装备制造行业数字化车间的工厂建模原则研究

许孝存 周胜强

摘要：本文针对装备制造行业的特点，提出了工厂建模中产线、工位设置的原则。为装备制造行业的数字化工厂规划、建设、改造以及数据建模提供了可参考的方向和依据。

关键词：装备制造;数字化车间;工厂建模

中图分类号：F426                                        文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）08-0175-03

0  引言

制造业作为工业的基础是社会经济发展的核心驱动力之一，在国家经济中占有重要地位。随着信息技术的飞速发展，各个制造强国为保持竞争优势相继提出了“工业4.0”等概念，制造业的下一步发展将是与信息化的结合这一观点已经被普遍接受。我国也于《中国制造2025》中明确地提出了智能制造的概念，而数字化车间则是实现智能制造的重要物质基础。

为了满足智能制造需求，数字化车间建设正在各个企业中如火如荼的进行。工厂模型作为数字化车间的基础资源模型，在数字化车间建设中发挥着重要作用。同时，装备制造行业由于制造过程和市場的特点难以像流程制造企业或批量制造企业一样建立作业内容、产成品标准化的生产车间，而必须建立有一定灵活程度的生产车间，这也就导致装备制造行业的工厂建模更加灵活。本文针对装备制造行业工厂模型的建模原则进行了研究，从工厂模型与生产、物流等业务之间的联系着手提出了一些建议，为装备制造行业数字化车间工厂建模的具体实施工作提供参考。

1  工厂模型的层级及各层级的作用

工厂模型是一个层级模型，类似于行政组织架构。目前装备制造行业较为常见的工厂模型为车间、产线、工位、台位四个级别（不同的企业可能有不同的称呼），如图1所示，这其实也与通常作为企业信息系统软件架构规范的ISA95标准中的描述类似。

工厂模型的各个层级在数字化车间体系中发挥着不同的作用：

1.1 车间的作用

车间是工厂管理必不可少的一个层级，在数字化车间体系中主要是作为与企业层级的管理的接口作用，用于将采集到的各种数据按照其所规定的范围进行数据归集并向上层企业系统报告。

1.2 产线的作用

产线是一组最终目标相同的工位的集合，比如车削工位与磨削工位都是为了加工出同一个最终产品，那么它们就可共同组成一个产线。对于工艺技术人员来说，产线一般与产品的工艺路线相对应;对于生产计划人员来说，产线一般与产品订单相对应。

1.3 工位的作用

工位是数字化车间的基本组成单元，所有的设备、人员等资源以及生产计划、工艺要求等指令最终都应关联到工位，否则将难以驱动数字化车间的运作。对针对制造执行层面的信息系统（比如MES）来说，工位的占用与释放是其考虑的最核心要素之一。

1.4 台位的作用

台位在数字化车间体系中主要用于生产执行结果的记录（比如某件产品的具体生产设备），或者对设备硬件的驱动（比如根据具体设备发送不同加工程序）。一般来说，台位在整体工艺规划或计划下达的过程中仅仅以“可以同时开工的产品数”这个参数进行体现。

综上所述，车间作为与上层系统的接口，通常属于企业整体层面的规划，在工厂建模中一般只能被动接受。工位是数字化车间的基本单元、产线是数字化车间制造目标的体现，这正是数字化车间规划的核心内容。台位作为结果记录及硬件驱动的单元，在工厂建模层面一般只会以产能参数形式进行体现，对工厂模型的影响相对较小。所以本文重点讨论的将是工位的设置与产线的设置。

需要注意的是，本文所讨论的车间、产线、工位均是从制造业务本身的逻辑关系出发，并不意味着企业的组织架构必须与其一致，比如当一个车间只包含一条产线时，在组织架构上就有可能会将其合并，由车间直接管到工位，这时的车间实际就起到了工厂模型中车间和产线两个层级的作用。

2  产线的设置

2.1 装备制造行业的特点

对于装备制造行业来说，其产品有制造流程长、批量较小、客户定制化程度较高、可单独销售的部件多等特点。制造流程长意味着可选择分隔产线的工序点较多，批量小意味着不同订单间生产资源的共享较常见，客户定制化程度较高意味着产品细节变化多，可单独销售的部件多意味着对部件产能的需求会突发性增加。

最终，这些制造过程和市场上的特点给装备制造行业的产线设置带来了来自产品设计方面的限制较小，而来自生产、销售方面的限制较大的特点。换而言之，装备制造行业的产线设置目标与难点是满足生产、销售上的需要。

2.2 几种产线划分方式的分析

图2展示了一个简单的由车轮与车轴组成驱动单元的制造过程及其四种产线划分方式。方式一将所有的制造过程划分到了一个产线中，适用于所生产的车轮与车轴均用于生产驱动单元，在此过程中全部车轮与车轴均被消耗，最终只产出了驱动单元。

