基于MES的企業(yè)高級計劃排產系統的設計

吳瑩瑩，王 睿，費 衡

（1.安徽商貿職業(yè)技術學院信息與人工智能學院，蕪湖 241000；2.國營蕪湖機械廠，蕪湖 241000）

0 引言

伴隨著企業(yè)的業(yè)務拓展，企業(yè)加工業(yè)務逐步呈現“多品種、小批量、常插單”的特點。面對繁雜多變的加工訂單，企業(yè)需要借助先進的高級計劃排產系統來提升車間生產管理能力，保證產品的按時交付以及對緊急訂單的應變。

1 機械加工行業(yè)排產存在的挑戰(zhàn)

1.1 生產資源管理精細化

機械加工企業(yè)對各類生產資源的管理提出了精細化的需求，需要基于信息系統對它們的基本屬性信息進行維護與管理，并將其應用于需求訂單的計劃排產，在有限資源的條件下追求產能的最大化，促使生產任務管理更加精細化，帶來更高經濟效益［1-2］。

1.2 生產計劃彈性大

當企業(yè)生產計劃遇到突發(fā)情況需要調整時，缺乏有效手段來評判情況變化對當前生產計劃的影響，以至于顧此失彼，導致生產過程頻繁調整，整個生產管理線呈現出“兩頭大、中間小”的不良狀態(tài)［3-4］。當企業(yè)面臨生產前端有大量的緊急計劃下達，后端則是大量高端數控加工設備、檢測設備交替配合使用的情況下，若車間管理依靠手工計劃調度，則很難符合“多品種、小批量、高質量”的訂單要求［5］。當出現多個計劃需要使用共同的設備資源時，車間調度員只能通過對瓶頸資源的定性分析來溝通協調資源沖突并按優(yōu)先級組織生產，但無法判斷該瓶頸資源沖突對計劃的影響，無法給出明確的訂單交付期。

1.3 生產準備工作系統化、精細化

隨著加工工藝和工藝資源的逐漸結構化，生產準備工作愈加系統化、精細化。MES系統不僅要實現生產準備過程中包括技術準備、物料準備、工時定額準備等環(huán)節(jié)的節(jié)點管控，還需要與企業(yè)ERP、CAPP、PDM、OA、輔助配套系統進行集成［6-7］，以便能夠通過MES系統直接進行準備過程進展、技術依據資料、工藝規(guī)程/工藝卡等信息查詢，并通過MES與ERP的集成，在物料準備環(huán)節(jié)全面掌握物料技術狀態(tài)信息和庫存狀態(tài)信息。

2 關鍵技術應用

2.1 面向多訂單的APS高級排產技術

APS（advanced planning and scheduling），即高級排產，是基于供應鏈管理的計劃排產方法。實際建模中，針對企業(yè)多品種、小批量等訂單特點，基于APS理論建立了面向多訂單生產線的APS模型，并且設計算法來求解模型［8］。此外，在實際實施過程中還需緊密貼合企業(yè)自身業(yè)務流程特點，掌握特定的瓶頸工序，再基于瓶頸資源約束進一步求解。

2.2 基于MES系統的集成開發(fā)技術

基于MES系統的集成開發(fā)技術以開放架構的MES系統作為樞紐，承接高級排產系統輸出的生產計劃，并組織相關生產單位和生產資源有序執(zhí)行［9］。同時，通過開發(fā)WebService接口，實現MES系統與ERP系統集成，使企業(yè)生產計劃及時傳達至MES，針對MES主計劃的ERP材料庫存進行領料出庫；與CAPP系統集成，獲取CAPP的工藝文檔對象及工藝進程信息；與DNC/MDC系統集成，獲取聯網數控設備資源的狀態(tài)信息和故障信息；與EAM系統集成，獲取生產資源的基礎數據信息和設備臺賬信息。

