吳瑩瑩，王 睿，費 衡

（1.安徽商貿(mào)職業(yè)技術學院信息與人工智能學院，蕪湖 241000；2.國營蕪湖機械廠，蕪湖 241000）

0 引言

伴隨著企業(yè)的業(yè)務拓展，企業(yè)加工業(yè)務逐步呈現(xiàn)“多品種、小批量、常插單”的特點。面對繁雜多變的加工訂單，企業(yè)需要借助先進的高級計劃排產(chǎn)系統(tǒng)來提升車間生產(chǎn)管理能力，保證產(chǎn)品的按時交付以及對緊急訂單的應變。

1 機械加工行業(yè)排產(chǎn)存在的挑戰(zhàn)

1.1 生產(chǎn)資源管理精細化

機械加工企業(yè)對各類生產(chǎn)資源的管理提出了精細化的需求，需要基于信息系統(tǒng)對它們的基本屬性信息進行維護與管理，并將其應用于需求訂單的計劃排產(chǎn)，在有限資源的條件下追求產(chǎn)能的最大化，促使生產(chǎn)任務管理更加精細化，帶來更高經(jīng)濟效益［1-2］。

1.2 生產(chǎn)計劃彈性大

當企業(yè)生產(chǎn)計劃遇到突發(fā)情況需要調(diào)整時，缺乏有效手段來評判情況變化對當前生產(chǎn)計劃的影響，以至于顧此失彼，導致生產(chǎn)過程頻繁調(diào)整，整個生產(chǎn)管理線呈現(xiàn)出“兩頭大、中間小”的不良狀態(tài)［3-4］。當企業(yè)面臨生產(chǎn)前端有大量的緊急計劃下達，后端則是大量高端數(shù)控加工設備、檢測設備交替配合使用的情況下，若車間管理依靠手工計劃調(diào)度，則很難符合“多品種、小批量、高質(zhì)量”的訂單要求［5］。當出現(xiàn)多個計劃需要使用共同的設備資源時，車間調(diào)度員只能通過對瓶頸資源的定性分析來溝通協(xié)調(diào)資源沖突并按優(yōu)先級組織生產(chǎn)，但無法判斷該瓶頸資源沖突對計劃的影響，無法給出明確的訂單交付期。

1.3 生產(chǎn)準備工作系統(tǒng)化、精細化

隨著加工工藝和工藝資源的逐漸結構化，生產(chǎn)準備工作愈加系統(tǒng)化、精細化。MES系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)生產(chǎn)準備過程中包括技術準備、物料準備、工時定額準備等環(huán)節(jié)的節(jié)點管控，還需要與企業(yè)ERP、CAPP、PDM、OA、輔助配套系統(tǒng)進行集成［6-7］，以便能夠通過MES系統(tǒng)直接進行準備過程進展、技術依據(jù)資料、工藝規(guī)程/工藝卡等信息查詢，并通過MES與ERP的集成，在物料準備環(huán)節(jié)全面掌握物料技術狀態(tài)信息和庫存狀態(tài)信息。

2 關鍵技術應用

2.1 面向多訂單的APS高級排產(chǎn)技術

APS（advanced planning and scheduling），即高級排產(chǎn)，是基于供應鏈管理的計劃排產(chǎn)方法。實際建模中，針對企業(yè)多品種、小批量等訂單特點，基于APS理論建立了面向多訂單生產(chǎn)線的APS模型，并且設計算法來求解模型［8］。此外，在實際實施過程中還需緊密貼合企業(yè)自身業(yè)務流程特點，掌握特定的瓶頸工序，再基于瓶頸資源約束進一步求解。

2.2 基于MES系統(tǒng)的集成開發(fā)技術

基于MES系統(tǒng)的集成開發(fā)技術以開放架構的MES系統(tǒng)作為樞紐，承接高級排產(chǎn)系統(tǒng)輸出的生產(chǎn)計劃，并組織相關生產(chǎn)單位和生產(chǎn)資源有序執(zhí)行［9］。同時，通過開發(fā)WebService接口，實現(xiàn)MES系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)集成，使企業(yè)生產(chǎn)計劃及時傳達至MES，針對MES主計劃的ERP材料庫存進行領料出庫；與CAPP系統(tǒng)集成，獲取CAPP的工藝文檔對象及工藝進程信息；與DNC/MDC系統(tǒng)集成，獲取聯(lián)網(wǎng)數(shù)控設備資源的狀態(tài)信息和故障信息；與EAM系統(tǒng)集成，獲取生產(chǎn)資源的基礎數(shù)據(jù)信息和設備臺賬信息。

