大型復(fù)雜裝備制造企業(yè)MPC 系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

文|中航金網(wǎng)（北京）電子商務(wù)有限公司 鄭熠

一、項目背景

大型復(fù)雜裝備制造企業(yè)一般都屬于工業(yè)母機(jī)，這些企業(yè)的研制生產(chǎn)能力，在整個裝備制造業(yè)里面屬于關(guān)鍵核心能力，也是最能充分體現(xiàn)出一個國家綜合工業(yè)水平的能力指標(biāo)。

由于大型復(fù)雜裝備制造業(yè)的生產(chǎn)對象是復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)（Complex Products and Systems，簡稱CoPS），一般是根據(jù)特定用戶需求按單件/小批量進(jìn)行定制生產(chǎn)，所以常常是面向訂單按項目進(jìn)行生產(chǎn)組織，并且研發(fā)與生產(chǎn)往往融合在一起。對于大型復(fù)雜裝備產(chǎn)品的生產(chǎn)交付，往往是在設(shè)計制造出來之后就直接按要求分階段成套交付用戶;不像大批量制造的產(chǎn)品那樣，在新產(chǎn)品研發(fā)出來之后，還存在擴(kuò)大再生產(chǎn)的過程。一般企業(yè)都是要在完成產(chǎn)品設(shè)計和工藝編制后，才能制定出較為合理可行的生產(chǎn)作業(yè)計劃。大型復(fù)雜裝備的技術(shù)準(zhǔn)備周期普遍較長，為了保證按期交貨，大型復(fù)雜裝備制造企業(yè)一般難以在全部產(chǎn)品技術(shù)資料都準(zhǔn)備齊全之后才開始生產(chǎn)，往往是在技術(shù)準(zhǔn)備工作沒有全部完成的情況下，就已經(jīng)開始制定生產(chǎn)計劃，并對生產(chǎn)制造周期長的零件進(jìn)行先行投料生產(chǎn)了。所以“邊設(shè)計邊生產(chǎn)”是大型復(fù)雜裝備制造業(yè)最顯著的特點(diǎn)。

如何在沒有完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的條件下制定出合理可行的生產(chǎn)計劃，就成為了大型復(fù)雜裝備制造企業(yè)生產(chǎn)管理的首要難題。目前，我國的大型復(fù)雜裝備制造企業(yè)還普遍依賴于大量擁有長時間生產(chǎn)計劃實踐經(jīng)驗和生產(chǎn)管理經(jīng)驗的專業(yè)技術(shù)人員，通過手工作業(yè)的方式完成生產(chǎn)計劃的制定和生產(chǎn)過程的管控，還普遍缺乏有效的技術(shù)手段和軟件系統(tǒng)來幫助解決企業(yè)生產(chǎn)面臨的實際需求和管理難題。

HE 公司作為典型的大型復(fù)雜裝備制造企業(yè)，在實施本項目之前,企業(yè)已經(jīng)實施應(yīng)用了ERP 系統(tǒng)，但是生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的建設(shè)卻仍處于發(fā)展的初期階段，多年來其制造計劃始終延續(xù)著人工管理模式。由于水輪發(fā)電機(jī)組的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件、分裝配、外購成品件及各分廠協(xié)作件數(shù)量眾多，先行分廠與成品分廠高度協(xié)作，生產(chǎn)工序多、生產(chǎn)周期長且多臺機(jī)組產(chǎn)品高度交叉作業(yè)，計劃排產(chǎn)中受到材料、工位、工具、設(shè)備和場地等多重因素影響，極易形成產(chǎn)品的個別工序和設(shè)備及場地等瓶頸問題，導(dǎo)致計劃制定的難度和工作量極大。受技術(shù)準(zhǔn)備情況、設(shè)備數(shù)量、不同產(chǎn)品進(jìn)度要求、場地、工具和工裝等多種因素限制，在生產(chǎn)制造過程中，如何制定科學(xué)、合理及有效的協(xié)同制造計劃，使各生產(chǎn)單位及工序之間形成有序銜接、逐級遞推以及有效協(xié)同，已成為HE公司生產(chǎn)管理所面臨的重大難題。

二、系統(tǒng)設(shè)計

1、系統(tǒng)方案設(shè)計

制造計劃與控制系統(tǒng)稱為MPC（Manufacturing Planning and Control）系統(tǒng)，根據(jù)HE 公司的協(xié)同制造計劃管理體系的實際情況和需求，我們把HE 公司的MPC 系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上劃分為了兩部分系統(tǒng)。

