消耗鏈模型在鋼鐵企業(yè)計算機集成制造系統(tǒng)中的應用研究

摘要：結合鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中投入產(chǎn)出的特點，提出了消耗鏈的概念，給出了消耗鏈模型的相關計算公式；建立了消耗鏈與計算機集成制造系統(tǒng)的集成關系；運用面向對象的建模思想，建立了消耗鏈模型和計算機集成制造系統(tǒng)的面向對象模型和信息模型；具體分析了消耗鏈模型在物料需求計劃的應用。最后結合企業(yè)實例，說明該模型的有效性和實用性。

關鍵詞：消耗鏈； 鋼鐵企業(yè)； 計算機集成制造系統(tǒng)； 物料需求計劃

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)05-1442-04

0引言

物料清單(BOM)是機械制造企業(yè)CIMS中的一個重要概念。它描述了產(chǎn)品的零部件(材料)構成及其零部件之間的關系，是CIMS中工程設計(技術)子系統(tǒng)、生產(chǎn)制造子系統(tǒng)、質量管理子系統(tǒng)和經(jīng)營管理子系統(tǒng)的重要組成部分。以BOM為核心的MRP、MRP－Ⅱ、ERP以及物流管理，已成為離散制造企業(yè)CIMS建設的關鍵技術之一[1，2]。

鋼鐵行業(yè)屬于典型的流程與離散相混合的生產(chǎn)類型，其生產(chǎn)過程從有限的原材料開始，逐漸形成一個擴張的產(chǎn)品流，最終產(chǎn)出屬性多樣的產(chǎn)成品。鋼鐵產(chǎn)品的種類盡管成千上萬，但大都是以返回鋼、廢鋼、鐵合金等為基本原料，通過原材料處理、煉鐵、煉鋼和軋鋼等生產(chǎn)工序使幾十噸的鋼水一步步地轉換成要求各異的用戶合同。由此可見，它的制造過程是一個分解過程，是化整(鋼水)為零(客戶合同)。可想而知，它的計劃過程應該是化零為整，即進行組爐和組批生產(chǎn)的過程。同時，上級物料與下級物料之間的數(shù)量關系可能隨溫度、壓力、濕度、天氣、季節(jié)、人員技術水平、工藝條件、配方等的不同而不同。而且在每個工藝過程中，伴隨產(chǎn)出的不只是產(chǎn)品或中間產(chǎn)品，還可能細分為主產(chǎn)品、副產(chǎn)品、回流物和廢物。在屬于混合類型的鋼鐵制造業(yè)，由于產(chǎn)品之間的屬性不同以及生產(chǎn)過程的復雜性，使得裝配行業(yè)的部件樹型BOM在描述鋼鐵產(chǎn)品方面無法表示出必要的狀態(tài)信息[3~5]。

鋼鐵產(chǎn)品在屬性上的差異本質上是由于產(chǎn)品在制造過程中所歷經(jīng)的狀態(tài)(這里狀態(tài)定義為物料在生產(chǎn)特定階段的特性和工藝處理方式的信息集合)不同導致的，不同特征屬性的鋼鐵產(chǎn)品所經(jīng)過的工藝路線有所不同。在鋼鐵企業(yè)供產(chǎn)銷一體化系統(tǒng)中，如果能夠建立有效地反映出產(chǎn)品在制造過程中歷經(jīng)各種狀態(tài)的可定量分析的模型，則可能為以銷定產(chǎn)以及以產(chǎn)定供，即生產(chǎn)計劃以及物料采購計劃的制訂等提供必要的支持信息。

本文提出了基于消耗鏈模型的投入產(chǎn)出分析方法，以解決上述問題。在鋼鐵企業(yè)運用消耗鏈的目的在于研究企業(yè)產(chǎn)品之間的相互依存關系，根據(jù)生產(chǎn)訂單來分析企業(yè)產(chǎn)成品、半成品、原主材料以及各種資源之間的數(shù)量依賴關系，并對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動進行預測和控制，最終能有效支持以供產(chǎn)銷一體為核心的各種經(jīng)營管理模型的構建。

1消耗鏈模型的概念

在鋼鐵企業(yè)里，生產(chǎn)中的產(chǎn)成品、半成品以及原主材料在數(shù)量上曾顯出一種遞價的消耗關系。這種遞價的消耗關系表現(xiàn)為交叉的鏈狀結構，稱之為消耗鏈，如圖1所示。

這種面向生產(chǎn)過程的消耗鏈模型結構反映了鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)過程狀態(tài)，揭示了產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中各種消耗信息以及它們之間的關系，不僅反映了產(chǎn)品的物質構成，還反映了工藝流程，從而可以為鋼鐵供產(chǎn)銷一體化的基于工作中心和物料配方的物料需求計劃制訂以及作業(yè)成本控制提供必要的信息支持[9，10]。

