本科毕业设计车间生产看板管理系统研究.docx
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本科毕业设计车间生产看板管理系统研究
毕业论文
题目车间生产看板管理系统研究
学院机械工程学院
专业工业工程
班级工程0702
学生陈香
学号***********
指导教师曲一兵
二〇一一年五月三十日
1前言
在全球化的趋势下世界经济快速发展，各企业之间的压力也在日趋的增长。
尤其是我国加入WTO后,国内企业面临着改变机制、提高效率、增强企业市场竞争能力的许多挑战。
在产品品种越来越丰富及产品更新换代周期越来越短的市场背景下，生产制造、生产管理等过程也必须要适应市场的需要，这些无疑给企业带来许多新的困难。
企业之间的竞争力不再仅仅局限于质量和价格了，还应包括企业对客户变化的需求的快速响应能力[1]。
质量、价格及快速的反应能力都是跟企业车间内产线管理有着密切的联系。
这时向车间产线管理要效益,提高产线管理水平变得刻不容缓。
看板管理（kanbanmanagement）是基于企业对市场需求变化不能适应的背景下提出的，从而使企业生产系统在满足市场需求的前提下所允许的常量在制品的数量最少。
看板管理是通过企业以市场需求来拉动生产，从组装线拉动零部件的生产进而至原材料、外购件的购买，以前方生产拉动后方服务，真正的实现了以市场为导向、以顾客需求为指令的系统模式[2]。
看板管理以“彻底消除无效劳动和浪费”为指导思想，本着“从后向前工序领取”的逆向思维原则，从而解决企业生产线上存在的一系列问题，为企业提高竞争力。
1.1研究背景
20世纪40年代末50年代初，丰田生产方式创始人之一，大野耐一先生在日本的丰田汽车制造厂引入内部市场机制，由后工序向前工序发出生产订单，这种将内部订单写在卡片上，被称之为看板。
用看板为工具来实现准时化生产的管理方法，称为看板管理[3]。
经过近50年的发展和完善，看板管理已经在很多方面都发挥着重要的作用。
目前，MohammadD.研究了基于JIT的生产控制计划看板设计[4]，Tung-HsuHou研究了看板数量和规格的设计，从而解决库存水平问题[5]。
ValerieTardif和BhabaR.等研究了制造企业中拉动式生产看板管理，并将其分为了物料看板、生产调度看板等，用于解决制造企业的库存水平控制、订货和卸载时间等问题[6]。
B.KentPottsJr.研究了看板单位负载大小、数量的设计，以满足日生产需求和成本最小化。
翟光明研究了企业中的看板与适时供货、零库存之间的关系，从而使企业中“人、财、物、时间、空间”达到更加优化组合。
李占凯和何玉林究了企业中使用看板的条件、规则、作用等，从而让我们对于看板管理的操作模式有了一个整体的把握。
随着全球经济一体化进程的加速和世界产业结构的调整，中国已经成为世界制造业的中心。
目前，很多国内的企业都正面临着巨大的挑战。
一方面许多国外的企业大举进入中国，成立合资公司，欲分享中国市场；国内企业纷纷引进国外先进的技术和设备，进一步引发市场竞争。
另一方面，顾客需求呈现小批量、多品种和个性化趋势，企业对于市场需求的快速变动需要有更快速的响应能力，而要求降低库存持有成本又成为了企业另外一个巨大的压力。
在竞争日益激烈的全球市场中如何降低企业库存持有成本，缩短生产周期；如何在生产过程中防止过量生产，从而彻底消除在制品过量的浪费以及由之衍生出来的种种间接浪费；如何使产生次品的原因和隐藏在生产过程中的问题及不合理成分充分暴露出来，从而实现通过流程整体优化与持续改进，均衡物流，高效利用资源，最大限度消除浪费，这些都越来越受各企业的属目了[7]。
因此，各企业要生存下去必须进行技术创新、管理革命，同时需要降低生产成本，提高生产率，迅速的提高企业竞争力去夺得市场，即在不再增加成本的基础上提高产量。
在这样的情形下，看板管理作为实现准时化生产、有效提高企业生产经营管理水平的一种重要手段而出现在很多企业内。
