基于订单的纺纱排产信息化系统开发及应用

金海伟 戴宁 沈春娅 史伟民 胡旭东

摘 要：针对目前纺纱车间加工工序复杂多样、生产部门间信息交互闭塞、订单按期交货能力不足以及人力物力调配不合理等痛点问题，以企业实际生产车间为对象，在对生产现状分析的基础上进行排产流程设计以及生产订单分析，并采用微服务架构进行合理的纺纱排产信息化系统设计。应用结果显示该系统为以订单为导向的生产计划排产和车间作业执行提供了科学、高效的管理模式，保证了纱线订单正常生产进度和按期交货，为企业后续信息化发展奠定了基础。

关键词：纺纱车间；生产订单；排产系统；信息化

中图分类号：TS 111.8

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2023）03-0045-08

基金项目：浙江省博士后科研项目择优资助一等资助项目（ZJ2021038）；浙江理工大学科研启动基金项目（11150131722114）；浙江省科技计划项目（2022C01202）

作者简介：金海伟（1998—），男，浙江温州人，硕士研究生，主要从事纺织装备技术及智能制造方面的研究。

通信作者：戴宁，E-mail： 990713260@qq.com

伴随着信息革命的快速发展，以信息技术为主导的高新技术极大推进了纺纱行业的发展，提高了劳动生产率和工作效率［1-2］。然而目前大部分纺纱企业的生产排产依然根据经验拟定总计划再直接下发到生产车间进行生产，这样的“黑灯排法”造成的结果是沟通成本高、生产效率低，影响企业的竞争能力和生产效益，因此科学实用的排产方法对企业制定生产计划起着重要的作用。马春侠等［3］针对小规模的纺纱车间提出了正排和倒排两种方法，并依据排产模型确定不同制品的加工机台、投入顺序从而缩短了生产周期，但其研究对象主要适用于固定工序路线，对具有不同订单品种的多样化加工工序生产模式并不适用；陈天水［4］结合纺织品制造商生产现状，提出通过从供应商、订单及原料的三维关联来改善企业运营管理现状，但其无法根据订单生产过程的实际使用情况（如因设备损坏导致的预计订单延期等）对生产进行有效的动态调整；练坤玉［5］通过对企业生产管理的调研，设计出面向中小型企业的订单型纺织计划调度信息化系统，解决了企业中业务管理不规范、人为制定计划缓慢、生产调度困难等问题，然而该系统仅部分管理模块实现了B/S模式，无法满足工作人员随时随地通过浏览器、手机APP等方式进行办公。基于此，本文以实际纺纱生产车间为对象开展研究，进行纺纱排产信息化系统的开发及应用，从而通过信息化管理实现排产作业科学化、高效化、便捷化。

1 企业现状分析

本文以河北石家庄市某企业的纺纱生产车间为研究对象，该企业的纺纱工艺过程以棉纺、混纺为主，各生产部门结构如图1所示。

从准备部门中的原料到入库后的纱线，生产流程将根据订单需求品种的产品工艺来规划工序路线以及生产设备型号。例如混纺纱是由不同纤维按一定比例混合纺制，因此需要根据混纺比例设定不同加工参数的并条工序（混一、混二等）和相应机台。此外，相较于普梳纺纱（梳棉制成棉条后供并条使用），精梳工艺路线需将普梳过的棉条经过预并、成卷，然后通过精梳机进一步梳理，其纱线在质感、耐用度与均匀度等方面上都有一定程度的提升［6］，但过多的工序切换和工艺翻改导致车间工作人员工作量增加、机台调度的灵活性下降、纱线原料的浪费等问题。因此针对生产中加工环节的多样性，原本各自独立的生产部门需要及时进行信息共享并作出应对措施。

公司现役的纺纱装备具有自动化程度高等特点（如自动络筒机），并在传统的环锭细纱机上加入了紧密纺技术，使得成纱具有毛羽少、强力高的特点［7］。此外，通过工业互联网、云端服务器将海量的生产数据与制造执行系统（MES）、企业资源規划系统（ERP）、数据采集与监视控制系统（SCADA）等联通，实现了信息化基础平台搭建。但目前企业部门间仍采用纸质表单和人工交互的方式来进行加工计划的执行以及部门间生产信息的传递，低效的业务交互方式造成订单难以按期交货、人力物力调配不合理等问题。因此需要根据目前的生产情况优化原有的排产流程，并通过信息化对所有的订单、部门、计划以及人力物力进行管理，形成高效的生产管理模式。

