Если у вас проблемы с планированием, значит, вы планируете себе проблемы…

Сегодня вряд ли найдется такой IT-ишник, которому при слове «планирование» не приходит на ум аббревиатура ERP, APS, MES. Хотя эти системы обладают разными функциональными возможностями и предназначены для решения задач планирования различного уровня, они могут не только прекрасно уживаться, но и дополнять друг друга. Иногда слышатся со стороны максималистов призывы повысить функциональность APS или MES до уровня ERP. Можно ли это сделать? В принципе, можно. Как можно раскормить кота до размеров кавказской сторожевой. Но кто тогда будет ловить мышей и охранять дом? …

В настоящее время, взамен устаревшим стандартам систем планирования классов MRP (Material Requirements Planning) и MRP-II (Manufacturing Resource Planning), пришли системы нового поколения – ERP (Enterprise resource planning), APS (Advanced Planning & Scheduling Systems) и MES (Manufacturing Execution Systems). Эти системные решения, апробированные за последние 15-20 лет на различных предприятиях машиностроительного комплекса, имеют различное назначение, функциональность и могут быть использованы как в отдельности, так и вместе.

Несмотря на имеющуюся полемику приверженцев различных платформ, указанных выше, надо отметить, что все они, несмотря на то, что имеют в своем составе функцию планирования на том или ином уровне детализации, могут являться отдельными частями общей системы – АСУП.

Вспомним, с чего же все началось…

История систем планирования

Древняя история

Идея планирования работ на предприятии, будь оно фабрикой, заводом или процессом возведения пирамиды, стара, как мир. Как только люди научились более-менее сносно обращаться с числами, сразу возникло желание подчинить себе с помощью этих чисел производственные процессы. Также давно люди поняли, что экстремальное значение – не всегда самое лучшее, поскольку ему в нашем мире всегда противостоят всевозможные ограничения. Комбинаторика в природе вещей, событий, была всегда. И всегда было желание убрать хаос, упорядочить работы во времени и этот порядок, пусть даже найденный эмпирическим путем, зафиксировать.

Еще в начале 20-го века известный специалист по организации производства Генри Лоуренс Гантт впервые сформулировал, применительно к компании «Банкрофт», производящей хлопчатобумажные ткани, следующие три простых правила организации работы:

Порядок, в котором должна выполняться работа, теперь определяется в офисе «белым воротничком», а не красильщиком.
Точная запись лучшего метода крашения в любой оттенок хранится в офисе, соблюдается мастером и более не зависит от записной книжки красильщика или его памяти.
Все красильщики и машинисты поощряются материально, когда следуют инструкциям или, наоборот, наказываются, когда они не делают этого.

Генри Л.Гантт (1861-1924)

И закрепил Г. Гантт этот порядок работ графически в известной диаграмме, которую теперь мы называем его именем. Начало было положено. Осталось только найти способ, как рассчитать ту оптимальную последовательность работ, которую нельзя нарушать. После внедрения указанных принципов организации производства на текстильной фабрике при значительном сокращении рабочего дня на 25-30% увеличился выход продукции, а заработная плата выросла на 20-60%. [1].

Новая история

«Новую» историю решения задач по оптимальному планированию в производстве принято исчислять от 1939 г. Именно тогда в издательстве Ленинградского университета вышла небольшая по объему книжка молодого профессора Л.В. Канторовича «Математические методы организации и планирования производства». Эта монография положила начало научным методам в планировании и организации производства на основе зарождающегося тогда направления экономической математики впоследствии оформившейся в математическое программирование.

Л.В.Канторович (1912-1986)

Не только «железный занавес» в какой-то мере помешал ознакомиться с этой работой зарубежным ученым, в частности, Дж. Б. Данцигу, который в 1947 г. пришел к аналогичным результатам идеи численного решения задач оптимизации, позже названного симплекс-методом.

Дж.Б.Данциг (1914-2005)

Причиной «невостребованности» служило отсутствие возможности реализации предложенных моделей и алгоритмов, т.к. ЭВМ еще не было и до появления первого прообраза языка программирования было еще долгих десять лет.

Появление первых вычислительных машин значительно стимулировало развитие работ в области математической экономики, организации и планирования производства. Были разработаны эффективный метод решения целочисленных задач (Р. Гомори), метод ветвей и границ (А. Лэнд, В. Дойг и Дж. Литтл), метод динамического программирования (Р. Беллман) и др. Все эти методы отыскания оптимума в окружающем нас комбинаторном мире находили применение в различных областях экономики и производства. Одна из таких прикладных областей математики под названием Теория расписаний как раз и «взялась» за решение многочисленного класса задач планирования работ на производстве.

Задача планирования технологических операций на станках, опубликованная С.М. Джонсоном в 1954 г., которая показала, что составление расписания уже для трех станков относится к классу задач, трудноразрешимых за приемлемое время (так называемый, класс NP-сложных задач) ничуть не обескуражила заводских специалистов первых отделов АСУ. Если первыми благами компьютеризации могли пользоваться только государственные структуры, перемалывая многомерные балансовые модели Леонтьева или составляя пятилетние планы, то с удешевлением вычислительной техники и появлением первых серийных ЭВМ появилась возможность решать задачи планирования на уровне предприятий и даже для цехов и отдельных участков. Предприятие считалось передовым, если оно разрабатывало собственную АСУП, если пыталось построить расписания работ для своего станочного парка с помощью систем оперативно-календарного планирования собственного же изготовления.