3 高級計劃排產系統設計分析

3.1 系統架構

MES系統管理制造過程，主要是針對制造現場管理，銜接上層的計劃、設計管理系統和底層的工業(yè)控制系統?；贛ES系統實現高級排產，可充分利用相關系統的數據支持，如ERP的物料數據和生產計劃數據、CAPP的工藝數據、車間生產資源數據等。高級排產系統作為MES系統的核心模塊，快速、迭代地構建有限能力的作業(yè)計劃，并結合計劃員手工調整，輸出精確的作業(yè)計劃。其輸出的作業(yè)計劃，經MES系統執(zhí)行管理，再將執(zhí)行結果以制品入庫的形式反饋給ERP系統，形成生產計劃的閉環(huán)，如圖1所示。

圖1 基于MES的高級排產系統架構

3.2 生產準備評估

生產加工的主計劃需經過生產準備評估才能被執(zhí)行。主計劃到達MES系統后，先進行工藝資源數據檢查，對照主計劃檢查所需物料、加工設備、道具、人員資質等工藝資源是否就緒，若檢查通過，則生產準備通過；若檢查未通過，則視工藝相關資源數據集成程度而定，實際已就緒但數據不能實時同步的，由管理人員在MES系統中手工補充數據，實際資源無法滿足的，則發(fā)送通知給相關技術人員，快速從工藝源頭控制數據。檢查通過的主計劃方可納入MES系統的車間計劃環(huán)節(jié)，從而進行后續(xù)生產計劃的安排與執(zhí)行。包含工裝需求的主計劃則另外先行派生出工裝設備生產計劃，待工裝生產計劃完成，主計劃所需工裝處于就緒狀態(tài)，則繼續(xù)進行相關生產準備評估。同時MES系統提供一個統計報表，統計主計劃的工裝準備情況，跟蹤主計劃的技術準備階段所觸發(fā)的工裝通知的處理結果，為車間計劃員及時了解各主計劃的工裝準備進度信息，如圖2所示。

圖2 生產準備評估流程

3.3 計劃分解釋放

對于生產準備評估通過可開工的主計劃，由車間計劃人員在MES系統中將主計劃分解釋放為車間計劃，即將主生產計劃按產品序列和加工工序，分解為多個生產車間可并行加工的訂單，再由車間根據實際情況，對訂單進行分批。

3.4 計劃排產

對分解釋放到車間的具體計劃，計劃員在MES系統中對所有計劃可進行全局模擬排產，以評估是否能夠滿足計劃交付節(jié)點要求；評估過程中，根據車間實際加工能力，確定外協計劃以及加班安排等處理。評估通過后，系統將排產的結果反饋MES系統供生產調度人員使用，如圖3所示。

圖3 計劃排產流程

實現高級排產之前，某企業(yè)的車間產品工作卡是技術人員在技術資料準備階段就打印好的，工作卡在車間現場傳遞流轉，主要用于記錄工序執(zhí)行情況和關鍵環(huán)節(jié)信息，對生產的指導性較弱。實現高級排產后，由MES系統規(guī)劃出來的車間產品工作卡片，包含了具有實際節(jié)點信息的工序作業(yè)計劃。該工作卡片生成后打印現場使用，對現場生產具有一定的計劃指導性。

3.5 計劃外協

當車間產能不足時，對于車間計劃或是工序任務的執(zhí)行，MES系統可根據排產結果，將高級排產輸出的部分生產計劃或工序任務進行外協處理，具體由車間計劃員協調確定需要外協的車間計劃或工序任務，再與外協廠家開展任務對接，待外協生產完成后，首先進行加工匯報，再提交質量檢驗。質量檢驗合格后，對于零部件外協計劃需打印合格證并作入庫處理，然后再流轉至下道工序，如圖4所示。

4 高級計劃排產系統設計方案

對于以工序加工為主的生產車間，計劃排產主要是以設備作為主要資源約束，以有限產能的方式來安排設備上的生產任務；而對于以工序裝配為主的生產車間，計劃排產則以生產班組為基本單位資源，設置的約束條件將更加寬幅，排產的核心是基于制造工時給出相應的大致完工時間點，計劃員可在MES系統中對所有計劃進行無限產能方式下的全局模擬排產，并以甘特圖形式展示生產訂單的各個工序信息及時間節(jié)點，支持以手工拖拽方式鎖定對應的工序任務，以評估計劃交付節(jié)點是否滿足要求，評估過程中，根據車間實際生產能力，手工確定工作時間安排。

