数字化精益生产体系构建研究——基于某装配车间实例分析.pdf

第22卷第1期2024年2月Vol.22 No.1Feb.2024中 国 工 程 机 械 学 报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY数字化精益生产体系构建研究基于某装配车间实例分析李婕，高峥，冯孝忠（中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063000）摘要:从精益化、数字化到智能化，企业的转型和升级是企业维持长远、可持续发展的必要手段。在近10年中，国际产业格局重大调整，是中国制造业转型和革新的重要时机和窗口。目前，国内仍有许多企业停留在工业3.0或工业2.0向工业3.0的过渡状态，从上到下的发展步调不平衡、不一致，处于单项覆盖而难以系统集成的阶段，没有形成一个统一体系，导致存在信息传递不及时和数据分析不全面的问题。以某动车装配车间的建设为例，从产线规划、产线构建、运行管理和优化改进等4个方面，建立数字化车间的体系结构，实现从工位到产线再到车间的精益化和数字化融合，进一步推进企业从精益化到数字化再到智能化的转型。关键词:制造业；数字化转型；精益生产；体系构建中图分类号:TH 124 文献标志码:A 文章编号:1672-5581（2024）01-0078-05Research on the construction of enterprise digital lean production system：based on an example analysis of an EMU assembly workshopLI Jie，GAO Zheng，FENG Xiaozhong（CRRC Tangshan Co.，Ltd.，Tangshan 063000，Hebei，China）Abstract：From lean，digital to intelligent，the transformation or upgrading is a necessary means for enterprises to maintain long-term sustainable development.Especially in the past ten years，the international industrial structure is facing major adjustments，which is an important time for the transformation and innovation of Chinas manufacturing industry.At present，many companies are still stuck in the transition state of Industry 3.0 or even Industry 2.0 to Industry 3.0.The development from top to bottom is unbalanced and inconsistent.They are in the stage of single coverage but difficult system integration.They have not formed a unified system.As a result，the information is not timely and the data analysis is not comprehensive.This article takes the construction of an assembly workshop under an EMU enterprise as an example.From the four aspects of production line planning，production line construction，operation management and optimization and improvement，the system structure of the digital workshop is established to realize the construction from the workstation to the production line and then to the workshop.The integration of lean and digital will further promote the transformation of enterprises from lean to digital to intelligent.Key words：manufacturing；digital transformation；lean production；system construction 制造业发展所处的不同阶段对新技术和管理方式有着不同的要求。从第一次工业革命开始，机械化生产制造大规模提升了物质水平，为制造业引入了新的动力。在第二次工业革命中科学的新发作者简介：李婕（1994），女，经济师，硕士。E-mail：通信作者：高峥（1994），男，工程师。E-mail：第1期李婕，等：数字化精益生产体系构建研究基于某装配车间实例分析展开始应用到工业生产中，形成了大批量生产的流水线模式。