网上看板与精益生产控制方式

近年来，顾客需求的多样化和市场环境的快速变化，要求制造企业能够迅速地调整生产，并对生产控制的动态性和准确性提出了更高的要求。大型机械制造企业由于产品种类繁多、结构复杂，需要协调多阶段、多部门的生产活动，生产控制尤为困难，是制约生产效率的关键所在。

随着信息技术的发展，物料资源计划(MRP)、制造资源计划(MRPII)和企业资源计划(ERP)等管理信息系统[1-2]能够根据产品的物料清单(BOM)生成相应的生产任务，为生产计划的快速编排和自动下发提供了手段，但根据生产状况和需求变化及时调整计划韵快速反应能力明显不足，生产会逐渐偏离计划，如不进行动态调整，无法满足交货要求的现象时有发生。

因此，国内外研究者对提高生产控制的动态性能进行了大量研究。其中，以精益生产理论中看板方式[3-4]的应用最为广泛。该方式通常使用记有零部件型号，取送货地点、数量等信息的看板卡片作为生产指令，通过各种卡片的数量变化，根据下游工序的生产状况自动向上游工序拉动式地发出供料需求信息，从而实现生产的动态控制。该方式最初应用于丰田公司的汽车装配生产线控制，近年来被广泛关注，先后扩展到汽车制造企业的物流管理[5]、机械组装车间生产控制[6]等方面，成为提高生产控制动态性能的有效手段。

为了在信息技术的支持下将看板方式应用于大型机械制造企业多阶段、多部门的复杂生产过程，从系统角度对生产控制过程建立模型，并设计相应的平台软件，逐渐成为新的研究热点。丁伯慧等[7]研究了看板方式与制造执行系统(MES)的结合方法。沈力等[8]利用工作流技术实现连接方式可改变的柔性看板。英国卡迪夫大学的John和zhou等[9-10]将自动控制理论引入到生产控制领域，提出了包含看板方式的基于自动渠道、库存和订单的生产控制系统(automatic pipeline，inventory and order based production control system，APIOBPCS)，并使用控制框图描述控制信息流程，为生产控制系统的设计提供了新的思路，但目前的研究尚局限在单一产品的供应链库存管理领域。

本文针对大型机械制造企业多阶段、多部门的动态生产控制问题，借鉴现代控制工程理论中的有关方法和概念[1]，首次将看板方式与控制理论相结合，提出网上看板与精益生产控制方式，综合反馈控制和前馈控制，在相关生产环节构建信息控制回路，通过网络将看板方式扩展到整个机械制造企业。在此基础上，与大连理工大学数字化设计研究所和大连瑞恩软件有限公司合作，开发了相应的平台软件，在具有代表性的大型机械制造企业——冰山集团大连冷冻机股份有限公司得以实际应用，有效地协调了各阶段、各部门的生产活动，减少了生产等待和库存积压等方面的浪费。

1 精益生产控制原理

精益生产的核心思想之一是通过拉动式控制策略实现准时生产，即从市场需求出发，由市场需求信息决定产品的组装，再由产品组装情况拉动零部件的加工和采购活动。下游车间根据当前需求，动态地向上游车间、外购部门发出生产指令，上游车间、外购部门按照这些指令进行生产或采购。其信息的流动方向与物料的流动方向相反，通过信息流来拉动物料流，在必要的时间生产必要数量的产品，以消除生产等待和过量库存等方面浪费。

分析精益生产原理，其核心内容为信息采集、信息传递和信息控制。通过信息化技术综合实现上述内容，即构成了精益生产控制系统。精益生产控制系统是一个复杂的大系统，这个系统根据具体的受控对象结构(企业的生产组织体系和资源分布)又由若干子系统构成，可分别采用与各生产组成环节相适应的反馈控制方式和前馈控制方式。在精益生产理论体系中，这些控制方式通常采用看板方式实现。由于技术手段的限制，传统的实物型看板通常只应用于局部生产线中，面向机械制造企业多部门之间的复杂生产过程。本文将看板概念和内涵进一步扩展，在信息技术的支持下，提出网上看板控制方式。用以实现精益生产的前馈和反馈控制。

