面向精益生产的集成化车间生产管理系统开发

曾鹏飞,任凯斌,张 星,史春景,郝永平

(1.沈阳理工大学 机械工程学院 沈阳 110159；2.莱克电气股份有限公司 江苏 苏州 215011； 3.沈阳理工大学 CAD/CAM技术研究与开发中心 沈阳 110159)

随着市场竞争的日益激烈，客户需求的个性化和多样化，迫使制造企业不得不采用精益化、集成化等手段来响应市场变化，降低生产成本、缩短生产时间，从而提升核心竞争力[1]。精益生产方式的应用改变了企业原有的生产和管理方式[2-3]，实现了准时制生产，提高了生产柔性；但是，企业要想进一步提高快速响应制造能力，必须协调车间生产的网络化和集成化的管理模式，整合、优化车间生产业务流程，实现系统内外部的集成[4-5]。

Feng Shaw C.等提出了把制造资源库、数据库、知识库和CAD等产品设计系统集成的Agent系统，集成各项信息资源，不仅能支持计划预测、产品工艺设计，而且能够支持车间生产管理一系列活动[6]。李丽等基于C#.NET平台开发了基于工艺流程图的车间生产管理系统，实现以工艺流程图为核心的信息集成管理与应用模式[7]。昌飞公司通过综合应用数字化技术、管理机制的变革等手段提高了数控车间的生产效率和计划执行力，基本构建了数控车间数字化平台工具、基础数据和集成框架，为型号的批产打下了坚实的基础[8]。

本文针对某制造型企业信息化建设的迫切需求，结合精益生产基本理论，重组车间生产的管理和运作方式，研究面向精益生产的集成化车间生产管理体系结构，建立集成化的车间生产管理系统，实现生产业务流程的内外部集成，解决生产过程中的信息共享和交互问题，提供企业的快速响应能力和核心竞争力。

1 精益生产方式

1.1 准时制(JIT)

在离散型制造业中，机加和装配是必不可少的环节，精益生产对于这种生产方式效率的提高有着很大的促进作用。精益生产起源于准时生产方式JIT，JIT又称丰田生产方式，是一种拉式生产方式，由日本丰田汽车公司的大野耐一从美国的超市得到启发而推出，JIT生产方式有以下几个特征[9]：

(1)准时生产，就是在需要的时间，按照需要的数量生产需要的产品，其生产指令主要通过看板来实现。

(2)拉式生产方式，生产指令只下达到最后一道工序，用看板进行信息拉动，信息流从最后一道工序逆流而上到第一道工序。实际生产的产量与计划完全一致，既不多生产也不少生产。

(3)合理配置各生产线和生产单元的作业人数，根据情况随时调整，达到“少人化”生产。

(4)优化生产流程，减少无价值的活动，消除生产过程中的浪费。减少半成品和在制品的数量，压缩库存。

(5)进行多品种混流生产，培养多技能工，采用小组工作模式和并行工程方式。

1.2 精益生产主要技术手段

精益是从顾客的角度来研究价值流的增值，致力于降低成本并满足顾客的需求，提高产品质量，消除生产各个环节造成的浪费。把精益生产理论融入到集成化系统中，减少信息的无用传递，提高信息的利用率，合理制定生产计划，以达到按需生产。精益生产包含多种管理方法，主要手段包括[10]：

(1)目视化管理：为了使问题直观化，操作人员和管理人员能够明确出现的问题和改进的目标，通过可以发出视觉信号的工具，使信息迅速而准确的传递，有利于提高工作效率。目视化管理的工具有信号灯、区域规划、标识、仪器图示和看板等，其中看板系统是目视化管理的主要工具。

(2)防错设计：通过控制方法可以进行纠错，即通过使用指示错误的报警机制防止人为错误，可以通过工具或夹具保证产品不会被装错，产品的设计要保证其不会被错误的使用。防错设计需要使用能检测错误零件的机械装置，当生产出现异常时能够发出警报或自动停机。

(3)作业标准化：作业标准化追求的是准确、高效、流畅的完成生产。标准化作业是达到完美过程最重要的技术。在生产过程中如何能够达到JIT所要求的准时制生产，重点就在于作业标准的设定和完善。作业标准包括质量标准、制作技术标准、作业顺序及其方法的标准、检查方法和判定基准、包装及前后工序的衔接等广泛的范围。

(4)快速换模：设备生产不同产品所需要的调整时间过长是多品种小批量生产需要解决的主要问题。换模主要分为内部换模和外部换模，内部换模是在机器停止后才能进行生产调整，它是影响换模时间的主要原因。外部换模是在机器运行时就对下一种产品的加工做准备。要减少换模时间就要分清楚哪些是外部换模，哪些是内部换模，把更多的内部换模调整到外部换模。

