MES в производственной логистике:
«Метод вычисляемых приоритетов»

• Восполнение «Супермаркета» (Supermarket Replenishment);
• Лимитированные очереди FIFO (Capped FIFO Lanes);
• Метод «Барабан-Буфер-Веревка» (Drum Buffer Rope);
• Лимит незавершенного производства (WIP Cap);
• Метод вычисляемых приоритетов (Priority Sequenced Lanes).

Следует отметить, что первые четыре логистические системы хорошо работают для ритмичных производств со стабильной номенклатурой выпускаемых изделий, отлаженными и неизменяемыми технологическими процессами, что обычно соответствует массовым, крупносерийным и серийным производствам. Но в производствах единичных и мелкосерийных, где постоянно запускаются в исполнение новые заказы с оригинальной технологией их изготовления, где сроки выпуска продукции диктуются потребителем и могут, вообще говоря, изменяться непосредственно в процессе обработки, в таких производствах упомянутые выше «вытягивающие» системы производственной логистики теряет свою эффективность [2].

Еще одной особенностью мелкосерийных и единичных производств является необходимость выполнения заказов в виде целого комплекта деталей и сборочных единиц к фиксированному сроку. Это значительно усложняет задачу производственного менеджмента, т.к. детали, входящие в этот комплект (заказ), могут технологически подвергаться различным процессам обработки, и каждый из участков может представлять собой ресурс, ограничивающий производительность станочной системы [3] для одних заказов, не вызывая проблем при обработке других заказов. Таким образом в рассматриваемых производствах возникает эффект так называемого «виртуального узкого места» (Virtual Bottle-Neck): вся станочная системы в среднем остается недогруженной, а ее пропускная способность низкой. Для таких случаев наиболее эффективной «вытягивающей» логистической системой является Метод вычисляемых приоритетов .

Исполнительные производственные системы MES (Manufacturing Execution System)

Чтобы разобраться, что же представляют собой исполнительные производственные системы, рассмотрим регламентированный состав функций MES, число которых в классическом варианте равно одиннадцати (www.mesa.org, www.mesa.ru, www.mesforum.ru) [4] (рисунок 1):

Характерно, что в приведенном списке нет функции SCM, которая является одной из основных в APS-системах. Несмотря на кажущееся, на первый взгляд, многообразие функций MES все они 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 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 внутрицеховая диспетчеризация производственных процессов. Именно эти две функции определяют MES-систему как систему оперативного характера, нацеленную на формирование расписаний работы оборудования и оперативное управление производственными процессами на уровне цеха.

Реализации Метода вычисляемых приоритетов с помощью MES

Метод вычисляемых приоритетов является одним из вариантов «выталкивающих» логистических систем: системы пополнения «Супермаркета» и системы с лимитированными очередями FIFO, рассмотренных в [1],[2]. Разница в том, что в данной системе уже не все пустые ячейки в «Супермаркете» пополняются в обязательном порядке, а производственные задания, оказавшись в лимитированной очереди, продвигаются от участка к участку не по правилам FIFO (т.е. не соблюдается обязательная дисциплина «в порядке поступления»), а по другим вычисляемым приоритетам. Структура Метода вычисляемых приоритетов приведена на рисунке 2.

Правила вычисления этих приоритетов назначаются в единственной точке планирования производства, — в примере, приведенном на рисунке 2, это второй производственный участок, следующий непосредственно за первым «Супермаркетом». На каждом последующем производственном участке функционирует своя собственная исполнительная производственная система (MES — Manufacturing Execution System), задача которой — обеспечить своевременную обработку поступающих на вход заданий с учетом их текущего приоритета, оптимизировать внутренний материальный поток и вовремя показать возникающие проблемы, связанные с этим процессом. Значительное отклонение в обработке конкретного задания на одном из участков может повлиять на вычисляемое значение его приоритета.

Как известно, в производствах мелкосерийного и особенно единичного типов схема внутрицеховых материальных потоков имеет гораздо более сложную структуру, нежели ее упрощенное изображение, приведенное на рисунке 2. Известно, что разные детали, входящие в один и тот же заказ, могут одновременно обрабатываться на различных производственных участках. Тем не менее, рассматривая внутрицеховой маршрут только одной детали или сборочной единицы (ДСЕ) можно считать эту схему справедливой: все ДСЕ переходят из одного участка на другой по мере их обработки в соответствии с их технологическим процессом; см. рисунок 3. Например, для конкретной детали это может быть последовательность технологических операций: «фрезерование» -> «расточка» -> «шлифовка» и т.д..

