MES-системы. Критерии, которые мы выбираем

Представьте себе, что у вас автомобиль без коробки передач, и вы можете ехать только вперед, с одним значением крутящего момента на колесах. На таком автомобиле хорошо ездить по идеальной трассе, уходящей в бесконечность. Но в жизни необходимо преодолевать разные препятствия и многоступенчатая коробка передач значительно расширяет возможности вашего управления. Как каждая ступень в такой коробке предназначена для определенных целей, так и различные критерии планирования в багаже MES-систем обеспечивают им возможность более гибко строить расписания при изменяющихся условиях организационно-технологической среды предприятия.

Читатель может спросить: «Зачем MES-системе много критериев, если можно обойтись всего одним, например, критерием минимума календарной длительности выполнения всего комплекса работ?». Действительно, данный критерий очень часто используется в системах класса Project Management и в MES-системах начального уровня. Но он, кроме преимущества, имеет и существенный недостаток. Поясним это на простом примере. Допустим, имеется некое множество M работ (технологических операций), которое надо выполнить на множестве N РЦ. Возьмем классический случай, когда каждая операция может быть выполнена на любом из РЦ.
 

Рис.1 Особенности использования частных критериев

Если во множестве N не две-три операции, а значительно больше, как это и бывает в реальных случаях (в мелкосерийном производстве участок из 100 РЦ за смену может «переварить» до 300 операций), оптимальному решению при использовании данного критерия всегда соответствует хотя бы одна последовательность операций a, b,…, c, для которой суммарное время выполнения этой последовательности T нельзя уменьшить.

Пример такой последовательности показан на рис.1. Но хорошо, если мы сразу, на первых же итерациях поиска получили плотный по загрузке оборудования вариант «а», который высвободит нам сразу несколько РЦ. При этом высвободившихся рабочих мы можем переместить на другие участки, где есть потребность в рабочей силе. Если же мы получим вариант «б», характеризующийся, как мы видим, весьма неэффективным распределением операций между РЦ, то дальнейший поиск нам ничего не даст, т.к. величину длительности выполнения всего множества работ – T, мы не уменьшим. Алгоритм, руководствуясь таким критерием, честно отработав все варианты, даст нам график загрузки в виде «лоскутного одеяла», характеризующийся простоями оборудования. А ведь за простои рабочему надо платить, да и сами станки, как известно, бесплатно не простаивают.
Вот почему интегральной характеристикой любого производственного расписания может являться общая площадь этого самого «лоскутного одеяла» на диаграмме Гантта.

Ниже приведен конкретный пример: Инструментальное производство Заволжского моторного завода (участок концевого инструмента, месячный план на апрель 2004г.). Читатель сам может оценить площадь, ограниченную желтым контуром, которая соответствует на диаграмме Гантта двум вариантам производственных расписаний - до и после применения MES.

Производственное расписание до оптимизации

Производственное расписание после оптимизации в MES

Отметим, что операции, изображенные как на рис.1, так и те операции, что вы видите на предыдущих скриншотах, относятся к заказам, выпускаемым в данном плановом периоде. Нередко иные директора производств для повышения коэффициента загрузки оборудования стараются минимизировать простои станков путем заполнения пробелов в расписании работами, относящимися к выпуску изделий следующего планового периода, т.е. сознательно увеличивают объем незавершенного производства (НЗП). Неоправданный рост НЗП – это настоящее «самоедство» для любого производства, поскольку при этом связываются значительная доля оборотных средства предприятия!

Данная проблема характерна не только для рассмотренного критерия, но и для множества других частных критериев. Можно сказать, что многие частные критерии, улучшая тот или иной показатель расписания, могут ухудшить остальные его показатели. Например, если в расписании, изображенном на рис.1, не настаивать на требовании, чтобы все работы непременно уложились за время Т, то можно было бы еще сильнее уплотнить диаграмму Гантта:

Вот это и есть та особенность, что значительно отличает алгоритмы планирования, принятые в Project Management (минимизация суммарного времени исполнения проекта, - здесь время Т увеличивать нельзя, можно только его сокращать), от алгоритмов составления расписаний, используемых в MES, когда выдвигается интегральное требование минимизировать площадь (внутри желтого контура), занятую распределяемыми работами. Причем лучший результат в MES, как следует из рис.1а, может достигаться не обязательно при минимизации именно времени исполнения всех заданий…

Т.е. если в управлении проектами стоит задача «как можно быстрее выполнить задание», то в MES – «как можно больше обработать готовых изделий в плановый период». Это лишь на первый взгляд кажется, что тот, кто делает быстрее, тот и сделает больше. Нет, уважаемый читатель, сделает больше тот, кто не слишком торопится и имеет возможность варьировать критерии оптимизации при составлении производственных расписаний!

Так что же такое частный критерий? Это критерий, который отражает какую-либо одну особенность при построении расписания. Здесь может быть, кроме рассмотренного случая, минимизация времени переналадок, минимум транспортных операций и др. В противовес этим критериям существуют критерии интегрального характера. К ним относятся, например, такие критерии, как минимум всех непроизводительных времен, критерий минимума стоимости выполненного расписания [3] и др.

Но даже при использовании этих критериев, часто возникает ситуация, когда, как говорил известный герой репризы А.И. Райкина, «чего-то не хватает!».

