Оперативно-календарное планирование и диспетчирование в MES-системах. Часть I

В зависимости от типа производства, особенностей построения конкретных АСУП и разновидностей, используемых на предприятии систем управления производственными и технологическими процессами (MES-системы являются именно системами управления технологическими процессами), существует два различных подхода к получению точных план-графиков работы оборудования: 1) метод поэтапного децентрализованного получения плана работ; 2) метод рекурсивного получения и выполнения плана работ.

Метод поэтапного децентрализованного получения плана работ

Данный метод характеризуется тем, что задача планирования выпуска продукции на предприятии разбивается на несколько, по сути, независимых этапов: 1.A) оценка мощностей на заданном портфеле заказов; 1.B) объемно-календарное планирование; 1.C) детализированное оперативно-календарное планирование. Этап оценки мощностей характеризуется тем, что на существующем портфеле заказов (ПЗ), с учетом заказов, находящихся в производстве, оценивается: возможно ли выполнение заданного ПЗ на предприятии по фондам времени имеющегося оборудования? В данном случае не требуется построения никаких графиков, требуется только один простой ответ на такой же простой вопрос – смогут «осилить» требуемую нагрузку производственные фонды предприятия или нет? В результате мы получаем либо отрицательный ответ, либо положительный в виде процента загрузки фондов – от 0 до 100. Безусловно, на последующих этапах планирования 1.В) и 1.С) происходит последовательное уточнение этой оценки на основании решения задачи баланса производственных мощностей (Capacity Planning Problem) [1]. В результате появляется возможность получить сводные коэффициенты загрузки технологического оборудования по цехам и участкам, а также подробную гистограмму загрузки конкретного станка (ежедневные коэффициенты использования: в работе, в наладке, в ремонте, в ожидании). Но это уже на уровне MES-систем. Этап объемно-календарного планирования в какой-то мере повторяет предыдущий этап, но здесь уже требуется полная картина предварительной загрузки оборудования (рис.2).

С задачами такого объемного планирования (ОП) вполне справляется большинство систем управления, как класса ERP, так и MRPII. Разделение задач планирования при поэтапном методе показано на рис.1, где видно: какие системы на каком этапе выполняют ту или иную функцию. На первом уровне с помощью систем класса ERP решаются задачи стратегического характера – управление ресурсами предприятия, укрупненное планирование. Для каждого цеха, на основе расцеховки заказов, определяется: сколько и каких комплектов, сборочных единиц и деталей необходимо сделать к определенному сроку. В дальнейшем эти объемы работ необходимо выполнить на конкретных единицах оборудования, с учетом их переналадок, ремонтов, отказов, транспортных и складских операций, кадрового состава операторов и станочников и других производственных факторов конкретного цеха. За выполнение этих задач отвечают MES-системы (уровень детализированного, оперативно-календарного планирования). Кроме того, на нижнем уровне управления находятся SCADA-системы (Supervisory Control And Data Acquisition), которые отвечают за функции автоматизации управления и контроля выполнения технологических процессов.

Взаимосвязь систем ERP и MES представлена на рис.3. При этом ERP-система формирует объемные планы для цехов, а с помощью сессий MES-системы каждый цех формирует детализированные расписания. Данная система управления должна иметь два контура диспетчирования – внешний K1, отслеживающий возможность выполнения заданного объема при существующих временных ограничениях на горизонт планирования и сроки выпуска продукции конкретного наименования, и внутренний контур - K2. Контур управления K1 формирует соответствующую величину рассогласования , а внутренний контур K2 формирует величину рассогласования в случае, если для того или иного цеха необходима коррекция его текущего производственного расписания из-за возникших отклонений от принятой производственной программы [2]. Причины такого децентрализованного подхода к управлению производством кроются в том, что задачи составления расписаний работы оборудования с математической точки зрения относятся к классу NP-сложных комбинаторных задач.

