MES-системы, как они есть или эволюция систем планирования производства. Часть II

Планирование

Планирование в ERP

Мы не будем подробно останавливаться на описании функциональных возможностей ERP-систем не только по причине того, что об этом написано достаточно много, сколько по причине того, что ERP-системы, по сути, не являются прямым инструментом планирования работ на предприятии. По прошествии десяти лет консультанты и пользователи, наконец-то, поверили в то, что ERP – это, прежде всего, корпоративная информационная система, система управления предприятием, своего рода кровеносная и нервная система промышленного организма, соединяющая островки логистики многочисленных органов, выполняющих определенные функции (документооборот, управление закупками, поставками, складскими запасами и пр.).

О характере планирования работ, технологических операций на станки и другие единицы технологического оборудования в ERP-системах можно сказать одной фразой – планирование в большинстве систем ведется на основе старого стандарта MRPII ^[3] без учета текущей загрузки данного оборудования и состояния обработки изделий. Т.е. по сути, любой детальный ERP-план будет практически невыполнимым. Любое планирование на уровне ERP ограничивается лишь формированием объемного месячного (декадного) плана.

Корректировать такие планы оперативно не удается, вот почему их реализация предполагает строгую исполнительскую дисциплину во всех вовлеченных в производственную цепочку подразделениях предприятия. Т.е. можно говорить об организации производства, контролируемого ERP как производства с определенным запасом «устойчивости» по отношению к возникающим отклонениям от составленного объемного плана. Вся тяжесть при этом ложится на исполнителей: «как хочешь, но плановое задание к рассчитанному сроку выполни!» И, что особенно важно, ERP, выдав задание всем подразделениям, при возникновении потребности в корректировке планов, не в состоянии с этим справиться, т.к. любой пересчет даст ту же картину общего задания – задания в объемах, но не в детальных сроках по изделиям и операциям, что требуется для управления на уровне цехов.

Планирование в APS

С точки зрения точного планирования работ на предприятиях, интерес представляют системы классов APS (Advanced Planning & Scheduling Systems) и MES (Manufacturing Execution Systems).
APS-системы, появившиеся на рынке в середине 90-х годов, являются уже непосредственным инструментом планирования работ на предприятии. Несмотря на однозначное обозначение, многие авторы и даже разработчики трактуют это название по-разному: «оптимизированное производственное планирование», «усовершенствованное планирование», «улучшенное планирование», «расширенное планирование», «оптимизированное и синхронное планирование», «точное планирование», «оперативное планирование» и даже «аккуратное планирование»!

Согласитесь, толкований столь много, что возникает вопрос: в чем, собственно, дело? По сравнению с чем расширенное, усовершенствованное, насколько точное, с чем синхронное, что оптимизируется и насколько оперативное?

Расширенное и усовершенствованное.
В начале 90-х годов после первых опытов внедрения ERP, осмысления преимуществ и недостатков планирования по стандарту MRPII, предприятия столкнулись с основной проблемой – достоверность планирования. Достоверность и точность во времени. Динамика рынка, веяния концепции JIT потребовали от предприятий более точных сроков поставок, полноценного участия в управлении цепочкой поставок. Несовершенство методов планирования с помощью MRPII потребовали пересмотра «ценностей» – что важно при планировании? Скорость, противоречащая ей точность, и для чего нужны эти показатели?

Выяснилось, что без решения задачи управления поставками, без возможности прогнозирования точных дат выпуска продукции предприятие представляет собой вещь в себе. Поэтому основной целью для систем планирования нового поколения – APS являлось решение задач автоматизации управления цепочками поставок (SCM – Supply Chain Management). Причем этот функционал APS, реализуемый за счет возможности планирования всех работ во времени с учетом загрузки мощностей, имеет двойное назначение – он реализуется, как для предприятия, выступающего объектом всей цепочки на динамичном рынке товаров, так и для объектов самого предприятия: цехов, участков и подразделений. Таким образом, возможности планирования в APS расширены и усовершенствованы относительно стандарта MRPII.