方式二将车轴与驱动单元的制造划分到了一个产线中、将车轮的制造单独划分到了另一个产线中，方式二更适用于以下的情况：①车轮存在单独销售需求且单独销售需求和整机共用资源，要求车轮拥有除了满足驱动单元生产之外的产能;②车轮生产与驱动单元生产时间上的联系性较弱，可能是因为需要提前投产、需要预留转运时间等原因产生;③车轮的产能与驱动单元的产能不匹配，需要缓存才能保证整体生产的流畅运行。可以发现这三个例子其实都是非制造过程和市场的要求，而不是来自产品设计方面的要求。方式三与方式四的情况与方式二类似，本文不再赘诉。

图2充分展示了装备制造行业产线划分的灵活性，以及受制造过程和市场的限制多于产品设计方面的限制的情况。

值得注意的是，除了图2展示的由于多配件制造流并行生产再合流时导致的产线划分情况外，对于单制造流串行生产同样也会有产线划分问题。以下是两个例子：①一般来说会将底漆和面漆工位共同划入油漆产线，但是如果某产品不同客户要求的面漆颜色不同而底漆颜色相同，为了方便生产很可能将产品批量生产到底漆工序后存储，待确定了客户再进行面漆，这时，其实是将油漆产线分隔成了底漆产线和面漆产线。②由于技术或产能原因，需要将一部分工序交由外单位完成，那么产线实际就分为了本单位和外单位两条，这其实也就是常说的委外生产。

2.3 产线设置的原则

上文分析了几种产线划分的方法和原因，可以发现很难从原因方面来确定产线划分的原则，因为灵活性过高。但是，如果从结果上来看，可以发现产线划分的一个共同点，即：不同的产线之间一定会产生实物库存，而不是生产完成后立即转入下工序消耗。所以，产线应以是否产生实物库存为分界线进行划分。

3  工位的设置

3.1 基于设计产能的台位总数规划

工位的设置首先要确定的是需要同时作业的台位数量，其计算方式为总生产时间与允许交付时间的商。比如，产线设计时要求满足在1000小时工作时间内交付200件单件生产时间为15小时的产品的产能需求，那么需要同时作业的台位数量就是（200×15）/1000=3个。

3.2 工位设置的限制条件

工位的设置与产线的生产模式相关。在上述例子中需要有3个作业台位同时开工，可以将这3个作业台位可以配置为完全一样，这时它们可以作为一个工位进行工厂建模，这时的生产模式是一次出3件产品;但是，若要求产线为流水线生产模式，一次出1件产品，这时3个作业台位的配置就会不相同了，应该将其设置为3个工位进行工厂建模。

工位的设置同时也受到技术上的限制，这个限制主要体现采用流水线作业模式的时候。对于组装工序，由于可以较为方便的分隔作业内容，可以做到单件产品在不同工位间作业时间平衡，工位可以按照上述的简单计算进行设置。但是，对于机加工工序，由于装夹、校准位置等要求的存在，一些作业内容无法平衡拆分，这时就只能通过增加瓶颈工位的产能（增加资源配置，比如增加一台机床）来取得在批量生产时的整体平衡，这时工位就需要参照技术的要求进行设置了。同样以上述3个台位进行举例，假设此产品15小时的制造时间均为加工且只装夹一次，那么将这3个台位设置为一个工位更为合理。

工位的设置受到物流的限制。工位作为数字化车间基本组成单元，所有的计划类数据都将描述到工位为止、不会进一步向下描述到台位。这就意味的转运计划只能识别到工位，换而言之同一工位的不同台位之间必须有可完全共享的物料进出区域。在上述3个台位的例子中，若由于厂房建筑面积等原因，2个台位在一个厂房、1个台位在另一个距离较远的厂房，这时物料进出区域也就不同了，只能将其配置为2个工位，否则将导致物流的混乱。当然这种划分也不是绝对的，若有专用的转运资源（比如传送带）为远处的厂房转运物料，满足了完全共享的物料进出区域要求，则也可将其设置为一个工位。

3.3 工位设置的原则

综上所述，数字化车间的工位的设置应该符合产线生产模式、符合技术方面的要求、符合物流方面要求。同时，由于工位是数字化车间的基本单元，各个数据都要与工位对应，为了降低数据的维护难度，减少各个信息系统中计算模型的复杂程度，工位应该尽量少。

4  结语

数字化车间是制造管理发展的重要研究方向，工厂建模是数字化车间实现的基础之一，本文针对装备制造行业的特点，对产线、工位的设置进行了讨论，提出了产线应以实物库存为分界线进行划分，工位设置应该符合产线生产模式、符合技术要求、符合物流要求并尽量少的原则。为装备制造行业的数字化工厂规划、建设、改造以及数据建模提供了可参考的方向和依据。

参考文献：

[1]ISA95 Enterprise-Control System Integration.

[2]梅雪松，劉亚东，赵飞，等.离散制造型智能工厂及发展趋势[J].南昌工程学院学报，2019，2.

[3]张兆坤，邵珠峰，王立平，等.数字化车间信息模型及其建模与标准化[J].清华大学学报：自然科学版，2017，5.