涨知识 | 生产线平衡技术在智能产线规划中的应用- 大数跨境

天圣华信息

2022-10-24

生产线平衡概述

1.1 生产线平衡概念

生产线平衡（Line Balance）是对生产线全部工序进行负荷分析，并运用改善工具及方法对各工序作业内容进行优化调整，最终使各工序作业时间尽可能相同的一种技术手段与方法。理想中的生产线平衡是各工序作业时间完全相同的状态，如图表1，在这种状态下各工序负荷一致，工时投入产出转化率最高，企业的生产效率最优。

图表1 生产线平衡理想状态示意图

在实际场景中，T1、T2、T3、T4、T(……)、TN往往不是完全相同的，各工序之间存在不平衡现象，也即产生部分工序作业时间长、部分工序作业时间短的情况，在此种情况下，工件在各工序之间的加工或装配时间是不一致的，这种不一致通常会导致生产线出现两种直接结果：

1）在制品库存增加。作业时间长的工序生产速度低于作业时间短的工序，工序之间的步调不一致，造成工件在不同工序之间的操作衔接存在“停滞”现象，导致工件出现在工序之间正常流动之外的停顿，也即是产生额外的在制品库存。

2）工序作业负荷不一致。从单件产品的生产制造周期看，作业时间短的工序操作完成后，存在空闲等待时间（如图表2黄色柱状部分），这部分空闲等待时间未产生价值造成工时浪费，增加了产品的生产制造成本。此外，各工序的作业饱和度不一致也不利于生产线整体士气的提升。

图表2 生产线平衡实际状态示意图

1.2 生产线平衡目的

生产线各工序作业负荷不平衡现象的存在，不同工序作业时间之间的“落差”造成出现了瓶颈（作业时间最长的工序），导致出现部分工序作业饱和度不足产生的效率浪费，瓶颈工序也决定着整条生产线的产出效率，因此开展生产线平衡的一个重要目的就是消除瓶颈工序，以达成整体生产线的运行效益最优。类似于木桶原理，各木板（工序）高度（作业时间）一致可达到盛装最多水（最大产出能力）的目标。

图表3 木桶原理示意图

开展生产线平衡的主要目的如下：

1）各工序生产节奏一致，减少在制品库存，以及消除或减少在制品及原材料的周转场地，节约生产或仓储场地面积。

2）减少各工序作业负荷不平衡产生的工时浪费，充分利用人员或设备有效时间开展价值生产活动，进而降低产品的生产制造成本。

3）改善工序瓶颈，提高生产效率，增加生产线的整体产出能力，提高满足市场交付的能力，以及有助于实现”一个流”的精益生产方式。

4）各工序作业负荷相同利于提升生产线员工士气，改善作业秩序。

1.3 生产线平衡评价

生产线平衡主要通过生产线平衡率这一指标来评价，生产线平衡率越高，代表生产线各工序的作业负荷越均衡，生产过程的浪费越少，此时生产线的排布状态最优。由于各作业单元的客观操作需求时间存在差异，以及人员和设备的实际操作特性影响，生产线往往不能达到完全平衡，因此生产线的平衡率是通过持续不断改善以追求趋于百分百，生产线平衡率的计算方法为：

生产线平衡率=各工序实际时间之和/(瓶颈工序时间*生产线人数)*100%

瓶颈工序也即是生产线各工序中作业时间最长的工序，对于同一个工序由多个作业员共同完成操作的情况，需按单人均分工序作业时间后，再进行瓶颈分析确定。生产线平衡率受不同企业产品特性或工艺等因素影响，评价标准可能存在差异，各企业在实际生产过程中可能会形成具有自身特色的评价方法标准，一般可参考下表对生产线平衡率进行评价：

生产线平衡实施

2.1 生产线平衡开展步骤

生产线平衡项目确认改善对象与范围后，进行团队组建，以及确定项目开展的具体要求，并根据项目任务分解对团队组员进行任务分工，通常生产线平衡开展步骤如下：

1）生产线整体作业流程调查。开展生产线平衡需对目标生产线的整体作业流程进行详细的调查以形成清晰的认识，通过明确目标生产线的制造全过程，把握目标生产线的整体状况，便于之后的详细观察分析。

2）各工序作业内容观察。对每个工序的操作内容进行详细观察，记录具体的操作和顺序，收集工序的全部作业内容，并对观察中发现的生产浪费点进行记录，用于之后的问题点分析改善。

3）工时测量及记录。生产线平衡分析一般通过秒表时间观测法进行作业时间的量化确定，使用秒表测时法也可对工序的实际操作情况有更具体的了解，以及在观察测量过程中综合运用IE改善工具对现场浪费点快速识别及记录。准确测量各工序操作内容的作业时间是生产线平衡分析中的关键一环，作业时间测量失真会造成对整体生产线现状把握的偏差，在实际应用中，通常进行5次有效作业循环的测量，具体测时次数可根据各企业的实际摸索形成的规范确定。