Синхронность.
Понятие синхронности нужно понимать в APS, с одной стороны, как возможность планирования материалов, ресурсов и одновременно построение расписания с учетом реальной загрузки оборудования во времени. С другой стороны, - синхронность выражается еще и в том, что расписания строятся для всех подразделений предприятия с учетом сроков поставок партнеров и расписания для всех этих производственных структур являются всегда взаимоувязанными во времени, поскольку они получаются из общего расписания работы всего предприятия.

Оперативность.
Оперативность для APS – это возможность за кратчайшее время определить по тому или иному заказу срок его изготовления. Оперативность в плане диспетчерского контроля и оперативного пересчета расписаний к APS, как правило, никакого отношения не имеет, поскольку, если не меняются внешние ограничения (нарушение сроков поставок со стороны партнеров, другие непредвиденные задержки) и в портфель заказов каждые пять минут не вносится новое изделие, то пересчет расписаний ничего не даст. Учет же внутренних возмущений со стороны многочисленных подразделений (поломки оборудования, брак на операциях и т.п.) может привести к существенному утяжелению контура диспетчирования при существующей размерности задачи.

Точность и оптимизация.
Точность и оптимальность формируемых расписаний – прерогатива алгоритмов любой системы планирования.

По сравнению с алгоритмами MRPII, алгоритмы APS при составлении расписаний одновременно учитывают как потребности материалов, так и мощности предприятия с учетом их текущей и спланированной загрузки. В алгоритмах APS учитываются переналадки и некоторые другие параметры технологической среды, которые пессимисты почему-то называют «ограничениями».

В адрес алгоритмов APS встречается немало заслуженных эпитетов, но в ряде случаев в порыве восторга этим системам приписываются особенности, которые ставят в тупик даже специалистов. В частности, говорится, что в основе алгоритмов APS-систем лежат имитационные модели, нейросетевые модели, планирование на основе базы знаний, модные ныне эвристические методы типа генетических алгоритмов, моделирования отжига и даже линейное программирование(!).

На самом деле алгоритм построения расписаний в APS достаточно прост ^[4]. Есть множество операций для всего множества выпускаемых изделий, множество станков и на каждые изделия есть ограничения – по срокам выпуска, по наличию материала и т.п. Ограничения разделяются на важные и не очень. Вначале, на первом проходе алгоритма составляется расписание с учетом выполнимости важных ограничений, например, отсутствие нарушения сроков поставок.

Если расписание получено, то оно считается допустимым и принимается в качестве базового для дальнейшей «оптимизации» – на последующих проходах алгоритма проводится попытка учесть оставшиеся менее важные ограничения. На самом деле - это не оптимизация. Это не что иное, как итерационный процесс получения допустимого расписания с учетом новых ограничений, вносимых на новой итерации, т.е. весьма несложная эвристика.

В ряде случаев процесс планирования упрощают еще сильнее – сначала планируют одну деталь, потом другую, до тех пор, пока все множество деталей не будет спланировано. Оценка полученных расписаний относительно действительного оптимума при этом может быть достаточно низкой, но надо отметить, что если мы составляем расписание для нескольких тысяч единиц оборудования из сотен тысяч операций на месяц или полгода, то с этим фактом можно смириться. Особенно если учесть, что на последующем этапе за фактическую реализацию производственного расписания будут отвечать MES-системы.

Таким образом, упростив алгоритм построения расписания, разработчики APS дали возможность в пределах существующих вычислительных мощностей получать допустимые расписания и более-менее точно прогнозировать сроки поставок. При этом APS-системы не ставят себе более сложных задач вроде минимизации в построенных расписаниях времен переналадок, транспортных операций, уменьшения количества задействованного оборудования и т.п., поскольку учет этих требований неминуемо приведет к утяжелению алгоритмов и невозможности за кратчайшее время получать расписания для больших размерностей.

В связи с этим APS-системы имеют на своем вооружении крайне ограниченный состав критериев планирования. Надо отметить, что и эта существующая возможность получения хотя бы допустимых расписаний (в пределах получаса) не зря появилась в середине 90-х годов. Увеличение производительности вычислительных машин с одновременным снижением их стоимости в очередной раз явилось катализатором прогресса в области управления производством.