1.2研究目的
在20世纪70年代全球范围经济衰退的时候，日本丰田汽车公司却获得了巨大的利润。
很大程度上归功于丰田公司实行的拉动看板管理生产方式。
拉动看板管理的生产方式中，通过计算看板数量，在一般的企业里可以就降低库存，节约库存的持有成本，减少现有库存占用的生产面积。
由于库存的减少和看板实施过程中建立起的生产秩序可以提高现场物料的顺畅性。
这是物料需求计划变更时所产生的物流不畅无法比拟的。
看板通过目视信号同时告知作业员和管理者什么时候开始生产，什么时候停产，绝对不允许生产后工序不需要的产品，从而控制在制品的数量，防止过量生产造成的浪费[8]。
也正是由于目视管理条件下，一线作业员也能够及时地了解生产计划，需求发生变化时，作业员可以根据看板适时调整生产线，以及在特殊情况下，及时地寻求到帮助。
这样生产主管、计划员和调度员们就不需每天纠缠于生产现场从而释放了更多的人员，去从事其他更有意义的事情。
看板方式设定了最高库存量和最低库存量，可以通过观察库存量来调节生产进度。
库存量作为一种信号，当需求降低时库存量变大，直到到达设置的最大库存量时，看板系统就发出停产的指示。
这样看板系统就会自动告诉你是否进行生产，从而更加灵活的适应计划的变更。
看板方法控制着库存的总量跟物品的生产周期，这样就保证了库存的新鲜度，从而减少库存报废的危险。
1.3主要研究内容
拉动式看板管理方式是从生产最后的装配线开始，在特定的时间依次由后道工序从前道工序领取所需数量的零部件，而前道工序则需要在特定的时刻生产后道工序所需数量的零部件，用来补充在后道工序中所消耗的。
这样以看板为信息的传递工具，从最后一道工序，一步一步的向前追溯，直到原料采购部门，使每个生产部门都同步运行，使现场物流处于最佳状态，做到准时领取、准时运转、准时生产[9]。
看板在拉动式看板管理中就是工作指令,其中包括产品信息、运输信息、生产信息等。
在生产车间，任何一个人只要看到了看板就能了解目前正在生产的是什么产品，产品是在什么地方进行生产的，进行的是哪道工序，即将被送往哪里进行什么样的工序，在这个时刻需要生产多少，目前在制品库存量是多少。
在生产看板管理系统中，始终坚持没有看板不能生产，也不能运送的原则。
作为看板管理系统中的信息传递工具，看板有很多的参数需要确定。
第一，看板管理方式需要符合企业的类型及其现状。
第二，看板的操作必须严格符合规范，看板只能来自后工序，没有看板不能生产也不能运往其它地方，，前工序按看板的顺序生产且只生产取走的部分，看板随着物料一起移动，不能向其它工序传递不合格品。
第三，在拉动式看板管理系统中，看板的数量还代表着在制品的库存量，所以看板本身的数量必须要合理，需要符合流程现状。
看板数量设置多了，会使系统库存增加，达不到减少在制品的要求，会产生在制品过量的浪费，同时也不能及时发现次品产生的原因和隐藏在生产过程中的问题或不合理成分等造成的一系列浪费，从而失去了看板管理的本质性作用。
看板数量太少，则会使车间产线周转不过来，会引起产量的大幅度下降。
第四，看板随着物料箱的移动而移动，由后工序至前工序反复循环着移动。
第四，一枚看板代表的一个物料箱的容量，合适的物料箱容量可以使物流更顺畅。
由于工厂一般生产多种产品，产品零部件的工艺路线难免会有重复的时刻，这是就涉及到产线瓶颈的问题。
在一个工艺路线中一般加工时间显著多余其他其他工序的，即为这条工艺路线的瓶颈。
在工厂内部瓶颈速率一般是限制了整条产线的产出，此时其他所有的工序皆需要围绕瓶颈工程来运转，所以如何在在制品数量达到上限之前尽力提高瓶颈速率也是我们必须研究的一个问题。
2传统看板管理中存在的问题
2.1卡片计数问题
看板系统中需要设定的参数很多。
在看板系统中，看板是严格按照工序由从后到前的顺序传递，它的分段区间是每一个工站，如图2.1所示。
因为一个工站为一个分段区间，那么在看板系统中必须为每一个工站建立一个最大WIP水平，使用者必须为每一个工站建立单卡片计数机制（在双卡片系统里则需要计算两倍的卡片数）。