Развитие новых прикладных разделов математики и доступная вычислительная техника класса IBM 360/370, ЕС ЭВМ 1020 – 1060 сделали свое дело в 70-80-х годах – они явились катализатором появления первых АСУП и позволили хотя бы в каком-то приближении решать задачи избавления от хаоса комбинаторики «в мире станков и деталей» [2].

Новейшая история

Какие бы новые сюжеты обращения со временем не придумывали писатели-фантасты, оно, это время, бежит почти по экспоненциальной зависимости. За какие-то двадцать лет человечество «обогнало» закон Мура и взамен мэйнфреймам и доморощенным АСУП, на рынке IT теперь бродят новые «звери» зоопарка, который все также называется системы управления предприятиями и процессами. Основные разновидности этих систем, которые в настоящее время отвечают за составление планов работ на производстве – это системы классов ERP, MRPII, APS и MES. Если их предки – системы АСУП довольствовались возможностью составления объемно-календарных планов (реже – план-графиков работы оборудования), обсчетом финансовых перспектив на ближайшую пятилетку при стабильном спросе и расчетом заработной платы, то новые системы включают в себя все новые и новые функции автоматизации деятельности предприятий в условиях динамично развивающегося рынка товаров новейшего общества потребления. Но основной функцией, как и прежде, считается возможность составления плана работ. Именно эта функция, в конечном итоге, позволяет понять – кто, когда и что должен делать. Как же происходит планирование в этих системах и какая из них для каких случаев предназначена?

Планирование в ERP

Мы не будем подробно останавливаться на описании функциональных возможностей ERP-систем не только по причине того, что об этом написано достаточно много, сколько по причине того, что ERP-системы, по сути, не являются прямым инструментом планирования работ на предприятии. По прошествии десяти лет консультанты и пользователи наконец-то поверили в то, что ERP – это, прежде всего, корпоративная информационная система, система управления предприятием, своего рода кровеносная и нервная система промышленного организма, соединяющая островки логистики многочисленных органов, выполняющих определенные функции (документооборот, управление закупками, поставками, складскими запасами и пр.). О характере планирования работ, технологических операций на станки и другие единицы технологического оборудования в ERP-системах можно сказать одной фразой – планирование в большинстве систем ведется на основе старого стандарта MRPII [3] без учета текущей загрузки данного оборудования и состояния обработки изделий. Т.е. по сути, любой детальный ERP-план будет практически невыполнимым.

Рис.1. ERP: Формирование плана выпуска продукции (производственной программы)

Любое планирование на уровне ERP ограничивается лишь формированием объемного месячного (декадного) плана. Корректировать такие планы оперативно не удается, вот почему их реализация предполагает строгую исполнительскую дисциплину во всех вовлеченных в производственную цепочку подразделениях предприятия. Т.е. можно говорить об организации производства, контролируемого ERP, как производства с определенным запасом «устойчивости» по отношению к возникающим отклонениям от составленного объемного плана. Вся тяжесть при этом ложится на исполнителей: «как хочешь, но плановое задание к рассчитанному сроку выполни!» И, что особенно важно, ERP, выдав задание всем подразделениям, при возникновении потребности в корректировке планов, не в состоянии с этим справиться, т.к. любой пересчет даст ту же картину общего задания – задания в объемах, но не в детальных сроках по изделиям и операциям, что требуется для управления на уровне цехов.

Планирование в APS

С точки зрения точного планирования работ на предприятиях интерес представляют системы классов APS (Advanced Planning & Scheduling Systems) и MES (Manufacturing Execution Systems).

APS-системы, появившиеся на рынке в середине 90-х годов, являются уже непосредственным инструментом планирования работ на предприятии. Несмотря на однозначное обозначение, многие авторы и даже разработчики трактуют это название по-разному: «оптимизированное производственное планирование», «усовершенствованное планирование», «улучшенное планирование», «расширенное планирование», «оптимизированное и синхронное планирование», «точное планирование», «оперативное планирование» и даже «аккуратное планирование»!

Согласитесь, толкований столь много, что возникает вопрос – в чем, собственно, дело? По сравнению с чем расширенное, усовершенствованное, насколько точное, с чем синхронное, что оптимизируется и насколько оперативное?

Расширенное и усовершенствованное.

В начале 90-х годов после первых опытов внедрения ERP, осмысления преимуществ и недостатков планирования по стандарту MRPII предприятия столкнулись с основной проблемой – достоверность планирования. Достоверность и точность во времени. Динамика рынка, веяния концепции JIT потребовали от предприятий более точных сроков поставок, полноценного участия в управлении цепочкой поставок. Несовершенство методов планирования с помощью MRPII потребовали пересмотра «ценностей» – что важно при планировании? Скорость, противоречащая ей точность, и для чего нужны эти показатели? Выяснилось, что без решения задачи управления поставками, без возможности прогнозирования точных дат выпуска продукции предприятие представляет собой вещь в себе. Поэтому основной целью для систем планирования нового поколения – APS являлось решение задач автоматизации управления цепочками поставок (SCM – Supply Chain Management), причем этот функционал APS, реализуемый за счет возможности планирования всех работ во времени с учетом загрузки мощностей, имеет двойное назначение – он реализуется как для предприятия, выступающего объектом всей цепочки на динамичном рынке товаров, так и для объектов самого предприятия – цехов, участков и подразделений. Таким образом, возможности планирования в APS расширены и усовершенствованы относительно стандарта MRPII.