Другие особенности.
Хотя и говорится, что APS может перепланировать, но, во-первых, контур диспетчирования есть не у всех APS-систем, во-вторых, частота перепланирования в APS обусловлена частотой появления новых заказов (обратная связь в режиме реального времени для APS считается избыточной), в отличие от MES, которые делают эту операцию гораздо чаще (для задачи значительно меньшей размерности, корректируя планы лишь отдельных цехов), поскольку реагируют на любое изменение хода технологического процесса.

Постоянные коррекции планов производства – это типичное явление для производств мелкосерийного и единичного типов; их часто именуют в литературе «позаказными». Заметим, что для создания более точного контура обратной связи с «позаказным» производством поставщики APS-систем в некоторых случаях используют интеграцию с MES-системами.

Горизонт планирования в APS редко указывают однозначным: смена, неделя, месяц, до полугода. Но как бы ни гадали относительно «средней величины» горизонта планирования, для APS-систем он определяется предельно просто, исходя из основной задачи, функционала системы, которым является управление цепочками поставок. Длительность горизонта планирования в APS-системах – это всегда разница во времени между моментами выдачи наиболее дальних заказов из всего портфеля заказов предприятия и текущей датой, поскольку при появлении нового заказа и соответствующем пересчете всего расписания, надо определить не только сроки его изготовления, но и возможность ненарушения сроков выполнения уже запущенных заказов.

Итак, именно эти новые возможности, обусловленные необходимостью управления цепочками поставок, явились причиной того, что темпы роста APS-систем стали значительно опережать темпы роста решений в сегменте ERP. Наряду с зарубежными системами (Berclain, Chesapeake Decision Sciences, CSC, Fygir, i2 Technologies, Manugistics, Numetrix, Optimax, Ortems, Preactor, Pritsker, Paragon Management Systems, ProMIRA, Red Pepper Software, Thru-Put Technologies и др.) в последние годы стали появляться и отечественные продукты (infor:APS, Adexa eGPS и др.). Опасения, что APS вырастут до новых ERP, были, пожалуй, только у журналистов, поскольку изначально было ясно, что APS-системы не отвечают за финансы, закупки, документооборот и другие транзакционные функции ERP, но ведущие производители ERP-систем (People Soft, SAP, Oracle, SSA Global, JD Edwards, Marcam и др.) среагировали достаточно быстро и отметились в желании совместного использования своих решений с продуктами APS. Постепенно это сотрудничество переросло в естественную потребность интеграции на уровне ядра планирования ERP, которое может быть заменено APS-системой. В то же время APS может поставляться как отдельный продукт.

Планирование в MES

Говорят, что MES-системы появились более 30 лет назад. К сожалению, авторы статьи, общий стаж работы которых в области планирования и автоматизации производства составляет 45 лет, еще двадцать лет назад не встречали в литературе эту аббревиатуру. Как бы то ни было, с MES-системами все более-менее предельно ясно, кроме одного – их постоянно путают с APS-системами.

Чтобы разобраться, что же такое на самом деле MES-системы, еще раз взглянем на регламентированный состав функций MES, число которых ровно одиннадцать ( См. www.mesa.org, www.mesa.ru, www.mesforum.ru):

1. Контроль состояния и распределение ресурсов (RAS).
2. Оперативное/Детальное планирование (ODS).
3. Диспетчеризация производства (DPU).
4. Управление документами (DOC).
5. Сбор и хранение данных (DCA).
6. Управление персоналом (LM).
7. Управление качеством продукции (QM).
8. Управление производственными процессами (PM).
9. Управление техобслуживанием и ремонтом (MM).
10. Отслеживание истории продукта (PTG).
11. Анализ производительности (PA).

Как мы видим, в данном списке нет функции SCM, которая является главной в APS-системах. Несмотря на кажущееся, на первый взгляд, многообразие функций MES, надо понимать, что все эти функции имеют оперативный характер и регламентируют соответствующие требования не к предприятию в целом, а к той его единице (цеху, участку, подразделению), для которой ведется планирование работ.

