張澤宇，何 山，趙燦燦，李 凡，車晉偉

（1.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 管理工程學(xué)院，北京 100070；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)與科技的高速發(fā)展，能源短缺與環(huán)境污染等問題愈發(fā)嚴(yán)重。光伏行業(yè)是近幾年來全球發(fā)展最快的新能源行業(yè)，它對(duì)環(huán)境保護(hù)，能源的節(jié)約有著非常重要的意義。

光伏行業(yè)太陽能電池片產(chǎn)品生產(chǎn)是一種典型的大批量柔性制造生產(chǎn)方式，企業(yè)需要大量數(shù)據(jù)和算法的支撐，并結(jié)合自身的實(shí)際情況對(duì)市場預(yù)測、銷售訂單、庫存存貨、車間在制、生產(chǎn)資源等各個(gè)因素進(jìn)行綜合考量。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)光伏行業(yè)等大批量柔性制造生產(chǎn)方式下的計(jì)劃排程做了諸多相關(guān)的研究。王新等人提出了一種支持柔性生產(chǎn)計(jì)劃的生產(chǎn)任務(wù)元分解分配模型，以提高大批量制造模式下生產(chǎn)任務(wù)的可控性和生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行柔性[1]。劉巍巍等人提出一種推拉結(jié)合的生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度模型，以拉式補(bǔ)貨的方式制訂基于有限產(chǎn)能的車間作業(yè)計(jì)劃，并結(jié)合工序流轉(zhuǎn)卡等方式進(jìn)行推式生產(chǎn)，以保證生產(chǎn)過程的良好連續(xù)性和均衡性[2]。王延平以含有限緩沖區(qū)的上下游生產(chǎn)線部件成品關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)為對(duì)象，基于改進(jìn)單純形法和兩階段關(guān)聯(lián)加權(quán)均值預(yù)測算法，對(duì)多條生產(chǎn)線協(xié)調(diào)生產(chǎn)的規(guī)劃問題進(jìn)行了研究[3]。

本文深度調(diào)研了光伏行業(yè)太陽能電池片生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)組織方式，在研究分析各生產(chǎn)類型計(jì)劃排產(chǎn)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種大批量柔性制造模式下的APS高級(jí)計(jì)劃排產(chǎn)策略，并基于Web技術(shù)和JAVA開發(fā)語言對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

1 光伏生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)組織方式

太陽能電池不同型號(hào)產(chǎn)品在原材料、生產(chǎn)工藝參數(shù)等方面存在較大不同，但總體生產(chǎn)工藝加工流轉(zhuǎn)過程差別不大，產(chǎn)品生產(chǎn)工藝需要經(jīng)過制絨、擴(kuò)散、SE、刻蝕、退火、背鈍化、背鍍膜、鍍膜、絲印分選等9個(gè)工藝階段加工，車間一般采用分段式生產(chǎn)線布局，各工藝階段分別對(duì)應(yīng)多條生產(chǎn)線，原材料硅片按工藝順序依次通過不同加工設(shè)備，進(jìn)行生產(chǎn)線流水作業(yè)。光伏太陽能電池生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)組織方式如圖1所示。

圖1 光伏太陽能電池生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)組織方式

光伏行業(yè)太陽能電池片產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)品種多，產(chǎn)品生產(chǎn)批量大，工藝路線高度一致，但不同型號(hào)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝參數(shù)差別較大，是一種典型的大批量柔性制造生產(chǎn)方式。產(chǎn)品生產(chǎn)過程中根據(jù)工藝階段劃分生產(chǎn)單元，生產(chǎn)單元內(nèi)部包含多個(gè)生產(chǎn)線，各生產(chǎn)單元之間整體按流水線生產(chǎn)的形式組織生產(chǎn)，前后工藝階段對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)單元內(nèi)單條生產(chǎn)線之間產(chǎn)能節(jié)拍不匹配，但前后段生產(chǎn)單元之間總產(chǎn)能匹配。