4）数据汇总及分析。对生产线各个工序的作业单元和对应的作业时间进行数据汇总分析，通常使用山积表工具对各工序的作业单元和时间进行直观展现，可快速识别瓶颈工序及瓶颈工时。

5）问题点发掘识别。识别出瓶颈工序后，对瓶颈工序的作业单元进行详细观察，记录作业过程中存在的浪费点，以及对其它工序的作业单元同样进行观察，发掘生产线所有工序的生产问题点。

6）改善方案制定实施。根据记录的问题点制定对应的改善方案，从人员、设备、工装工具、流程方法等方面进行分析，以降低瓶颈工序作业时间为目标，通过头脑风暴法等方式形成具体的改善方案，以及与生产线相关负责人沟通改善方案的实施时间、详细计划等，并需提前考虑实施方案可能出现的异常情况及应对措施。

7）效果确认及总结。改善方案实施稳定后，再进行一次生产线全工序的作业时间测量，并与改善方案实施前各工序的作业时间进行对比，分析改善前后的瓶颈工序变化，以及对改善前后的生产线平衡率进行比较，判断改善方案是否达到预定效果。生产线平衡项目实施完成后，对相关数据资料进行存档，并在之后的持续改善中不断优化。

2.2 生产线平衡改善方法

生产线平衡主要通过ECRS工具进行改善，根据改善目标制定实施方案以降低瓶颈工序作业时间或减少作业人数等，通常情况下，生产线平衡需要经过多次方案的实施及调整达成预定目标，也即是持续开展PDCA的成果。

Eliminate（取消）：分析工序或操作是否可以取消，若取消部分工序或操作不影响生产对象的质量及效率，则可以考虑取消，以降低生产线瓶颈工时或生产周期时间。

Combine（合并）：如工序或操作不满足取消条件，则考虑是否可以将不同工序或不同工序的操作进行合并，以达到降低瓶颈或减少作业人数的效果。

Rearrange（重排）：以生产线整体为分析对象，研究是否可通过将不同工序的作业内容进行重排组合，以充分利用动作经济原则等改善工具，实现瓶颈工序作业时间或整体作业时间降低的改善效果。

Simplify（简化）：经过取消、合并、重排步骤后，对生产线工序进行更深入的分析研究，使操作方法更加简化，最大限度地缩短工序作业时间，特别是对于瓶颈工序的作业简化，以提高整体生产线的效率。

图表4 ECRS工具使用示意图

在生产线平衡改善的实际应用中，ECRS四大工具往往是组合使用的，基于开展生产线平衡的整体目标，以工作简化和流程优化的思想，通过实施改善方案，达到减少作业人数、降低生产周期时间、提高生产线平衡率等目标。

智能产线规划中生产线平衡技术应用

随着生产制造技术的进步，越来越多制造企业的生产线已不仅仅是人员和设备的简单组合，综合运用自动化、数字化、信息化、智能化等先进技术的智能产线已经成为一种发展趋势并逐渐壮大。相比于传统生产线，智能产线的设备实现了自动化，弱化了人工操作环节，以及使用机器人、桁架机械手等设备实现自动上下料，使用输送线、AGV等移载设备实现各个工序间的物料衔接中转，使用自动立体仓库实现物料和成品的储存等等，智能产线从原材料到成品的生产全过程充分应用自动化技术，结合软件系统，实现无人化少人化的生产模式。智能产线规划的主要内容有：

1）确定产品总类、产能需求等产品信息。产品及产能作为智能产线设计的基础数据，由企业根据市场需求或战略决策确定。

2）确定产品生产工艺。结合产品特点及产能需求，在满足产品功能、质量特性要求的基础上，兼顾产能目标，选择适合的生产工艺。

3）设备选型。根据生产工艺，选择合适的设备，确定设备规格型号，并根据产能要求计算设备的需求数量，以及制作详细的工艺流程，并计算生产线平衡率。

4）生产线布局设计。主要设备确定后，对生产线布局进行设计，确定各设备的放置位置及生产流向，以及选择合适的上下料装置和物流中转方案。

5）系统集成。将生产线的硬件、软件和通信技术等组合起来，有效利用生产线的各项资源，使智能产线各部分协调工作，发挥智能产线的整体效益。

智能产线的生产节拍同样取决于整个工艺流程中作业时间最长的工序，智能产线的操作工序可能全由自动化设备组成，也可能由自动化设备与人员协同组成，生产线平衡率的计算方式为：

生产线平衡率=全部工序作业时间之和/（瓶颈工序作业时间*工序数）