Очередь производственных заданий, передаваемых от участка 2 к участку 3 (рисунок 2), ограничена (лимитирована), но при этом сами задания могут меняться местами в этой очереди, т.е. изменять последовательность своего поступления в зависимости от их текущего (вычисляемого) приоритета. Фактически это означает, исполнитель сам не может выбрать с какого задания начинать работу, но в случае изменения приоритета заданий ему, возможно, предстоит, недоделав текущее задание (превратив его в текущий НЗП), переключиться на выполнение наиболее приоритетного. Конечно, в такой ситуации при значительном числе заданий и большом числе станков на производственном участке необходимо использовать MES, т.е. проводить локальную оптимизацию материальных потоков, проходящих через участок (оптимизировать исполнение заданий, уже находящихся в обработке). В результате для оборудования каждого участка, не являющегося единственной точкой планирования, составляется локальное оперативное производственное расписание, которое подвергается коррекции каждый раз, как только изменяется приоритет исполняемых заданий. Для решения внутренних оптимизационных задач используются свои критерии, именуемые «Критерии загрузки оборудования». Задания, ожидающие обработки между участками, не связанными «Супермаркетом», упорядочиваются по «Правилам выбора из очереди» (рисунок 4), которые, в свою очередь, могут тоже изменяться в течение времени.

Процедура «вытягивания» осуществляется за счет того, что каждый последующий участок может начинать выполнять только те задания, которые имеют максимально возможный приоритет, что выражается в первоочередном заполнении на уровне «Супермаркета» не всех доступных ячеек, а лишь тех, что соответствуют приоритетным заданиям. Последующий участок 2, хотя и является единственной точкой планирования, определяющей работу всех остальных производственных звеньев, сам вынужден выполнять только эти наиболее приоритетные задания. Численные значения приоритетов заданий получаются за счет вычислений на каждым из участков значений общего для всех критерия. Вид этого критерия задается основным планирующим звеном (участком 2), а его значения каждый производственный участок самостоятельно вычисляет для своих заданий, либо вставших в очередь на обработку, либо находящихся в заполненных ячейках «Супермаркета» на предыдущей стадии [2].

Ниже мы рассмотрим реализацию Метода вычисляемых приоритетов на конкретном примере. В качестве MES используем российскую исполнительную производственную систему «ФОБОС».

Сначала составим пооперационное производственное расписание, используя исходные начальные условия планирования заказов и доступные в системе оптимизационные критерии. 14 критериев оптимизации, сгруппированные как «Приоритеты партий запуска», «Критерии загрузки оборудования» и «Правила выбора из очереди», позволяют диспетчеру за счет выбора их комбинаций составить 100 различных вариантов производственных расписаний [5] (рисунок 5).

Полученное производственное расписание, охватывающее все участки, анализируется системой. В частности, определяется характер использования технологического оборудования на каждом из участков. Для определения базового участка, который в Методе вычисляемых приоритетов будет являться в принятой нотации «единственной точкой планирования», следует предварительно вычислить на них среднюю загрузку оборудования на заданном горизонте планирования, см. рисунок 6.

Ограничимся рассмотрением трех производственных участков:

1.02 Расточные станки — Участок 2,
1.03 Фрезерное оборудование — Участок 3,
1.04 Шлифовальное оборудование — Участок 4.

Участок, с максимальным средним коэффициентом загрузки технологического оборудования назначается базовым, т.е. тем участком, производственное расписание которого диктует характер и последовательность выполнения работ на других участках цеха. В нашем примере это Участок 2 (Расточные станки) загруженный в среднем на 99,72%.

Чтобы разобраться в Методе вычисляемых приоритетов рассмотрим три заказа, технологические операции которых на диаграмме Гантта визуализируются голубым, зеленым и фиолетовым цветами соответственно.

Разная насыщенность цветовой окраски линий гантта фиксированного цвета говорит о том, что это технологические операции над разными ДСЕ, входящими в одно и то же изделие (заказ).

Из скриншота, приведенного на рисунке 7, хорошо видно, что в один и тот же момент времени, технологические операции, связанные с ДСЕ первого заказа, обрабатываются сразу на нескольких участках.

На скриншотах рисунков 8 и 9 показано распределение технологических операций на оборудовании производственных участков для второго и третьего заказов соответственно.

Напомним, что в производствах мелкосерийного и единичного типов производственный заказ считается выполненным (изделие или комплект ДСЕ изготовленным) только тогда, когда каждая деталь или сборочная единица, в него входящая, полностью обработана. Приведенный на рисунках 7,8,9 вид внутрицеховых материальных потоков говорит о том, что своевременное исполнение любого из трех рассматриваемых заказов может, вообще говоря, задержать каждый из производственных участков, возникни там какие-нибудь непредвиденные проблемы.

