MES-системы. Вид «сверху», взгляд изнутри

MES-системы, вид «сверху»

Оперативное производственное управление – это искусство составления баланса между заказами и загрузкой имеющихся производственных мощностей. Вряд ли кто-то из профессионалов станет оспаривать это утверждение. Это все, безусловно, так, ну, а что же следует делать, когда встают задачи календарного производственного планирования, и какое место среди этих задач занимают исполнительные производственные системы – системы класса MES?

Оперативное производственное управление – это искусство составления баланса между заказами и загрузкой имеющихся производственных мощностей Бегло взглянув на проблему календарного планирования производства, можно выделить 4 группы основных задач: 1. Объемно-календарное планирование (Master Schedule); 2. Баланс производственных мощностей (Capacity Planning Problem); 3. Расчет производственного расписания (Production Scheduling); 4. Группирование деталей, сборочных единиц и оборудования (Group Technology).

Теперь кратко, не вникая в детали: Задача 1- решается на уровне ERP (возможно ERP+APS); Задача 2 - это уровень ERP, но дополнительно корректируется после решения задач 3 и 4; Задача 3 - прерогатива исключительно MES и APS; Задача 4 - исключительно MES. Ниже приведена укрупненная блок-схема решения задач планирования производства, желтым цветом выделена сфера действия MES-систем.

По-видимому, уважаемый читатель, нет смысла здесь детально останавливаться на каждой из перечисленных задач; взгляда «сверху» вполне достаточно, чтобы увидеть место MES систем, которое они занимают. Интереснее заглянуть внутрь MES и посмотреть, как это все там работает. 

Анатомия MES-систем

Рассмотрим структурно-функциональную схему MES-системы для дискретного производства. MES-система получает задание на какой-либо горизонт планирования либо в виде некоего объема номенклатуры, которую тот или иной цех должен выполнить за определенное время, либо этот же объем может быть представлен в виде готового расписания для цеха. В обоих случаях на те или иные детали, узлы и готовые изделия могут быть указаны директивные сроки их выхода из цеха.

В первом случае MES-система получает задание от ERP-системы, во втором случае – от APS-системы. В некоторых случаях, как мы уже говорили, данные могут поступать в MES-систему по цепочке ERP-->APS. Первым долгом, MES-система производит анализ поступившей номенклатуры. При этом анализируются: - выполнимость номенклатуры (по оборудованию, технологии и пр.); - комплектация (материалы, оснастка и пр.); - необходимость опережающего изготовления специального инструмента и оснастки; - приоритеты для деталей и узлов.

При анализе входных данных MES-система использует различные базы данных (БД) – технологических процессов, оборудования (основного и вспомогательного), персонала, материалов, справочно-нормативную информацию. Важными исходными данными процесса анализа для MES-системы являются технологические процессы (ТП) заданной номенклатуры выпуска. Это означает, что на предприятии при внедрении MES или APS-систем обязательно должна быть внедрена технологическая система класса САПР ТП/АСТПП. Еще лучше, если внедрена вся конструкторско-технологическая цепочка CAD-CAM, интегрированная через PDM/PLM-систему.

По ряду причин не все предприятия могут себе это позволить, но в любом случае, как минимальный вариант, технологическая информация может быть представлена хотя бы таблицах Excel. Дело в том, что MES-системы, как правило, имеют встроенные возможности ввода и редактирования технологии изготовления деталей, но, имея электронный вариант ТП по номенклатуре деталей, ввод данных значительно сокращается по времени, что очень важно в плане оперативности.

На следующем этапе диспетчер цеха формирует в MES-системе модель планирования в соответствии с поступившей номенклатурой, текущим состоянием производственных мощностей, необходимостью оперативного ремонта оборудования и ряда дополнительных требований. При этом диспетчер выбирает тип модели планирования (в ряде MES-систем существует возможность выбора модели – имитационной, численной и др.), критерии и ограничения, актуальные на момент планирования, и в ряде случаев – алгоритм, по которому будет строиться расписание.

Надо отметить, что данная модель соответствует текущему состоянию и требованиям, при планировании нового объема номенклатуры, через два-три дня или даже смену, модель может быть совершенно иной. Естественно, к диспетчеру MES-системы предъявляются достаточно высокие требования – он должен знать основы технологии и организации производства того цеха, для которого строит расписания.

В дальнейшем, после построения модели, на что уходит не более пяти минут, MES-системой производится расчет оперативного план-графика работы в цеху. При этом формируются следующие плановые документы: - расписания работы основных и вспомогательных единиц оборудования; - расписания работы персонала; - расписания планово-предупредительных и оперативных ремонтов оборудования; - документы на рабочие места; - документы отчетности (использование оборудования и материалов, планируемые параметры качества и др.). Вся дальнейшая работа цеха теперь подчиняется этим текущим плановым документам. До тех пор, пока либо не будет выполнен план, либо не поступит новая информация.

В процессе работы диспетчер, пользуясь оперативной информацией мастеров и операторов, фиксирует ход выполнения всех спланированных работ. При этом фиксируются такие события, как: - отказы оборудования; - запаздывание или опережение при изготовлении; - брак при изготовлении; - отсутствие материалов или оснастки и пр. MES-система, с периодом в 3-5 минут, с учетом введенных отклонений, может пересчитать расписания и определить – будет ли вовремя выполнен весь объем работ, какие заказы могут выйти с нарушением директивных сроков выпуска, возможно ли уплотнение загрузки оборудования и пр.

