基于优先级排产的车间仿真.pdf

Software Application 软件应用IM投稿网站： 2024年第1期 89基于优先级排产的车间仿真杜芝（青岛前哨精密机械有限责任公司，山东 青岛 266045）摘要：优先级算法的主逻辑是生产周期长且交货期短的零件具有较高的排产优先级，也可根据情况累加其他因素系数；针对每一道工序，有许多台可用设备，在满足车间忍耐度的情况下，尽可能地排在优先级最高的设备上。本文根据某机加车间的实际业务场景，选取某销售订单，对订单相关的零件进行优先级排产算法仿真，输出生产计划甘特图，直观地展示零件的交付时间。关键词：优先级排产；仿真；甘特图中图分类号：TP391.9 文献标志码：A1引言ERP 和 MES 在制造型企业的广泛应用，为企业的精细化生产带来了新的问题。ERP 是整个企业的信息管理系统，企业的经营、财务、生产和销售等均在 ERP 下运行，但在生产排程方面功能有限，输出的零件级生产计划建议无法透视到公司车间级的生产任务。而 MES 是生产现场数据采集监控系统，仅记录整个生产过程并实现产品的可追溯性，这就使得生产过程出现了断点。高级计划排产能给出详细的排程计划，成为 ERP 的补充，同时它提供的计划数据也可与 MES 的实时数据做出对比，方便计划的适时调整。因此，排产对于提高生产管理水平、节约成本、提高服务质量、提高企业竞争力和获得更高的经济效益具有重要意义。一般来说，多品种、小批量、设备多和工序多导致计划编制有困难，或物料不稳、订单经常变更、需要经常修改计划的企业，都可以考虑一种合理的排产算法来改善不成熟的排程。截止目前，多位专家和学者在这个领域进行了相关研究，有遗传算法1、粒子群算法2、生产负荷平衡的混流模型3等，每种算法各有优势，但大都模型庞大，不能广泛地适配生产制造业的业务场景。在先前研究中，提出了优先级排产算法并详细介绍了该算法的建模和算法实现4。本文将根据某机加车间的实际情况，对某订单相关的待加工零件利用优先级排产算法进行仿真模拟排产，输出排产甘特图和零件入库计划表等。2算法简述和算法仿真2.1算法简述优先级算法的主逻辑是生产周期长且交货期短的零件具有较高的排产优先级；同时还可以兼顾重要客户优先、研试制优先或者利润优先等；针对每一道工序，有许多台可用设备，在满足车间忍耐度的情况下，尽可能地排在优先级最高的设备上。用这个方法可以将零件各IM软件应用 Software Application90 2024年第1期工序分配到相应的设备上，并根据得到的排序确定各个零件的开始和结束时间，建立各零件任务全周期、执行全过程的生产计划，减少排程的随意性与盲目性。排程后，还可得到投料计划、外协计划、入库计划等，为企业的ERP 系统和 MES 的信息互通起到纽带作用。2.2算法仿真选择两个某销售订单中的 5 个产品运用优先级排产算法对他们进行排产，该订单中 5 种气动工具共含有 22个待加工零件。以待加工零件 A 为例，根据表格，已知零件工艺路线、每个工序的准备工时和单件加工工时，以及工序对应的可用设备列表，见表 1。在表中“可用设备列表”一列中，第一个括号中的设备代表工序第一优先级的设备，以此类推，每个优先级可有一台或多台设备。表 1零件 A 的工艺路线工序号工序名称准备时长/h单件加工时长/s是否外协工序可用设备列表0料005加工中心140（A1）（A2）15数车2480（B2，B6）（B1）20外磨030（D1）（D2）25专铣0.510（E1）30滚齿1120（G1）（G2）35钳去毛刺030加工者40中检检检检验员45热处理转转是50磨内孔120（D5，D6，D7）55外磨160（D3）60外磨160（D3）65磨端面160（D1，D2）70钳去毛刺0.520加工者75成检检检80振动光饰光饰机根据公式 （1）式中，i 表示某零件工序顺序值，p 表示某零件工序总数，t 表示该某工序开始前的准备时间，n 表示该零件待加工数量，公式分母表示的是该零件任务的加工周期。T1表示要交付时间，T 表示排产开始时间，公式分子表示离交货期剩余的时间。如果多个订单的待加工零件合并排产5-6，想把研试制产品零件或战略客户订单产品零件提前排产，可以在紧迫系数的基础上，加上相应的权重系数。将 K 定义为优先级系数：（2）式中，k 可由式（1）计算出，k1、k2、k3可根据公司的战略和经营理念来规定系数的值，建议取值范围为（0，1），Y 代表是否为研试制加工件，C 代表是否为战略客户订单的加工件，P 代表是否为利润率大于某个值的产品的加工件，Y、C、P 的取值为 0 或 1，还可以根据公司的实际情况配置影响优先级系数值的其他权重项。根据表 1，零件 A 的总工序数是 16，每道工序的单件加工时间表示某工序单件加工时间，根据 ERP 给出的零件生产计划，可知每个待加工零件的数量及交货期，每个工作日按 8h 计算（本次计算外协工序的耗用时间均采用 48h，实际外协可能有差异）。