船舶管件生产的CONWIP 控制方案设计研究

王岳，马瑞，何磊

江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003

为了增强竞争力，制造企业纷纷开始引入看板生产控制系统。这是一种拉动式生产控制系统，是替代推动式生产管控，实现精益化生产的典型方案。其主要通过看板信号传递生产信息，实现工位间的快速响应。然而，这样的系统对生产波动较为敏感，在多变或不确定的生产中会限制其能力，无法适应具有多品种、小批量建造特征的船舶产品生产[1]。当前，高技术、高附加值的大型船舶市场前景良好。船企在高端产品市场中的竞争日趋激烈，研发与之相适应的精益生产控制方案，成为业界的研究热点之一[2]。

CONWIP（constant work-in-process，固定在制品）系统[3]融合推动式和拉动式生产的优势，通过在生产线首尾工位间引入环路，调整环路的资源投入量[4]，进行生产运行保障，具有重要的研究价值。G Huang等[5]面向单件产品标准装配过程，提出5种CONWIP回路设计模式和相关控制策略。Leonardo等[6]提出一种KANBAN/CONWIP混合控制方案。Takahashi[7]、Li[8]和Pettersen等[9-11]证明了CONWIP控制在适应变化性需求中优势明显。Zong[12]、Jaegler[13]等对当前所开发的CONWIP系统方案进行了分类综述。Roy等[14]提出基于CONWIP卡和作业起始时间控制生产体系的运行。这些研究成果验证了CONWIP系统在混合装配生产线应用的可行性。

多样化的高端船舶产品带来了舾装作业量和作业标准的大幅提升，致使原推动式生产管理下船舶管件生产周期延长，工位阻塞严重现象出现频繁。为此，本文设计了无缝钢管及紫铜管加工生产线3种CONWIP控制方案，对比研究这些控制方案的相关影响。

1 管件生产工艺流程

目前船用无缝钢管和紫铜管均包含直管和弯管[15]。如图 1所示，管件加工主要涵盖从下料、弯管、校管、装焊到打磨等工艺[16]。其中，有部分管件涉及法兰等附件的装焊[17]。

图1 无缝钢管与紫铜管生产线工艺流程

某厂H1138船中的901分段管件采用托盘形式进行制作和集配管理，部分管件生产计划情况如表1所示。该分段中共有556根无缝钢管，其中338根是弯管，451根需装焊法兰等附件；紫铜管均需装焊法兰等附件；共有419根，其中弯管有277根。

表1 901分段管件生产计划

按照生产线布设实际，所有工位设备、人员等均无间断推动式生产运行，在管件下料切割、弯管、附件制作等工位存在在制品积压、阻滞率高等问题。完成该分段的管件制作需要17 d左右，其中单件管件的平均生产周期是4.6 h，产出率为2.4根/h，生产线上的平均在制品数约为20根。

2 CONWIP控制方案设计

2.1 CONWIP系统的原理

图2是单环路串联的 CONWIP系统模型，借以阐述系统的运行原理。其中，在制品的流动路径以实线表示，看板的流动路径则以虚线表示。看板与生产需求和加工执行相关联。其数量与在制品数量通过贴附时刻保持一致。从看板发射端到接收端体现了拉动式生产管控特征，又从看板接收端经过系列工位作业到看板发射端，则兼容了推动式生产执行特征。由此构成了 CONWIP的环路[18]。当看板接收端有了看板后，便意味着待加工品可以进入环路进行加工，成为在制品。进而可以看出，CONWIP系统中的看板主要用来保证环路中的在制品数量。而看板生产系统的看板则还要与产品类型相对应，致使系统兼容性有所下降，单个工位的问题会直接牵连整条生产线的正常运行。

图2 CONWIP单环路串联模型

将CONWIP控制引入到管件生产线，为了深入分析该控制方式的管控效果。在图1所示工艺流程的基础上，设计了4种生产方案如下：

方案1 单一产品理想生产线，4个加工工位（加工时间分别为2/2/2/2 min）；

方案2 单一产品生产线，瓶颈位置固定，4个加工工位（加工时间分别为2/2/8/2 min）；

方案3 三产品（无缝钢管/法兰等附件/紫铜管，a/b/c）理想生产线，4个加工工位（加工时间分 别 为a： 2/2/2/2 min；b：1/2/1/2 min；c：1/2/3/4 min）；

方案4 三产品（a/b/c）混流生产线，4个加工工位、1个装配工位（a/b/c在SP_3工位的加工时间分别为4/1/1 min；产品a在SP1_3工位的加工时间为1 min；产品c需要装配1个a和1个b，Assembly工位的加工时间均为5 min；产品c在SP2_3/SP3_3工位的加工时间为2/5 min）。