◎解決公司級生產(chǎn)管理的PPS（Production Planning Schedule）系統(tǒng)。

◎解決分廠級生產(chǎn)管理的MES（Manufacturing Execution System）系統(tǒng)。

我們將HE 公司的MPC 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計為計劃執(zhí)行一體化的、集成的、動態(tài)的和協(xié)同的系統(tǒng)，如圖1 所示。通過PPS+MES 的MPC 系統(tǒng)的構(gòu)建，利用作者設(shè)計的基于多級計劃動態(tài)協(xié)同（Hierarchical Planning Dynamic Synerg，HPDS）管理模型及相關(guān)技術(shù)方法，不但可以解決公司生產(chǎn)部對部套計劃的科學(xué)制定難題，而且隨著對生產(chǎn)實績的數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)分析，不斷提升部和優(yōu)化套計劃和零件計劃的期量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)企業(yè)可擴(kuò)展的精細(xì)化排產(chǎn)要求，從而解決企業(yè)“邊設(shè)計邊生產(chǎn)”模式下基于有限能力的計劃排產(chǎn)問題。既解決了不完備數(shù)據(jù)條件下的作業(yè)計劃排程與調(diào)度問題，也解決了企業(yè)未來生產(chǎn)管理逐步精細(xì)化的管理要求。

圖1 MPC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

圖2 多級生產(chǎn)計劃的集成與協(xié)同

基于多級生產(chǎn)計劃的集成與協(xié)同的總體功能流程如圖2 所示。公司級的PPS 系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，依據(jù)期量數(shù)據(jù)模版、大工序節(jié)點(diǎn)計劃和大設(shè)備平衡計劃，利用滾動計劃法解決項目計劃與部套計劃的生成和管理問題，收集完工數(shù)據(jù)跟蹤計劃進(jìn)展，負(fù)責(zé)HE 公司的中長期計劃管理與項目節(jié)點(diǎn)控制，保證技術(shù)準(zhǔn)備計劃與生產(chǎn)計劃的協(xié)同，解決HE 公司邊設(shè)計邊生產(chǎn)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完備條件下的計劃生成問題。分廠級的MES 系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)，接收PPS 系統(tǒng)的部套計劃，集成PDM/CAPP 系統(tǒng)接收零件表和工序工時表，完成部套計劃的MRP，生成零件計劃、工裝計劃、物料需求計劃和工序計劃，并依據(jù)資源能力負(fù)荷情況完成工段計劃的詳細(xì)作業(yè)調(diào)度與能力平衡，進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)分派，打印工票及物料標(biāo)識，進(jìn)行工票回收及工時統(tǒng)計，完成完工匯報，根據(jù)分廠物料臺賬跟蹤在制品情況。公司級PPS 系統(tǒng)與分廠級MES 系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)流圖如圖3 所示。

圖3 PPS 與MES 的接口模型和數(shù)據(jù)流圖

圖4 PPS 功能結(jié)構(gòu)

2、系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

在PPS 系統(tǒng)中利用HE 公司現(xiàn)有的部套標(biāo)準(zhǔn)及期量標(biāo)準(zhǔn)建立起產(chǎn)品的典型結(jié)構(gòu)和典型工藝，實現(xiàn)PPS 系統(tǒng)計劃排程參數(shù)化模版的構(gòu)建。PPS系統(tǒng)利用基于參數(shù)化模板的排產(chǎn)工具進(jìn)行多項目滾動計劃的制定，以部套為樞紐，可以實現(xiàn)公司級基于關(guān)鍵資源能力平衡的長周期的生產(chǎn)能力平衡和基于跨分廠/車間協(xié)作的短期資源沖突的協(xié)調(diào)，利用項目網(wǎng)絡(luò)計劃對關(guān)鍵鏈進(jìn)行調(diào)度，并實現(xiàn)對MES 系統(tǒng)作業(yè)計劃的動態(tài)調(diào)度，滿足HE 公司對制造計劃的管理要求。PPS系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4 所示，包括計劃來源管理、項目計劃管理、項目滾動計劃管理、年度/月份計劃管理、計劃執(zhí)行情況查詢、系統(tǒng)管理和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等七大功能模塊。

MES 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖5 所示，包括分廠計劃管理、計劃調(diào)度管理、現(xiàn)場作業(yè)管理、過程質(zhì)量管理、物料管理、方法可按名稱動態(tài)調(diào)用。通過ADO.NET 對數(shù)據(jù)連接和操作，封裝了Core DAO 類庫，通過核心類庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的增、刪、改和查等業(yè)務(wù)操作，支持事務(wù)并發(fā)處理。