Синхронность.

Понятие синхронности нужно понимать в APS, с одной стороны, как возможность планирования материалов, ресурсов и одновременно построение расписания с учетом реальной загрузки оборудования во времени. С другой стороны, синхронность выражается еще и в том, что расписания строятся для всех подразделений предприятия, с учетом сроков поставок партнеров и расписания для всех этих производственных структур являются всегда взаимоувязанными во времени, поскольку они получаются из общего расписания работы всего предприятия.

Оперативность.

Оперативность для APS – это возможность за кратчайшее время определить по тому или иному заказу срок его изготовления. Оперативность в плане диспетчерского контроля и оперативного пересчета расписаний к APS, как правило, никакого отношения не имеет, поскольку, если не меняются внешние ограничения (нарушение сроков поставок со стороны партнеров, другие непредвиденные задержки) и в портфель заказов каждые пять минут не вносится новое изделие, то пересчет расписаний ничего не даст. Учет же внутренних возмущений со стороны многочисленных подразделений (поломки оборудования, брак на операциях и т.п.) может привести у существенному утяжелению контура диспетчирования при существующей размерности задачи.

Точность и оптимизация.

Точность и оптимальность формируемых расписаний – прерогатива алгоритмов любой системы планирования.

По сравнению с алгоритмами MRPII, алгоритмы APS при составлении расписаний одновременно учитывают как потребности материалов, так и мощности предприятия с учетом их текущей и спланированной загрузки. В алгоритмах APS учитываются переналадки и некоторые другие параметры технологической среды, которые пессимисты почему-то называют «ограничениями».

В адрес алгоритмов APS встречается немало заслуженных эпитетов, но в ряде случаев в порыве восторга этим системам приписываются особенности, которые ставят в тупик даже специалистов. В частности, говорится, что в основе алгоритмов APS-систем лежат имитационные модели, нейросетевые модели, планирование на основе базы знаний, модные ныне эвристические методы типа генетических алгоритмов, моделирования отжига и даже линейное программирование (!).

Рис.2. APS: Расчет укрупненного расписания работ для производственных подразделений.

На самом деле алгоритм построения расписаний в APS достаточно прост [4]. Есть множество операций для всего множества выпускаемых изделий, множество станков и на каждые изделия есть ограничения – по срокам выпуска, по наличию материала и т.п. Ограничения разделяются на важные и не очень. Вначале, на первом проходе алгоритма составляется расписание с учетом выполнимости важных ограничений, например, отсутствие нарушение сроков поставок. Если расписание получено, то оно считается допустимым и принимается в качестве базового для дальнейшей «оптимизации» – на последующих проходах алгоритма проводится попытка учесть оставшиеся менее важные ограничения.

На самом деле это не оптимизация.

Это не что иное, как итерационный процесс получения допустимого расписания с учетом новых ограничений, вносимых на новой итерации, т.е. весьма несложная эвристика. В ряде случаев процесс планирования упрощают еще сильнее – сначала планируют одну деталь, потом другую, до тех пор, пока все множество деталей не будет спланировано. Оценка полученных расписаний относительно действительного оптимума при этом может быть достаточно низкой, но надо отметить, что если мы составляем расписание для нескольких тысяч единиц оборудования из сотен тысяч операций на месяц или полгода, то с этим фактом можно смириться. Особенно если учесть, что на последующем этапе за фактическую реализацию производственного расписания будут отвечать MES-системы.

Таким образом, упростив алгоритм построения расписания, разработчики APS дали возможность в пределах существующих вычислительных мощностей получать допустимые расписания и более-менее точно прогнозировать сроки поставок. При этом APS-системы не ставят себе более сложных задач вроде минимизации в построенных расписаниях времен переналадок, транспортных операций, уменьшения количества задействованного оборудования и т.п., поскольку учет этих требований неминуемо приведет к утяжелению алгоритмов и невозможности за кратчайшее время получать расписания для больших размерностей. В связи с этим APS-системы имеют на своем вооружении крайне ограниченный состав критериев планирования. Надо отметить, что и эта существующая возможность получения хотя бы допустимых расписаний (в пределах получаса) не зря появилась в середине 90-х годов. Увеличение производительности вычислительных машин с одновременным снижением их стоимости, в очередной раз, явилось катализатором прогресса в области управления производством.

Другие особенности.

Хотя и говорится, что APS может перепланировать, но во-первых контур диспетчирования есть не у всех APS-систем, во-вторых, частота перепланирования в APS обусловлена частотой появления новых заказов (обратная связь в режиме реального времени для APS считается избыточной), в отличии от MES, которые делают эту операцию гораздо чаще (для задачи значительно меньшей размерности, корректируя планы лишь отдельных цехов), поскольку реагируют на любое изменение хода технологического процесса. Постоянные коррекции планов производства – это типичное явлений для производств мелкосерийного и единичного типов; их часто именуют в литературе «позаказными». Заметим, что для создания более точного контура обратной связи с «позаказным» производством поставщики APS-систем в некоторых случаях используют интеграцию с MES-системами.

