MES環(huán)境下車間計(jì)劃調(diào)度的過(guò)程設(shè)計(jì)與應(yīng)用

柳霞+何蘭+楊志剛

[摘 要] 通過(guò)車間存在的許多不確定信息干擾生產(chǎn)的問(wèn)題，對(duì)MES環(huán)境下基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的車間計(jì)劃與調(diào)度的過(guò)程設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了研究，有效解決了制造執(zhí)行系統(tǒng)下車間的動(dòng)態(tài)調(diào)度及生產(chǎn)過(guò)程管理控制等問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)據(jù)采集；動(dòng)態(tài)調(diào)度；過(guò)程管理控制

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 03. 083

[中圖分類號(hào)] TP311 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2017）03- 0148- 04

1 引 言

車間生產(chǎn)環(huán)境充滿了不確定性，加工工序繁多，需要在不同的工序間運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)常會(huì)遇到緊急插單。生產(chǎn)交付節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格，生產(chǎn)流程關(guān)系復(fù)雜，往往因?yàn)椴糠謪^(qū)域發(fā)生故障，造成生產(chǎn)無(wú)法正常運(yùn)行。在面對(duì)生產(chǎn)過(guò)程不可預(yù)測(cè)的外部變化和內(nèi)部變動(dòng)時(shí)如何合理的進(jìn)行計(jì)劃調(diào)度，如何控制好產(chǎn)品的生產(chǎn)流程，使得各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)達(dá)到均衡負(fù)荷，最大限度地縮短生產(chǎn)周期，按相關(guān)部門要求的交貨期完成生產(chǎn)任務(wù)，是本文研究目的所在。

2 MES 環(huán)境下作業(yè)車間計(jì)劃調(diào)度需求描述

制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）為車間調(diào)度提供了實(shí)時(shí)的信息環(huán)境。MES環(huán)境下的計(jì)劃、調(diào)度任務(wù)是對(duì)整個(gè)車間的制造過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，其基本計(jì)劃調(diào)度流程是在靜態(tài)調(diào)度的基礎(chǔ)上通過(guò)基于實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和對(duì)生產(chǎn)中不確定性因素（動(dòng)態(tài)擾動(dòng)）的分析，采取科學(xué)計(jì)劃和排產(chǎn)解決動(dòng)態(tài)調(diào)度問(wèn)題。

作為MES系統(tǒng)中的核心模塊，車間計(jì)劃調(diào)度過(guò)程設(shè)計(jì)必須滿足以下幾個(gè)要求：

（1）優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃，提高排產(chǎn)能力，解決生產(chǎn)計(jì)劃預(yù)期時(shí)間短，加工周期長(zhǎng)等問(wèn)題。

（2）實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)有關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

（3）生產(chǎn)信息可動(dòng)態(tài)掌控，利于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

（4）積累歷史數(shù)據(jù)，及時(shí)總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，減少重復(fù)性勞動(dòng)，避免造成資源浪費(fèi)。

3 生產(chǎn)作業(yè)描述

3.1 車間生產(chǎn)信息流程

車間業(yè)務(wù)流程是以任務(wù)計(jì)劃為源頭，對(duì)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化分解、排產(chǎn)計(jì)劃，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)任務(wù)執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)控；按工藝規(guī)程為路線，完成各工序的分發(fā)操作；以檢驗(yàn)為關(guān)鍵點(diǎn)，采集在制產(chǎn)品的質(zhì)量及加工信息。做到各個(gè)環(huán)節(jié)的信息共享，減少傳統(tǒng)的紙張傳遞過(guò)程，并及時(shí)追溯產(chǎn)品制造過(guò)程信息，將生產(chǎn)管理最大化的透明，實(shí)現(xiàn)車間任務(wù)及時(shí)完工、及時(shí)反饋，具體流程見圖1。

3.2 車間業(yè)務(wù)角色

車間的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理涉及的角色有很多，每個(gè)角色在生產(chǎn)流程中產(chǎn)生相關(guān)信息，同時(shí)也根據(jù)其他角色產(chǎn)生的信息進(jìn)行業(yè)務(wù)判斷，具體說(shuō)明見表1。

4 生產(chǎn)管理計(jì)劃方法

4.1 生產(chǎn)計(jì)劃

生產(chǎn)計(jì)劃是根據(jù)需求，考慮車間現(xiàn)有生產(chǎn)能力和資源供應(yīng)條件，對(duì)未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)的生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)和各項(xiàng)資源的使用作出統(tǒng)籌安排。它把生產(chǎn)計(jì)劃規(guī)定的任務(wù)一項(xiàng)一項(xiàng)地具體分配到每一生產(chǎn)單位及每個(gè)操作班組，規(guī)定他們?cè)诰唧w時(shí)間范圍內(nèi)每一單元中的工作任務(wù)。