2 生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)策略概述

按照企業(yè)進(jìn)行組織生產(chǎn)的特點(diǎn)和企業(yè)的需求響應(yīng)策略，可以把制造類企業(yè)分為面向庫存生產(chǎn)MTS、面向訂單生產(chǎn)MTO、面向訂單裝組裝ATO和面向定單設(shè)計(jì)ETO四種生產(chǎn)類型，不同生產(chǎn)類型對(duì)應(yīng)不同的生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)策略。MTS型企業(yè)根據(jù)市場需求預(yù)測及企業(yè)自身的庫存存量制定生產(chǎn)計(jì)劃，一般對(duì)應(yīng)產(chǎn)品類型單一的大批量流水作業(yè)。MTO型企業(yè)根據(jù)市場訂單中指定的某規(guī)格產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)排程，并把庫存降至最低，一般對(duì)應(yīng)多品種變批量生產(chǎn)。ATO型企業(yè)根據(jù)顧客訂單進(jìn)行個(gè)性化組裝，需要一定的選配件庫存以實(shí)現(xiàn)對(duì)市場需求的快速響應(yīng)，一般對(duì)應(yīng)大規(guī)模定制生產(chǎn)。ETO型企業(yè)根據(jù)客戶產(chǎn)品訂單的特定需求，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝開始一直到成品產(chǎn)出進(jìn)行完全定制化生產(chǎn)，一般對(duì)應(yīng)單件項(xiàng)目型生產(chǎn)。

當(dāng)前光伏行業(yè)太陽能電池片產(chǎn)品市場下行壓力巨大，多數(shù)光伏太陽能電池片生產(chǎn)制造企業(yè)正逐步由傳統(tǒng)的面向庫存式生產(chǎn)（MTS,Make to Stock）向面向訂單式生產(chǎn)（MTO,Make to Order）轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的計(jì)劃排產(chǎn)策略也逐步由以產(chǎn)定銷向以銷定產(chǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。在轉(zhuǎn)型過渡期間，企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)時(shí)會(huì)優(yōu)先響應(yīng)市場需求，按銷售訂單需求進(jìn)行排產(chǎn)，當(dāng)銷售訂單的需求量預(yù)計(jì)不能確保工廠滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，會(huì)進(jìn)行產(chǎn)銷協(xié)調(diào)，按庫存補(bǔ)充生產(chǎn)需求。

光伏行業(yè)太陽能電池片生產(chǎn)是一種典型的大批量柔性制造生產(chǎn)方式，在生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)時(shí)，需要按照各生產(chǎn)單元總?cè)债a(chǎn)能，由最終產(chǎn)品的日產(chǎn)出計(jì)劃，拉動(dòng)產(chǎn)生前序各工藝階段所對(duì)應(yīng)生產(chǎn)單元的日產(chǎn)出計(jì)劃，各生產(chǎn)單元日產(chǎn)出計(jì)劃之間協(xié)調(diào)匹配，保證日生產(chǎn)計(jì)劃能夠在各段生產(chǎn)單元之間有序流轉(zhuǎn)。大批量柔性制造生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)需要解決在各生產(chǎn)單元內(nèi)部，科學(xué)合理地安排訂單產(chǎn)品應(yīng)該至于生產(chǎn)單元內(nèi)哪條生產(chǎn)線或工作中心作業(yè)，找到各工序加工生產(chǎn)分配的最優(yōu)解，保證發(fā)揮各最大產(chǎn)能，并保持各生產(chǎn)單元生產(chǎn)協(xié)調(diào)性。

3 大批量柔性制造計(jì)劃排產(chǎn)策略研究

光伏行業(yè)大批量柔性制造生產(chǎn)組織方式下的生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)，首先需要確定任務(wù)投產(chǎn)優(yōu)先級(jí)，然后為任務(wù)產(chǎn)品指定生產(chǎn)線，根據(jù)產(chǎn)品任務(wù)數(shù)量時(shí)間要求，考慮車間生產(chǎn)線能力、廢品率、BOM定額等關(guān)鍵信息，編制各產(chǎn)品、半成品對(duì)應(yīng)的各段生產(chǎn)線的日計(jì)劃，生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃按日、按班次、按各段產(chǎn)線編制，計(jì)劃結(jié)果中可以明確各生產(chǎn)線的任務(wù)產(chǎn)品/半成品、計(jì)劃數(shù)量等信息。根據(jù)生產(chǎn)執(zhí)行情況，能夠進(jìn)行生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃滾動(dòng)編制。光伏行業(yè)大批量柔性制造生產(chǎn)組織方式下，生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)過程具體算法流程如圖2所示。