网上看板是实现精益生产控制原理的企业信息共享平台，利用网络技术，以网页表格的形式实现了传统看板的信息交互功能，将企业生产信息的高效沟通从生产线的各个工作岗位间扩展到整个制造企业的各个部门间。

在网上看板的支持下，精益生产反馈控制方式可通过MES获取物料输出量的实际值与期望值之间的偏差，由网上看板系统进行动态统计和分析，并传递给相关上游生产环节，根据偏差值进行生产控制。反馈控制只需记录实际生产情况，不需对生产的发展变化进行预测，相对容易实现。但进行反馈控制时偏差已经发生，不能使输出量始终保持在期望值上，会造成一定的损失。

同样在网上看板的支持下，精益生产前馈控制方式可通过MES监控生产状况，及早发现对正常生产的扰动信息(例如订单临时撤销或插入、工艺变更、出现不合格品以及设备故障等)，通过网上看板自动统计和分析，传递给被控对象进行控制，以克服扰动对物料输出量的影响。前馈控制在输出量偏离期望值之前进行，理论上可使输出量始终维持在期望值上，实现无偏差控制。但前馈控制必须及时、准确地辨识和预测出各种扰动信息才能实现，而某些生产环节难以实现，限制了其应用范围。

综上所述，精益生产反馈控制方式和前馈控制方式各有其优缺点，将二者结合起来，可构成综合二者优点的精益生产前馈反馈控制系统。从控制理论的角度分析，这个控制系统实质上是一个按扰动控制和按偏差控制的结合。在系统中，前馈控制用来抑制扰动的影响，而反馈控制用来弥补前馈控制无法完全消除的扰动所带来的偏差。

2 精益生产控制系统

以机械制造企业为例，不失一般性地将生产部门分为下游车间(如产品装配车间)、上游车间(如零部件制造车间)和外购部门。根据部门各自的特点，分别说明在网上看板支持下，精益生产控制方式的实现方法。当然，随企业的具体组织结构不同，可能存在更为复杂的部门连接关系(例如存在更多阶段或更多并行部门)，但均可参考下述两阶段串联、两部门并联的连接关系扩展而成。

2.1 反馈控制系统

在反馈控制系统中，其被控对象是上游车间、外购部门；输入量是来自下游车间的动态物料需求计划；输出量是被控对象提供给下游车间的物料信息；期望值与输入量相同；偏差是输出量的实际值与期望值之间的差值(例如缺料信息)，由网上看板采集和传递。

当上游车间、外购部门将物料送达下游车间时，下游车间对送达的物料进行确认，并将信息录入到MES系统中，MES系统自动将到料信息与下游车间的动态物料需求计划信息进行比较，生成缺料信息，由网上看板动态发布。上游车间、外购部门的管理人员可通过网上看板及时获取信息，并及时采取补救措施，以求最大程度地减少等待的浪费。其控制系统框图如图1和图2所示。

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2.2 前馈控制系统

在下游车间的前馈控制系统中，被控对象是下游车间；输入量是主生产计划；输出量是动态物料需求计划；扰动是订单变更、订单插入、产品和工艺设计进度、产品和工艺变更、人员变化、设备故障等信息；网上看板所采集和传递的信息是扰动信息。

下游车间及时将MRP系统所生成的主生产计划导入到MES系统中，并利用MES系统生成生产作业计划，进而得到物料需求计划。当出现扰动时，销售、技术等部门及时将相关信息发布到网上看板。下游车间通过网上看板及时获取信息，并及时利用MES系统调整生产作业计划和物料需求计划。其控制系统框图如图3所示。