Горизонт планирования в APS редко указывают однозначным – смена, неделя, месяц, до полугода. Но как бы ни гадали относительно «средней величины» горизонта планирования, для APS-систем он определяется предельно просто, – исходя из основной задачи, функционала системы, которым является управление цепочками поставок. Длительность горизонта планирования в APS-системах – это всегда разница во времени между моментами выдачи наиболее дальних заказов из всего портфеля заказов предприятия и текущей датой, поскольку при появлении нового заказа и соответствующем пересчете всего расписания, надо определить не только сроки его изготовления, но и возможность ненарушения сроков выполнения уже запущенных заказов.

Итак, именно эти новые возможности, обусловленные необходимостью управления цепочками поставок, явились причиной того, что темпы роста APS-систем стали значительно опережать темпы роста решений в сегменте ERP. Наряду с зарубежными системами (Berclain, Chesapeake Decision Sciences, CSC, Fygir, i2 Technologies, Manugistics, Numetrix, Optimax, Ortems, Preactor, Pritsker, Paragon Management Systems, ProMIRA, Red Pepper Software, Thru-Put Technologies и др.) в последние годы стали появляться и отечественные продукты (infor:APS, Adexa eGPS и др.).

Опасения в том, что APS вырастут до новых ERP были, пожалуй, только у журналистов, поскольку изначально было ясно, что APS-системы не отвечают за финансы, закупки, документооборот и другие транзакционные функции ERP, но ведущие производители ERP-систем (People Soft, SAP, Oracle, SSA Global, JD Edwards, Marcam и др.) среагировали достаточно быстро и отметились в желании совместного использования своих решений с продуктами APS. Постепенно это сотрудничество переросло в естественную потребность интеграции на уровне ядра планирования ERP, которое может быть заменено APS-системой. В то же время APS может поставляться как отдельный продукт.

Укрупненная схема взаимодействия ERP и APS приведена на рис. 3.

Рис.3. Укрупненная схема взаимодействия ERP и APS.

Пример производственной программы с сроками запуска-выпуска изделий.

Организующим элементом на приведенной схеме является ERP-система, исполняющая роль как учетно-информационной системы, так и системы управления. В ее задачи входит формирование портфеля заказов из востребованной рынком продукции.

Необходимым этапом при формировании портфеля заказов является оценка возможности выполнения того или иного заказа, обладающего такими свойствами, как стоимость, сроки изготовления, объемы, параметры качества, соответствие требуемым техническим условиям и пр. Данная оценка проводится как с помощью несложных логистических инструментов, позволяющих определить возможность выполнения заказа с точки зрения существующего на предприятии уровня технологии (или – технологического уклада), возможности приобретения материалов и комплектующих, так и силами APS-систем, задача которых – определить возможность выполнения заказа во времени с учетом занятости производственных мощностей. При этом составляется расписание работ, необходимых для изготовления анализируемой продукции, для различных цехов предприятия.

Расписание для вновь поступающей в портфель заказов продукции составляется с учетом того, что для ранее запланированных к производству заказов не пересматриваются моменты запуска и выпуска, т.е. при планировании используются либо существующие резервы времени, либо планирование изготовления предполагается на момент освобождения требуемых ОЦ от ранее запущенных в производство заказов. Если полученные в результате планирования предполагаемые сроки изготовления устраивают заказчика, то данная продукция поступает в портфель заказов, а затем включается в производственную программу. В противном случае рассматриваемая продукция не может быть принята в состав портфеля заказов.

В итоге соответствующие производственные подразделения получают от APS-системы в качестве плана определенный объем продукции, которую надо изготовить в указанные сроки. APS-система составляет планы, как правило, в момент поступления нового заказа. План по выпуску принятого к производству изделия спускается в те цехи, в которых должны быть изготовлены те или иные детали и сборочные единицы (ДСЕ) данного изделия.

В результате тандем ERP+APS позволяет сформировать не только производственную программу (план выпуска продукции), но и построить укрупненное расписание работ для всего предприятия. За счет более точного пооперационного планирования, т.е. расчета производственного расписания, APS, опираясь на информацию о состоянии поставок, запасов и наличия производственных мощностей, уточняет плановые сроки запуска-выпуска изделий. Возникающие рассогласования этих сроков с требованиями текущей производственной программы приводит к необходимости коррекции плановых сроков на уровне ERP.

Планирование в MES

Говорят, что MES-системы появились более 30 лет назад. К сожалению, авторы статьи, общий стаж работы которых в области планирования и автоматизации производства составляет 45 лет, еще двадцать лет назад не встречали в литературе эту аббревиатуру. Как бы то ни было, с MES-системами все более-менее предельно ясно, кроме одного – их постоянно путают с APS-системами. Чтобы разобраться, что же такое на самом деле MES-системы, еще раз взглянем на регламентированный состав функций MES, число которых ровно одиннадцать (www.mesa.org, www.mesa.ru, www.mesforum.ru):

Контроль состояния и распределение ресурсов (RAS).
Оперативное/Детальное планирование (ODS).
Диспетчеризация производства (DPU).
Управление документами (DOC).
Сбор и хранение данных (DCA).
Управление персоналом (LM).
Управление качеством продукции (QM).
Управление производственными процессами (PM).
Управление техобслуживанием и ремонтом (MM).
Отслеживание истории продукта (PTG).
Анализ производительности (PA).