圖5 MES 功能結(jié)構(gòu)

提供SOA 服務(wù)接口調(diào)用。通過ORM（Object-Relation工具管理、設(shè)備管理、系統(tǒng)管理和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等九大功能模塊。

3、系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

服務(wù)器操作系統(tǒng)：Windows Server 2003 Standard Edition 或以上版本；數(shù)據(jù)庫平臺：Oracle10G 或更高。

4、系統(tǒng)技術(shù)體系架構(gòu)

PPS 系統(tǒng)的開發(fā)平臺是在Spring Framework 基礎(chǔ)上搭建的一個Java 基礎(chǔ)開發(fā)平臺，模型視圖控制器用Spring MVC、權(quán)限授權(quán)層用Apache Shiro、工作流引擎用Activit、數(shù)據(jù)訪問層用MyBatis 和用Ehcahe 對常用數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存的組合是JavaEE 界的最佳整合。PPS 系統(tǒng)的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 PPS 的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

MES 系統(tǒng)采用.NET 開發(fā)框架，通過用標(biāo)準(zhǔn)Web Service 對所有公共方法進(jìn)行無狀態(tài)性和請求安全驗證封裝，對接口的開放性和安全性提供充分保證。結(jié)合.Net 4.0 Dynamic 動態(tài)類型技術(shù)，通過XML 對外置操作命令腳本進(jìn)行配置操作，實現(xiàn)業(yè)務(wù)Mapping，對象-關(guān)系映射）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作，解決層次復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯或跨平臺數(shù)據(jù)庫的需求，各種服務(wù)的調(diào)用將通過核心類庫Services Provider 進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)用，此接口也為與其他系統(tǒng)的集成提供方便。MES 的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)

1、PPS 系統(tǒng)

登錄系統(tǒng)后如圖8 所示。項目計劃來源于ERP 通知單，如圖9 所示。系統(tǒng)根據(jù)通知單中的各個產(chǎn)品和部套的交付期等信息轉(zhuǎn)換生成項目計劃。同時，當(dāng)項目出現(xiàn)變更時，會通過用戶需求計劃進(jìn)行體現(xiàn)，項目計劃可依據(jù)用戶需求計劃進(jìn)行調(diào)整。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)部套期量和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品部套結(jié)構(gòu)，項目計劃可以生成項目網(wǎng)絡(luò)計劃。項目網(wǎng)絡(luò)計劃包含項目大工序生產(chǎn)周期、項目大工序需求資源和項目大工序依賴關(guān)系等，項目網(wǎng)絡(luò)計劃可以直接用于生產(chǎn)滾動計劃的排產(chǎn)。項目大工序管理如圖10 所示，計劃版本管理如圖11 所示，項目網(wǎng)絡(luò)計劃如圖12 所示。

圖7 MES 的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

圖8 PPS 系統(tǒng)首頁

圖9 ERP 通知單

圖10 項目大工序管理

圖11 計劃版本管理

圖12 項目網(wǎng)絡(luò)計劃和項目甘特圖

項目大工序管理主要用于維護(hù)項目的大節(jié)點(diǎn)和大工序，項目大節(jié)點(diǎn)包括技術(shù)準(zhǔn)備節(jié)點(diǎn)、工裝節(jié)點(diǎn)和生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)，配置的完工時間為各節(jié)點(diǎn)的最遲完工時間。項目大工序是項目執(zhí)行的各個階段需要完成的大工序及各大工序間的順序及依賴關(guān)系。項目大工序通過部套期量模板進(jìn)行導(dǎo)入，導(dǎo)入后可以根據(jù)項目的實際情況進(jìn)行個性化調(diào)整。

項目網(wǎng)絡(luò)計劃是生產(chǎn)滾動計劃的直接排程依據(jù)，在邊設(shè)計邊生產(chǎn)的過程中，項目員可以不斷調(diào)整項目網(wǎng)絡(luò)計劃，從而實現(xiàn)生產(chǎn)滾動計劃的從預(yù)排到逐漸細(xì)化準(zhǔn)確的過程。項目滾動計劃版本編制分預(yù)排計劃和執(zhí)行計劃兩種。項目滾動計劃預(yù)排如圖13 所示，可依據(jù)項目網(wǎng)絡(luò)計劃和項目合同要求的交貨期，將新項目的四級部套排進(jìn)實時編制的項目滾動計劃，實現(xiàn)計劃的持續(xù)滾動排產(chǎn)，編制年度生產(chǎn)大綱和下發(fā)月份生產(chǎn)計劃時，僅僅需要從滾動計劃中按時間窗截取相關(guān)內(nèi)容，可以保存成相應(yīng)的計劃版本。