应用Plant-Simulation建立各方案的仿真模型如图3所示，其中，CT表示产品平均生产周期，h；TH表示产品的产出速率，根/h；Output表示总产量，根；TotalTime表示总加工时间，d；BF为缓冲区。WIP_x表示在制品投入量，环路之间通过信号发射端和接收端来实现首尾端工位的联系，用程序控制环路中在制品数量。在方案1～3中WIP_x的值分别取为1～10，即增大环路中在制品投入量，这3个方案总计运行模型30次；由于方案4中存在装配工位Assembly，在满足3种产品装配比的前提下，装配作业才能进行，这里采用WIP_x初始大取值的方式减少无效仿真运行。方案4的WIP_x取值为5～14，共运行模型10次。模型每次运行时间设为 1：00：00（1h，Plant-Simulation中时间的完整格式为“天数：小时：分钟：秒数”），记录仿真模型中的Output、CT和TH值，运行结果如表2所示。

图3 4种方案的仿真模型

将表2中的数据用散点图表示，WIP_x为横坐标，TH、CT为纵坐标，如图4所示。

各方案均存在一个最佳在制品投入量WIP#，即在TH最大、CT最小时对应的环路在制品投入量。在WIP#左侧，TH随着在制品投入量的增加而增加，CT随之减小（如果有一个待加工产品在生产线旁等待，则等待时间也计入CT中）；在其右侧，TH始终保持最大值，CT一直在增大，而在方案2具有瓶颈工位的生产线中，受瓶颈的影响，CT先增大，而后保持不变。

综上所述，可以看出CONWIP生产线具有2个重要特性：

1）在制品投入量的多少对生产线有关键性影响，存在一个最佳在制品投入量WIP#，使TH最大，CT最小；

2）无瓶颈工位的理想状态下，当在制品投入量大于WIP#时，生产线的TH不会改变，而CT会随之增大；具有固定瓶颈工位时，投入量大于WIP#后，TH保持一定值不变，而CT随之先增大，后保持不变。

表2 仿真结果

图4 各方案下的仿真结果对比散点图

2.2 CONWIP环路设置研究

多环路生产线的系统WIP总量应等于各个环路在制品量的总和。环路的设置在串、并联的CONWIP生产线中比较简单，但是在混联装配生产线中，由于生产线的复杂性，其环路有多种设置方式，设置方式不同也会对生产线带来不一样的结果。

以图1工艺流程为基础，可以构建出由3条并联生产线和2个装配工位而成的混联装配生产线。该生产线存在3种环路设置方式，其中方式（a）如图5所示有4环路，即环路1由BF至SP2组成，环路2由BF3至SP4组成，环路3由BF7至SP7组成，环路4由Assembly至BF6组成，Assembly1和BF9独立，不设环路；方式（b）为3环路设置，即环路1由BF至BF6组成，环路2由BF3至SP4组成，环路3由BF7至BF9组成；方式（c）是4环路设置，即环路1由BF至SP2组成，环路2由BF3至BF6组成，环路3由BF3至BF9组成，环路4由工位BF7至SP7组成。

图5 CONWIP环路设置方式（a）的生产线仿真模型

2.3 CONWIP在制品投入量研究

为确定各个环路最佳的在制品投入量，基于试验设计（design of experiment，DOE）[19]，以概率论和数理统计为理论基础，采用Plant-Simulation中的试验管理器ExperimentManager控件进行试验。WIP_xn表示第n个环路的在制品投入量，试验以WIP_xn为输入值，TH、CT、TotalTime为输出值。方式（a）中有4个环路在制品投入量WIP_x1至WIP_x4，其上值为4，下值为1，差值为 1，共计256场试验；方式（b）中有3个环路在制品投入量WIP_x1至 WIP_x3，其上值为 5，下值为 1，差值为1，共计125场试验；方式（c）中有4个环路在制品投入量WIP_x1至WIP_x4，但是由于环路2和环路3是共用附件生产线，一根管子一般需2个附件才能进行装配，因此环路中至少存在2个在制品才能进行生产，所以该方式的WIP_x2、WIP_x3的下值为 2，WIP_x1、WIP_x4的下值为 1，上值均为4，差值均为1，共计144场试验。

运行试验管理器，记录各个试验的TH、CT、TotalTime值，并以试验场次为横坐标，TH值和TotalTime值为纵坐标绘制成散点图，试验结果如图6～8所示。以试验场次为横坐标，CT值为纵坐标，绘制出3种方式下的CT变化曲线，如图9所示。