Как мы видим, в данном списке нет функции SCM, которая является главной в APS-системах. Несмотря на кажущееся, на первый взгляд, многообразие функций MES, надо понимать, что все эти функции 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 надо также понимать, что 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 диспетчеризация производственных процессов в цеху.

Именно эти две функции определяют MES-систему как систему оперативного характера, нацеленную на формирование расписаний работы оборудования и оперативное управление производственными процессами в цеху.

MES-система получает объем работ, который либо представлен ERP на этапе объемно-календарного планирования, либо выдается APS-системой в виде допустимого для предприятия план-графика работы цеха, и в дальнейшем сама не только строит более точные расписания для оборудования, но и в оперативном режиме отслеживает их выполнение. В этом смысле цель MES-системы – не только выполнить заданный объем с указанными сроками выполнения тех или иных заказов, но выполнить как можно лучше с точки зрения экономических показателей цеха. Мы уже говорили, что APS-системы формируют некие исходные расписания работы первой степени приближения еще до начала реализации производственных планов. При этом ввиду большой размерности задачи, не учитываются многие технологические и организационные факторы. MES‑система уже на этапе выполнения, получая такой предварительный план, оптимизирует его по ряду критериев. При этом после оптимизации и построения нового план-графика работы цеха, очень часто, за счет уплотнения работы оборудования, отыскиваются дополнительные резервы, появляется возможность в рамках планируемого периода выполнить дополнительные заказы. Тем самым достигается эффект увеличения пропускной способности производственных структур.

В отличие от APS-систем, MES-системы оперируют меньшими размерностями назначения – до 200 станков и 10000 операций на горизонте планирования, который обычно составляет не более трех-десяти смен. Уменьшение размерности связано с тем, что в MES учитывается гораздо большее количество ограничений технологического характера. Еще одним отличием является то, что MES-системы обычно оперируют не одним или двумя критериями построения расписания, а зачастую несколькими десятками, что дает возможность диспетчеру цеха строить расписание с учетом различных производственных ситуаций.

И только MES-системы оперируют так называемыми векторными, интегральными критериями построения расписаний, когда в один критерий собираются несколько частных критериев. При этом диспетчер, составляя расписание, может указать, что он хочет видеть в конкретном расписании – уменьшение календарной длительности выполнения всего задания, уменьшение длительности операций переналадок, высвобождение станков, имеющих небольшую загрузку и т.п. Оперативность составления и пересчета расписания является также прерогативой MES, поскольку пересчет может вестись с дискретой в одну минуту. Это не означает, конечно же, что каждую минуту рабочему будут выдаваться новые задания, но это означает, что все процессы в цеху контролируются в режиме real time и это позволяет заранее предвидеть все возможные нарушения расписаний и вовремя принимать соответствующие меры.

Рис.4. MES: Расчет детальных производственных расписаний на уровне цеха..

Алгоритмы MES-систем, хотя и базируются, в большинстве случаев, на эвристике, но, как правило, значительно сложнее и «умнее» алгоритмов APS. Вначале алгоритм MES находит допустимое решение с учетом всех ограничений и выбранного критерия (частного или интегрального). В дальнейшем, на этапе оптимизации, происходит поиск лучшего расписания. Конечно, полученное расписание также не является оптимальным в полном смысле слова, поскольку поиск оптимум в таких задачах всегда сопровождается со значительными временными затратами (MES-системы строят расписания за 0.1 – 5 минут на современной технике), но полученные при этом расписания, как правило, уже намного ближе к оптимуму, нежели расписания, построенные APS-системами.

В ряде случаев MES-системы могут составлять расписания не только для станков, но также для транспортных средств, бригад наладчиков и других обслуживающих устройств. Не по силу каким-либо другим системам такие особенности планирования, как формирование технологических сборов, планирование выпуска изделий с параллельным планированием изготовления требуемого комплекта оснастки (приспособлений, уникального инструмента).

Важным свойством MES-систем является выполнимость расписаний. Встроенные в планирующий контур ERP, APS-системы составляют производственные расписания только в случае внесения в портфель заказов новых изделий или работ, корректировать их в режиме реального времени крайне сложно, что приводит к серьезным проблемам использования APS-систем в мелкосерийном производстве. MES-системы в таких случаях работают более гибко и оперативно, пересчитывая и корректируя расписания при любых отклонениях производственных процессов, что повышает гибкость и динамичность производства. Если расписания APS-системы больше подходят для производств с крупносерийным характером выпуска продукции, где резких отклонений от производственной программы, как правило, не бывает (устойчивый характер производства), то MES-системы являются незаменимыми в мелкосерийном и позаказном производстве.

При этом, если для APS-систем цех с большим объемом технологической и оперативной информации является в какой-то мере «черным ящиком», то MES-системы при выполнении заданий опираются на принцип расчета и коррекции производственных расписаний по фактическому состоянию производства. Эти системы достаточно чутко реагируют на отклонения во времени выполнения технологических операций, на непредвиденный выход из строя оборудования, на появление брака в процессе обработки изделий и другие возмущения внутреннего характера.