图3 下游车间的前馈控制系统

在上游车间和外购部门的前馈控制系统中，被控对象是上游车问和外购部门；输入量是来自于下游车间的动态物料需求计划；输出量是被控对象提供给下游车间的物料信息；扰动是来自于下游车间的动态物料需求计划。网上看板所采集和传递的信息是扰动信息。

依据下游车间的动态物料需求计划，上游车间利用MES系统生成生产作业计划；外购部门利用MRP系统生成物料采购计划。当出现扰动时，其扰动的相关信息由网上看板动态发布。根据扰动信息，上游车间利用MES系统调整生产作业计划，外购部门利用MRP系统调整物料采购计划。其控制系统框图如图4和图5所示。

2.3 前馈反馈控制系统

将上述各子系统的反馈控制和前馈控制结合起来，并将下游车间的扰动信息通过网上看板传递给上游车间和外购部门，构成整个生产过程的前馈反馈控制系统。其控制系统框图如图6所示。

图6 制造企业的前馈反馈控制系统

3 精益生产控制的应用方式和适用范围

精益生产控制方式的核心是通过看板拉动实现生产信息的采集与传递。在信息化环境下，该功能可由网上看板来实现，即将网上看板与产品数据管理系统(PDM)、计算机辅助工艺设计系统(CAPP)、MRP和MES等管理信息系统相结合，利用计算机、扫描设备等信息终端，在生产过程的关键位置设置多个信息采集节点，动态地采集必要的生产信息，通过产品的设计、工艺等技术数据根据生产状态偏差计算得到生产控制信息，并通过电子屏、显示器等硬件设备以看板的形式及时通知企业相关部门。上述系统所需的各种信息采集方式如下。

1)通过MRP与设计、工艺等技术部门的PDM、CAPP进行数据交换，获得产品的零部件组成、生产提前期等基础数据，并随设计和工艺的增加和调整不断更新，支持网上看板将产品需求自动转化为相关的零部件需求。

2)通过MES与MRP中的销售管理或生产计划模块进行数据交换，得到订单信息或主生产计划信息，作为生产系统设定期望值的依据。

3)通过网上看板系统实时、动态地与PDM、CAPP、MES进行数据交换，获得因设计变更、工艺变更、订单变更、下游车间物料需求变更等所产生的扰动信息。

4)通过MES实时、动态地与MRP中的各级库房管理模块进行数据交换，提取各种产品、零部件的出人库信息以及库存信息，并由MES进行自动统计分析，及时发现缺料，获得偏差信息。

所采集到的上述信息，经网上看板系统处理后传递给相关的业务部门。网上看板系统除了实现销售订单、主生产计划、出库和入库信息等传统的业务信息的传递外，特别通过以下两种信息传递方式实现动态生产控制。

1)以动态物料需求看板实现前馈控制。当下游车间根据实际生产情况，利用MES动态地调整生产作业计划和物料需求计划后，其物料需求计划由网上看板自动提取并传递给上游车间和外购部门。上游车间、外购部门按照下游车间的物料需求计划所提供的时间、种类和数量等信息进行生产和采购的调整。

2)以缺料报警看板实现反馈控制。当上游车间、采购部门未能按照下游车间的物料需求计划所提供的时间、种类和数量等信息提供物料时，经下游车间确认，由MEs自动生成缺料报表。其缺料报表信息由网上看板系统自动处理并实时、动态地发布给上游车间、外购部门。上游车间、外购部门接到缺料报警后，及时采取补救措施，以消除缺料。

由精益生产控制的应用方式可以看出，实现精益生产前馈控制的关键是网上看板系统能够及时、准确和完整地提取和传递扰动信息，以确保前馈控制系统真正地发挥作用。精益生产控制系统是依赖于前馈而不是反馈，就越能提高其系统本身的稳定性、精确性和快速性。