圖2 大批量柔性制造計(jì)劃排產(chǎn)算法流程

1）確認(rèn)任務(wù)投產(chǎn)優(yōu)先級(jí)

生產(chǎn)線計(jì)劃排產(chǎn)僅考慮已下達(dá)至車間的生產(chǎn)任務(wù)，企業(yè)車間可同時(shí)對(duì)多個(gè)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行排產(chǎn)，因此需要確認(rèn)已下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)的投產(chǎn)優(yōu)先級(jí)，各生產(chǎn)任務(wù)投產(chǎn)順序需要根據(jù)其優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判定，優(yōu)先級(jí)高的生產(chǎn)計(jì)劃，會(huì)優(yōu)先進(jìn)行排產(chǎn)投產(chǎn)。產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)的投產(chǎn)優(yōu)先級(jí)可以根據(jù)交期、臨界比等算法自動(dòng)確認(rèn)自動(dòng)判定，并能夠?qū)﹃P(guān)鍵客戶產(chǎn)品、高利潤額產(chǎn)品進(jìn)行人工指定優(yōu)先級(jí)。

2）任務(wù)指定生產(chǎn)線

光伏行業(yè)大批量柔性制造生產(chǎn)組織方式下，車間按工藝階段生產(chǎn)單元布局，生產(chǎn)單元內(nèi)部包含多個(gè)生產(chǎn)線，前后工藝階段對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)單元內(nèi)單條生產(chǎn)線之間產(chǎn)能節(jié)拍不匹配。為保持各生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線之間的生產(chǎn)協(xié)調(diào)性，并盡可能發(fā)揮關(guān)鍵生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線最大產(chǎn)能，需要根據(jù)車間產(chǎn)品制造BOM、工藝路線，將任務(wù)產(chǎn)品、半成品分別指定到對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)線進(jìn)行排產(chǎn)，使各產(chǎn)品任務(wù)在車間內(nèi)各產(chǎn)線上協(xié)同有序生產(chǎn)。

3）確認(rèn)各生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃凈需求

產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)需求量為毛需求，需要考慮任務(wù)已完成情況，確定產(chǎn)品任務(wù)剩余計(jì)劃量即凈需求量。根據(jù)任務(wù)凈需求量，需要根據(jù)產(chǎn)品制造BOM關(guān)系，進(jìn)一步考慮各子項(xiàng)現(xiàn)有量資源、車間在制量，按BOM定額、廢品率和任務(wù)產(chǎn)品生產(chǎn)線指定結(jié)果，計(jì)算各生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃凈需求量。

4）確認(rèn)各生產(chǎn)線能力

根據(jù)工藝參數(shù)以及設(shè)備額定能力數(shù)據(jù)測算各生產(chǎn)線理論產(chǎn)能，并進(jìn)一步考慮設(shè)備維修保養(yǎng)、返工返修、新品試制等過程占用的生產(chǎn)線產(chǎn)能，最終確認(rèn)各段生產(chǎn)線實(shí)際產(chǎn)能。

5）確認(rèn)瓶頸資源

根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)線指定關(guān)系、生產(chǎn)線能力數(shù)據(jù)，識(shí)別產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過程的關(guān)鍵瓶頸資源，并確認(rèn)關(guān)鍵瓶頸資源能力。根據(jù)生產(chǎn)線實(shí)際產(chǎn)能數(shù)據(jù)，按廢品率分別得出最終產(chǎn)品產(chǎn)出數(shù)量，測算出的產(chǎn)出量最小的即為關(guān)鍵瓶頸資源。在生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃排產(chǎn)過程中，應(yīng)以關(guān)鍵瓶頸資源能力為依據(jù)，協(xié)調(diào)各生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃排產(chǎn)數(shù)量，確保產(chǎn)品生產(chǎn)單元間的協(xié)同性。