圖13 項目滾動計劃預(yù)排

根據(jù)項目部的項目變化情況和月份生產(chǎn)計劃的執(zhí)行情況，生產(chǎn)部實時滾動編制生產(chǎn)滾動計劃，通過PPS 系統(tǒng)，生產(chǎn)滾動計劃隨時都在滾動調(diào)整。各分廠并不是隨時可見生產(chǎn)部編制生產(chǎn)滾動預(yù)排產(chǎn)計劃，各分廠可以就下發(fā)的生產(chǎn)滾動計劃與生產(chǎn)部進(jìn)行協(xié)同反饋，生產(chǎn)部接收分廠反饋部套完工期調(diào)整建議，對部套生產(chǎn)滾動計劃進(jìn)行調(diào)整。

經(jīng)過關(guān)鍵鏈分析，生產(chǎn)部通過預(yù)排項目網(wǎng)絡(luò)計劃與生產(chǎn)分廠對部套完工時間進(jìn)行協(xié)同調(diào)整。在與分廠協(xié)同交互后，項目網(wǎng)絡(luò)計劃會生成生產(chǎn)滾動計劃，生產(chǎn)滾動計劃就是公司級計劃與分廠級計劃進(jìn)行協(xié)同產(chǎn)生的結(jié)果。

生產(chǎn)部可以根據(jù)生產(chǎn)滾動計劃的更新情況，比如關(guān)鍵項目節(jié)點(diǎn)緊急調(diào)整、臨時插單和重大項目啟動等關(guān)鍵時間點(diǎn)，進(jìn)行生產(chǎn)滾動計劃執(zhí)行定版下發(fā)，定版下發(fā)的計劃是對大設(shè)備等資源約束沖突進(jìn)行協(xié)調(diào)后形成的生產(chǎn)考核計劃。

調(diào)整部套完工時間點(diǎn)時，各個部套的完工時間會根據(jù)大工序約束關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)調(diào)整，如圖14 所示。為方便解決大設(shè)備沖突，系統(tǒng)提供資源隊列視圖，可通過顏色（紅色）顯示資源沖突，可通過調(diào)度計算解決設(shè)備沖突對計劃進(jìn)行調(diào)整。技術(shù)準(zhǔn)備滾動計劃可通過甘特圖進(jìn)行直觀地展示，如圖15 所示，可以根據(jù)大工序關(guān)聯(lián)關(guān)系關(guān)聯(lián)調(diào)整其他大工序的完工期。生產(chǎn)滾動計劃可通過圖形化的方式直觀地展示和調(diào)整，如圖16 所示。各分廠的工具需求形成工裝分廠工裝計劃，生產(chǎn)部可以通過PPS 系統(tǒng)調(diào)整審核工裝計劃，最終下發(fā)給工裝分廠執(zhí)行。

圖14 大節(jié)點(diǎn)預(yù)排

圖15 技術(shù)準(zhǔn)備滾動計劃甘特圖

圖16 生產(chǎn)滾動計劃甘特圖

從PPS 系統(tǒng)可以看到分廠MES 系統(tǒng)中的零件計劃，可實現(xiàn)生產(chǎn)計劃的一體化查詢，從項目節(jié)點(diǎn)開始，逐步細(xì)化到部套計劃、零件計劃和工序計劃，逐層細(xì)化關(guān)聯(lián)查詢。

2、MES 系統(tǒng)

通過PPS 系統(tǒng)與MES 系統(tǒng)的部套計劃關(guān)聯(lián)集成，實現(xiàn)公司級部套計劃（與項目計劃關(guān)聯(lián)）與分廠級部套計劃（與零件計劃關(guān)聯(lián)）的耦合關(guān)聯(lián)協(xié)同。分廠計劃員可以在MES系統(tǒng)看到PPS 系統(tǒng)生成的公司級生產(chǎn)滾動計劃，如圖17 所示。依據(jù)PPS 系統(tǒng)的部套滾動計劃，可以生成分廠部套計劃、分廠零件計劃和工具需求計劃，如圖18 所示。