(5)生产线合理布局：生产线布局的不合理将会直接影响生产效率和生产周期，精益目标下的布局是为了使作业流水化，缩短搬运距离，各工序有机结合并把相关工序集中放置。

2 企业车间生产管理分析

2.1 企业车间管理信息化现状

通过对某制造型企业的调研得知，该企业属于离散型制造业，在生产管理信息传递、快速响应方面存在较多问题。企业从上到下各部门之间信息传递不够顺畅。企业的车间管理和生产计划之间的信息交流不畅通。装配车间和机加车间之间的数据传递以及传递方式有待重新解决，主要问题有以下几个方面：

(1)车间信息化建设滞后，车间生产相关数据还是手工记录，很难使数据及时有效地传递给管理层，而且数据的准确性也得不到保证。生产部等部门不能及时掌握生产情况，生产出现异常时，很难及时处理，造成大量浪费。

(2)生产计划管理和调度方面，仍然停留在简单的推式计划，而且生产计划不均衡，波动性大，有时候产品需要生产的数量很少，员工大多数时间没有工作，设备也处于闲置状态。有时产品需要生产的数量又非常的多，为保证产品能够及时交货，又需要通过加班来保证生产的正常进行，在交货期前完成生产，也使得生产设备、员工超负荷工作。当产品需求有变化时，不能及时调整生产计划，导致生产不能及时、有效的进行。

(3)车间布局不够合理，噪音较大，而且工具、材料等的摆放杂乱无章，半成品和在制品数量较多。无用的工装夹具、物料都堆放在生产线上，工具的摆放无序，工人们对于工具的拿取不够方便，增加了寻找的时间，而且有可能造成工具的丢失。

(4)缺乏有效地数据管理工具，采用Excel表格等来保存数据，数据容易丢失，不方便进行处理和分析。没有专业的数据库管理软件，增加了数据的保存、处理和管理的难度。

(5)质量统计分析水平有待提高，质量数据及其统计工作仍需要人工处理，质量数据繁多，工作量大，不能及时的反应出生产过程中出现的质量问题。出现了不良品或废品，不能准确的找出原因并及时改正，使产品质量很难得以保证。

2.2 企业车间生产管理业务流程

企业根据任务计划或生产订单由计划部制定本年度的生产计划大纲，生产部根据生产能力制定年度、季度和月份生产计划发送给各个分厂，分厂生产科计划人员分解分厂的生产计划，为每个车间制定出能够执行的、符合实际情况的每周、每日生产计划。与此同时，生产计划也会下发到各分厂材料室，材料人员根据生产计划准备生产所需要的物料，发放到各生产班组。如果各分厂材料不足就需要向采购部门申请领取物料，采购部根据库存实际情况进行物料发放或材料不足进行外购。根据生产计划，技术部把相应的图纸，加工工艺信息等发放到分厂相应单位。同时分厂根据加工工艺信息准备相应的工具工装。如果需要的是已经有的工装夹具，按需求直接准备就可以。如果是需要新的工具工装，就需要判断是否能自制，如果能自制就委派相应分厂制造。如果不能自制，就需要向采购部门申请采购。当物料、工具工装、设备都准备齐全，工人按照派工单去相应科室领取工艺图纸和相关的工具工装、材料，然后进行加工。企业车间生产的业务流程，如图1所示。

图1 车间生产管理业务流程

2.3 精益生产集成化系统模型

通过调研企业车间生产的各管理业务功能并根据离散型制造业的特点，把精益管理思想融入到各模块之中，建立了基于精益生产的集成化系统模型[11]，如图2所示。

图2 精益集成化生产管理模型

(1)精益计划：根据客户需求的不断变化制定，通过实时的订单和销售情况制定滚动生产计划。零件的需求计划基于物料清单BOM(Bill of Material)，可以通过不断优化产品结构设计来减少BOM的层级，达到减少中间在制品库存的目的。通过采购订单与供应商通信，采用生产看板来传递生产计划并指导生产。优化计划排程，可以根据需求变化来适当变更，以达到准时交货。

(2)精益采购：与供应商建立良好的合作关系，通过滚动采购计划来制定相应的采购订单。生产周期较短并且易于得到的物料基于看板来采购，利用物料需求计划MRP(Material Requirement Planning)等来支持具有较长提前期的物料需求。采购看板可以分为按单看板和补充看板，当物料达到需要补充的条件，相应的看板就发出，通知供应商供应物料。

