船舶管件生產的CONWIP 控制方案設計研究

王岳，馬瑞，何磊

江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003

為了增強競爭力，制造企業紛紛開始引入看板生產控制系統。這是一種拉動式生產控制系統，是替代推動式生產管控，實現精益化生產的典型方案。其主要通過看板信號傳遞生產信息，實現工位間的快速響應。然而，這樣的系統對生產波動較為敏感，在多變或不確定的生產中會限制其能力，無法適應具有多品種、小批量建造特征的船舶產品生產[1]。當前，高技術、高附加值的大型船舶市場前景良好。船企在高端產品市場中的競爭日趨激烈，研發與之相適應的精益生產控制方案，成為業界的研究熱點之一[2]。

CONWIP（constant work-in-process，固定在制品）系統[3]融合推動式和拉動式生產的優勢，通過在生產線首尾工位間引入環路，調整環路的資源投入量[4]，進行生產運行保障，具有重要的研究價值。G Huang等[5]面向單件產品標準裝配過程，提出5種CONWIP回路設計模式和相關控制策略。Leonardo等[6]提出一種KANBAN/CONWIP混合控制方案。Takahashi[7]、Li[8]和Pettersen等[9-11]證明了CONWIP控制在適應變化性需求中優勢明顯。Zong[12]、Jaegler[13]等對當前所開發的CONWIP系統方案進行了分類綜述。Roy等[14]提出基于CONWIP卡和作業起始時間控制生產體系的運行。這些研究成果驗證了CONWIP系統在混合裝配生產線應用的可行性。

多樣化的高端船舶產品帶來了舾裝作業量和作業標準的大幅提升，致使原推動式生產管理下船舶管件生產周期延長，工位阻塞嚴重現象出現頻繁。為此，本文設計了無縫鋼管及紫銅管加工生產線3種CONWIP控制方案，對比研究這些控制方案的相關影響。

1 管件生產工藝流程

目前船用無縫鋼管和紫銅管均包含直管和彎管[15]。如圖 1所示，管件加工主要涵蓋從下料、彎管、校管、裝焊到打磨等工藝[16]。其中，有部分管件涉及法蘭等附件的裝焊[17]。

圖1 無縫鋼管與紫銅管生產線工藝流程

某廠H1138船中的901分段管件采用托盤形式進行制作和集配管理，部分管件生產計劃情況如表1所示。該分段中共有556根無縫鋼管，其中338根是彎管，451根需裝焊法蘭等附件；紫銅管均需裝焊法蘭等附件；共有419根，其中彎管有277根。

表1 901分段管件生產計劃

按照生產線布設實際，所有工位設備、人員等均無間斷推動式生產運行，在管件下料切割、彎管、附件制作等工位存在在制品積壓、阻滯率高等問題。完成該分段的管件制作需要17 d左右，其中單件管件的平均生產周期是4.6 h，產出率為2.4根/h，生產線上的平均在制品數約為20根。

2 CONWIP控制方案設計

2.1 CONWIP系統的原理

圖2是單環路串聯的 CONWIP系統模型，借以闡述系統的運行原理。其中，在制品的流動路徑以實線表示，看板的流動路徑則以虛線表示。看板與生產需求和加工執行相關聯。其數量與在制品數量通過貼附時刻保持一致。從看板發射端到接收端體現了拉動式生產管控特征，又從看板接收端經過系列工位作業到看板發射端，則兼容了推動式生產執行特征。由此構成了 CONWIP的環路[18]。當看板接收端有了看板后，便意味著待加工品可以進入環路進行加工，成為在制品。進而可以看出，CONWIP系統中的看板主要用來保證環路中的在制品數量。而看板生產系統的看板則還要與產品類型相對應，致使系統兼容性有所下降，單個工位的問題會直接牽連整條生產線的正常運行。

圖2 CONWIP單環路串聯模型

將CONWIP控制引入到管件生產線，為了深入分析該控制方式的管控效果。在圖1所示工藝流程的基礎上，設計了4種生產方案如下：

方案1 單一產品理想生產線，4個加工工位（加工時間分別為2/2/2/2 min）；

方案2 單一產品生產線，瓶頸位置固定，4個加工工位（加工時間分別為2/2/8/2 min）；

方案3 三產品（無縫鋼管/法蘭等附件/紫銅管，a/b/c）理想生產線，4個加工工位（加工時間分 別 為a： 2/2/2/2 min；b：1/2/1/2 min；c：1/2/3/4 min）；

方案4 三產品（a/b/c）混流生產線，4個加工工位、1個裝配工位（a/b/c在SP_3工位的加工時間分別為4/1/1 min；產品a在SP1_3工位的加工時間為1 min；產品c需要裝配1個a和1個b，Assembly工位的加工時間均為5 min；產品c在SP2_3/SP3_3工位的加工時間為2/5 min）。