Как мы уже отмечали выше, производственное расписание наиболее загруженного Участка 2 («единственной точки планирования») является определяющим для назначения приоритетов всем деталям, входящим в любой заказ. Это означает, что любые отклонения в производственном расписании именно этого участка, — если они значительны, — вызывают коррекцию общего оперативного плана работы цеха. При этом перерасcчитываются приоритеты всех обрабатываемых деталей и сборочных единиц, что приводит к изменениям характера материальных потоков на диаграмме Гантта. В частности, для рассматриваемого примера к изменению расписаний работ Участков 3 и 4.

Теперь рассмотрим ситуацию, связанную с прохождением деталей различных заказов через один участок (см. рисунок 4). В результате расчета детального производственного расписания MES-система для каждого рабочего места формирует сменно-суточные задания. Так, для станка с инвентарным номером 055, расположенного на Участке 4, этот документ имеет вид (рисунок 10):

Для примера рассмотрим два заказа: с номерами 100.046 (Ш4-0008 Штамп для пробивки) и 10032 (701-019 Штамп последовательный). Расчетные сроки обработки деталей этих заказов приведены на рисунках 11 и 12. Сосредоточим наше внимание на одном из участков, например, на участке 4 (Шлифовальное оборудование), средний коэффициент загрузки оборудования на котором равен 30,11%.

MES позволяет также рассчитать сроки обработки деталей рассматриваемых комплектов. Этот документ, в котором указывается, как выполняются технологические операции для деталей каждого заказа, т.е. фактически указывает скорость их прохождения через различные производственные участки. Как видно из рисунка 10 для изготовления деталей заказа № 100.046 необходимо выполнить 12 шлифовальных операций, которые более чем на 50% уже завершены на Участке 4. При этом время пролеживания деталей в очереди на обработку составляет 6.58 часов, и в течение 4,67 часа станки Участка 4 простаивают в ожидании начала обработки деталей этого заказа.

Заказ № 10032 содержит в составе своих технологических операций 10 шлифовальных, — операций, завершенных на Участке 4 на 19.77% (рисунок 12). В течение 21.92 часа оборудование этого участка простаивает в ожидании начала обработки деталей этого заказа.

Как видно из рисунков 11 и 12 для каждого из двух рассматриваемых заказов на Участке 4 (шлифовальном) имеются резервы для его более быстрого продвижения за счет уменьшения непроизводительных потерей рабочего времени. Т.е. варьируя значениями приоритетов ДСЕ для каждого из заказов, можно либо ускорить (пропустить раньше других), либо придержать тот или иной заказ. Но значение этих приоритетов нельзя, вообще говоря, разумно определить в рамках только одного участка, если не видеть всю картину в целом.

Ясно, что на Участок 4 могут одновременно поступать задания не только с наиболее загруженного Участка 2 (расточные станки), но и с других производственных участков, в частности, с Участка 3 (Фрезерное оборудование), — все зависит от техпроцесса обработки ДСЕ. Поэтому схема назначения приоритетов для заданий, вставших в очередь на Участок 4 (рисунок 3), требует уточнения, причем в рассмотренном примере фактическое расположение этих заданий в очереди на взаимозаменяемые шлифовальные станки приведено на рисунке 13.

Правила выбора из очереди в логистической схеме Вычисляемых приоритетов назначаются на основании значений приоритетов исполняемых заданий, а также с учетом фактической скорости их исполнения на конкретном производственном участке [1],[2].

Чтобы вычислить значение приоритета конкретного задания, выполняемого или ожидающего своей обработки на конкретном участке, проводится предварительное группирование заданий (деталей, входящих в определенный заказ) по ряду признаков:

1. Номер сборочного чертежа изделия (заказа);
2. Обозначение детали по чертежу;
3. Номер заказа;
4. Трудоемкость обработки детали на оборудовании участка;
5. Длительность прохождения деталей данного заказа через станочную систему участка (разница между временем начала обработки первой детали и окончанием обработки последней детали данного заказа).
6. Суммарная трудоемкость операций, выполняемых над деталями, входящими в данный заказ.
7. Время переналадки оборудования;
8. Признак обеспеченности обрабатываемых деталей технологической оснасткой.
9. Процент готовности детали (число завершенных технологических операций);
10. Число деталей из данного заказа, которые уже прошли обработку на данном участке;
11. Общее число деталей, входящих в заказ.