精益生产脱胎于福特大批量制造，经过不断完善和推广，精益生产成为企业现代化生产的基石。随着电子信息技术的出现，生产过程的自动化得到了迅速的提升，通过数字化与信息技术的应用促使制造业转型升级。由于数字技术的快速增长以及高速互联网服务的日益普及，企业的运营和商业模式在不断地变化，越来越多的公司采用数字化转型战略来改变业务架构，重塑业务模式，以维持其竞争优势。但调查显示，66%84%的数字化转型项目是失败的，数字化转型项目失败的原因有很多，而其中一条关键原因是企业没有可以用来向数字化转型的标准框架1-3。因此，制定有效利用数字技术的企业策略、体系结构和标准实施对数字化转型项目的成功至关重要，通过公司的战略更新来实现数字化转型的目标。本文融合精益管理和数字化技术革新，为精益管理不到位、数字化基础未打牢的企业提出针对性的建设数字化精益生产体系框架，提供企业数字化转型的顶层设计和实施规范。1 体系架构 企业的转型是一个复杂的系统工程，运用架构指导企业转型发展是必然趋势4-5。万伦等6、王瑞等7、荆树伟等8给出了评价企业数字化转型的指标体系，从而帮助企业了解自身数字化水平现状。而对企业精益生产与数字化的结合，还需要从底层的产线结构进行分析，对执行标准进行精准定义，打通上下流信息壁垒，使得企业战略能够逐层执行9。数字化精益产线是信息化、数字化与精益技术在生产车间的综合应用，其将制造设备与工艺设计系统、生产组织系统和其他管理系统的信息进行集成，形成综合信息流的集成精益制造系统。从整体上改善生产的组织与管理，提高制造系统的柔性，提升生产制造的效率。参考GB/T 37393201910给出的数字化车间体系结构，围绕标准工位建设和工位制节拍化生产模式，提出数字化精益产线体系结构如图1所示，包括产线规划、产线构建、产线运营与产线优化等4个阶段。1.1产线规划产线规划旨在从初始阶段指导企业对数字化精益产线做出全面的规划布局，为后续的产线构建、运行管理与优化改进提供科学完备的顶层设计和行动纲领。在这一阶段中，首先进行前期调研和数据分析，具体包括：需求预测分析、节拍时间计算、装配顺序定义、作业时间测定、标准作业规划等。根据对前期的数据采集和分析，建立产线数字化模型，在产线规划时使用数字化手段，建立产线集成规划、产线内物流规划、产线过程质量控制规图1数字化精益产线体系结构Fig.1Digital lean production line architecture79第22卷中 国 工 程 机 械 学 报划、数字化设计规划、数字化制造执行、产线布局优化等 6 个方面的规划内容，从而指导产线构建的实施。1.2产线构建产线构建为企业在数字化精益产线的落实阶段做出了一系列规范要求。包括组织保障、产线模型层、产线数据层、产线基础层4个模块。在组织保障层中，分别从组织、人才、机制等方面提出组织保障要求，夯实数字建设基础和适应转型发展需求；在产线模型层中对产线的数字化模型进行验证，从而与物理产线同步；在产线数据层中，从通信网络、数据采集与存储、可视化展现、信息安全等方面提出设备间、工位间、管理层级间数据流动和展示的要求，实现生产执行对象或活动可识别、可量化、可跟踪、可追溯的要求；在产线基础层中，从设备设施与生产资源等方面提出数字化、网络化要求，为数字化精益产线的物理实现提供坚实的基础层。1.3产线运营产线运营旨在指导企业数字化精益产线运行过程中实施必要的管理与监控预警，保障产线持续正常高效运作。首先，根据模型信息需求，建立实时信息的采集和存储系统，实现跨区域、跨产线、跨系统数据的任意交换。其次，根据产线模型进行预测，对物料需求、设备维护、人员调度、产线能耗、产品质量、库存变动等方面进行全面预测，保证产线运营满足生产要求。最后，在运行管控层，以作业计划为主线，以工位为基本单元，对作业计划与调度，建立高效的精益数字化生产管理执行系统（manufacturing execution system，MES），以信息技术为助推手段，建立上下游一体生产计划、控制系统，保证生产有序进行。1.4产线优化优化改进为企业在数字化精益产线从规划、构建到运行管理的全生命周期过程中提供持续改进的要求与指引，从目标、能力、组织、方法、评价、固化到文化，对产线进行全方位的持续改善与提升。根据监视与测量的结果，选择和确定适宜的改进机会，并采取必要措施，对产线进行优化。以提升产线效率为目标，以提升标准工位达标率为抓手，以提高产线、工位数字化智能化水平为举措，推动数据、技术、流程的融合应用。2 案例分析 以某动车车辆装配车间下的总装产线数字化改造为例，展示数字化精益产线的实现方案及关键节点。具体体系架构如图2所示，包括组织保障、生产执行、信息交互及监测预警4大部分，其中生产执行又划分为基础层与执行管控层。在数字化精益产线体系的组织保障层中，重点搭建标准化组织和工位标准操作流程，基于标准化工位，依据台位和车辆确定操作岗位，搭建与工位完全映射的标准化组织，实施工位标准操作流程。实现工位内人力资源高效共享，提高人员利用率。在基础层中，优化产线布局，将所有工艺程序分配到18个工位，以一天为一个节拍将车厢运往下一个工位。车厢的移动通过气垫车或场内轨道进行。一个节拍内所需的大型物料提前运输到对应工位，小件物料由员工根据所分配凭身份牌到仓储自行领取。预备物料数与工序所需物料数一一对应。通过引入的数字化柔性工装、机器人和自动检测设备等对铝合金车体生产线进行改造，对钢结构生产线设备进行局部数字化改造及对转向架焊接、轴承组装生产单元进行局部改造。