При этом надо также понимать, что такие функции, как управление документами, персоналом – это управление цеховыми документами (наряд-заказами, отчетными ведомостями и пр.) и персоналом цеха. Основными функциями MES-систем из перечисленных выше являются – оперативно-календарное планирование (детальное планирование) и диспетчеризация производственных процессов в цеху. Именно эти две функции определяют MES-систему как систему оперативного характера, нацеленную на формирование расписаний работы оборудования и оперативное управление производственными процессами в цеху.

MES-система получает объем работ, который либо представлен ERP на этапе объемно-календарного планирования, либо выдается APS-системой в виде допустимого для предприятия план-графика работы цеха, и в дальнейшем сама не только строит более точные расписания для оборудования, но и в оперативном режиме отслеживает их выполнение. В этом смысле цель MES-системы – не только выполнить заданный объем с указанными сроками выполнения тех или иных заказов, но выполнить как можно лучше с точки зрения экономических показателей цеха.

Мы уже говорили, что APS-системы формируют некие исходные расписания работы первой степени приближения еще до начала реализации производственных планов. При этом, ввиду большой размерности задачи, не учитываются многие технологические и организационные факторы. MES система уже на этапе выполнения, получая такой предварительный план, оптимизирует его по ряду критериев.

При этом, после оптимизации и построения нового план-графика работы цеха, очень часто за счет уплотнения работы оборудования, отыскиваются дополнительные резервы, появляется возможность в рамках планируемого периода выполнить дополнительные заказы. Тем самым достигается эффект увеличения пропускной способности производственных структур.

В отличие от APS-систем, MES-системы оперируют меньшими размерностями назначения – до 200 станков и 10000 операций на горизонте планирования, который обычно составляет не более трех-десяти смен. Уменьшение размерности связано с тем, что в MES учитывается гораздо большее количество ограничений технологического характера.

Еще одним отличием является то, что MES-системы обычно оперируют не одним или двумя критериями построения расписания, а, зачастую, несколькими десятками, что дает возможность диспетчеру цеха строить расписание с учетом различных производственных ситуаций. И только MES-системы оперируют так называемыми векторными, интегральными критериями построения расписаний, когда в один критерий собираются несколько частных критериев.

При этом диспетчер, составляя расписание, может указать, что он хочет видеть в конкретном расписании: уменьшение календарной длительности выполнения всего задания, уменьшение длительности операций переналадок, высвобождение станков, имеющих небольшую загрузку и т.п. Оперативность составления и пересчета расписания является также прерогативой MES, поскольку пересчет может вестись с дискретой в одну минуту. Это не означает, конечно же, что каждую минуту рабочему будут выдаваться новые задания, но это означает, что все процессы в цеху контролируются в режиме real time и это позволяет заранее предвидеть все возможные нарушения расписаний и вовремя принимать соответствующие меры.

Алгоритмы MES-систем, хотя и базируются, в большинстве случаев, на эвристике, но, как правило, значительно сложнее и «умнее» алгоритмов APS. Вначале алгоритм MES находит допустимое решение с учетом всех ограничений и выбранного критерия (частного или интегрального). В дальнейшем на этапе оптимизации происходит поиск лучшего расписания.

Конечно, полученное расписание также не является оптимальным в полном смысле слова, поскольку поиск оптимум в таких задачах всегда сопровождается со значительными временными затратами (MES-системы строят расписания за 0.1 – 5 минут на современной технике), но полученные при этом расписания, как правило, уже намного ближе к оптимуму, нежели расписания, построенные APS-системами.

В ряде случаев MES-системы могут составлять расписания не только для станков, но также для транспортных средств, бригад наладчиков и других обслуживающих устройств. Не под силу каким-либо другим системам такие особенности планирования, как формирование технологических сборов, планирование выпуска изделий с параллельным планированием изготовления требуемого комплекта оснастки (приспособлений, уникального инструмента).