2消耗鏈與計算機集成制造系統(tǒng)的集成設計

2．1消耗鏈與計算機集成制造系統(tǒng)集成的總體架構

鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品常常不是最終產(chǎn)品，而是一種原材料，如各種板材、線材、管材、型材等。用戶的需求除對于幾何尺寸的要求外，更多地表現(xiàn)為對材料成分和性質的要求。它的生產(chǎn)過程是一種物理化學過程，并且不是組裝式的，而是分解式的。那么，在鋼鐵企業(yè)供產(chǎn)銷一體化中如何描述各類成品、半成品以及原主材料等消耗關系？基于以上論述，本文提出了鋼鐵企業(yè)產(chǎn)銷一體化系統(tǒng)與消耗鏈模型的系統(tǒng)集成關系。 

消耗鏈與鋼鐵企業(yè)計算機集成制造系統(tǒng)集成的總體架構如圖2所示[11]。

2．2消耗鏈與計算機集成制造系統(tǒng)的對象和信息模型

本文采用虛擬生產(chǎn)號的概念來代表具有相同或者類似屬性的一類鋼鐵產(chǎn)品，它們的加工工藝相同或者很類似，具有同樣虛擬生產(chǎn)號的產(chǎn)品在系統(tǒng)中具有相同的工藝路線，即經(jīng)過的作業(yè)中心是一樣的。工藝路線包含多個作業(yè)中心，它們是一對多的關系。虛擬生產(chǎn)號采用16位十進制字符。其構成如圖3所示。

合同及其生產(chǎn)號（合同和生產(chǎn)號是一對多的關系，每一個合同由于所訂產(chǎn)品種類、屬性的不同，會形成多個生產(chǎn)號)。

爐號是鋼鐵企業(yè)重要的標志，它表示冶煉某鋼號的跟蹤標志，爐號和鋼號是一對一的關系。在冶煉過程中，每一爐鋼水均需消耗多種鋼鐵料和鐵合金，以保證獲取適當?shù)漠a(chǎn)品屬性標準。

在鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，每個作業(yè)中心實際是一個投入產(chǎn)出中心，即投入來自上工序的半成品以及本工序的各種定額費用（人工、能源等）產(chǎn)出符合要求的半成品或產(chǎn)成品，同時還產(chǎn)出一定的返回物資（切頭、切尾以及廢品等）。每一作業(yè)中心對于某種產(chǎn)品均存在一個成材率和損耗比。將工藝路線上的作業(yè)鏈依次串接起來，并獲取每一作業(yè)各項目的直接消耗系數(shù)、成材率損耗比等信息，就獲得了某產(chǎn)品的消耗鏈信息。

消耗鏈模型和計算機集成制造系統(tǒng)的面向對象集成關系如圖4所示，信息模型如圖5所示。

2．3原材料需求模型的構建

鋼鐵企業(yè)原材料成本占整個鋼鐵企業(yè)成本的主要部分，如何降低原材料的庫存，以及根據(jù)當月排產(chǎn)的訂單對各類原材料的需求進行計劃和估算，并在此基礎上進行原材料的采購。這對于鋼鐵企業(yè)降低原材料庫存以及提高供應生產(chǎn)所需原材料的及時性，從而降低成本具有重要的意義。本文提出的借助于消耗鏈模型對鋼鐵企業(yè)原材料需求計劃估算模型如圖6所示。

鋼鐵企業(yè)原材料需求算法流程如下:

a)首先獲取某月訂單庫中一條生產(chǎn)任務信息，將生產(chǎn)任務屬性信息與虛擬生產(chǎn)號信息相匹配。

b)匹配虛擬生產(chǎn)號信息后，獲取編碼前四位，獲取該訂單的工藝路線編碼。

c)由工藝路線編碼獲取產(chǎn)品依次經(jīng)過的關鍵作業(yè)鏈信息，并獲得作業(yè)鏈上各半成品的投入產(chǎn)出系數(shù)。

d)獲得各作業(yè)鏈下各項目的投入系數(shù)信息，逆作業(yè)鏈計算各作業(yè)半成品需求矩陣B=[B1，B2，B3，B4]=[bki]，依據(jù)訂單獲得各階段半成品需求量并逆作業(yè)鏈減去庫存，依次反推獲得鋼錠的需求量b。

e)由產(chǎn)品鋼號以及標準信息獲取該鋼號的化學成分信息。

f)依據(jù)計算規(guī)則獲得鋼錠冶煉作業(yè)各原主材料的直接消耗系數(shù)向量a(0)1=(a11，a12，…，a1n)T。

g)獲得訂單產(chǎn)品對原料的完全消耗矩陣a(0)1b。

h)訂單庫中是否還存在未匹配的訂單，如有，返回a)，如沒有，繼續(xù)。

i)按類別匯總所有生產(chǎn)任務原材料需求量，扣除已有原主材料庫存，得到原材料月需求計劃。

j)結束。

3應用實例

2006年1月份鋼號為ML20MnVB的不同規(guī)格產(chǎn)品的訂單如表2所示，且冶煉時加入返回鋼比例為0。

4結束語

本文提出的消耗鏈模型和鋼鐵企業(yè)計算機集成制造系統(tǒng)的結合應用方法，是以企業(yè)基礎信息平臺為基礎，以客戶訂單為中心，以投入產(chǎn)出為研究對象，實現(xiàn)了原主材料需求計劃模型的構建。這對于鋼鐵企業(yè)形成物料需求計劃以及對生產(chǎn)過程進行定量分析決策具有借鑒意義。

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