2 排产流程设计

结合实际生产情况和业务功能特点以及信息化发展需求，本文将订单由ERP下发至生产车间到生产结束的过程作为该订单的生产周期，并设计了基于订单的生产线规划图（见图2）。

由图2可知，该纺纱车间的生产运作以纱线订单为导向。依照订单的品种、数量、交期需求等，结合产品工艺对订单进行分解从而确定所需的工序数和每个工序下预设的机台数，其分别对应各部门下的主任务以及子任务数。一方面，上层主任务将目标函数F（X，Y，Z）中X（工艺信息）、Y（部门组别）、Z（子计划数）3个综合模型作为索引展开加工计划。另一方面，下层子任务与当前生产车间内优先级最高的机台绑定形成子计划，因此加工计划下的子计划数即为该工序下的工作机台数。而机台的优先等级K由如图3所示的排列组合方式决定，图3中M（机台状态）、T（预完工时间）、V（在机品种）、P（在机挡车工）为机台调度的约束参数，m（空闲）、t（计划生产时间）、v（计划品种）、p（计划挡车工）为机台调度的约束参数目标值。根据所选机台的属性是否满足目标值来判定其K值大小，且K越小表示调度优先级越高。匹配过程中优先选择空闲机台，若设备处于生产状态，则在满足其预完工时间在计划生产时间前后12 h（单班时长）区间内的前提下进行关联。

经审核后，将制成的加工计划转换为车间调度通知单，作为车间内指挥生产的信息载体，通知单包含关联机台的翻改工艺、生产测试情况、注意事项等。相比于以往的人为口述或者手写通知单，新的通知单流转于各部门下的挡车工间，提高了信息传递的高效性及稳定性。挡车工随即根据下发的通知控制机台生产，并在生产结束后将产量信息录入至系统中。最后部门负责人经由挡车工的报产记录，清晰掌握现场的生产情况和各加工环节信息，通过消息通知等方式在生产部门间形成信息流转从而对当前生产订单做出改善性计划调整。

3 生产订单分析

考虑到产品品种、订单数量、交期等多样性因素，在该排产系统的构建中，需基于订单的需求对各加工计划展开评估和调整，从而保证订单按期交货能力，提高企业盈利［8-10］。

3.1 加工计划评估与调整

现假设客户向企业提交生产订单及其订单总量N和订单交期TE。加工流程如图4所示，其中l为工序号，l=1，2，…，n，计划加工量pl为计划制定时确认的完成指标（由订单总量N决定），而报工数rl则为加工完成量。

根据各加工计划此刻的生产能力得出其预计加工时长和完成时间，如式（1）所示。

式中：ml为工序号为l的在制机台数；yl为工序号为l的机台日产量，kg；dl为工序号为l的预计加工时长，d；tl为工序号为l的计划当前时间；Tl为工序号为l的计划预计完成时间。

生产过程中，计划的加工时长dl由于机台故障等原因增加，导致其预计完成时间Tl超过了订单交期TE，造成订单生产延期。因此需按如图5所示模型对订单下的各加工计划进行评估。

若计划的预计完成时间超过订单交期，应增加该计划的在制台数ml（根据图3所示进行机台调度），同时避免调整后的完成时间早于前一道工序，故使ml满足如式（2）所示约束条件。通过调整使每条计划符合评估标准，保证订单按期交货。

式中：Tl－1为前一道工序的计划预计完成时间。

3.2 实例分析

本节以ERP下发的一条纱线订单为例，通过上述方法进行生产线调整以保证订单按期交货。已知订单总量为30000 kg，根据其需求品种SZB9.7（天竹），判断工序路线为普梳路线，因此纱线需经过“清梳联—并条（头并）—并条（末并）—粗纱—细纱—络筒”六道工序加工而成，下单、交期时间分别为2022年5月30日和6月20日。针对当前订单信息，展开的上层主任务共有6条，对应的加工计划参数信息如表1所示。其中计划单下的子计划数即为该工序在制机台数，而机台型号由工艺需要选定，并根据纺纱车间近1个月的报产记录得出台均班产量信息。另外前后纺车间的日开班数均为2，A班时间为8：00至20：00，B班时间为20：00至翌日8：00。最后考虑到生产中的加工损耗（约为1 %）、运输损耗等，故各计划的加工量需在订单总量的基础上增加1 %～2 %。

