鋼鐵企業(yè)無縫鋼管生產中ERP和APS整合系統(tǒng)設計研究

王 雷，李鐵克

(1.北京科技大學 東凌經濟管理學院，北京 100083；2.鋼鐵生產制造執(zhí)行系統(tǒng)技術教育部 工程研究中心，北京 100083)

0 引言

鋼鐵企業(yè)生產是離散與連續(xù)同時存在的多階段混合式生產方式，在生產中既要考慮工序和資源材料方面的限制，同時也要考慮鋼鐵生產中高溫、高壓和特殊因素[1]。在如此動態(tài)復雜的生產工藝下，ERP系統(tǒng)無法對復雜的生產過程實現細致、準確的管理。由于ERP系統(tǒng)無法實時獲取生產現場的數據，也不能進行實時的生產調度，所以管理人員只能根據粗略產能計劃安排生產，無法執(zhí)行生產計劃。生產計劃得不到準確的安排和執(zhí)行，導致現有資源得不到充分利用、造成過多庫存量、客戶交貨期發(fā)生延遲[2]。因此，在鋼鐵企業(yè)ERP系統(tǒng)中融合高級計劃與排程（APS）系統(tǒng)的功能能夠在一定程度上解決上述問題。

1 無縫鋼管生產流程及其生產中ERP的限制

1.1 無縫鋼管生產工藝流程介紹

鋼管有多種分類方法，從加工制造的角度可分為焊接鋼管和無縫鋼管。本文以無縫鋼管生產中的計劃與調度問題作為研究對象。由于無縫鋼管的生產計劃與調度與其生產工藝緊密相關，因此，熟悉其生產工藝流程能夠便于準確實施生產計劃與調度。

無縫鋼管生產工藝通常由熱變形處理和冷處理構成。熱變形處理是鋼坯在高溫條件下持續(xù)進行加工形成毛管，用到的設備包括穿孔機、連鑄機和張力減徑機。冷處理過程也稱為精整過程，是指在正常條件下毛管加工為成品鋼管的過程，工藝過程包括冷卻、矯直、切割、探傷等。無縫鋼管的加工方法有很多種，分為熱軋、冷軋、冷拔，但多數客戶訂單要求熱軋工藝。無縫鋼管的熱軋工藝流程如圖1所示，依次經過管坯切割（折料）、加熱爐加熱、實心管坯穿孔、延伸機軋薄管壁、熱軋工序、加熱爐再次加熱、精軋環(huán)節(jié)，最后加工為成品無縫鋼管[3]。

圖1 無縫鋼管生產工藝流程圖

上述無縫鋼管熱軋工藝流程的管理與控制在現實中都是通過信息系統(tǒng)來實現。鋼鐵企業(yè)的信息系統(tǒng)主要包括公司級系統(tǒng)（ERP）、車間級系統(tǒng)（MES）和生產線控制系統(tǒng)(PCS)。而鋼鐵企業(yè)的各級生產系統(tǒng)并不是孤立存在的，系統(tǒng)之間要完成信息的交互。因此，有必要把各系統(tǒng)作為一個集成系統(tǒng)看待，而集成系統(tǒng)的表現形式為系統(tǒng)間功能的分擔和數據信息交互。

1.2 無縫鋼管生產過程中ERP系統(tǒng)的限制

鋼鐵企業(yè)的無縫鋼管生產是面向訂單的生產方式，這種生產方式要求企業(yè)能夠實現最少庫存量和履行客戶交貨期。為了完成庫存和交貨期的要求，需要詳細的生產計劃與調度方案。但鋼鐵企業(yè)的ERP系統(tǒng)主要包括訂單管理、銷售和運作計劃、主生產計劃、產品管理等模塊，對于詳細的生產計劃與調度方案不能提供很好的支持。

鋼鐵企業(yè)ERP系統(tǒng)中主生產計劃模塊只能完成粗略產能計劃，粗略產能計劃只能了解關鍵資源的能力需求，比較關鍵資源的可用性，總體掌握關鍵資源的情況，并沒有細分出關鍵資源如何利用。除了粗略產能計劃ERP系統(tǒng)中還有其他能力計劃工具，如能力需求計劃和物料需求計劃。能力需求計劃可以確定更詳細的勞力和機器數量來滿足主生產計劃的要求，但是如何完成主生產計劃的坯料設計、生產組批、作業(yè)調度等功能，卻不能給出詳細的描述[4]。鋼鐵企業(yè)ERP系統(tǒng)中計劃工具的使用依賴于資源無限能力假設，如果某一資源被負荷使用，那么原計劃將無法合理執(zhí)行。