6）編制生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃

根據(jù)任務(wù)投產(chǎn)優(yōu)先級(jí)順序，依次編制各任務(wù)對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃。生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃編制過程中，經(jīng)過產(chǎn)品生產(chǎn)線指定后，根據(jù)產(chǎn)品任務(wù)在各段生產(chǎn)線上的凈需求量，拉動(dòng)計(jì)算各子線任務(wù)需求，并按照各段生產(chǎn)線能力進(jìn)行平衡，考慮瓶頸資源能力，以保證各生產(chǎn)單元間的生產(chǎn)協(xié)同性。

生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃編制用正排，從車間生產(chǎn)線有產(chǎn)能的日期開始排產(chǎn)。根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)在各段生產(chǎn)線上的凈需求量，考慮瓶頸資源能力，確定各生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃排產(chǎn)數(shù)量，將產(chǎn)品生產(chǎn)月計(jì)劃拆分為每天、每班次的生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃，以保證各工序間的生產(chǎn)協(xié)同性。生產(chǎn)線當(dāng)日產(chǎn)能未完全占用時(shí)，其他任務(wù)可以繼續(xù)在該生產(chǎn)線進(jìn)行排產(chǎn)。

生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃按班次滾動(dòng)編制，在滾動(dòng)編制過程中，根據(jù)生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃的執(zhí)行情況，更新對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)線凈需求量。若實(shí)際產(chǎn)出量大于計(jì)劃產(chǎn)出量，則多余部分算作工序半成品在制，下一周期生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃編制時(shí)，算為生產(chǎn)線現(xiàn)有資源；若實(shí)際產(chǎn)出小于計(jì)劃產(chǎn)出，則不足部分在下一周期生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃編制時(shí)，算為生產(chǎn)線補(bǔ)充需求。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于所研究的大批量柔性制造計(jì)劃排產(chǎn)策略，本文依托北自所RS10產(chǎn)品技術(shù)架構(gòu)，構(gòu)建瀏覽器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三層體系結(jié)構(gòu)，對(duì)大批量柔性制造模式下光伏行業(yè)高級(jí)計(jì)劃排程功能進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)平臺(tái)依托IBM Websphere應(yīng)用服務(wù)器和ORACLE數(shù)據(jù)庫，基于J2EE企業(yè)級(jí)應(yīng)用開發(fā)規(guī)范，采用最新的Web技術(shù)和JAVA開發(fā)語言，設(shè)計(jì)開發(fā)了大批量柔性制造高級(jí)計(jì)劃排程系統(tǒng)，如圖3所示。選擇排產(chǎn)任務(wù)，系統(tǒng)首先進(jìn)行任務(wù)投產(chǎn)優(yōu)先級(jí)計(jì)算；任務(wù)指定生產(chǎn)線后，執(zhí)行計(jì)劃編制，系統(tǒng)算法考慮生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃凈需求、生產(chǎn)線能力、瓶頸資源、BOM定額、廢品率等因素，由最終產(chǎn)品拉動(dòng)產(chǎn)生各級(jí)生產(chǎn)線日計(jì)劃。

圖3 大批量柔性制造高級(jí)計(jì)劃排程系統(tǒng)

5 結(jié)語

本文在分析光伏行業(yè)太陽能電池片生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)組織方式以及各生產(chǎn)類型計(jì)劃排產(chǎn)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)大批量柔性制造模式下的APS高級(jí)計(jì)劃排產(chǎn)策略進(jìn)行了研究，并基于Web技術(shù)和JAVA開發(fā)語言實(shí)現(xiàn)了對(duì)高級(jí)計(jì)劃排程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)?；谒芯颗女a(chǎn)策略，系統(tǒng)能夠考慮生產(chǎn)需求、現(xiàn)有資源和生產(chǎn)能力，由最終產(chǎn)品需求拉動(dòng)產(chǎn)生前序各工藝階段所對(duì)應(yīng)生產(chǎn)線日產(chǎn)出計(jì)劃，計(jì)劃能夠在各段生產(chǎn)單元之間有序流轉(zhuǎn)，各生產(chǎn)單元日產(chǎn)出計(jì)劃之間協(xié)調(diào)匹配。