(3)精益生产：综合大量生产与单件生产方式的优点，在生产系统中实现多品种小批量的生产，提高库存周转率，以便更好的适应市场需求的变化。通过看板来控制生产，当有生产看板时才触发生产活动。在生产车间通过全面设备维护和低成本自动化等手段改善生产条件。在生产过程中要保证生产的均衡化，各工序间的同步化，缩短换模时间，进行小批量生产。

(4)精益销售：基于客户的实际需求，通过订单来触发产品的生产。通过接受的订单，当同类商品达到生产条件时形成一个生产计划。需要和生产部门、采购部门进行沟通，对生产能力和原材料做评估和准备。对于生产周期较长的产品，如不能满足交货期，可以适当临时建立一定的成品库存，用看板来控制成品的发货。

2.4 车间生产管理信息集成

车间生产管理系统内部集成主要包括车间计划调度管理，工艺工装管理，车间设备管理，车间工具管理、人员管理，车间质量管理，异常信息管理，车间物料管理，车间报表管理等子功能模块之间的信息流集成，如图3所示。

图3 车间生产管理信息流集成

车间管理系统功能集成，以车间计划调度管理为核心，实现生产管理过程的精益化，减少信息的浪费传递，使生产信息能够快速准确的交互。通过各子系统的集成，车间生产所需要的工具、物料、设备、人员可以根据车间生产计划信息及时配备齐全，同时各子系统产生的库存状态、设备状态、工具使用状态以及人员的信息能够及时反馈给生产调度，为其更变调整提供支持。通过车间质量管理能够严格监控产品质量，统计半成品、成品及废品情况，形成质量报表，方便检验生产计划完成情况。通过车间成本管理与车间计划信息、返工返修、人员工时、工具和物料消耗等信息的集成，实现车间成本的精益化管理。

3 精益集成化车间生产管理系统设计

3.1 系统体系架构设计

根据集成化系统各子系统的不同功能特点，利用上述章节讨论的相关技术，为使系统用户操作方便，系统便于开发和维护，增强可移植性和可扩展性，系统设计采用浏览器/服务器(B/S)体系结构，采用三层结构模式，即用户界面层、逻辑功能层和数据服务层。系统的体系架构如图4所示。

图4 车间生产管理系统结构

(1)用户界面：系统与外界沟通的桥梁，通过JSP等动态网页技术使系统功能界面操作简单，用户只需要使用浏览器就可以向相关功能发送请求指令并传递到服务器，输出从功能逻辑层返回的各类数据，显示用户的请求信息。

(2)逻辑功能：包含集成化系统各功能模块，部署在Web服务器上，提供各项业务逻辑的处理方法。通过Servlet等控制从用户发送过来的请求，并将业务处理结果以动态的形式返回到用户层，并且结合JSP动态网页技术实现业务流程的处理。提供系统安全机制，授权系统用户的权限，符合权限才可以调用相关组件进行业务查询和处理。

(3)数据服务：存储集成系统不同种类的数据，并对信息进行管理，保证数据的完整性和一致性，减少数据冗余。通过数据库访问组件JDBC技术实现对各类数据的录入、修改、删除和储存，实现功能逻辑层对业务逻辑的处理所需要数据的请求。并且可以通过数据库实现和其他系统的数据和信息的访问，这可以通过把数据库访问接口程序封装在JavaBean代码中实现，这也可以使数据访问和操作简单，并且增强代码的复用性。

3.2 系统功能结构设计

根据上述离散型制造企业的现状调查和问题分析，根据生产业务需求，结合精益生产理论，将集成化系统分为八个功能模块，分别是计划管理、工艺设计管理、采购管理、质量管理、现场作业管理、库存管理、销售管理和系统管理；集成化功能结构如图5所示。

(1)计划管理：计划是指导生产的核心，根据企业制定的年度生产计划大纲，结合订单来制定主生产计划，并根据主生产计划制定好各分厂的零件计划和装配计划。计划管理还包括物料需求计划、滚动周计划和生产看板管理，在系统中要保证各类计划的透明度和实时性，计划有变动要能快速反应，并通过生产看板实现计划的拉动。

(2)工艺设计管理：对产品的加工工艺和产品结构进行制定和管理，包括产品结构BOM管理，产品设计管理、加工工艺标准管理、工时定额等数据的制定和管理。优化产品的加工工序，改进设计和工艺，并配套好各工序需要的工具和设备，向着均衡化生产和单元生产迈进。

(3)采购管理：根据库存和生产需要情况，采购管理功能包括采购订单和计划管理、采购估算、采购看板管理等，和以往的采购模式不同，精益生产的采购要遵循小批量、根据生产需求多次采购原则，避免采购多余的物料来形成不必要的库存，采用小批量采购看板模式。

