工位上的操縱軟軸固定調(diào)整到12工位 并將此任務(wù)分配給原儀表盤安 裝的工人 47 每工位裝配時間 工位 耗時 說明 工位 耗時 說明 1 11 05 9000 工位作業(yè)時間縮短 11 11 00 0000 工位作業(yè)時間縮短 2 7 51 0000 12 9 29 5000 工人負(fù)荷 仿真結(jié)果 仿真運(yùn)行一個月 工作日為22天 每天實際工作7小時 折合時間為154小時 另 外去除在程序運(yùn)行時的布線時間 16工位 節(jié)拍為14分鐘的布線時間 3小時44 分 鐘 故 一 個 月 的 實 際 工 作 時 間 在 仿 真 運(yùn) 行 程 序 中 的 反 映 就 是 154 H 3 H 44 M 157 H 44 M 由于仿真軟件內(nèi)的仿真時鐘是以每天24小 時計 折合為6天13小時44分鐘 方案1的仿真結(jié)果 實 際 耗 時 H 仿真時鐘時間 24H D 總產(chǎn)量 臺 單臺耗時 下 線 數(shù) 量 臺 每小時 臺 7H 去 除 布 線 時間 限 制 工位 154 6 13 44 00 0000 660 3 44 00 0000 4 28 30 01 是 是 第一種調(diào)整方案中 調(diào)整內(nèi)容只牽涉到1 2 11與12工位 調(diào)整工序只有 3道 只有一個工人分配到新的任務(wù) 因此實施較易 但總裝線上原來工位不平 衡 工人負(fù)荷不均等情況并沒有得到多大的改善 48 方案二 把1工位上的安裝動臂缸鋼管與注潤滑油脂調(diào)整到3工位上 把11工位上 的暖風(fēng)機(jī) 工具箱安裝進(jìn)行改進(jìn) 即把工具箱先進(jìn)行組裝 然后 再拿到總裝線 上來裝配 其余不變 經(jīng)過調(diào)整之后 1與11工位處的工位負(fù)荷均降到節(jié)拍允許的作業(yè)時間 11 30 之內(nèi) 而由于1工位處部分工序調(diào)整到3工位 使得3工位處的關(guān)鍵路徑產(chǎn)生了 變化 該工位負(fù)荷有較長的增加 另外11工位處的工位負(fù)荷降低較大 使得8工 位成為第二瓶頸 第二種調(diào)整方案中 調(diào)整內(nèi)容只牽涉到1 3與11工位 調(diào)整工序只有3道 總裝線上無工人分配到新的任務(wù) 因此實施起來比第一種方案更為容易 經(jīng)過這 樣調(diào)整之后 工位相對比較平衡 因為3工位的負(fù)荷從原有的不到3分鐘到現(xiàn)在 的7分多鐘 大致達(dá)到平均水平 工人的負(fù)荷不平衡狀況雖有一定的改善 但 仍然比較嚴(yán)重 方案三 在盡量平衡每個工人的作業(yè)時間和盡量減少工人跨工位作業(yè)的指導(dǎo)原則下 做 如下調(diào)整 把1工位上的安裝動臂缸鋼管與注潤滑油脂調(diào)整到3工位上 操作者不變 把11工位上的暖風(fēng)機(jī) 工具箱安裝進(jìn)行拆分 暖風(fēng)機(jī)的安裝仍然由原來操作者 來完成 把工具箱的安裝放在13工位 由原裝座椅的工人來完成 將下部機(jī)構(gòu)車上安裝移到第1工位 由安裝動臂缸的工人操作 增加其勞動 強(qiáng)度 將轉(zhuǎn)向缸進(jìn)油膠管安裝改由安裝動臂缸鋼管的工人操作 減少跨工位作業(yè) 把部裝線上的前橋油管與前橋油管線下組裝 安排到3工位處 便于部件運(yùn) 輸與管理 也增加3工位上的工作強(qiáng)度 由原來的操作者完成 將單穩(wěn)閥車上安裝調(diào)整到4工位處 由原下部機(jī)構(gòu)組裝的工人來操作 同時 把5工位上的機(jī)油冷卻器安裝調(diào)整到4工位 也由此人來做 另外 把連鉸接頭 兩軟軸車上安裝也改由此人來操作 因為兩軟軸車上安裝的工人在總裝線上就做 這一道工序 這樣就可以解放出此人 留待備用 把動臂缸膠管連接 轉(zhuǎn)向缸油管連接改由多路閥總成車上安裝的工人來完 成 操作連貫 方便 將機(jī)油冷卻器安裝和油水分離器安裝改由裝后橋油管連接及放氣嘴的工人 來操作 增加其工作強(qiáng)度 原先裝后橋油管連接及放氣嘴的工人只做一道工序 5工位上剩下工內(nèi)容 由儲氣罐安裝與后橋油管連接及放氣嘴的工人一塊 協(xié)同完成 提高工人的利用率 工作比較緊湊 將濾清器安裝 裝壓力油管 操縱機(jī)構(gòu)連接 裝油門均改由裝連氣管的工人 來完成 將發(fā)動機(jī)罩安裝的螺栓緊固由原來燃油箱安裝的工人改由來發(fā)動機(jī)罩安裝 的工人完成 將裝煙筒空濾器改由裝油管連接 單穩(wěn) 油箱 多路閥 油箱 轉(zhuǎn)向器 回油管 的工人來完成 并安排在9工位完成 將連手剎車 油門拉桿連接 左右支架安裝與儀表盤線下組裝啟動繼電器 改由原來操作兩軟軸車上安裝的工人來完成 其余不變 49 每工位裝配時間 工位 耗時 說明 工位 耗時 說明 1 11 05 9000 工位作業(yè)時間減少 9 8 40 0000 2 7 51 0000 10 9 20 0000 3 8 00 0000 工位作業(yè)時間增加 11 7 35 0000 工位作業(yè)時間減少 4 8 57 0000 12 9 29 4000 5 7 38 0000 工位作業(yè)時間減少 13 9 24 0000 工位作業(yè)時間增加 6 8 18 6000 工位作業(yè)時間減少 14 9 28 0000 7 7 36