实现精益生产反馈控制的关键是及时、准确和完整地设定期望值和测出输出量的实际值，以确保网上看板系统能够及时、准确和完整地提取和传递偏差信息(缺料报表)，从而提高精益生产控制系统的稳定性、精确性和快速性。这通常需要与MRP、MES等管理信息系统相结合，并利用网络技术在企业各部门之间实现该方式所要求的信息沟通速度和质量。

因此，精益生产控制方式的应用定位在信息技术应用水平和管理水平较高的先进制造企业。

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4 应用案例

冰山集团大连冷冻机股份有限公司主要生产制冷空调成套设备，是具有代表性的大型机械制造企业。企业的产品种类繁多(同时在产的产品通常超过100种)、结构复杂(多数产品所需零件种类超过500种)，因此生产管理的任务十分繁重。2000年初，企业应用的MRP在一定程度上加快了制定生产计划的速度，也提高了准确性，但由于企业多数生产活动需要人工参与，自动化程度相对较低，实际工时相对于定额普遍存在着较大程度的偏差和浮动，使得生产状况难以准确预测，即使多次修改计划也难以跟上实际生产变化，从而不能够动态协调上下游生产活动，装配车间的产品配套率(按时装配的产品数量占原计划数量的比例)通常不超过30％，产品平均延迟时间(各个产品实际装配时间相对于计划时间的平均延迟天数)达到12d以上。

2005年起，企业与大连理工大学数字化设计研究所和大连瑞恩软件有限公司合作，先后在机械加工事业部(上游加工车间)、螺杆装配事业部(下游装配车间)和活塞装配事业部(下游装配车间)开发了MES；随后集成各个车间的MEs以及物资供应部(外购部门)和生产管理部(计划部门兼管部分外协工作)的原MRP系统数据，开发了网上看板系统；于2007年中期上线，分别以动态需求看板和缺料报警看板为主要形式实现了精益生产的前馈和反馈控制方式。

网上看板系统主要功能模块和动态生产控制过程简述如下。

1)生产进度看板：动态统计MRP和加陷中的出库、入库和作业完成记录，向生产管理部和企业主管领导提供各个生产任务的生产进度和各种设备的占用负荷。

2)生产计划看板：发布生产管理部制定的产品主生产计划。主生产计划以能力平衡为基础，至少提前一个月发布，使各个执行部门提前作好相关生产准备。

3)动态需求看板：发布螺杆装配事业部和活塞装配事业部的车间生产作业计划。生产作业计划在主生产计划的基础上，通常在投产前的几天或十几天根据实际状况制定，通知相关上游生产部门及时调整生产，做好原料供应的准备。其页面形式如图7所示，图7中部分任务的车间投产时间(车间生产作业计划确定)相对于计划结束时间(主生产计划确定)有较大调整，反映了需求的动态变化，实现前馈控制。

图7 网上看板的产品需求界面

4)缺料报警看板：发布机械加工事业部、物资供应部、生产管理部的物料供应情况，包括需求数量、已到数量、缺料数量和库存数量等信息。其页面形式如图8所示，图中的各种物料数量随需求和供料情况而动态变化，反映生产中存在的供应偏差，实现反馈控制。

图8 网上看板的缺料报警界面

以企业的螺杆装配事业部为例，通过对历史生产数据的统计分析，该车间的产品配套率由2007年6-8月的平均26％，上升到9-11月的平均35％，平均延迟时间由12d下降到7d，供料情况得到了显著的改进。

5 结束语

本文利用控制理论中的前馈和反馈控制原理阐述了机械制造企业上下游生产环节之间动态生产控制方法，并总结出控制系统框图描述信息传递流程。以此为基础开发网上看板系统，将拉动式看板控制方法扩展到多阶段、多部门的大型机械制造企业。该生产控制方式和软件系统在冰山集团大连冷冻机股份有限公司得以实际应用，在提高配套率、降低生产延迟方面起到了明显的作用。

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