4.2 制定作業(yè)計(jì)劃的方法

編制車間生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃時(shí)，首先考慮的是保證產(chǎn)品的交付期。其次考慮單元加工任務(wù)的均衡，還要考慮車間內(nèi)生產(chǎn)資源合理、充分、高效的利用，并據(jù)此把車間的任務(wù)分解成各單元作業(yè)計(jì)劃和資源需求計(jì)劃。以此為基礎(chǔ)，制定單元或班組作業(yè)計(jì)劃（簡(jiǎn)稱單元計(jì)劃）。單元計(jì)劃屬于屬于工序級(jí)作業(yè)計(jì)劃，不僅要決定每個(gè)單元要完成的零件工序數(shù)量，而且還要決定零件進(jìn)入各單元的先后順序、每個(gè)零件的加工路徑及所需的設(shè)備、刀具、量具、夾具等。制定該計(jì)劃，突出的問(wèn)題是在編制零件交付期的前提下，如何更好的優(yōu)化使用單元內(nèi)資源。

對(duì)于優(yōu)先級(jí)高的零部件生產(chǎn)計(jì)劃，建議采用正排的方法，即從當(dāng)前時(shí)間開始往后排，如果排產(chǎn)的結(jié)果超過(guò)零部件的計(jì)劃完工時(shí)間，無(wú)法按時(shí)交貨的只能延遲交貨。

對(duì)于優(yōu)先級(jí)低的零部件計(jì)劃，采用倒排的方法，從零部件的計(jì)劃完工時(shí)間開始往前排，如果排產(chǎn)的結(jié)果（第一道工序開工時(shí)間）早于當(dāng)前時(shí)間，按照當(dāng)前的能力，無(wú)法按時(shí)交貨，只能延遲交貨，否則計(jì)劃不可執(zhí)行。

在編制多品種小批量生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃時(shí)，由于每一種產(chǎn)品的產(chǎn)量很小，重復(fù)生產(chǎn)的可能性很小，無(wú)周轉(zhuǎn)用在制品，在安排計(jì)劃時(shí)，主要考慮期限上的銜接、負(fù)荷與生產(chǎn)能力的均衡。

在確定生產(chǎn)周期時(shí)首先要根據(jù)生產(chǎn)流程，確定產(chǎn)品（或零件）在各個(gè)工藝階段上的生產(chǎn)周期；其次在此基礎(chǔ)上確定產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

制定產(chǎn)品生產(chǎn)周期需注意以下問(wèn)題：

（1）先找出最初的零件加工，到部件組裝，最后到總裝的最長(zhǎng)時(shí)間加工順序路線，它決定了產(chǎn)品生產(chǎn)周期的最大長(zhǎng)度。

（2）其余零部件的工藝加工階段，是與關(guān)鍵路線上零部件加工平行進(jìn)行，安排方法是從最后工序開始，逆向反推零件的加工順序，這樣安排，可使總停放時(shí)間最少。

（3）考慮各種設(shè)備的最大負(fù)荷限制，錯(cuò)開某些零件的加工時(shí)間，使設(shè)備負(fù)荷盡量均衡。

（4）為了避免生產(chǎn)脫節(jié)，在前后銜接的工藝階段之間應(yīng)留有必要的安全時(shí)間。

4.3 制定作業(yè)計(jì)劃的過(guò)程設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在MES系統(tǒng)中計(jì)劃人員依據(jù)以往的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及上級(jí)下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃，對(duì)加工產(chǎn)品和工件工藝特征進(jìn)行分析，然后靈活確定生產(chǎn)任務(wù)匹配的加工計(jì)劃需求（如選擇是否編制工藝及準(zhǔn)備材料）。

加工計(jì)劃需求準(zhǔn)備完畢后再將對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)任務(wù)分批，分批的主要原因是單元內(nèi)加工資源的約束，如機(jī)床、刀具、夾具等。具體方法是在一個(gè)生產(chǎn)周期（一般為一周）里，考慮加工全部工件所需的批量數(shù)最少和全部機(jī)器的平均利用率最高兩方面，對(duì)工件加工任務(wù)進(jìn)行類型與數(shù)量的分批。分批后應(yīng)考慮的問(wèn)題是在完成每批的生產(chǎn)任務(wù)中，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化利用系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)資源。分批的主要目的在于均勻地、有效地利用單元內(nèi)各項(xiàng)資源，如：某類零件的生產(chǎn)數(shù)量較多，即使全部機(jī)床都來(lái)加工，也不能一次性加工完成，此時(shí)零件就必須分批。而分批的主要依據(jù)是產(chǎn)品的批量及生產(chǎn)間隔期。

在任務(wù)分批后，針對(duì)每個(gè)批次進(jìn)行作業(yè)計(jì)劃排產(chǎn)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，可相應(yīng)調(diào)整工序順序或增加減少工序，最終形成一個(gè)可實(shí)際操作的計(jì)劃。

5 生產(chǎn)管理調(diào)度方法

5.1 生產(chǎn)調(diào)度

生產(chǎn)調(diào)度是生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行者，對(duì)車間日常生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)。它需要根據(jù)車間實(shí)際生產(chǎn)能力和狀態(tài)，接收生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)的制造信息，包括零件類型、數(shù)量、交貨日期等；需要根據(jù)車間生產(chǎn)實(shí)際狀態(tài)和制造信息，為計(jì)劃資源作優(yōu)化調(diào)度，制定具體加工計(jì)劃，進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)排序；需要及時(shí)處理生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，對(duì)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行重調(diào)度。生產(chǎn)調(diào)度應(yīng)和生產(chǎn)控制相符，即調(diào)度結(jié)果能確實(shí)符合車間實(shí)際的生產(chǎn)活動(dòng)。