由表1信息分析得出该订单的初始生产进度情况（如图6（a）），其中横坐标为时间，纵坐标自上而下分别为清梳至络筒计划。图6（a）中，随着时间的推移各加工计划相继展开，a为清梳计划的开始时间点，b为其预计完工时间点，两者的时间间隔为8.1 d，依此类推，k、l、9.9 d分别为络筒计划的开始、完工时间点以及加工时长。生产初期各加工计划均预计在交期前完成。然而生产过程中机台由于故障产能降低，造成计划的预计完成时间延后，于某一换班时刻针对当前各计划生产能力分析得出订单异常生产进度（如图6（b）），根据图5所示模型对各计划进行评估发现需对络筒计划进行调整。此时络筒计划剩余加工量25921.5 kg，已加工时长1.5 d，由前一班的报产量可知络筒机的台班产量下降至263.7 kg。因此由式（2）求得络筒计划的在制机台数应维持在6台，调整后的订单进度显示当前各计划均不逾期（如图6（c））。该实例描述了在络筒环节，计划预计完成时间超过订单交期时的调整过程，若订单中其他环节出现多条异常加工计划，图5模型以及式（2）约束条件同样适用。两者对各计划依次进行评估与调整，最终保证订单生产进度正常以及按期交货。

4 系统开发及应用

为方便负责人调整生产计划、帮助车间员工快速生产报工、实现对订单进度定期分析以保证其按期交货，本文构建基于订单的云服务平台系统实现在纺纱车间生产排产过程中的高效管理模式。

4.1 系统开发

如图7所示，采用微服务架构与规则引擎对系统进行微服务拆分以提升生产排产以及订单分析的效率。4个独立的微服务模块通过服务网关与访问层中的PC端和移动端应用展开排产业务交互，其中计划排产、生产报工两个微服务模块实现订单的分解、下发、执行。报产信息录入后，信息追溯模块提供的订单、计划追溯功能帮助分析管理模块对生产订单展开分析，若发现异常订单可及时通过计划

排产模块调整加工计划。当发生业务请求时，对应的微服务模块在纺纱排产信息化存储模型中进行排产信息读写，随后将数据集持久化并封装返回，实现浏览界面的动态渲染。

开发过程中考虑到纺纱生产车间涉及订单信息量大、加工工序多样、车间环境复杂，因此合理的存储模型设计是系统构建的前提。结合排产流程，设计如图8所示业务关系E-R图，从实际车间中抽象出订单、部门、计划以及人员设备之间的关系，依照此业务关系在数据库中搭建数字化存储模型，满足后续微服务模块进行高效的排产信息读写。

最终排产系统在云服务中成功搭建，其中PC端应用主要集中在MES中，包括计划制定与调整、信息追溯、订单分析以及消息通知等功能，利用信息化服务平台的数据统计、分析管理功能帮助用户快速了解各部门信息以及订单状态并做出改善措施。而基于移动端平台不依赖地域限制的特点，挡车工通过手机APP快速实现设备生产和报工报产，从而改善以往繁琐的加工计划执行过程。

4.2 系统生产应用

为检验排产系统的有效性，在企业纺纱车间中采用该系统进行基于订单的生产管理。根据排产流程（图2）对纱线订单进行分解并下发至各部门，由生产部门制定各自的加工计划并交由挡车工生产报工。报产过程在手机APP上实现（如图9（a）），选择加工工序后通过扫描机台上的二维码获取设备参数，并与加工单号、产量、生产日期及班次信息相结合作为报产记录存入数据库中。如图9（b）、图9（c）所示，用户依靠系统的信息追溯功能可查詢纺纱车间内的纱线订单状态，同时可选择指定订单查看其排产详情，掌握该订单下各加工计划信息以及生产进度。此外，系统在每次换班时刻自动轮询生产中的订单并根据图5模型分析其生产进度，若预测到某订单将出现生产延期，会自动推送订单异常通知。该通知由多个部门共享并给出生产线调整建议，部门负责人针对建议内容以及相关部门的生产情况在计划详情界面（如图9（d）所示以络筒计划为例）中进行计划调整，保证该订单按期交货。在调整加工计划参数的同时，若需要增加在制机台数，系统将根据机台调度优先级（图3）自动筛选出当前优先等级最高的机台，负责人可在下方子计划单的机器号中选择该机台与子计划绑定。系统运行期间由订单任务分解得到的加工计划下发到各车间交由负责人指挥生产，生产过程稳定高效，信息反馈即时，用户体验无卡顿，订单按期完成率、在制机台率等均明显提升。