整条产线内的制造设备具有数据采集和储存功能。设备通过统一接口接入现场总线，采用制造运营管理系统（manufacturing operations management，MOM）对设备实时状态进行监控。操作工可通过设备终端或其他辅助终端查看设备维护信息，且系统自动计算维护周期，并在设备终端给出提示。通过引入的条码及射频识别技术，对物料状态和位置信息进行实时监控追踪以实施物流执行。在此基础上，执行管控层可根据物料流动路径，对物流作业全过程可视化管控，推行储运一体图2数字化精益产线体系结构改造Fig.2Transformation of digital lean productionline architecture80第1期李婕，等：数字化精益生产体系构建研究基于某装配车间实例分析化工装，按工位供应、配送，提高物流效率。车间目前已将产线工位的所有资源数据提取出，并对其进行标准化与结构化，将资源配置通过结构化的数据固化到信息管理系统中，传递应用实现无纸化操作，打造数字化工位，完成数字化产线制造执行系统MOM的建设，实现了生产过程信息可追溯、产品质量信息可追溯、设备数据信息可追溯、物料转运信息可追溯与员工操作信息可追溯。以工位为基础建立质量管控体系，通过机构调整使员工分清质量界面和工作界面。在全面推广“以专职点检为核心，以运行点检和操作点检为支撑”的“三位一体”点检模式的基础上，形成一整套系列化、标准化、模型化的按岗位和机台的全员参与的设备点检作业标准，并将其结构化到信息系统中，利用数字化技术加强对设备运行状态的监测，适宜时开展预测性维护。本产线从企业资源计划承接分配到车间的生产订单，根据工艺路线将订单分解为工序作业计划，并根据生产节拍将各工序合理分配到标准工位中，将排产计划与工艺文件下发至生产现场，最终落实到各标准工位，现场作业人员按照数字化工艺要求进行生产。工艺执行过程中，若需进行检测控制，则由数字化质量管理系统负责质量监控与追溯，生产所需的物料由数字化物料配送系统负责分配调度。生产过程中采集到的所有过程信息均经过标准化储存、传递至更高一层的企业资源计划系统，可以实时生成相关报表并反馈给产线班组长与企业领导，实现对精益制造过程的监控与改善。将职能流程与端到端流程协同，实现体系融合、制度整合、流程优化和数字运营。建立质量管理平台如图3所示。同时，建立了包括产前准备监控、生产监控、工位监控、工位计划兑现率监控等的中心监控平台，通过生产指挥中心系统，将企业各个生产装置控制系统实时集中监控，并且对实时数据进行应用分析。对产线设备健康状况、物料统计信息、生产过程质量、工艺执行情况、生产计划调度等产线运行的关键指标进行测量，通过数字化手段实时显示产前准备状态、生产过程、工位状态信息，对关键指标设计预警模型，对有异常变化趋势的情况进行预警，对发生异常或故障的情况进行报警。规范了计划管理流程、计划模板，并实现了生产现场的可视、监控和预警，如图4所示。3 结论 以某动车车辆装配车间的总装产线作为一个典型的数字化精益产线实例，展示了数字化精益产线的实现方案及关键节点。在数字化精益产线建设中，标准化工位与数字化技术起着至关重要的作用，提供从产品设计、工艺编制、排产计划到产品加工过程的数字化精益管理模式。标准化工位是数字化精益产线的基本生产单元，通过标准工位划分、工位制节拍式等一系列改革举措，大幅提升了装配生产效率，实现了一辆产品装配总时长由改进前40余h缩减到改进后20余h的显著突破。同时，基于以MOM系统为代表的信息化与数字化技术，总装产线基本实现了制造过程的无纸化与信息可视化，充分提高了对精益生产过程的管控能力，有效降低运营成本和产品不良率。通过数字化精益产线的搭建和实施，本产线在加工效率、工作标准，以及数字化程度等方面都有了显著的提升，通过精益管理，形成避免浪费、持续改善的思想，为未来进一步智能化的提升打下良好的基础。同时，所形成的数字化精益产线的体系架构能够为具有相同状态的企业提供改进思路，深入进行两化融合，向着智能化企业迈进。图3质量管理平台Fig.3Quality management system图4生产指挥中心系统Fig.4Production command center system81第22卷中 国 工 程 机 械 学 报参考文献：1UPADRISTA V.Formula 4.0 for digital transformation：a framework using digital enablers from industry 4.0 M.London：Taylor and Francis，2021：1-30.2BARRY L，MEGAN B，YORAM W.7 Questions to ask before your next digital transformation EB/OL.2024-02-20.https：/hbr.org/2016/07/7-questions-to-ask-before-your-next-digital-transformation？autocomplete=true.3CORREANI A，MASSIS D A，FRATTINI F，et al.Implementing a digital strategy：learning from the experience 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