为了得到合适的卡片计数需要将分析与持续调整相结合才可以，这是个很庞大的工程，这也就意味着看板管理不容易控制。
2.1在制品问题
在多生产环境的看板系统中，卡片是料号有别，即确定用于授权生产的部件。
因为产线上的每一个工站都必须知道它的流出点是去补充哪种部件的库存。
从这个方面来看看板系统必须包含产线上每一种料号的在制品（WIP）标准容器。
如果没有的话就可能会出现下游工站产生需求而上游工站无法满足的现象。
在一个实际的工厂内部产品零件会有很多种，如果产线生产一千种不同的物料，则产线上可能需要几千种在制品容器，这时看板系统可能就会被WIP淹没导致生产环境崩溃。
其实在这一千种物料并不一定全都是市场频繁需求的。
当其中大部分是活性部件（偶尔生产）时，车间内部依然保留着每一种物料的WIP库存就显得不合理了。
因此，看板系统没有必要为长期都没有需求的零部件保持WIP。
看板系统是一个纯备货生产系统，它的提前期是零，当出现需求时零件在流出库存点。
如果这些低需求的零件在车间没有WIP库存，一旦出现顾客需求则这种需求就会一路生成无法满足的需求直至产线的起始端。
从产线的起始开始加工一件任务，一直沿加工路线进行生产的时间将会比有库存的零部件对于顾客需求的反应时间长很多，这时JIT（justintime）协议也就失去意义。
也正因为如此，这些活性部件即使只是偶尔生产，它们的在制品库存还是会存在，即会根据安全库存的需求被触发到产线中。
但是这在生产车间被视为一种不合理的行为，这是投料的盲目性，会造成设备能力的浪费，产能的损失。
2.1产品组合造成的瓶颈问题
传统看板管理方式不是在所有的生产环境中都是适用的，它只适用于重复性制造环境。
重复性制造一般指的是流水线式的生产环境，即物料均以固定的速率沿着固定的路径流动。
产品在组合或者数量上的变化，都会破坏流水线的生产模式，从而致使看板系统不再适用。
在重复性制造环境中的瓶颈工程是固定的，即在产线中需要加工时间最长的工序是不变的。
因为瓶颈工程不变，车间内部只需要根据瓶颈工程的速率去设定其他工序的速率即可，这样的话整个产线中的WIP也可以固定下来，使整个生产的作业控制过程变得简单。
而产品组合及各产品数量的变化会给产线带来很多问题，这些也不仅仅是提高看板系统中整体的WIP数量就可以解决的。
例如，图2.2中所显示出的问题。
产品A、B在各机器上的加工时间也可见图2.2标示。
由图可以看出如果我们只加工产品A则机器2是瓶颈；如果我们加工的只是产品B则机器4是瓶颈。
然而，如果是A与B以不同的比例组合而在这条产线上进行加工，那么这条产线的瓶颈工程就会根据A与B的组合比例而漂移。
为了更清楚的明白这一点，请看一个50%的A与50%的B产品组合在这条产线上加工各机器的平均加工时间为：
机器2的平均加工时间=0.5（4）+0.5
（1）=2.5小时
机器3的平均加工时间=0.5
（2）+0.5
（2）=2小时
机器4的平均加工时间=0.5
（1）+0.5（3）=2小时
在这种情况下，组合产品在这条产线上的瓶颈工站为机器2，随着A、B的数量比例变化，其瓶颈工站也会变化，即漂移。
由此产品组合或者数量上的变化会导致产线瓶颈变化。
在理想的看板环境中，会设定一个固定的产品组合去实现生产控制，如对于图2.2的例子，我们会给出A、B的具体数量组合及加工顺序而且不变化。
但是在非理想环境中，因为需求随着季节性变化，预测也不很稳定，固定的产品组合对于这个生产系统没有意义。
在这种情况下，我们一般采取以需求为基准去调整产品组合。
然而，这样会导致瓶颈漂移，同时也会给看板系统中的卡片计数带来更多的困难。
为了防止瓶颈工站出现堵塞或者没有加工任务的现象，一般会在瓶颈站前后放置更多的生产卡片。
瓶颈由所要加工的产品组合决定，则最优卡片数量也由产品组合决定。
因此，为了达到低WIP水平而高产出的目标，我们必须根据生产状况随时调整卡片数量。