В отличие от систем классов ERP и APS, MES-системы являются предметно ориентированными – для машиностроения, деревообработки, полиграфии и пр. Поэтому они максимально полно отражают особенности технологии конкретных производственных процессов и зачастую включают в себя развитые средства поддержки технологической подготовки того или иного типа производства. Очень часто MES-системы имеют средства интеграции с системами САПР ТП/АСТПП.

На рис.5 представлена схема процедуры планирования производственных процессов, включающая в себя кроме MES-системы, еще и системы уровня SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), или в традиционной аббревиатуре АСУТП – автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Как мы говорили выше, точность расписания напрямую зависит от длительности горизонта планирования и количества рабочих мест, на которых составляется это расписание. Если директивные расписания от APS-системы могут поступать раз в неделю (при поступлении нового заказа), то для цеха актуально расписание на текущую смену или сутки. Каждый такой оперативный интервал времени характеризуется своими особенностями, как уже говорилось выше – комплектация обслуживающего персонала, временные неполадки оборудования и пр., т.е. каждый цех на текущий момент времени характеризуется собственными производственным условиями, которые могут препятствовать строгому выполнению расписания, выданного APS-системой. Например, при временном дефиците наладчиков оборудования, расписание для того или иного цеха целесообразно построить по критерию минимума количества времени, затрачиваемого на переналадку. При дефиците транспортных средств, - по критерию минимума времени, затрачиваемого на транспортные операции.

Поэтому поступившие от APS-системы в тот или иной цех задания пересматриваются MES-системой. Задача MES-системы – коррекция нового план-графика работы оборудования в соответствии с частными условиями цеха. MES-система на оперативном интервале времени корректирует расписание работ, полученное от APS, с учетом того критерия, который является наиболее актуальным для данного цеха в текущий момент времени. При этом моменты выпуска вновь поступивших в обработку ДСЕ, определенные ранее APS-системой, для MES-системы являются директивными. Можно выпустить эти ДСЕ раньше, пересмотрев расписание цеха, но нельзя выпускать позже срока, рассчитанного APS-системой. Причина этого директивного начала со стороны APS кроется в том, что сроки сдачи, рассчитанные APS, согласованы с заказчиком и, в ряде случаев, присутствуют в договоре. Нарушение этих сроков выпуска может повлечь нарушение внешних, по отношению к предприятию, сроков поставок продукции со стороны заказчика, т.е. может нарушиться временная составляющая цепочки поставок. Для предприятия это может обернуться штрафными санкциями. Кроме ограничений временного характера APS-система может сформулировать (на основании построенного расписания) и ограничения стоимостного характера – могут присутствовать ограничения на общую стоимость выполнения расписания по изготовлению планируемых заказов.

В результате коррекции производственного расписания в MES формируются подробные сменно-суточные задания на рабочие места (ОЦ), а также составляются для всех ДСЕ оперативные маршрутные карты с указанием сроков начала и завершения каждой технологической операции с ее привязкой к конкретному инвентарному номеру станка.

Рис.5. MES: Схема процедуры планирования производственных процессов, включая SCADA.

Пример сменно-суточного задания на рабочее место.

Итак, MES-система в контуре планирования АСУП составляет расписание для цеха или производственного участка на оперативном горизонте планирования исходя из ограничений внешнего и внутреннего характера по критерию, который наиболее полно отражает особенности цеха в текущий момент времени. К задачам MES-систем можно отнести не только единовременное составление расписания работы оборудования в течение краткосрочного горизонта планирования, но также постоянную его коррекцию во времени. В случае выхода из строя какого-либо ОЦ или другого объекта, участвующего в ходе технологического процесса, MES-система оценивает, в зависимости от времени восстановления отказавшей единицы оборудования и директивных сроков сдачи ДСЕ, как возможность сдвига по времени выполнения зависимых ДСЕ (при наличии резервов времени), так и пересчета как всего расписания, так и его части. Таким образом, MES-система обеспечивает наличия контура автоматического регулирования функции производства с учетом динамически меняющихся частных производственных условий производственных подразделений.

Необходимости внеплановой остановки оборудования не всегда связана с сообщениями операторов или наладчиков, получающих визуальную информацию общего характера. В ряде случаев брак изготовления или состояние оборудования не диагностируемы визуально, поэтому с целью сбора, анализа информации о качестве технологических процессов в общем контуре планирования АСУП должны использоваться SCADA-системы. Задача этих аппаратно-программных комплексов – сбор и информации о ходе технологического процесса (ТП) в реальном режиме времени, аварийное оповещение в случае выхода параметров ТП за пределы допустимых значений и поломки оборудования, а также – формирование журнала событий и связь с MES-системой. Таким образом, через взаимодействие систем MES и SCADA обеспечивается контроль качества протекания ТП и в дальнейшем – своевременное принятие решение об остановке оборудования, пересчете расписания.

Строгая функциональность систем, «устойчивость» реализуемых производственных планов и расписаний

Могут ли MES полностью заменить APS?