3 高級計劃排產(chǎn)系統(tǒng)設計分析

3.1 系統(tǒng)架構

MES系統(tǒng)管理制造過程，主要是針對制造現(xiàn)場管理，銜接上層的計劃、設計管理系統(tǒng)和底層的工業(yè)控制系統(tǒng)?；贛ES系統(tǒng)實現(xiàn)高級排產(chǎn)，可充分利用相關系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持，如ERP的物料數(shù)據(jù)和生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)、CAPP的工藝數(shù)據(jù)、車間生產(chǎn)資源數(shù)據(jù)等。高級排產(chǎn)系統(tǒng)作為MES系統(tǒng)的核心模塊，快速、迭代地構建有限能力的作業(yè)計劃，并結合計劃員手工調(diào)整，輸出精確的作業(yè)計劃。其輸出的作業(yè)計劃，經(jīng)MES系統(tǒng)執(zhí)行管理，再將執(zhí)行結果以制品入庫的形式反饋給ERP系統(tǒng)，形成生產(chǎn)計劃的閉環(huán)，如圖1所示。

圖1 基于MES的高級排產(chǎn)系統(tǒng)架構

3.2 生產(chǎn)準備評估

生產(chǎn)加工的主計劃需經(jīng)過生產(chǎn)準備評估才能被執(zhí)行。主計劃到達MES系統(tǒng)后，先進行工藝資源數(shù)據(jù)檢查，對照主計劃檢查所需物料、加工設備、道具、人員資質(zhì)等工藝資源是否就緒，若檢查通過，則生產(chǎn)準備通過；若檢查未通過，則視工藝相關資源數(shù)據(jù)集成程度而定，實際已就緒但數(shù)據(jù)不能實時同步的，由管理人員在MES系統(tǒng)中手工補充數(shù)據(jù)，實際資源無法滿足的，則發(fā)送通知給相關技術人員，快速從工藝源頭控制數(shù)據(jù)。檢查通過的主計劃方可納入MES系統(tǒng)的車間計劃環(huán)節(jié)，從而進行后續(xù)生產(chǎn)計劃的安排與執(zhí)行。包含工裝需求的主計劃則另外先行派生出工裝設備生產(chǎn)計劃，待工裝生產(chǎn)計劃完成，主計劃所需工裝處于就緒狀態(tài)，則繼續(xù)進行相關生產(chǎn)準備評估。同時MES系統(tǒng)提供一個統(tǒng)計報表，統(tǒng)計主計劃的工裝準備情況，跟蹤主計劃的技術準備階段所觸發(fā)的工裝通知的處理結果，為車間計劃員及時了解各主計劃的工裝準備進度信息，如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)準備評估流程

3.3 計劃分解釋放

對于生產(chǎn)準備評估通過可開工的主計劃，由車間計劃人員在MES系統(tǒng)中將主計劃分解釋放為車間計劃，即將主生產(chǎn)計劃按產(chǎn)品序列和加工工序，分解為多個生產(chǎn)車間可并行加工的訂單，再由車間根據(jù)實際情況，對訂單進行分批。

3.4 計劃排產(chǎn)

對分解釋放到車間的具體計劃，計劃員在MES系統(tǒng)中對所有計劃可進行全局模擬排產(chǎn)，以評估是否能夠滿足計劃交付節(jié)點要求；評估過程中，根據(jù)車間實際加工能力，確定外協(xié)計劃以及加班安排等處理。評估通過后，系統(tǒng)將排產(chǎn)的結果反饋MES系統(tǒng)供生產(chǎn)調(diào)度人員使用，如圖3所示。

圖3 計劃排產(chǎn)流程

實現(xiàn)高級排產(chǎn)之前，某企業(yè)的車間產(chǎn)品工作卡是技術人員在技術資料準備階段就打印好的，工作卡在車間現(xiàn)場傳遞流轉，主要用于記錄工序執(zhí)行情況和關鍵環(huán)節(jié)信息，對生產(chǎn)的指導性較弱。實現(xiàn)高級排產(chǎn)后，由MES系統(tǒng)規(guī)劃出來的車間產(chǎn)品工作卡片，包含了具有實際節(jié)點信息的工序作業(yè)計劃。該工作卡片生成后打印現(xiàn)場使用，對現(xiàn)場生產(chǎn)具有一定的計劃指導性。

3.5 計劃外協(xié)

當車間產(chǎn)能不足時，對于車間計劃或是工序任務的執(zhí)行，MES系統(tǒng)可根據(jù)排產(chǎn)結果，將高級排產(chǎn)輸出的部分生產(chǎn)計劃或工序任務進行外協(xié)處理，具體由車間計劃員協(xié)調(diào)確定需要外協(xié)的車間計劃或工序任務，再與外協(xié)廠家開展任務對接，待外協(xié)生產(chǎn)完成后，首先進行加工匯報，再提交質(zhì)量檢驗。質(zhì)量檢驗合格后，對于零部件外協(xié)計劃需打印合格證并作入庫處理，然后再流轉至下道工序，如圖4所示。

4 高級計劃排產(chǎn)系統(tǒng)設計方案

對于以工序加工為主的生產(chǎn)車間，計劃排產(chǎn)主要是以設備作為主要資源約束，以有限產(chǎn)能的方式來安排設備上的生產(chǎn)任務；而對于以工序裝配為主的生產(chǎn)車間，計劃排產(chǎn)則以生產(chǎn)班組為基本單位資源，設置的約束條件將更加寬幅，排產(chǎn)的核心是基于制造工時給出相應的大致完工時間點，計劃員可在MES系統(tǒng)中對所有計劃進行無限產(chǎn)能方式下的全局模擬排產(chǎn)，并以甘特圖形式展示生產(chǎn)訂單的各個工序信息及時間節(jié)點，支持以手工拖拽方式鎖定對應的工序任務，以評估計劃交付節(jié)點是否滿足要求，評估過程中，根據(jù)車間實際生產(chǎn)能力，手工確定工作時間安排。

