MES-системы. Вид «сверху», взгляд изнутри.
Критерии, которые мы выбираем

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.

Укрупненная блок-схема решения задач календарного планирования производства

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 плано-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 получении 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». 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 [2] в сжатой форме показывают — какие параметры среды будут учитываться в системе, какие переменные являются неизвестными, а какие будут определяться, какие критерии планировании будут использоваться.

На рис.3. 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, ищутся или разрабатываются алгоритмы, реализующие 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.

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 (рис.4). 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.

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.4. 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 2004 г.). 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.4, 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 связывается 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.4, 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.4а, 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!».

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 (рис.5), 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).

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 (рис.6).

В ряде случаев синтез критерия осуществляется в процессе уточнения производственного задания по планированию с учетом технологии того или иного производства — машиностроения, деревообработки (© RFT-Group, А.Р. Залыгин) и пр. (рис.7).

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. 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 рис.9 представлен фрагмент MES-системы «ФОБОС», на котором 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.

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 t_i. Кроме того, у каждого заказа известен директивный момент его выхода из цеха — .

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.

Литература

1. Фролов Е.Б., Загидуллин Р.Р. MES-системы, как они есть или эволюция систем планирования производства.
2. Загидуллин Р.Р. Оперативно-календарное планирование в гибких производственных системах /Под. ред. В.Ц. Зориктуева. — М.: Изд-во МАИ, 2004. — 208 с.
3. Горшков А.Ф., Евтеев Б.В., Коршунов В.А. Титов В.А., Фролов Е.Б. "Компьютерное моделирование менеджмента: Учебное пособие" // Под общ. Ред. Н.П. Тихомирова. — М.: Издательство «Экзамен», Москва 2004 г.
4. Ногин В.Д. Принятие решений в многокритериальной среде: количественный подход. М.: ФИЗМАТЛИТ. — 2002. — 144 с.

Об авторах:

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

Равиль Рустэм-бекович Загидуллин, д.т.н., профессор, Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ), кафедра "Автоматизация технологических процессов".