Ориентируясь по приведенным признакам и вычисляя ряд специфических показателей, таких как «напряженность задания» (отношение показателя 6 к показателю 5), сравнивая значения 7 и 4, анализируя соотношения показателей 9, 10 и 11, MES-система производит расчет текущего приоритета для всех деталей, оказавшихся в одной группе. Значения этих показателей являются основой для назначения цветов панелей (соответствующих технологическим операциям, выполняемым на участках) в диаграмме Ишикавы, — в диаграмме, визуализирующей в MES-системе «ФОБОС» состояние исполняемых заказов [7]; фрагменты этой диаграммы представлены на рисунках 11 и 12. Заметим, что детали из одного заказа, но находящиеся на разных участках (с разной степенью загруженности технологического оборудования), могут иметь, вообще говоря, и различные значения вычисляемого приоритета. Это означает, что в логистической схеме Метода вычисляемых приоритетов скорость прохождения одного и того же заказа на различных участках может различаться.

Диспетчер участка может, учитывая текущее состояние производства, самостоятельно изменять приоритеты отдельных технологических операций и, используя MES-систему корректировать внутреннее производственное расписание [5],[6]. Пример диалога по изменению текущего приоритета операции для Участка 3 (фрезерное оборудование) приведен на рисунке 14.

Последующая коррекция общего производственного расписания перераспределяет работы на этом участке, причем не изменяя последовательности выполнения заданий базового Участка 2. Таким образом, «единственная точка планирования» — Участок 2 — продолжает определять расписание работ всех других производственных участков, т.е. в рассмотренном нами на примере в явном виде реализуется «вытягивающая» логистическая схема: Метод вычисляемых приоритетов.

Логистическая схема Метода вычисляемых приоритетов применяется в основном в многономенклатурных производствах мелкосерийного и единичного типов. Представляя собой «вытягивающую систему» планирования и используя локальные MES для обеспечения высокой скорости прохождения заказов через отдельные производственные участки, эта логистическая схема использует децентрализованные вычислительные ресурсы для поддержания эффективности процессов в условиях изменяющихся приоритетов исполняемых заданий.

Отличительной особенностью этого метода является то, что MES система позволяет в пределах производственного участка составлять детальные расписания выполняемых работ. Несмотря на определенную сложность в реализации, метод вычисляемых приоритетов обладает значительными преимуществами:

• текущие отклонения, возникающие в ходе производства, компенсируются средствами локальных MES на основании изменяющихся приоритетов выполняемых заданий, что значительно повышает пропускную способность всей системы в целом [6],[7].

• не требуется фиксировать (локализовать) положение РОП и лимитировать НЗП;

• Имеется возможность оперативно контролировать серьезные сбои (например, поломка оборудования) на каждом участке и пересчитывать оптимальную последовательность обработки деталей, входящих в различные заказы.

• наличие на отдельных участках локальных производственных расписаний позволяет проводить оперативный функционально-стоимостной анализ производства [8].

В заключении заметим, что «вытягивающие» логистические системы обладают общими для них характерными признаками [1], это:

1. Сохранение во всей системе в целом ограниченного объема устойчивых запасов (оборотных заделов) с регулированием их объема на каждом этапе производства независимо от действующих факторов.

2. План обработки заказов, составленный для одного участка (единственной точки планирования), определяет (автоматически «вытягивает») планы работ других производственных подразделений предприятия.

3. Продвижение заказов (производственных заданий) происходит как от последующего в технологической цепочке участка к предыдущему на израсходованные в процессе производства материальные ресурсы («Супермаркет»), так и от предыдущего участка к последующему по правилам FIFO или по вычисляемым приоритетам.

Литература

1. Фролов Е.Б. Производственная логистика или что такое «Вытягивающее планирование». // Логистика и управление цепями поставок, №1 (36), 2010, с. 69-85.
2. Фролов Е.Б. Школа CIO: MES и производственная логистика.
3. Элияху Голдратт, Джефф Кокс Цель. Цель-2. — Companion Group, 2008.
4. Фролов Е.Б., Загидуллин Р.Р. MES-системы как они есть или Эволюция систем планирования производства.
5. Фролов Е.Б., Загидуллин Р.Р. MES-системы: вид сверху, взгляд изнутри. Критерии, которые мы выбираем.
6. Российские MES-системы.
7. Мазурин А. ФОБОС: Эффективное управление производством на уровне цеха. // САПР и графика, № 3, март 2001, с. 73-78. — Компьютер Пресс.
8. Фролов Е.Б. MES-системы: оперативный функционально-стоимостной анализ производства.

Об авторе:

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