5 结 论

本文针对目前纺纱车间加工工序复杂多样、生产部门间信息交互闭塞、订单按期交货能力不足以及人力物力调配不合理等问题，结合企业生产现状，对信息化管理、排产流程设计、订单进度分析以及分布式微服务架构等方面开展了相关技术研究并实现了纺纱排产信息化系统的开发。目前，开发成果已应用到企业生产管理中，并从实际应用层面实现信息化生产排产以及订单按期交货，提升了纺纱车间生产效率、改善了企业生产管理模式。结论如下：

a）纺纱企业的信息化发展不仅集中在各工序设备、加工方式的自动化，更关键在于工序之间信息的传递与共享，使生产排产与生产过程中的工艺、数据相结合，形成高效的生产管理模式。

b）订单延误情况下的处理措施是提升企业按期交货能力的关键。目前采取的措施能快速提升车间的生产速度满足交期时限，但随着顾客需求个性化、加工环节联系复杂化等现象更加显著，仅采取增加在制台数的方式会造成车间生产过载、资源浪费等问题，因此针对排产系统的智能化有待进一步的研究。

本文开发的基于生产订单的纺纱排产系统其应用，不仅仅局限于纺纱车间的信息化生产管理，对其他纺织企业车间的生产管理模式同样具有重要工程应用价值。

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Abstract： With the rapid development of the information revolution， high-tech technology dominated by information technology has greatly promoted the development of the spinning industry and improved labor productivity and work efficiency. However， at present， the production and production of most spinning enterprises still draw up master plans based on experience and send them directly to the production workshop for production. Such a "black light layout" causes the results of high communication cost and low production efficiency， which affects the competitiveness and production efficiency of enterprises. Therefore， scientific and practical production scheduling method plays an important role in making production plans. We take the actual spinning production workshop as the object to carry out research to develop and apply the spinning production information system， so as to realize the scientific， efficient and convenient scheduling operation through information management.

First of all， aiming at the complexand diverse processing process of the spinning workshop， the occlusion of information interaction between production departments， insufficient order delivery capacity on time， and unreasonable allocation of human and material resources， we designed an order-based production line planning drawing in combination with the actual production situation and business function characteristics and information development needs. Considering the variety of products， order quantity， delivery date and other factors， we further carry out analysis and adjustment of production orders. Finally， in order to facilitate the person-in-charge to adjust the production plan， help the employees of the workshop to produce and report work quickly， and realize the regular analysis of the order progress to ensure their timely delivery， we build an order-based cloud service platform system to realize an efficient management model in the production and scheduling process of the spinning workshop. At present， the development results have been applied to enterprise production management， and information production scheduling and order delivery on time have been realized from the practical application level， which has improved the production efficiency of spinning workshops and improved the enterprise production management mode. The research results show that the informatization development of spinning enterprises not only focuses on the automation of various process equipments and processing methods， but also lies in the transmission and sharing of information between processes， so as to combine production scheduling with the process and data in the production process to form an efficient production management model.

The measures taken in this paper in the case of order delay can quickly improve the production speed of the workshop to meet the delivery time limit. However， with the phenomenon of customer needs being personalized and the complexity of processing links， only increasing the number of tables in the production capacity will cause overload， waste of resources and other problems in the workshop. Therefore， further research is needed to realize the intellectualization of the production scheduling system. In addition， the spinning production system based on production orders is not limited to the information production management of the spinning workshop， but also has important engineering application value for the production management mode of other textile enterprise workshops.

Keywords： spinning workshop; production order; scheduling system; informatization