以上所述的詳細生產計劃和調度能夠通過高級計劃與調度系統(tǒng)(APS)實現，因此，有必要將APS系統(tǒng)引入鋼鐵企業(yè)。但是現有ERP系統(tǒng)功能與APS系統(tǒng)的部分功能有重合之處， 如何使ERP系統(tǒng)和APS系統(tǒng)進行融合，形成一個整合系統(tǒng)，是無縫鋼管生產計劃與調度得以精確實施的關鍵。

2 APS系統(tǒng)介紹及其與ERP系統(tǒng)的關系

APS即高級計劃與調度系統(tǒng)，美國運營管理協(xié)會 (APICS)對APS的定義是：任何能夠利用高級算法完成有限能力調度、資源計劃、預測、需求管理的優(yōu)化和仿真的計算機程序。這些技術在一系列約束和業(yè)務規(guī)則要求下，提供實時計劃與調度、決策支持、可承諾交貨量和可承諾交貨能力[4]。APS系統(tǒng)是一套面向企業(yè)的具有高級計劃與優(yōu)化調度功能的軟件解決方案，重點解決企業(yè)生產管理中的生產計劃與調度問題。

APS系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)在功能上有根本差別：APS系統(tǒng)根據現有實際資源和生產能力，安排與協(xié)調顧客要求的各項活動，形成符合實際情況的計劃時間表。APS系統(tǒng)基于優(yōu)化算法和規(guī)劃算法在短時間內計算物料需求情況，隨時答復客戶詢問的“可否生產”或“多久生產”等問題。而ERP系統(tǒng)是根據假設的無限資源能力來安排生產計劃，當生產計劃在執(zhí)行過程中產生問題時，再通過有限資源能力作適當調整，這樣無法保證初始生產計劃的準確性?？梢姡珹PS系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)具有不同的計劃方式，而無縫鋼管生產模式是根據訂單進行排產，在復雜約束條件下達到最小庫存和交貨期履行，因而，APS系統(tǒng)能夠完成無縫鋼管生產 “客戶需求與企業(yè)運作同步”的要求。

APS系統(tǒng)應用到無縫鋼管生產中并不是要取代ERP系統(tǒng)的功能。APS系統(tǒng)是在ERP系統(tǒng)基礎上，通過ERP系統(tǒng)存儲的基礎數據完善需求、供給及產能規(guī)劃，進一步強化ERP系統(tǒng)中以傳統(tǒng)MRP規(guī)劃邏輯為主的生產計劃與調度功能，協(xié)助計劃人員做出同步的、最有效益的生產計劃，進而作為接收訂單的依據。

APS系統(tǒng)考慮潛在瓶頸資源試圖找到可行的近似最優(yōu)解，但是最終決策是靠有經驗的計劃人員做出。APS系統(tǒng)的目的是為復雜生產過程和實時生產決策搭建一座橋梁，APS系統(tǒng)的目標是通過仿真和優(yōu)化自動計算出可行解。可見，APS系統(tǒng)在實施過程中需要與企業(yè)內部供應鏈的各環(huán)節(jié)發(fā)生信息傳遞和交互，所以，APS系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)之間的銜接與融合至關重要。APS系統(tǒng)與鋼鐵企業(yè)現有的ERP、MES、PCS等系統(tǒng)實現集成，連接管理層、計劃層和執(zhí)行層，共同構成鋼鐵企業(yè)信息化管理體系，實現鋼鐵企業(yè)生產過程的總體控制。信息化管理體系如圖2所示。

圖2 ERP、APS與MESPCS的信息關系圖

3 無縫鋼管生產計劃與控制功能模塊介紹及APS系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)整合

3.1 無縫鋼管生產計劃與控制功能模塊介紹

鋼鐵企業(yè)無縫鋼管生產計劃與控制是按層次進行的，最高層次計劃即公司級計劃，通過長期計劃、總體計劃進行描述，低層次計劃即車間、生產線級計劃，用短期計劃、詳細計劃描述。各個層次的要求都對應于企業(yè)系統(tǒng)的模塊，無縫鋼管生產計劃和控制是通過系統(tǒng)模塊的功能實現的，因此，描述出無縫鋼管生產計劃與控制模塊關系圖有助于理解APS系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)的整合過程。

圖3 鋼管生產計劃與控制功能模塊關系圖

圖3所示的關系圖是依據國內某大型鋼鐵企業(yè)無縫鋼管廠的實際生產過程構建而成，該圖中主要描述了五個模塊，分別是銷售與運作計劃、訂單管理、需求管理、主生產計劃和作業(yè)調度。銷售與運作計劃模塊和訂單管理模塊的信息主要在ERP系統(tǒng)中存儲和進行運算，而其他三個模塊的信息都在APS系統(tǒng)中處理。下面詳細介紹五個模塊的主要功能。