系統獲取生產訂單、物料、設備、人員、工時等排產資源信息，按設定的策略進行計劃排產及能力平衡，形成一個精確的相對優(yōu)化的詳細排產計劃。再對排產結果進行分析，通過計劃模擬功能發(fā)現可能出現的問題，提前采取措施加以避免，最終得到一個較優(yōu)的結果分派任務。系統將排產的結果提交MES平臺，由MES平臺將近日內的生產訂單工作進行分派，進行管理。計劃排產流程如圖5所示。

圖5 計劃排產流程

4.1 計劃排產策略配置

根據某機械加工企業(yè)“多品種、小批量、常插單”的業(yè)務特點，計劃排產策略配置為基于設備、人員、物料等實時情況的有限能力排產，滿足優(yōu)先級（面向緊急插單）、交貨期限、最長工序、瓶頸資源等約束，能夠同時滿足正排和倒排的需要，并支持鎖定某個已排計劃、某道工序或某個時間周期的重新排產。

4.2 作業(yè)計劃滾動修改調整

排產作為生產管理中的復雜問題，不能完全依靠系統計算出百分之百合理的計劃，需根據實時情況對作業(yè)計劃滾動修改調整。由于MES系統與計劃排產系統同步實施，若某企業(yè)每個月計劃數量大、變更頻繁，初期生產產能未必能做到十分精確。因此，應該遵循表1中作業(yè)計劃滾動修改調整原則。

表1 作業(yè)計劃滾動修改調整原則

4.3 插單業(yè)務的排產處理

當客戶需求發(fā)生臨時改變，則可能需要在已有排程結果的計劃上新增生產任務。一旦企業(yè)接受了插單，就需要排產系統快速重新排產，并記錄下排產結果，如果重新排產結果會導致原需求訂單延時交付，則需要與客戶及時溝通解決。針對某企業(yè)在生產中經常出現的插單情況，在MES系統中將利用優(yōu)先級來確定計劃的緊急程度，優(yōu)先級越高表示任務越緊急。

插單后重新進行排程，系統將自動生成追加急件的新計劃以及調整后的進展狀況。當設備被緊急計劃占用，原有已開始任務不會受到影響，但原有未開始的生產任務會自動后延（不包括鎖定資源），緊急插單的任務將優(yōu)先占用設備資源。在緊急插單處理時，可先手工鎖定某個計劃或某些工序，再進行重新排產，使插單不影響已鎖定的計劃或工序，整體更加優(yōu)化。如果因為緊急插單排產導致了超期工作，計劃人員可以綜合運用優(yōu)先級設置、計劃合并、工序合并等操作來形成對沖，確保排產結果符合生產管理預期。

4.4 計劃排產的手工調整

計劃排產系統需兼顧、利用計劃人員的排產經驗和排產習慣，支持計劃人員手工調整。手工調整功能包括：更改加工設備在指定日期的可用時間；將指定的工序固定在指定的設備上；強制指定工序的開始時間。

5 結語

基于MES系統實現高級排產，有效應對了機械加工企業(yè)面臨的訂單數量大、種類多、插單多等一系列問題，使企業(yè)能夠快速應對市場和客戶需求的變化，同時也最大限度地減少了企業(yè)的資源閑置和浪費，切實對機械加工企業(yè)的生產管理起到了“賦能”作用?；贏PS理論的高級排產，其算法隨著適用場景的不斷豐富而不斷發(fā)展，對具體項目而言，能否切實解決問題、發(fā)揮作用的關鍵往往不在于算法是否盡善盡美，而更多在于實施者對算法的理解和對排產系統的應用，以及對業(yè)務流程的合理規(guī)劃，而MES系統在此發(fā)揮了不可或缺的作用，對于同類項目具有一定的借鑒價值。