2.4 试验结果分析

1）对比图8和图9，生产周期CT有不断增大的趋势，随着在制品投入量的改变，TotalTime和TH进行周期性变化，均存在上下限，继续增大投入量不会使TotalTime和TH超出上下限范围，但在制品的等待时间会延长，使得CT不断增大；

2）3种方式的最小TotalTime和最大TH是相同的，分别为17 d，2.4根/h。与无间断推动式生产的理想状态的指标值基本一致；

图6 方式（a）试验结果

图7 方式（b）试验结果

图8 方式（c）试验结果

图9 CT变化曲线

3）在3个环路设置方式的试验初期，TotalTime和TH值有很大波动，其中图7最为明显（0～30次试验）。这是由于初期在制品投入量过小，产品需求小于生产线的产能，生产线并不是最佳运行状态（不稳定状态）；

4）运用Excell表格的功能添加CT趋势线（线性公式），方式（a）CT趋势线公式y= 0.006 1x+2.864 5，方式（b）CT趋势线公式y= 0.011 5x+2.571 2，方式（c）CT趋势线公式y= 0.011 2x+2.797 5。在生产线稳定状态下（即TotalTime和TH进行周期性变化时），方式（a）的TotalTime最大值为29 d，最小值为 17 d，差值为 12 d，方式（b）的 TotalTime最大值为 24 d，最小值为 17 d，差值为 7 d，方式（c）的TotalTime最大值为22 d，最小值为17 d，差值为5 d；方式（a）的TH最大值为2.3根/h，最小值为1.4根/h，差值为0.9根/h，方式（b）的TH最大值为2.4根/h，最小值为1.7根/h，差值为0.7根/h，方式（c）的TH最大值为2.4根/h，最小值为1.9根/h，差值为0.5根/h。

对比记录的结果可知，在稳定状态下，随着在制品投入量的改变，总生产时间TotalTime波动最小的是（c），其次是（b）；产出率 TH 波动最小的是（c），其次是（b）；生产周期CT增长最慢（趋势线斜率最小）的是（a），其次是（c）。综上所述，投入量改变过程中系统最稳定的是（c），其次是（b），最差的是（a）。

2.5 CONWIP控制与无CONWIP控制的生产线对比分析

秉承“以最小的在制品投入量使生产系统达到最大产出率和最小循环时间”的成本控制理念[20]，结合试验所得散点图，可以得到管件生产线中3种CONWIP控制方式的最佳在制品投入量WIP#、TH、CT 与TotalTime值，以及无CONWIP控制的生产线中TH、CT与TotalTime值。图10对无CONWIP控制生产线，以及按照最佳在制品投入量进行生产的（a）、（b）、（c）3 种CONWIP控制生产线的各工位阻塞率进行了对比分析，其中（a）和（c）生产线中工位阻塞率相同。由于3种方式下Assembly、Assembly1与SP5的阻塞率均为零，未在折线图中显示。从表3可知，在CONWIP控制下的生产线中在制品数和产品生产周期均比无CONWIP控制的少，最明显的是方式（c）；从图10可以看出，在无CONWIP控制的管子生产线阻塞比较严重，工位 SP、SP1、SP3、SP6阻塞率均已超过50%，加入CONWIP控制后，工位阻塞情况明显有所好转，其中工位SP与SP3阻塞率直接降为零，效果最明显的是方式（a）和方式（c）。

图10 4种生产控制方案各工位阻塞率折线

表3 CONWIP控制与无CONWIP控制的数据对比

综合考虑所有影响因素，即系统稳定性、系统在制品数量、生产周期以及阻塞情况，在该管件生产线的最佳方案是CONWIP控制方案中的方式（c）。实施CONWIP控制能够有效地减少生产线中的在制品数量，以最小的在制品投入量来达到生产线产量需求，避免了产品积压，方便人员对生产线的管理，同时也能有效缓解工位阻塞，使生产线运行更为顺畅。

3 结论

经典看板系统由于内部关联度高，生产平衡保障困难，无法在船舶建造中实施。CONWIP系统扭转了此局面，便于管理、节约成本。通过试验设计和仿真验证表明：

1）在总加工时间和产出速率保持不变的情况下， CONWIP方案可以有效降低生产线在制品数和产品平均生产周期，有利于缓解生产阻滞现象，使有效作业时间比率大幅提升，使生产更加精益化。

2）CONWIP控制在降低系统复杂度、控制在制品数量和调控生产节拍等方面均有明显的比较优势，有利于在对生产波动较为敏感的系统中推广应用。

3）仿真技术与CONWIP控制相结合，有利于在计划阶段准确响应系统的产能情况，为精益造船的深入推进提供了一个新的有效途径。