Чтобы дать аргументированный ответ на данный вопрос заметим, что реализация синхронизированных детальных расписаний, составленных на уровне APS, сводится уже не просто к коррекции объемных ERP-планов, а к поддержанию их стабильного «устойчивого» исполнения: вся производственная система должна обладать запасом устойчивости по отношению к малым отклонениям, возникающим в отдельных цехах. Синхронизированные APS-расписания не должны корректироваться часто, особенно, если это не обусловлено внешними факторами (нарушением сроков поставок исходных материалов, появлением новых срочных заказов и т.п.). А чтобы каждое производственное подразделение предприятия могло бы самостоятельно "гасить" возникающие в нем отклонения, требуется уже применение MES [5].

В MES – наоборот, никакой априорной «устойчивости» составляемых производственных расписаний не предполагается, более того, их реализация носит заведомо «неустойчивый» характер (математики бы здесь сказали, что такое расписание является так называемым структурно неустойчивым объектом), ибо предполагает возможность оперативной коррекции в любой момент времени по требованию диспетчера. Приводя некую аналогию с средствами транспортировки сыпучих грузов, ERP+APS можно было бы сравнить с хорошим устойчивым грузовиком, а MES с командой велосипедистов, к багажнику которых прикрепили по мешку с перевозимым грузом.

Мы можем теперь перефразировать исходный вопрос о взаимозаменяемости MES и APS иначе: а как же, все-таки, лучше перевозить груз

- на 100 велосипедах (здесь надо крутить педали – ведь велосипед неустойчив)

или

- на одном устойчивом грузовике?

Не спешите, уважаемый читатель, с казалось бы, очевидным ответом,… вспомните, что устойчивые системы, вообще говоря, плохо управляемы. Надо всегда задавать себе вопрос: «А по какой дороге едем? А что будет, когда шоссе вдруг кончится и на пути движения встретится, к примеру, лесной массив?». Нетрудно предсказать, что в таком случае у велосипедистов существует хороший шанс довезти хотя бы часть груза до цели, … а вот с устойчивым грузовиком, увы.

Конечно, в реальности не все так трагично. Если планирование ведется для небольших предприятий, насчитывающих не более 200 станков, то, в принципе, MES и APS можно было бы считать условно взаимозаменяемыми. Особенно, если речь идет о «позаказных» производствах. Расписания и сроки поставок при этом будут гораздо точнее, но в MES отсутствуют некоторые функции APS, например, планирование потребностей в материалах, поскольку MES являются исполнительными системами и их задача в другом – выполнить план работ, как можно лучше. APS – это уровень детального планирования для всего предприятия, а MES – уровень цеха, участка, подразделения.

Можно ли говорить, что MES = APS или что одна системы просто является частью другой (такие мнения, увы, нередко высказываются в периодике)? Ответ однозначно отрицательный: конечно, НЕТ; - несмотря на внешнюю похожесть в своих функциональных возможностях, эти системы не совпадают по характеру реализации создаваемых ими производственных расписаний, как не совпадают по своей динамике системы устойчивые и неустойчивые. Те планировщики, что формируют жесткие директивные планы (ERP+APS) принято именовать Push Planning Systems – системы «выталкивающие план», а те, что оперативно корректируют планы в процессе их исполнения, называются Pull Planning Systems – системы «вытягивающие план». Задумаемся на минуту, может ли один человек сдвинуть с места груз, одновременно выталкивая и вытягивая его? Конечно, нет! Теперь становится ясно, почему справедливо утверждение: MES<>APS. Эти системы концептуально не совпадают и не являются частью друг друга, и осознавать это различие надо вполне отчетливо.

В последнее время, в погоне за маркетинговыми бонусами, многие разработчики, стали позиционировать свои продукты как APS или MES-решения. В ряде случаев это системы технологической подготовки производства, системы складской логистики и даже обычные базы данных. Думаем, что читатель, ознакомившись в данной статье с отличительными признаками APS и MES, без труда сможет разобраться, что за продукт ему предлагают, несмотря на маркетинговые ухищрения.

Итак, мы видим, что для предприятия, с точки зрения прогнозируемости и прозрачности плановых сроков выпуска продукции, оптимального производства, необходимы следующие механизмы планирования:

- планирование материалов и ресурсов согласно BOM (Bill of Material) по всей планируемой номенклатуре предприятия;

- управление цепочками поставок;

- детальное планирование и оперативный диспетчерский контроль выполнения расписаний работы оборудования;

Это возможно только в том случае, если мы используем все три системы – ERP, APS и MES вместе.

ERP, APS, MES – хотя и совершенно разные системы с разными функциональными возможностями, предназначенные для разных целей, но при этом они могут не только прекрасно уживаться, но и дополнять друг-друга в плане создания на предприятии мощной системы планирования, охватывающей все существующие задачи. В ряде случаев мы слышим со стороны максималистов призывы повысить функциональность APS или MES до уровня ERP. Можно ли это сделать? В принципе, можно. Собрать команду разработчиков и сказать им: «В наличии есть MES (или APS). Надо сделать из нее ERP!». Все это сделать можно. Как можно раскормить кота до размеров кавказской сторожевой. Но кто тогда будет ловить мышей и охранять дом? …

Схема взаимодействия ERP, APS, MES, SCADA в единой системе производственного планирования предприятия.

Существует два основных принципа управления (и планирования) большими системами [2] – централизованный и децентрализованный.