本身在看板系统中设定卡片数量比较困难，那么随时间动态调整卡片数量是一项更加艰难的任务。
2.1人的问题
在产线上除了零部件作业员也是工站的一部分。
在看板系统中每一个工站都采取从后向前的拉动的生产方式，这在某种角度上会给系统造成了一定程度的压力，当然这个压力在作业员身上表现得更明显。
当只有原材料但没有生产卡片时，作业员是不能开始工作的。
一旦生产卡片到达后，他们必须在最短的时间内完成需要补充的零部件数量，这样才能防止产线中的某些工站发生无法满足需求的情况，这也是作业员在加工过程中主要的压力。
看板系统在每一个站采取拉式的行动会促进邻近工站作业员更紧密的联系，但其实这是不太必要的，因为无论两个站之间是不是采用了看板系统的拉动机制，上下工站之间的零件转换都一定会发生。
为了阻止不合格零件的转换，工厂内部可以培养员工的全员质量管理观念从而提高整个工厂内的质量关，这也可解决看板系统焦点一直保持在流出库存点是否满足的问题。
3CONWIP系统概述
3.1常量在制品（CONWIP）
在生产过程中如实行典型的拉式看板管理，在实行过程中中存在计算周期短、卡片数量计算复杂的困难，不利于现场生产调度。
故建议采取常量在制品方式延长生产拉动距离。
对于一个给定的产线，建立一个对产线中WIP数量的限制，而且在WIP临近限制或位于限制之上时不再触发就够了。
一个任务离开就会有一个新任务被引入线中的协议称之为常量在制品（constantworkinprocess），因为它能引起一个几乎恒定的WIP水平。
3.1.1CONWIP系统结构
基于常量在制品的拉式生产沿工艺路线按照车间分段，在车间内设置入口暂存区与在制品暂存区。
当零件完成在本车间的加工任务后转入工艺路线的下一个车间入口暂存区，卡片回收。
CONWIP系统结构可以简单的描述如图3.1：
在CONWIP系统中，只有一个单卡片计数需要设定，但卡片并不确定具体的部件数量。
生产卡片来到产线前端与延迟清单相匹配，为待加工零部件投入产线设定顺序。
因此，根据每一张生产卡片返回到CONWIP产线前端的时间，就能授权投放一个特定的零部件到产线中。
由于CONWIP系统根据具体的生产卡片和作业延迟清单投料，那么即使企业会生产上千种料号，我们也不会保留所有产品的在制品，即那些长时间没有需求的物料不会被触发到产线上，这为机器设备节省掉很多的产能，也能防止浪费。
当一些产品出现低数量订单需求的时候，工作订单将会在合适的提前期之下被投放到产线中以配合产线中所需要的生产时间。
因此，不仅可以保持准时化生产，而且对长时间才出现的低数量订单需求也可以快速且又不浪费设备能力的顺利完成。
其实CONWIP系统的提前期是一个较小的值，这增加的一些周期时间会让产线的柔性增加，从而能够更好的满足客户的需求。
在CONWIP系统中只有一个单卡片计数，因此只要需求的速率保持相对稳定，就不需要根据产品组合的变化来调整卡片数量，从而去节省设置卡片数量的工作。
因为没有在每个工站之间的均设置卡片数量，这样在CONWIP的分段区间内不会因为卡片数量不足限制瓶颈工站的加工任务，那么也不会出现因为瓶颈而堵塞的问题。
这些都不需要人为的参与，从而可以自然地治理瓶颈行为。
CONWIP系统除第一个工站之外的分段区间内的其他工站都表现的像推式系统，当中游机器的作业员接收到原材料，他们可以自动开始在上面工作。
因此，作业员就可以在接收到的原材料数量范围之内最大程度的工作，当生产卡片到达时就能减轻一些节奏压力。
当然在CONWIP产线的第一个工站，作业员也只有在生产卡片授权后才允许开始工作。
综合考虑上述的几个方面都说明了CONWIP系统从基础上来说比看板系统更易于管理。
3.2基础CONWIP
基础CONWIP系统适用于最简单的制造环境，即单路线、单产品族的产线。
在一个生产车间内部满足以下四个条件则可认为是最简单的制造环境：
（1）各工件的加工路线几乎相同。