可以计算出每个零件的紧迫系数，见表 2。表 2待排产零件的紧迫系数序号零件名称紧迫系数1枪筒1.282气缸 10.963气缸前盖0.904气缸0.715导套0.706手柄0.647内齿套0.628气缸后盖0.629气缸 20.5710转子 20.5511转子 10.5212转子 30.5113阀套0.5014齿轮架0.4815进气接嘴0.4416压杆0.3617锁紧螺母0.2518活动阀0.23Software Application 软件应用IM投稿网站： 2024年第1期 91（续）序号零件名称紧迫系数19导气块0.1620外挡环0.1021内挡环0.0922主轴0.08根据表 2 数据，优先级系数大的零件优先排产。每一道工序的可用设备列表和列表中设备的优先级是已知条件，优先级的划分充分考虑了精度、费用和操作的便利性等。比如根据表 2 的紧迫系数情况，要先找到枪筒的第一道工序所对应的可用设备列表。每个零件的第 0工序都是备料，不需要排产，第 5 工序是加工中心，可用设备有两台 A1 和 A2，从表中可以看出两台设备处于不同的优先级。通常情况下该车间的设备等待忍耐度是2h，如果此时 A1 设备等待的时间小于 2h，且能够满足其加工周期，该工序就排在 A1 设备上，如果以上条件不能完全满足，就考虑排在 A2 设备上，但是也必须满足车间忍耐度和加工周期的条件。如果 A1 和 A2 都不能满足以上情况，那就排在 A1 上，并记录开始时间和结束时间。再排第二道工序，第二道工序与第一道工序的不同点是在第一优先级里有两台设备，在满足车间忍耐度的情况下，选择一台等待时间最短的设备进行排产。如果条件不满足就按照第一道工序，依次类推。人工的排程计算量比较大，且该算法通用性较好，计算过程可让计算机代替。利用 Matlab 可以进行所有零件的仿真，得到排产甘特图如图 1 所示，还可得到投料计划表、入库计划表和外协计划表。排产甘特图横坐标代表时间，最小分度值为 1h，每天排产 8h，纵坐标代表设备代号，由于仅排了两个订单，从甘特图中看出设备的利用率不是很理想。图 1优先级排产算法甘特图（部分）3生产问题的改善针对目前车间的生产现状和问题，优先级算法的应用对应给出了解决措施。某公司在运用排产算法之前，由于没有一个明确的排程计算方法，原来回复客户交期时是由计划员根据经验预估的时间，如果预计交期长，很可能会跑单，竞争对手可能会拿到该订单；如果预计交期短，公司的生产将面临挑战，无疑会对产品质量有一定影响。用优先级IM软件应用 Software Application92 2024年第1期排产的方法计算后会有一个较准确的交货期，避免以上两难的处境。且公司还存在紧急插单的情况，会导致承诺交期困难，原来承诺的交期也会打乱，导致所有在制订单交期延后，也没有具体方案，但运用了该算法，问题迎刃而解。由于之前的计划并不是完全的订单驱动，会导致产品完成后较长一段时间可能没有相应订单，导致库存增加；或者为了赶工新订单，原来的生产任务会在生产线暂时搁置，导致产线上在制品数量增多，给现场管理带来困难。现在该算法以订单为驱动，解决了此问题。由于现场机器众多，靠人脑做计划很难使得每台设备上的任务比较均衡，会导致有些设备上的任务很多，有些设备任务很少，设备利用率低。该算法在充分考虑了设备与工序适配的同时，还利用车间忍耐度来保证不会在同一台设备上无限制地叠加任务，使得设备利用相对均衡。生产计划人员无法直观获得生产进度，用优先级算法排程后，输出了生产计划甘特图，使得生产进度透明，便于计划人员合理安排零件的外协工序的相应事项和掌握入库时间等。4结束语本文根据某机加车间的实际情况，选取部分有代表性的零件进行优先级排产算法仿真。运用 Matlab 工具，得到了排产甘特图。基于此排产逻辑做出的排产充分考虑了加工周期和交货期，以及车间现有设备与工序的关系，车间忍耐度的引入会使得某设备上等待的任务不会无限制的增加，这对设备的整体的利用率也会提高。另外还针对某些特殊订单，如研试制订单或战略客户订单等做特殊处理，通用性较好，对实际生产具有指导意义，在以后的探索中将根据不同的需求进行优化迭代。参考文献1 韩志甲，邓海峡，李晓平基于遗传算法的排产优化方法 J太赫兹科学与电子信息学报，2014，12(4)：595-5992 赵良辉，邓飞其用于作业车间调度的模拟退火算 法 J制造业自动化，2006，28(3)：10-12，23.3 刘芬，张训全，陶泓序基于生产负荷平衡的混流装配线计划排序问题 J价值工程，2015，34(15)：231-2324 杜芝基于优先级的车间排产算法的研究 J智能制 造，2023(1)：113-1155 周维，程娟珠，韩伟离散型制造企业基于设备的生产排产优化研究 J现代制造工程，2015(5)：43-486 黄红丽订单型企业基于约束理论的生产作业计划优化研究 D重庆：重庆大学，2009收稿日期：2023-05-22广告|AD