Важным свойством MES-систем является выполнимость расписаний. Встроенные в планирующий контур ERP, APS-системы составляют производственные расписания только в случае внесения в портфель заказов новых изделий или работ; корректировать их в режиме реального времени крайне сложно, что приводит к серьезным проблемам использования APS-систем в мелкосерийном производстве. MES-системы в таких случаях работают более гибко и оперативно, пересчитывая и корректируя расписания при любых отклонениях производственных процессов, что повышает гибкость и динамичность производства. Если расписания APS-системы больше подходят для производств с крупносерийным характером выпуска продукции, где резких отклонений от производственной программы, как правило, не бывает (устойчивый характер производства), то MES-системы являются незаменимыми в мелкосерийном и позаказном производстве.

При этом если для APS-систем цех с большим объемом технологической и оперативной информации является в какой-то мере «черным ящиком», то MES-системы при выполнении заданий опираются на принцип расчета и коррекции производственных расписаний по фактическому состоянию производства. Эти системы достаточно чутко реагируют на отклонения во времени выполнения технологических операций, на непредвиденный выход из строя оборудования, на появление брака в процессе обработки изделий и другие возмущения внутреннего характера.

В отличие от систем классов ERP и APS, MES-системы являются предметно-ориентированными: для машиностроения, деревообработки, полиграфии и пр. Поэтому они максимально полно отражают особенности технологии конкретных производственных процессов и зачастую включают в себя развитые средства поддержки технологической подготовки того или иного типа производства. Очень часто MES-системы имеют средства интеграции с системами САПР ТП/АСТПП.

Характерно, что согласно западным данным внедрение MES на предприятии не только обеспечивает составление детальных производственных расписаний, но также положительно влияет на менеджмент качества и уровень обслуживания технологического оборудования.

На рынке существуют решения, как для систем с дискретным характером выпуска продукции, так и для производств с непрерывным характером. Наиболее сложными с точки зрения точности планирования и выполнимости планов следует отметить системы первого вида, особенно с «позаказным» типом производства.

Рынок MES-систем развивается очень динамично (на ресурсе ассоциации MES – www.mesa.org читатель может найти упоминание более чем о пятидесяти MES-системах). Так же, как и в случае с APS-системами, ведущие производители ERP-систем заинтересованы в интеграции своих продуктов.

Строгая функциональность систем, «устойчивость» реализуемых производственных планов и расписаний

Могут ли MES полностью заменить APS?
Чтобы дать аргументированный ответ на данный вопрос заметим, что реализация синхронизированных детальных расписаний, составленных на уровне APS, сводится уже не просто к коррекции объемных ERP-планов, а к поддержанию их стабильного «устойчивого» исполнения: вся производственная система должна обладать запасом устойчивости по отношению к малым отклонениям, возникающим в отдельных цехах.

Синхронизированные APS-расписания не должны корректироваться часто, особенно, если это не обусловлено внешними факторами (нарушением сроков поставок исходных материалов, появлением новых срочных заказов и т.п.). А чтобы каждое производственное подразделение предприятия могло бы самостоятельно «гасить» возникающие в нем отклонения, требуется уже применение MES.

В MES – наоборот, никакой априорной «устойчивости» составляемых производственных расписаний не предполагается, более того, их реализация носит заведомо «неустойчивый» характер (математики бы здесь сказали, что такое расписание является так называемым структурно неустойчивым объектом), ибо предполагает возможность оперативной коррекции в любой момент времени по требованию диспетчера. Приводя некую аналогию со средствами транспортировки сыпучих грузов, ERP+APS можно было бы сравнить с хорошим устойчивым грузовиком, а MES с командой велосипедистов, к багажнику которых прикрепили по мешку с перевозимым грузом.

Теперь мы можем перефразировать исходный вопрос о взаимозаменяемости MES и APS иначе: а как же, все-таки, лучше перевозить груз - на 100 велосипедах (здесь надо крутить педали – ведь велосипед неустойчив) или - на одном устойчивом грузовике?

Не спешите, уважаемый читатель, с, казалось бы, очевидным ответом. Вспомните, что устойчивые системы, вообще говоря, плохо управляемы. Надо всегда задавать себе вопрос: «А по какой дороге едем? А что будет, когда шоссе вдруг кончится и на пути движения встретится, к примеру, лесной массив?». Нетрудно предсказать, что в таком случае у велосипедистов существует хороший шанс довезти хотя бы часть груза до цели, … а вот с устойчивым грузовиком, увы.