当某些待加工零部件包含一些并不显著影响流动时间的一些其他作业，我们仍然可以使用基础CONWIP。
（2）各工件在各工站加工时间差不多。
这表明没有加工时间特别长于其他工站的加工工序，则瓶颈工程是稳定的。
（3）机器换模时间短。
这说明了两个不同的产线切换时机器不需要很长的换模时间，单个加工任务通过产线的时间不会因为加工任务序列的变化而剧烈的波动。
（4）没有组装线。
加工任务的进行可视为直线流动。
在这个最简单的制造环境中运行基础CONWIP系统能够对实际的生产环境进行精确的估计。
在CONWIP系统中，通过产出来调整投料以保持产线中WIP为定值[10]。
维持常量WIP协议的方法一般通过卡片或容器，如图3.2所示。
原材料由标准容器送达到，但仅在有可用的CONWIP生产卡片时才投入产线。
卡片样式可以是多种形式，如塑料标签、金属卡片、硬纸板或者就是空容器本身，卡片上不需要路线或产品信息。
在产线上只依据生产卡片去触发生产，卡片重复利用（它们没有因加工任务移向重工而停顿或因工程变更要求而结束），产线中的WIP将与CONWIP卡片数目设定的水平一致。
图3.2CONWIP产线中卡片的移动
3.2.1基础CONWIP系统存在的问题
（1）作业延迟。
因为CONWIP卡片并不包含产品信息，所以工作人员需要依据其他的信息才能选择投入产线的加工任务。
（2）产线先进先出原则。
生产线应该保持先进先出原则，即除了产能损失、重工或经过多机工站的情况，工件将按照它们加工任务的触发顺序离开生产线。
因为常量在制品系统能保持产线运行平稳正常，这样就能比较容易地预测各工件的加工任务何时完成，甚至可以预测那些处于作业延迟的加工任务的完成时间。
当CONWIP生产线很长时，插单加工任务就会比较多。
为了将插单任务加速时产生的变动性最小化，在生产线上应该只能有两种水平的触发优先级并且建立特殊的超越点。
超越点是产线中的缓冲或库存点，常常位于CONWIP环段之间。
对一些特定的加工任务的加速往往也是在超越点进行。
工站从一个缓冲队列中取得原材料的原则是，在有需要加速的订单情况下，先加工加速订单；有多个加速订单则加工最紧迫的；没有插单订单时就按缓冲队列中待加工零部件的时间长短来选择加工的任务，等待时间最长的优先开始加工。
生产线上只允许在特定位置处超越，这能使得预测加工任务何时离开产线变得容易。
如果在产线上设置了多个优先级并且允许无限制的超越，产线中的变动性会变得很高，这样就难以预测加工任务在产线的完成情况。
（3）卡片数量。
CONWIP产线中必须设定一个合理的WIP水平，即设定卡片数量。
如果生产线上本身就有WIP数量这一说法，则在CONWIP系统中只需卡片数量的初始值定在其WIP水平即可。
当生产稳定后，观察各工站前的缓冲队列，定期检查队列长度，从而调整卡片数量来适应产线的变化。
如果某一工站处的缓冲队列一直很长，则减少卡片数量不会对产能产生较大的影响所以应该果断的减少卡片数量以控制WIP数量最少。
当在一条产线上第一次提出WIP数量控制方法时，则应该通过选择合理的周期时间CT根据以往的历史经验估计生产速率
从而计算得到WIP数量。
依据里特定律[11]，设定WIP水平为：
（3.1）
（4）卡片不足。
如果卡片数量相比生产线一系列变动引起的后果足够大，那么坚持常量在制品能够使生产系统正常运行。
在实际的产线上会存在一些情形迫使我们违反CONWIP投料准则，如图3.3所示。
瓶颈之后的一台机器正经历一次很长时间的失效，这台机器的长时间失效会导致瓶颈因缺乏卡片而饥饿。
如果非瓶颈机器比瓶颈机器快得多，则它修好后能够较快速的清空它面前的缓冲队列从而使整个产线平稳运行，但是我们会失去瓶颈机器的产能。
这时就需要实施卡片不足措施，即向产线投入一些没有CONWIP卡片的加工任务，这能够使得瓶颈工站持续不断地工作，充分利用瓶颈工站的产能。
一旦下游瓶颈机器不再失效，马上恢复CONWIP协议即只允许有CONWIP生产卡片的加工任务投料。