Главное при этих пересчетах – выявить необходимость коррекции общего план-графика работ. Если сдвиги в расписаниях незначительны и не нарушаются директивные сроки выпуска продукции, то диспетчер может оставить текущий план без изменений. Если же нарушения отражаются на сроках выпуска или возникает ситуация, когда новый план может оказаться более эффективным для всего цеха, тогда диспетчер принимает решение о замене текущего плана на новый. Это отнюдь не означает, что рабочему, только что начавшему выполнение на станке какой-либо партии деталей, придется отложить работу и, перенастроив станок, перейти к изготовлению других деталей. Новый план вступает в силу для разных рабочих центров (РЦ) по мере выполнения ими текущих заданий, а для некоторых РЦ новый план может и не предусматривать смену заданий.

Наличие данного контура диспетчирования в MES-системе позволяет не только обеспечивать устойчивость выполнения заданий на горизонте планирования при возникновении возмущений в технологической среде, но также вносить в существующие планы выпуска новые изделия, а также оперативно реагировать но директивное, со стороны ERP или APS, изменение сроков выпуска некоторых изделий. При каждом дополнении плана выпуска по номенклатуре или изменении сроков выпуска (что квалифицируется для MES как внешние возмущения), происходит пересчет плана-графика работы всего цеха по тому же сценарию, который был описан выше. Кроме того, если MES-система, после получения директивного объема для выполнения от ERP или APS-системы, и последующего анализа «обнаружит» резервы в своем цеху, то это непременно будет выдано диспетчеру в виде диаграмм загрузки парка РЦ.

При этом диспетчер может обратиться к верхнему контуру управления – к ERP или APS-системам с целью запроса дополнительного объема на выполнение. Точно также будет инициирован запрос к верхнему уровню управления, если вдруг обнаружится, что изначальный объем номенклатуры выполнить при существующих временных ограничениях невозможно. При этом ERP или APS-система должна скорректировать объем в меньшую сторону. Таким образом, мы видим, что MES-система работает, практически, в режиме реального времени, постоянно корректируя план-график работы цеха и оперативно отслеживая поступление новых изделий в цех, т.е. реагирует на возмущения как внутреннего, так и внешнего характера. Такая возможность и обеспечивает MES-системам устойчивость выполнения заданий при неустойчивом характере производственной среды.

Модели планирования в MES

Очень часто можно услышать расхожее мнение о том, что все особенности MES-планирования можно очень легко реализовать на том или ином встроенном языке той или иной ERP-системы. При этом надо только «дописать функционал».

Последовательность создания программного продукта

Увы, в реальных ситуациях на создание референтной модели планирования в ERP-системах уходит не менее года. Причина неудач кроется в том, что при таком подходе («дописать функционал») мы будем иметь дело только с выходными данными – программным кодом. А чтобы создать сложный программный продукт, требуется определенная последовательность решения задачи от первого абстрагирования при описании системы до программного кода. На первом этапе ставится задача и определяется служебное назначение системы.

На втором этапе строятся модели системы – структурные, функциональные, модели данных, математические модели. Конечному пользователю, как правило, для ознакомления, нужна только структурно-функциональная модель, которая позволяет разобраться – как же работает система в первом приближении и какие функциональные модули она содержит. Все остальные модели нужны только тем, кто-либо разрабатывает систему, либо пытается ее модернизировать («дописать»). Например, математические модели ^[1] в сжатой форме показывают – какие параметры среды будут учитываться в системе, какие переменные являются неизвестными, а какие будут определяться, какие критерии планировании будут использоваться.

Объектная структурно-логическая модель MES-системы Trio-Prod

На рисунке представлен фрагмент объектной структурно-логической модели процесса планирования MES-системы Trio-Prod (© В.Е. Архангельский), в которой описывается среда производства в виде сети объектов: Продукт (P0, P1, P2); Операция; Работа; Задание; Заказ; Поток продуктов (F0, …, F4); Рабочий центр; Ресурс; Издержки использования ресурса. Любая операция в такой модели имеет входы и выходы, соединенные с потоками. Вход операции определяет продукт, потребляемый операцией, а выход – продукт, производимый операцией. Параметры объектов позволяют интерпретировать объектную модель как потоковую и связывать потребности в планировании заказов с выходными характеристикам расписаний.

На третьем этапе ведется поиск или разработка алгоритмов, реализующих представленные ранее модели. Алгоритмам планирования посвящено очень много работ, особенно в рамках теории расписаний. К сожалению, подобрать какой-либо из них для проектируемой MES-системы удается далеко не сразу, поскольку большинство из них страдают «академизмом», – с целью создания быстродействующих алгоритмов, в некоторых случаях имеющих аналитический характер и полиномиальную вычислительную сложность, авторы сознательно идут на упрощение модели, не учитывается большое количество особенностей технологии и организации, характерных для реальных производственных систем. В большинстве случаев алгоритмы MES-систем построены на базе одного или нескольких эвристических алгоритмов.

И, наконец, на последнем, четвертом этапе, после выяснения задачи, построения моделей и проектирования алгоритма, пишется программный код. Теперь понятно, что если у нас отсутствуют первые этапы, то дорабатывать или модернизировать систему крайне сложно. Это равносильно попытке починить телевизор, не имея при этом его принципиальной схемы. Надо отметить, что отечественные MES-системы, в отличии от зарубежных, в силу традиций отечественных научных школ, являются максимально открытыми для разработчиков и интеграторов – большинство моделей, алгоритмов опубликовано в открытой печати.

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©

Литература 1. Загидуллин Р.Р. Оперативно-календарное планирование в гибких производственных системах /Под. ред. В.Ц. Зориктуева. – М.: Изд-во МАИ, 2004. – 208 с.

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