В случае централизованного планирования одна система, например, класса ERP, должна составлять расписания работы для всего парка оборудования предприятия как на среднесрочном горизонте планирования, так и на оперативном. Модули планирования современных ERP-систем часто включают в себя APS-системы, которые вполне могут справиться с построением расписания во втором случае, как наиболее тяжелом с вычислительной точки зрения. Но APS-системы обладают ограниченными возможностями при построении таких расписаний.

Во-первых, расписания строятся не только для конкретных единиц технологического оборудования – обрабатывающих центров (ОЦ), за эти расписания охватывают все цеховые службы, отвечающие за данный ОЦ. И если в том или ином цеху возникают проблемы, например, со своевременным обеспечением процессов переналадок оборудования или транспортными операциями (невыходы на работу персонала и другие причины), необходимостью более тщательного распределения работ между операторами различной квалификации, то такое количество частных производственных условий APS-система учесть не в состоянии. В большинстве случаев APS-системы для планирования используют весьма ограниченное количество критериев, чаще всего – критерий минимальной календарной длительности выполнения всего комплекса работ на горизонте планирования. Но для каждого цеха, каждого подразделения, в силу тех или иных сложившихся на конкретный момент обстоятельств, критерии планирования могут быть разными. В данном случае речь идет о построении расписаний для нескольких цехов, в ряде случаев связанных между собой общностью оборудования или технологическими маршрутами, с различными ограничениями и критериями.

В работе [6] рассмотрены подобные задачи, которые характеризуются сложными математическими моделями для автоматизированных производственных систем, но существующие на сегодняшний день APS-системы этих возможностей пока еще не поддерживают.

Во-вторых, любой план теряет точность прямо пропорционально величине горизонта планирования и количеству ОЦ, для которых ведется планирование. Это означает, что система централизованного планирования должна иметь возможность оперативного сбора информации и пересчета расписаний оперативного характера в режиме real-time для нескольких сотен, а иногда, и тысяч ОЦ. Это все равно, что генерал должен отдавать распоряжение и командовать непосредственно каждым солдатом своей армии в оперативном режиме. Как мы знаем, в теории управления большими системами такое положение вещей не всегда является осуществимым и в целях упрощения процесса управления и планирования используются принципы децентрализации.

На рис.6 представлена схема процедуры производственного планирования в системе управления децентрализованного типа, включающая ERP, APS, MES и SCADA.

Рис.6. Децентрализованная система производственного планирования.

Из приведенной схемы видно, что система планирования производственных процессов на предприятии может быть организована за счет системной организации трехконтурной распределенной архитектуры – ERPàAPS, APSàMES, MESàSCADA с обратной связью и соответствующих параметров рассогласования для каждого уровня – , и , на основании которых верхний уровень принимает решения о корректировке плановых директив для нижнего уровня. Так, например, рассогласования , поступающие со SCADA-систем, заставляют MES-систему в ряде случаев пересчитывать расписания. Рассогласования , поступающие с MES-систем, заставляют APS-системы либо уменьшить нагрузку на цеха (в случае невыполнения заказов в указанные сроки), либо пересчитать директивные сроки, рассогласования , поступающие с APS-системы, заставляют отказаться от тех или иных заказов либо пересмотреть сроки поставок со стороны заказчиков.

Заметим, что MES-система на предприятии может быть одна и при этом расписания будут строиться для каждого цеха независимо от других за исключением случаев, когда технологический маршрут ДСЕ проходит по нескольким цехам. В то же время допускается наличие на предприятии нескольких MES-систем от разных производителей. В большинстве случаев это обусловливается особенностями различных производственных подразделений (цехов и участков) и соответствующей специализацией самих MES-систем.

-----------------------------

В заключении хотелось бы еще раз напомнить читателям известную истину:

если у вас проблемы в планировании, значит, вы планируете себе проблемы!

Литература

Производственный менеджмент. Под ред. С. Д. Ильенковой.-М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. - 583с.
Тимковский В.Г. Дискретная математика в мире станков и деталей. – Наука, М.: 1002. – 144с.
Гаврилов Д.А. Управление производством на базе стандарта MRP II. – СПб.: Питер, – 2003. – 352с.
Бермудес Дж. Системы оптимизированного производственного планирования: новая причуда или прорыв в области управления производством и цепочками поставок? Производственный обзор. AMR Research.
Фролов Е.Б., Загидуллин Р.Р. MES-системы как они есть или Эволюция систем планирования производства. // Генеральный директор, № 4, 2008, с. 84-91.
Загидуллин, Р.Р. Оперативно-календарное планирование в гибких производственных системах /Под. ред. В.Ц. Зориктуева. – М.: Изд-во МАИ, 2004. – 208с.

Авторы:

Фролов Евгений Борисович © 2010
д.т.н., профессор, Московский государственный технологический университет "СТАНКИН", кафедра "Информационные технологии и вычислительные системы".

Загидуллин Равиль Рустэм-бекович © 2010
д.т.н., профессор, Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ), кафедра "Автоматизация технологических процессов".

https://www.lobanov-logist.ru/library/352/61980/

https://ekspertov.ru/

дата: 17.10.2015 00:20:31 просмотров: 4376

рейтинг:

(Голосов: 3, Рейтинг: 3.67)