没有生产卡片的加工任务也将逐渐被清出产线，WIP将回落到设定的目标水平。
图3.3CONWIP系统卡片不足情形
（5）提前释放加工任务。
在CONWIP协议中，当产线在最近的一段时间之内一切运行良好，那么可以超前排配选择性的生产一些后来的生产任务。
在CONWIP协议中，可以选择提前生产的加工任务也是需要慎重考虑的一个问题，这涉及到加工任务的交货日期问题。
3.3串联CONWIP系统
最简单的生产环境在实际中一般不存在，即使存在我们也不会直接按照基础CONWIP路线来运行生产线，因为串联CONWIP系统将整条产线分为几个部分，这将更易于管理。
CONWIP系统一般通过WIP缓冲隔离出几个串联CONWIP环路从而去对整个产线进行控制。
产线中的各个环路WIP能够保持在各自的恒定水平。
由于产线各环路之间保持着足够且合理的WIP，使得各环路能以独立的速度运行且互不影响（饥饿或阻塞）。
这相对于基础CONWIP系统中是增加了一些WIP和周期时间但是这是基于实际产线变动性的综合考虑的需要。
如图3.4所示CONWIP的分解方式，从将整条产线视为一个CONWIP环路（基础CONWIP）到将多个工站视为一个CONWIP环路（串联CONWIP）。
图3.4串联CONWIP产线
3.3.1串联CONWIP中需要解决的问题
（1）复杂的共享资源
在实际产线中一般是无法为每一加工任务指定一台单独的机器，那么在一些不同的加工任务被执行的时候往往需要用到相同的机器。
这里用图3.5简单表示出现的这种情况。
图3.5串联CONWIP中共享资源图示
串联CONWIP产线中共享的资源让对产线的控制和预测变得很困难。
首先在控制方面，在众多的产线中我们必须能够科学、快速地选择其中一条去优先使用共享资源。
如果在这些产线中没有特别急迫的订单需求的，我们就可以根据先进先出原则去选择优先使用共享资源的路线。
因为在拉式系统中工件加工任务的触发顺序是跟下游需求的时间是相对应的。
若在这些路线中有迫切需要的订单则需要选择缓冲队列中等待时间最长的一个加工任务进入共享资源。
如果在这些产品组合的加工之间需要机器换模则在各产品组合切换之前应该计算切换的时间及各产品组合的比例。
在最简单的制造环境中，可以准确地预测加工任务离开基础CONWIP产线的时间。
但是在串联CONWIP产线中因为多个产线使用共享资源，预测加工任务离开产线的时间变得很困难。
因为任何一条的产线产出都是强烈依赖于其他产线所占比例的情况。
为了清楚的说明这个问题，如图3.4所示的A与B两种产品组合共享一台机器。
假设产品A、B的利用时间各占50%，生产产品A需要一小时，生产产品B需要两小时。
因为它们在共享机器上的利用时间都已经设定，则在这里我们可以将A、B两产品看成分别是在两台不同的机器上加工的，但是由于机器的断供导致它们的利用率都只有50%。
则产品A的加工时间比例为：
因此B的加工时间比例为：
1-0.3333=0.6667
33.33%与66.67%在两台机器上的利用率，其他时间则为机器断供。
当共享机器处只有产品A时，其速率为1件/小时；当与产品B一起来到共享机器前时，产品A的速率降到0.3333件/小时，平均加工时间是速率的倒数即：
小时/件
同样的一件B的平均加工时间为：
小时/件
在共享资源处的产品组合其加工时间被增大了，产品组合也可以看作为几条不同的分开的产线。
如果各产品组合所占的比重不断变化，它们的加工时间也会在基础CONWIP模型预测值上下波动很大。
这样产生的效果很象产线中的某台机器有着高度变动性带来的后果，因此在我们使用这样的模型的时侯需要放宽WIP数量来补偿这个额外的变动。
（2）多产品组合造成的WIP数量变化
在串联CONWIP系统中，我们放宽了基础CONWIP系统中的一个条件即在这个生产系统中生产的是多种产品。
也正是由于这产品的组合导致
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