Вот почему все известные нам ERP-системы не в состоянии оперативно составлять детализированные планы, порой, для нескольких тысяч единиц оборудования, а также отслеживать все изменения, происходящие в цехах и участках. Поэтому эти функции делегируются MES-системам, которые могут достаточно эффективно составлять и корректировать расписания, а также отслеживать их выполнимость с достаточной оперативностью и точностью. При формировании планов на этапе объемно-календарного планирования необходимо помнить, что в различных, с точки зрения серийности, производствах, планово-учетные единицы (ПУЕ) могут быть представлены с различной степенью детализации. Существует определенная связь ПУЕ с типом производства и принятой на предприятии системой формирования объемно-календарных планов (рис.4). Учет этого фактора позволяет, в ряде случаев, привести задачу планирования для единичного и мелкосерийного производства к более легким задачам планирования серийного производства. Это осуществляется специальной операцией группирования ДСЕ и оборудования на следующем этапе. Этап детализированного оперативно-календарного планирования включает в себя две основных задачи: • Расчет производственного расписания (Production Scheduling); • Группирование деталей, сборочных единиц и оборудования (Group Technology). О принципах расчета производственных расписаний и применяемых при этом критериях оптимизации авторы уже рассказывали [3,4]. Подробный разговор на эту тему еще предстоит. Пока же отметим, что нередко задачи формирования детальных оперативно-календарных планов существенно упрощаются, если применять упомянутую выше процедуру группирования.
Это процедура, с помощью которой формируется оптимальная маршрутная технология, являющаяся общей для однотипных деталей и групп взаимозаменяемых станков (станочных групп). Именно для таких объединенных групп в последующем и составляется расписание работ. Составленное расписание с учетом сгруппированных ДСЕ во многих случаях оказывается весьма эффективным и, что очень важно, проще реализуемым на практике.

Рассмотренный метод децентрализованного планирования хотя и применяется в подавляющем большинстве случаев, но имеет свои существенные недостатки. Дело в том, что объемный план, особенно при высокой загрузке оборудования, не всегда выполним с точки зрения расписания его работы. На рис.6. представлена диаграмма объемного плана несложной задачи. Как мы можем заметить, все работы вошли в пределы заданного горизонта планирования и коэффициент загрузки, как мы видим по плотности диаграммы, достаточно высок. Но если мы попытаемся составить расписание на тех же данных, то оно уже не только не повторяет объемные расчеты, но, как правило, нередко является невыполнимым (рис.7) в пределах того же горизонта планирования. Никакого парадокса в этом нет, поскольку все объемные задачи грешат одним существенным допущением – не учитывается условие предшествования операций, иначе – строгий порядок выполнения операций согласно логике технологического процесса. Таким образом, рассмотренная схема децентрализованного планирования работоспособна, в основном, в двух случаях: - когда планирование ведется для крупносерийного производства с частым повторением очередностей номенклатуры запуска и при небольшом разнообразии самой номенклатуры; - при небольшой загрузке оборудования по фондам (до 50%). А как же быть, если мы хотим одновременно и повысить загрузку оборудования и, в то же время, уже на верхнем уровне формирования планов, иметь представление об их выполнимости и видеть более-менее точную картину во времени?

Об этом во второй части статьи

Авторы:
Евгений Борисович Фролов © 2008 докт.техн.наук, профессор, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», кафедра «Информационные технологии и вычислительные системы».
Равиль Рустэм-бекович Загидуллин © 2008 докт.техн.наук, профессор кафедры «Автоматизация технологических процессов» Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ)

Литература:
1. Фролов Е.Б., Загидуллин Р.Р. MES-системы. Вид «сверху», взгляд изнутри. 12-ERPNEWS, http://12news.ru/doc2689.html
2. Загидуллин Р.Р., Фролов Е.Б. Управление Машиностроительным производством с помощью MES-систем, М.: «СТИН», 11, 2007, с. 2–5.
3. Фролов Е.Б., Загидуллин Р.Р. MES-системы. MES-системы, как они есть или эволюция систем планирования производства. Часть II, http://12news.ru/doc2593.html
4. Фролов Е.Б., Загидуллин Р.Р. MES-системы. Критерии, которые мы выбираем. 12-ERPNEWS, http://12news.ru/doc2690.html 5. Асатрян С.Р., Ващило А.В., Коган Ю.Г., Рябов Д.М., Фролов Е.Б. Использование технологий «клиент-сервер» для организации управления производством. М.: «САПР и Графика», 11, 1999, с. 30-34.

© Издание 12NEWS (ИП Маринин А.Л.), 2008