Конечно, в реальности не все так трагично. Если планирование ведется для небольших предприятий, насчитывающих не более 200 станков, то, в принципе, MES и APS можно было бы считать условно взаимозаменяемыми. Особенно, если речь идет о «позаказных» производствах. Расписания и сроки поставок при этом будут гораздо точнее, но в MES отсутствуют некоторые функции APS, например, планирование потребностей в материалах, поскольку MES являются исполнительными системами и их задача в другом – выполнить план работ, как можно лучше. APS – это уровень детального планирования для всего предприятия, а MES – уровень цеха, участка, подразделения.

Можно ли говорить, что MES = APS или что одна системы просто является частью другой (такие мнения, увы, нередко высказываются в периодике)? Ответ однозначно отрицательный: конечно, НЕТ. Несмотря на внешнюю похожесть в своих функциональных возможностях, эти системы не совпадают по характеру реализации создаваемых ими производственных расписаний, как не совпадают по своей динамике системы устойчивые и неустойчивые. Те программы-планировщики, что формируют жесткие директивные планы (ERP+APS) принято именовать Push Planning Systems – системы «выталкивающие план», а те, что оперативно корректируют планы в процессе их исполнения, называются Pull Planning Systems – системы «вытягивающие план». Задумаемся на минуту, может ли один человек сдвинуть с места груз, одновременно выталкивая и вытягивая его? Конечно, нет! Теперь становится ясно, почему справедливо утверждение: MES<>APS. Эти системы концептуально не совпадают и не являются частью друг друга, и осознавать это различие надо вполне отчетливо.

В последнее время, в погоне за маркетинговыми бонусами, многие разработчики стали позиционировать свои продукты как APS или MES-решения. В ряде случаев - это системы технологической подготовки производства, системы складской логистики и даже обычные базы данных. Думаем, что читатель, ознакомившись в данной статье с отличительными признаками APS и MES, без труда сможет разобраться, что за продукт ему предлагают, несмотря на маркетинговые ухищрения.

Итак, мы видим, что для предприятия, с точки зрения прогнозируемости и прозрачности плановых сроков выпуска продукции, оптимального производства, необходимы следующие механизмы планирования:
 

• - планирование материалов и ресурсов согласно BOM (Bill of Material) по всей планируемой номенклатуре предприятия;
• - управление цепочками поставок;
• - детальное планирование и оперативный диспетчерский контроль выполнения расписаний работы оборудования;

Это возможно только в том случае, если мы используем все три системы – ERP, APS и MES вместе.

ERP, APS, MES – хотя и совершенно разные системы с разными функциональными возможностями, предназначенные для разных целей, но при этом они могут не только прекрасно уживаться, но и дополнять друг друга в плане создания на предприятии мощной системы планирования, охватывающей все существующие задачи. В ряде случаев мы слышим со стороны максималистов призывы повысить функциональность APS или MES до уровня ERP. Можно ли это сделать? В принципе, можно. Собрать команду разработчиков и сказать им: «В наличии есть MES (или APS). Надо сделать из нее ERP!». Все это сделать можно. Как можно раскормить кота до размеров кавказской сторожевой. Но кто тогда будет ловить мышей и охранять дом? …

«Оставайтесь с нами!»

В следующей части авторы расскажут читателю об особенностях планирования в MES-системах, о видах критериев планирования и о том, как их выбирать, о том, как ищется оптимальное решение в многокритериальной среде, о том, что такое приоритеты заданий и как их назначать и о том, как создаются MES-системы.

Авторы:

Фролов Евгений Борисович © 2007
д.т.н., профессор, Московский государственный технологический университет "СТАНКИН", кафедра "Информационные технологии и вычислительные системы".

Загидуллин Равиль Рустэм-бекович © 2007
д.т.н., профессор, Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ), кафедра "Автоматизированых технологических систем".

12NEWS©

© Издание 12NEWS (ИП Маринин А.Л.), 2007