系統(tǒng)獲取生產(chǎn)訂單、物料、設備、人員、工時等排產(chǎn)資源信息，按設定的策略進行計劃排產(chǎn)及能力平衡，形成一個精確的相對優(yōu)化的詳細排產(chǎn)計劃。再對排產(chǎn)結果進行分析，通過計劃模擬功能發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題，提前采取措施加以避免，最終得到一個較優(yōu)的結果分派任務。系統(tǒng)將排產(chǎn)的結果提交MES平臺，由MES平臺將近日內(nèi)的生產(chǎn)訂單工作進行分派，進行管理。計劃排產(chǎn)流程如圖5所示。

圖5 計劃排產(chǎn)流程

4.1 計劃排產(chǎn)策略配置

根據(jù)某機械加工企業(yè)“多品種、小批量、常插單”的業(yè)務特點，計劃排產(chǎn)策略配置為基于設備、人員、物料等實時情況的有限能力排產(chǎn)，滿足優(yōu)先級（面向緊急插單）、交貨期限、最長工序、瓶頸資源等約束，能夠同時滿足正排和倒排的需要，并支持鎖定某個已排計劃、某道工序或某個時間周期的重新排產(chǎn)。

4.2 作業(yè)計劃滾動修改調(diào)整

排產(chǎn)作為生產(chǎn)管理中的復雜問題，不能完全依靠系統(tǒng)計算出百分之百合理的計劃，需根據(jù)實時情況對作業(yè)計劃滾動修改調(diào)整。由于MES系統(tǒng)與計劃排產(chǎn)系統(tǒng)同步實施，若某企業(yè)每個月計劃數(shù)量大、變更頻繁，初期生產(chǎn)產(chǎn)能未必能做到十分精確。因此，應該遵循表1中作業(yè)計劃滾動修改調(diào)整原則。

表1 作業(yè)計劃滾動修改調(diào)整原則

4.3 插單業(yè)務的排產(chǎn)處理

當客戶需求發(fā)生臨時改變，則可能需要在已有排程結果的計劃上新增生產(chǎn)任務。一旦企業(yè)接受了插單，就需要排產(chǎn)系統(tǒng)快速重新排產(chǎn)，并記錄下排產(chǎn)結果，如果重新排產(chǎn)結果會導致原需求訂單延時交付，則需要與客戶及時溝通解決。針對某企業(yè)在生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的插單情況，在MES系統(tǒng)中將利用優(yōu)先級來確定計劃的緊急程度，優(yōu)先級越高表示任務越緊急。

插單后重新進行排程，系統(tǒng)將自動生成追加急件的新計劃以及調(diào)整后的進展狀況。當設備被緊急計劃占用，原有已開始任務不會受到影響，但原有未開始的生產(chǎn)任務會自動后延（不包括鎖定資源），緊急插單的任務將優(yōu)先占用設備資源。在緊急插單處理時，可先手工鎖定某個計劃或某些工序，再進行重新排產(chǎn)，使插單不影響已鎖定的計劃或工序，整體更加優(yōu)化。如果因為緊急插單排產(chǎn)導致了超期工作，計劃人員可以綜合運用優(yōu)先級設置、計劃合并、工序合并等操作來形成對沖，確保排產(chǎn)結果符合生產(chǎn)管理預期。

4.4 計劃排產(chǎn)的手工調(diào)整

計劃排產(chǎn)系統(tǒng)需兼顧、利用計劃人員的排產(chǎn)經(jīng)驗和排產(chǎn)習慣，支持計劃人員手工調(diào)整。手工調(diào)整功能包括：更改加工設備在指定日期的可用時間；將指定的工序固定在指定的設備上；強制指定工序的開始時間。

5 結語

基于MES系統(tǒng)實現(xiàn)高級排產(chǎn)，有效應對了機械加工企業(yè)面臨的訂單數(shù)量大、種類多、插單多等一系列問題，使企業(yè)能夠快速應對市場和客戶需求的變化，同時也最大限度地減少了企業(yè)的資源閑置和浪費，切實對機械加工企業(yè)的生產(chǎn)管理起到了“賦能”作用?；贏PS理論的高級排產(chǎn)，其算法隨著適用場景的不斷豐富而不斷發(fā)展，對具體項目而言，能否切實解決問題、發(fā)揮作用的關鍵往往不在于算法是否盡善盡美，而更多在于實施者對算法的理解和對排產(chǎn)系統(tǒng)的應用，以及對業(yè)務流程的合理規(guī)劃，而MES系統(tǒng)在此發(fā)揮了不可或缺的作用，對于同類項目具有一定的借鑒價值。