1）銷售與運作計劃模塊

銷售與運作計劃模塊（Sales and operations planning）基于策略計劃平衡客戶需求與可供應能力，主要包括5個活動：（1）銷售部根據計劃周期產生預測的期望需求；（2）銷售部制定初步需求計劃；（3）根據需求計劃，生產部制定生產計劃，同時要求采購部采購生產材料；（4）市場部、生產部、采購部、財務部和物流部召開生產協(xié)調會，制定計劃期內的生產計劃和交貨計劃；（5）將協(xié)調會沒有解決的問題交到上層進行決策，確定初步的生產計劃和交貨計劃[5]。

活動（1）和活動（2）可以利用APS系統(tǒng)中的統(tǒng)計預測方法和需求計劃工具，創(chuàng)建可預測的初步交貨計劃，大大提高了決策準確性。活動（3）的目的是創(chuàng)建初步生產計劃，APS系統(tǒng)能夠提供找到可行解的優(yōu)化模型，得到實時和精確的信息?；顒樱?）是調整交貨計劃和生產計劃，活動（5）是確定交貨計劃和生產計劃，APS系統(tǒng)能夠確保信息可用性和情景分析，提高計劃的可信度。

2）訂單管理模塊

訂單管理模塊主要包括依據產品規(guī)范的質量設計和訂單評審。訂單管理模塊的功能主要是協(xié)調客戶多種規(guī)格、多種樣式的產品要求，分析出每個訂單的制造路徑和能力匹配，按照規(guī)則篩選出可行的銷售訂單。

3）需求管理模塊

需求管理模塊中的工單設計是根據工藝規(guī)范，把訂單管理模塊中的銷售訂單和S&OP模塊中的預測、預訂訂單分解成能夠被加工車間識別的訂單。訂單排程是在訂單分解后，根據現實中的能力計劃需求，把訂單安排到生產工藝上，形成正式的生產訂單，生產訂單的交貨期數據被保存到數據庫中，同時把交貨期的準確時間安排反饋到上層系統(tǒng)。

4）主生產計劃模塊

坯料設計是根據生產訂單的成品規(guī)格和用戶要求，選擇鋼管的軋制方式，滿足鋼管的尺寸、長度、壁厚、鋼種、交貨期等要求，在達到現場工藝、設備安全要求的基礎上，確定坯料的長度、重量等參數[6]。坯料設計完成后，根據鋼管主要參數（品種、鋼種、外徑、壁厚等）和用戶時間要求，把幾個參數相同或相近的生產訂單組合到一起生產，這個過程叫做生產組批。最后，根據訂單之間的參數關系和交貨期的時間，把生產組批后的訂單進行排程。

5）作業(yè)調度模塊

作業(yè)調度是根據主生產計劃模塊產生的生產計劃，合理安排物料和熱工具，保證生產計劃按時進行。鋼管的作業(yè)調度問題實際就是更新生產計劃中的軋制批次的組合和排序。由于生產現場有很多指導規(guī)則，這就需要系統(tǒng)和調度人員對計劃期的生產訂單進行排序。

3.2 無縫鋼管生產中APS系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)整合

ERP系統(tǒng)在無縫鋼管的生產過程中主要支持銷售與運作計劃和訂單管理，其他模塊的功能主要由APS系統(tǒng)提供，這樣APS系統(tǒng)功能就彌補了ERP系統(tǒng)功能上的不足。雖然有些企業(yè)已經研究ERP系統(tǒng)和APS系統(tǒng)某些功能上進行整合，但是還很少有針對無縫鋼管生產過程進行整合研究。

圖4 ERP和APS整合后的系統(tǒng)及其之間的接口圖（IDB代表ERP、APS一體化數據庫）

由鋼管生產流程的計劃與調度功能模塊關系圖可知，圖4是ERP系統(tǒng)和APS系統(tǒng)整合后的系統(tǒng)設計圖，圖中的各個接口分別連接著ERP系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)設計就把無縫鋼管生產計劃與控制流程與APS系統(tǒng)、IDB系統(tǒng)有機的整合到一起，使ERP系統(tǒng)原來不能實現的功能轉移到APS系統(tǒng)上，同時在ERP系統(tǒng)中保留一個副本。表1是圖4接口傳遞信息的詳細說明。

表1 ERP和APS之間的接口描述

4 結論

本文以熱軋無縫鋼管的生產計劃與控制為背景，設計出生產計劃與控制功能的ERP系統(tǒng)和APS系統(tǒng)的整合系統(tǒng)，通過整合系統(tǒng)把原有兩個系統(tǒng)涉及的相關問題進行分析整合。雖然這種特殊生產流程的系統(tǒng)設計不能完全復制到其他行業(yè)，但是對ERP系統(tǒng)和APS系統(tǒng)在現實中的整合問題提供了解決方法。

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