應用Plant-Simulation建立各方案的仿真模型如圖3所示，其中，CT表示產品平均生產周期，h；TH表示產品的產出速率，根/h；Output表示總產量，根；TotalTime表示總加工時間，d；BF為緩沖區。WIP_x表示在制品投入量，環路之間通過信號發射端和接收端來實現首尾端工位的聯系，用程序控制環路中在制品數量。在方案1～3中WIP_x的值分別取為1～10，即增大環路中在制品投入量，這3個方案總計運行模型30次；由于方案4中存在裝配工位Assembly，在滿足3種產品裝配比的前提下，裝配作業才能進行，這里采用WIP_x初始大取值的方式減少無效仿真運行。方案4的WIP_x取值為5～14，共運行模型10次。模型每次運行時間設為 1：00：00（1h，Plant-Simulation中時間的完整格式為“天數：小時：分鐘：秒數”），記錄仿真模型中的Output、CT和TH值，運行結果如表2所示。

圖3 4種方案的仿真模型

將表2中的數據用散點圖表示，WIP_x為橫坐標，TH、CT為縱坐標，如圖4所示。

各方案均存在一個最佳在制品投入量WIP#，即在TH最大、CT最小時對應的環路在制品投入量。在WIP#左側，TH隨著在制品投入量的增加而增加，CT隨之減小（如果有一個待加工產品在生產線旁等待，則等待時間也計入CT中）；在其右側，TH始終保持最大值，CT一直在增大，而在方案2具有瓶頸工位的生產線中，受瓶頸的影響，CT先增大，而后保持不變。

綜上所述，可以看出CONWIP生產線具有2個重要特性：

1）在制品投入量的多少對生產線有關鍵性影響，存在一個最佳在制品投入量WIP#，使TH最大，CT最小；

2）無瓶頸工位的理想狀態下，當在制品投入量大于WIP#時，生產線的TH不會改變，而CT會隨之增大；具有固定瓶頸工位時，投入量大于WIP#后，TH保持一定值不變，而CT隨之先增大，后保持不變。

表2 仿真結果

圖4 各方案下的仿真結果對比散點圖

2.2 CONWIP環路設置研究

多環路生產線的系統WIP總量應等于各個環路在制品量的總和。環路的設置在串、并聯的CONWIP生產線中比較簡單，但是在混聯裝配生產線中，由于生產線的復雜性，其環路有多種設置方式，設置方式不同也會對生產線帶來不一樣的結果。

以圖1工藝流程為基礎，可以構建出由3條并聯生產線和2個裝配工位而成的混聯裝配生產線。該生產線存在3種環路設置方式，其中方式（a）如圖5所示有4環路，即環路1由BF至SP2組成，環路2由BF3至SP4組成，環路3由BF7至SP7組成，環路4由Assembly至BF6組成，Assembly1和BF9獨立，不設環路；方式（b）為3環路設置，即環路1由BF至BF6組成，環路2由BF3至SP4組成，環路3由BF7至BF9組成；方式（c）是4環路設置，即環路1由BF至SP2組成，環路2由BF3至BF6組成，環路3由BF3至BF9組成，環路4由工位BF7至SP7組成。

圖5 CONWIP環路設置方式（a）的生產線仿真模型

2.3 CONWIP在制品投入量研究

為確定各個環路最佳的在制品投入量，基于試驗設計（design of experiment，DOE）[19]，以概率論和數理統計為理論基礎，采用Plant-Simulation中的試驗管理器ExperimentManager控件進行試驗。WIP_xn表示第n個環路的在制品投入量，試驗以WIP_xn為輸入值，TH、CT、TotalTime為輸出值。方式（a）中有4個環路在制品投入量WIP_x1至WIP_x4，其上值為4，下值為1，差值為 1，共計256場試驗；方式（b）中有3個環路在制品投入量WIP_x1至 WIP_x3，其上值為 5，下值為 1，差值為1，共計125場試驗；方式（c）中有4個環路在制品投入量WIP_x1至WIP_x4，但是由于環路2和環路3是共用附件生產線，一根管子一般需2個附件才能進行裝配，因此環路中至少存在2個在制品才能進行生產，所以該方式的WIP_x2、WIP_x3的下值為 2，WIP_x1、WIP_x4的下值為 1，上值均為4，差值均為1，共計144場試驗。

運行試驗管理器，記錄各個試驗的TH、CT、TotalTime值，并以試驗場次為橫坐標，TH值和TotalTime值為縱坐標繪制成散點圖，試驗結果如圖6～8所示。以試驗場次為橫坐標，CT值為縱坐標，繪制出3種方式下的CT變化曲線，如圖9所示。