Векторный критерий в MES-системе PolyPlan

Для таких случаев системный анализ, на основе жесткого руководства «разделяй и властвуй» дает более гибкое решение – «разделяй, синтезируй, властвуй». Это относится к так называемым векторным критериям планирования. Векторный критерий, это такой интегральный критерий, в который могут входить несколько частных критериев, иногда противоречивых (чем более противоречат частные критерии друг другу, тем сложнее отыскать оптимальное решение).

Критерии составления производственных расписаний в MES-системе «ФОБОС»

Нетрудно догадаться, что на нескольких частных критериях можно создать очень большое количество комбинаций, которые могут пригодиться для самых различных производственных ситуаций. Например, в MES-системе «ФОБОС» имеется возможность получения 100 комбинаций векторных критериев.

В ряде случаев синтез критерия осуществляется в процессе уточнения производственного задания по планированию с учетом технологии того или иного производства – машиностроения, деревообработки (©RFT-Group, www.rft-group.ru, А.Р. Залыгин) и пр.
 

Формирование критерия в MES-системе RFT

При оптимизации расписаний в MES-системах с помощью векторных критериев, используются различные методики, но чаще всего – это поиск оптимума на Парето-множествах [4].

Таким образом, за счет использования в MES-системах векторных критериев, повышается управляемость при построении расписаний, что существенно сказывается на последующем увеличении эффективности использования парка дорогостоящего оборудования.

Приоритеты

Следующим, весьма интересным для различных сторон, вопросом, является вопрос назначения приоритетов партий деталей при планировании. Слово приоритет, так или иначе, нам знакомо еще с длинных очередей. После первой волны шоковой терапии, призванной кардинально изменить положение в экономике, прошло уже почти два десятка лет, но очередь осталась. В очереди мы сидим к врачу, в очереди мы стоим в билетной кассе, в очереди мы находимся, ожидая соединения с оператором справочной службы, даже если это многоканальная система массового обслуживания.

Обслуживание по правилу FIFO

Закон очереди – FIFO (First In – First Out – первым пришел, первым обслужен). Но как же часто мы сетуем на то, что у нас нет времени на то, чтобы стоять в этой очереди, и было бы хорошо, если бы нас пропустили вперед!

Увы, это не всегда возможно, но если нас не всегда пускают без очереди, то, может быть, мы сами сможем помочь заказчикам тем, что учтем их временные резервы при планировании их заказов на нашем предприятии? Почему бы и нет.


На скриншоте MES-системы «ФОБОС», видно, как некоторым заказам присваивается приоритет в очереди заказов, подлежащих планированию. Приоритет назначается в виде числа от 1 до 100, чем больше число, тем выше приоритет, а значит, эта партия деталей будет назначаться на изготовление по времени раньше, нежели партии деталей, имеющих более низкий приоритет.

Назначение приоритетов в MES-системе «ФОБОС»

Здесь мы должны успокоить читателя – нет никакого протекционизма в отношении тех или иных партий деталей, «раздача» приоритетов, в общем случае, происходит строго в соответствии со следующей методикой. Допустим, что у нас есть некий заказ, – партия деталей i-го наименования (из некоего множества номенклатуры запуска M = {1, 2, …, i, …, m}), имеющая согласно технологическому процессу, определенное количество операций. Для каждой операции, согласно документации на ТП, нам известно время ее выполнения.

Тогда сумму времени для выполнения всей операционной последовательности i-го заказа обозначим через . Кроме того, у каждого заказа известен директивный момент его выхода из цеха – .
 

Определение приоритетов по напряженности заказов

Если мы начнем составлять план на несколько дней на каком-либо горизонте планирования от момента начала плана, то мы увидим, что некоторые заказы можно выполнить только в первый день, т.к. перенос начала их выполнения на следующий день или даже чуть ранее приведет к нарушению директивных моментов .

Другие заказы, оказывается, могут «полежать» и день и даже больше без нарушения этих директивных моментов выхода из цеха.

В любом случае заказ может быть выполнен, если момент окончания его выполнения не больше директивного срока выпуска, т.е. должно выполняться условие .


Тогда напряженность для любого i-го заказа можно представить в виде его коэффициента напряженности , где – момент начала выполнения заказа.

В соответствии с этим, вся номенклатура, подлежащая планированию в MES-системе, ранжируется согласно коэффициенту напряженности заказов K и в соответствии с этим коэффициентом назначаются приоритеты – чем больше напряженность заказа, тем выше приоритет. В процессе планирования MES-система для каждого заказа отыскивает момент его начала выполнения таким образом, чтобы он, как мы уже говорили выше, не превышал директивный момент .

Такой метод назначения приоритетов помогает MES-системе правильно распределить заказы между сменами. Если же на всем горизонте планирования любой заказ может быть выполнен в любой момент времени, то расстановка приоритетов является излишней.

Читатель может спросить – откуда берутся директивные моменты ? Эти моменты становятся известными на этапе предварительного планирования – функция SCM в APS-системах, управление цепочками поставок, в том числе внутренняя – временные цепочки потока номенклатуры для цехов предприятия.
 

Что дальше

Технология MES-систем, кроме рассмотренных в данной статье особенностей, содержит еще много интересного. Это и планирование технологических сборов, и особенности пересчета расписаний, и выбор векторного критерия на Парето-множестве, и планирование работ для вспомогательного оборудования и наладчиков РЦ, и еще многое-многое другое, что невозможно отразить в краткой статье.

В то же время авторы не прощаются с читателем, а говорят – до свидания, и в следующих выпусках, посвященных данной тематике, расскажут об особенностях планирования в некоторых MES-системах.



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(ERPNEWS)©

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