5.2 生產(chǎn)調(diào)度方法

生產(chǎn)調(diào)度方法是：①對(duì)于加工部件級(jí)別從高到低進(jìn)行安排加工；②如果加工部件的加工級(jí)別相同，可以通過(guò)加工部件加工所需時(shí)間最短的先加工；③如果加工部件的加工級(jí)別和加工所需時(shí)間也相同的情況下可以根據(jù)加工設(shè)備零部件的緊缺程度進(jìn)行安排，加工設(shè)備資源緊張的可以先進(jìn)行加工。通過(guò)這種調(diào)度方式可以加快加工件的加工完成速度，保質(zhì)保量的完成加工任務(wù)。

5.3 生產(chǎn)調(diào)度過(guò)程設(shè)計(jì)功能

生產(chǎn)調(diào)度是對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的補(bǔ)充和完善，它的主要功能是根據(jù)下達(dá)的各項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)計(jì)劃，對(duì)其所對(duì)應(yīng)的工藝規(guī)程等相關(guān)信息進(jìn)行車間資源與制造能力檢查，同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)中的工件信息進(jìn)行車間內(nèi)的單元重組。由于車間內(nèi)外部的不確定因素存在，使得生產(chǎn)調(diào)度必須在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)做出各種決策，可能會(huì)出現(xiàn)不合理的結(jié)果，或者不可能正常地執(zhí)行，此時(shí)要求車間調(diào)度能及時(shí)調(diào)整原計(jì)劃方案，對(duì)車間作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整、修改，保證原計(jì)劃和新計(jì)劃之間合理地銜接，把對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的影響降到最低。

在車間生產(chǎn)管理過(guò)程中，調(diào)度根據(jù)系統(tǒng)采集的相關(guān)生產(chǎn)信息，了解任務(wù)目前完成情況，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際要求，在生產(chǎn)過(guò)程中隨時(shí)掌握產(chǎn)品狀態(tài)信息，并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)劃更改或調(diào)整，實(shí)現(xiàn)調(diào)度的動(dòng)態(tài)管理。

6 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程管理控制的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

上級(jí)部門的生產(chǎn)指令計(jì)劃主要依靠生產(chǎn)任務(wù)通知單下達(dá)到車間，而車間的生產(chǎn)計(jì)劃信息在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)主要是以派工單的形式傳遞，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中產(chǎn)生的完工信息、質(zhì)量信息、工序轉(zhuǎn)換等信息采集錄入系統(tǒng)的同時(shí)，也可體現(xiàn)在派工單上?？茖W(xué)有效的派工單設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下要求：

（1）經(jīng)過(guò)相關(guān)人員交互操作，進(jìn)行派工單的完形填空，最終才可以派工；

（2）一項(xiàng)任務(wù)可以多次或者重復(fù)派工；

（3）可以派工指定到班組；

（4）一張派工單可以有多個(gè)工序，每個(gè)工序有相應(yīng)生產(chǎn)信息；

（5）可根據(jù)派工單快速定位查找相關(guān)信息。

而派工單的生成過(guò)程則設(shè)計(jì)如下：計(jì)調(diào)員通過(guò)車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)接收上級(jí)部門下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)，根據(jù)任務(wù)通知單組織生產(chǎn)計(jì)劃，按相應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)下發(fā)到工藝，工藝員再按照?qǐng)D樣進(jìn)行工藝編制，完成后提交給計(jì)調(diào)員，計(jì)調(diào)員按工藝規(guī)程中涉及的班組進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)。定額員參照?qǐng)D樣和工藝規(guī)程在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成各工序的工時(shí)定額。相關(guān)人員在各自的界面上交互操作，進(jìn)行派工單的完形填空，最后打印派工單并隨著工藝規(guī)程及圖紙一起下發(fā)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，生產(chǎn)任務(wù)準(zhǔn)備流程完成。

7 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)作業(yè)車間生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度過(guò)程設(shè)計(jì)與應(yīng)用的研究，結(jié)合車間生產(chǎn)中實(shí)際情況，考慮了緊急插單、加工延時(shí)、機(jī)器停工等影響排產(chǎn)的擾動(dòng)因素，利用MES環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)擾動(dòng)因素的有效處理，縮短了調(diào)度計(jì)劃作業(yè)的編制時(shí)間和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的非作業(yè)等待時(shí)間，有利于提高生產(chǎn)效率、降低能源與原材料消耗，取得顯著經(jīng)濟(jì)效益。

主要參考文獻(xiàn)

[1]黃振剛，魯建廈，王成. MES 環(huán)境下作業(yè)車間多級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)度方法研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（11）：240-242.

[2]趙長(zhǎng)明.我國(guó)二手房地產(chǎn)交易價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)的核算[J]. 統(tǒng)計(jì)與決策，2014（1）：50-52.