2.4 試驗結果分析

1）對比圖8和圖9，生產周期CT有不斷增大的趨勢，隨著在制品投入量的改變，TotalTime和TH進行周期性變化，均存在上下限，繼續增大投入量不會使TotalTime和TH超出上下限范圍，但在制品的等待時間會延長，使得CT不斷增大；

2）3種方式的最小TotalTime和最大TH是相同的，分別為17 d，2.4根/h。與無間斷推動式生產的理想狀態的指標值基本一致；

圖6 方式（a）試驗結果

圖7 方式（b）試驗結果

圖8 方式（c）試驗結果

圖9 CT變化曲線

3）在3個環路設置方式的試驗初期，TotalTime和TH值有很大波動，其中圖7最為明顯（0～30次試驗）。這是由于初期在制品投入量過小，產品需求小于生產線的產能，生產線并不是最佳運行狀態（不穩定狀態）；

4）運用Excell表格的功能添加CT趨勢線（線性公式），方式（a）CT趨勢線公式y= 0.006 1x+2.864 5，方式（b）CT趨勢線公式y= 0.011 5x+2.571 2，方式（c）CT趨勢線公式y= 0.011 2x+2.797 5。在生產線穩定狀態下（即TotalTime和TH進行周期性變化時），方式（a）的TotalTime最大值為29 d，最小值為 17 d，差值為 12 d，方式（b）的 TotalTime最大值為 24 d，最小值為 17 d，差值為 7 d，方式（c）的TotalTime最大值為22 d，最小值為17 d，差值為5 d；方式（a）的TH最大值為2.3根/h，最小值為1.4根/h，差值為0.9根/h，方式（b）的TH最大值為2.4根/h，最小值為1.7根/h，差值為0.7根/h，方式（c）的TH最大值為2.4根/h，最小值為1.9根/h，差值為0.5根/h。

對比記錄的結果可知，在穩定狀態下，隨著在制品投入量的改變，總生產時間TotalTime波動最小的是（c），其次是（b）；產出率 TH 波動最小的是（c），其次是（b）；生產周期CT增長最慢（趨勢線斜率最小）的是（a），其次是（c）。綜上所述，投入量改變過程中系統最穩定的是（c），其次是（b），最差的是（a）。

2.5 CONWIP控制與無CONWIP控制的生產線對比分析

秉承“以最小的在制品投入量使生產系統達到最大產出率和最小循環時間”的成本控制理念[20]，結合試驗所得散點圖，可以得到管件生產線中3種CONWIP控制方式的最佳在制品投入量WIP#、TH、CT 與TotalTime值，以及無CONWIP控制的生產線中TH、CT與TotalTime值。圖10對無CONWIP控制生產線，以及按照最佳在制品投入量進行生產的（a）、（b）、（c）3 種CONWIP控制生產線的各工位阻塞率進行了對比分析，其中（a）和（c）生產線中工位阻塞率相同。由于3種方式下Assembly、Assembly1與SP5的阻塞率均為零，未在折線圖中顯示。從表3可知，在CONWIP控制下的生產線中在制品數和產品生產周期均比無CONWIP控制的少，最明顯的是方式（c）；從圖10可以看出，在無CONWIP控制的管子生產線阻塞比較嚴重，工位 SP、SP1、SP3、SP6阻塞率均已超過50%，加入CONWIP控制后，工位阻塞情況明顯有所好轉，其中工位SP與SP3阻塞率直接降為零，效果最明顯的是方式（a）和方式（c）。

圖10 4種生產控制方案各工位阻塞率折線

表3 CONWIP控制與無CONWIP控制的數據對比

綜合考慮所有影響因素，即系統穩定性、系統在制品數量、生產周期以及阻塞情況，在該管件生產線的最佳方案是CONWIP控制方案中的方式（c）。實施CONWIP控制能夠有效地減少生產線中的在制品數量，以最小的在制品投入量來達到生產線產量需求，避免了產品積壓，方便人員對生產線的管理，同時也能有效緩解工位阻塞，使生產線運行更為順暢。

3 結論

經典看板系統由于內部關聯度高，生產平衡保障困難，無法在船舶建造中實施。CONWIP系統扭轉了此局面，便于管理、節約成本。通過試驗設計和仿真驗證表明：

1）在總加工時間和產出速率保持不變的情況下， CONWIP方案可以有效降低生產線在制品數和產品平均生產周期，有利于緩解生產阻滯現象，使有效作業時間比率大幅提升，使生產更加精益化。

2）CONWIP控制在降低系統復雜度、控制在制品數量和調控生產節拍等方面均有明顯的比較優勢，有利于在對生產波動較為敏感的系統中推廣應用。

3）仿真技術與CONWIP控制相結合，有利于在計劃階段準確響應系統的產能情況，為精益造船的深入推進提供了一個新的有效途徑。