在分廠零件計劃中，對于需要跨分廠進(jìn)行生產(chǎn)的零件，分廠間的協(xié)同直接影響到零件的最終完工，分廠間協(xié)調(diào)溝通協(xié)同形成分廠間確認(rèn)的零件計劃，即廠內(nèi)協(xié)作計劃，生產(chǎn)部可以通過查詢分廠零件計劃來了解廠內(nèi)協(xié)同情況。

圖17 分廠生產(chǎn)滾動計劃

圖18 作業(yè)計劃管理

公司生產(chǎn)部和各分廠計劃員都可以看到各分廠協(xié)同計劃情況，跟蹤產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度與零部件齊套情況，如圖19 所示。不同分廠計劃員可以通過協(xié)作計劃管理界面對協(xié)作計劃進(jìn)行管理，不同分廠可以協(xié)同制定相應(yīng)協(xié)作件的排產(chǎn)時間，可以對協(xié)作計劃進(jìn)行管理，可實現(xiàn)分廠間物料轉(zhuǎn)移的有序協(xié)同，如圖20 所示。通過跨分廠的產(chǎn)品協(xié)同和零件生產(chǎn)協(xié)作，實現(xiàn)各個不同作業(yè)類型工廠基于部套和產(chǎn)品的生產(chǎn)協(xié)同。

圖19 分廠協(xié)同計劃

圖20 協(xié)作計劃

可以通過工票打印和回收進(jìn)行生產(chǎn)實績的收集，如圖21 所示。也可通過生產(chǎn)現(xiàn)場配置的現(xiàn)場作業(yè)終端收集生產(chǎn)實績，如圖22 所示。系統(tǒng)可以實時跟蹤生產(chǎn)進(jìn)度，如圖23所示。實時統(tǒng)計在制品情況，如圖24 所示。所有生產(chǎn)實績?nèi)急４嬖跀?shù)據(jù)庫中，反饋到計劃系統(tǒng)實現(xiàn)計劃進(jìn)度跟蹤，同時通過對數(shù)據(jù)庫中的生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘，可以得到期量優(yōu)化數(shù)據(jù)，并對PPS 系統(tǒng)的期量數(shù)據(jù)模板進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。

圖21 工票打印與回收

圖22 作業(yè)任務(wù)下達(dá)

圖23 生產(chǎn)進(jìn)度跟蹤

四、應(yīng)用效果

經(jīng)過項目團(tuán)隊三年的系統(tǒng)開發(fā)和現(xiàn)場實施，HE 公司MPC 軟件系統(tǒng)所包括的PPS 系統(tǒng)和MES 系統(tǒng)的所有功能已經(jīng)全部分階段上線運(yùn)行，至今系統(tǒng)已經(jīng)全面穩(wěn)定運(yùn)行了一年多的時間。系統(tǒng)使用范圍覆蓋了HE 公司生產(chǎn)部及全部十個分廠/事業(yè)部的各個工段班組，HE 公司的全部制造計劃都已經(jīng)在系統(tǒng)中進(jìn)行生成、管理、執(zhí)行和跟蹤，實現(xiàn)了年度生產(chǎn)大綱、月度生產(chǎn)計劃、項目生產(chǎn)滾動計劃、項目技術(shù)準(zhǔn)備滾動計劃、部套計劃、零件計劃、工裝計劃、詳細(xì)作業(yè)計劃、生產(chǎn)進(jìn)度跟蹤和在制品臺賬等在MPC 系統(tǒng)軟件平臺中的協(xié)同管理，系統(tǒng)上線后整體運(yùn)行狀態(tài)良好。

通過生產(chǎn)部與各分廠的部套滾動計劃協(xié)同、各分廠的協(xié)作計劃協(xié)同、技術(shù)準(zhǔn)備計劃與生產(chǎn)計劃的協(xié)同、項目滾動計劃與項目節(jié)點(diǎn)交期的協(xié)同，HE 公司的制造計劃實現(xiàn)了在MPC 軟件系統(tǒng)平臺上的綜合協(xié)同。

原來最長8 個月，最短3 個月的計劃滾動期，目前已經(jīng)全部縮短到了1 個月以內(nèi)，最短的縮減到了1 天。通過系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，HE 公司的全部生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中得到了持續(xù)優(yōu)化，使制造系統(tǒng)整體得到了優(yōu)化。通過全面的計劃協(xié)同，生產(chǎn)過程中貫徹執(zhí)行了準(zhǔn)時化生產(chǎn)，關(guān)鍵場地和大設(shè)備使用效率得到了保證，生產(chǎn)成本得到了有效控制，總體生產(chǎn)績效得到了大幅提升，達(dá)到了降低成本和保證交貨期的管理要求。