(4)质量管理：在生产过程中，不管是零件还是成品装配，都要对质量进行实时监控和检测，车间检验人员根据工序工艺要求检验重要工序，如有异常情况需通知技术人员及时处理，并对质量信息进行记录，包括不合格品、超差品、工废、料废等情况的分类，上报给质量部门，分析其产生原因，生成质量完成情况统计报告。

(5)现场作业管理：包括生产数据的反馈、看板控制、调度管理、工人工时统计、工艺图纸查看和工具设备管理等功能。根据生产计划组织好生产调度和具体的作业计划，平衡各工序生产能力，采集底层数据，为生产完成情况等报表提供数据。根据生产工艺流程和生产设备的实际情况可以组成生产单元，实现单元化生产。

(6)库存管理：包括设备备件管理、产品出库管理、外协件和自制件的入库管理、库号库位管理等。生产计划和采购计划的制定对库存的影响很重要，库存是精益生产最大的浪费之一，通过管理技术手段减少库存量，通过均衡化生产来减少成品库存，通过准时采购和小批量多次采购减少原材料和外购件库存。

图5 系统功能结构

(7)销售管理：客户需求是拉动企业进行生产活动的动力，可以通过系统建立自己的需求订单，接受客户的需求订单，并把需求订单记录在销售订单管理模块里进行归类整理。当同一类的产品达到发货标准时，并且与客户的需求日期一致时，就可以建立一个发货计划。主要包括客户管理、销售订单管理、成品发货管理和客户账单查询等功能。

(8)系统管理：包括用户信息管理、角色权限管理、日志记录管理和标准规范文件等功能。对系统的用户进行授权管理，将用户划分为不同角色，并赋予其不同操作权限，确保系统为授权人员所登录使用，防止系统因非法操作而对数据进行更改或破坏，尤其是军工制造类企业，系统内的所有数据和信息必须加以严格控制。标准规范文件列表了一些相关企业生产管理、产品制造等相关的国家标准和规范，供系统用户查阅和参考。

3.3 数据库设计

车间生产管理系统的系统数据关系，如图6所示。各数据库表格在数据库中建立好之后，要找到有数据交互的表之间的联系，以便进行数据的集成，主要包括用户基本信息表、权限表、部门角色表、主生产计划表、月份生产计划表、月份计划完成情况表、质量指标完成情况表、不合格品通知单、质量检验记录表、生产异常信息表、设备故障信息表、设备维修计划表等。数据之间关系的清晰和明确，有利于增进业务流程的顺畅，有业务联系和信息交互的功能通过各表之间的联系实现数据共享。

4 系统实施

基于精益生产相关理论和技术，完成了集成化系统的模型和各功能模块、业务流程的设计；在考虑满足系统的使用条件和运行环境需遵循的原则下，实现了精益集成化车间生产管理系统的系统实施。选用Windows 7操作系统，基于J2EE框架和MVC模式开发，采用B/S模式结构，应用服务器选用Tomcat 6.0及以上版本，数据库管理系统使用Microsoft SQL Server 2008，浏览器采用Mozilla Firefox、IE 8.0及以上版本。

如图7所示为系统成功登录后显示的相关功能界面截图。用户根据登录ID和密码登录系统，后台服务器通过数据库进行验证，登录ID根据人员所在的部门和个人编号组成，不同用户被系统分配了不同的角色，系统根据ID自动识别不同的角色来使用户进入相应的功能界面。主界面包括公共信息查看，事务处理面板，用户可以看到已经发布的公共信息，并通过需办事项来进行相应事务的处理。如图8所示为车间生产计划的查看功能，系统中生产计划管理模块可以制定企业的生产计划，如年度计划、季度计划，各分厂月份生产计划等，各分厂接到计划系统传递过来的厂级计划再制定相应的车间生产计划和具体的生产调度，审核通过后的车间计划就会通过本系统发送到各个车间，以供查询和浏览。

图8 车间生产计划查看

5 结束语

本文针对离散型制造企业在生产车间管理的需求，通过系统需求分析和业务流程建模，基于精益生产构建了集成化的车间生产管理系统，完成了系统的架构设计、功能模块设计、数据库设计等，基于J2EE平台和采用Java Web编程技术，实现了数据库访问组件和集成化系统的开发。通过信息的有效集成和传递，对生产计划、生产异常信息、设备工具、质量等生产过程中相关信息进行了有效的集成，能够更好的整合生产过程中所用到的资源，优化资源配置，提高了企业的生产管理水平。

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