1. Трудности выбора систем планирования

За последние два десятилетия оформился ряд общепризнанных системных решений в области систем управления и планирования производством – это системы классов ERP (Enterprise Resource Planning), APS (Advanced Planning & Scheduling Systems) и MES(Manufacturing Execution Systems). Кроме этого есть еще системы нижнего уровня управления – SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), которые отвечают за функции автоматизации управления и контроля выполнения технологических процессов. Очень часто предлагаются решения в плане построения автоматизированных систем управления предприятиями (АСУП) на базе систем классов PDM (Product Data Management) или PLM (Product Lifecyсle Management).

Существует еще  концепция CALS, которая изначально позиционировалась как задача компьютерной поддержки процесса поставок (Computer Aided Logistic Support) и трансформировавшая в настоящее время в более глобальную проблему непрерывного развития и поддержки жизненного цикла изделий (Continuous Acquisition and Life cycle Support).

В настоящее время в литературе можно найти очень много разных аббревиатур, за которыми также кроются различные системы или подсистемы, относящиеся к автоматизации производства. Но наиболее упоминаемыми, когда речь идет о системах управления и планирования производством, являются система классов ERP, APS и MES.

2. Порядок планирования работ на предприятии

При решении задач построения системы автоматизации производственных процессов на предприятии, прежде всего, самостоятельно должен быть проведен тщательный анализ, подобие аудиту, который бы выявил как основные проблемы, так и перечень задач, подлежащих автоматизации.

Очень часто при анализе автоматизируемых функций возникает проблема не только выбора системы планирования, но также проблема идентификации производственных задач. Большинство современных систем классов ERP, APS, MES предназначено для решения задач планирования. Это и планирование основного и вспомогательного производства, планирование закупок, планирование продаж, а также планирование поставок, пополнение складских запасов, планирование транспортных потоков, планирование качества, планирование рисков и пр. В системах классов APS и MES планирование, прежде всего, подразумевает построение графиков работы оборудования в соответствии с наличием и занятостью ресурсов, а также директивными сроками выпуска продукции.

Планирование выпуска продукции на предприятии должно подчиняться определенной последовательности, где на каждом этапе наша задача планирования решается в той или иной мере приближения от начальной постановки до разработки точных и выполнимых расписаний работы всего парка оборудования (рис.2.1).

На начальном этапе предприятие получает некий заказ на изготовление того или иного вида продукции. Этот заказ может быть инициирован  как заказчиком, так и потребностью рынка в том или ином виде продукции. Первым долгом, предприятие должно оценить возможность выпуска этого вида продукции: по срокам; по технологическим возможностям, которые определяются наличием определенного оборудования и требуемых технологических и других ресурсов; по допустимой оценке ожидаемой прибыли и другим параметрам. Если анализ показывает, что все эти требования невыполнимы, то предприятие отказывается от выпуска данного вида продукции. Если требования выполнимы, то приступает к подготовке изделий к выпуску.

Рис.2.1. Порядок планирования работ на предприятии

Поскольку расписания, построенные для всего предприятия с помощью APS-систем, не всегда полностью отражают текущее состояние дел в цехах, то с помощью MES-систем планирования цехового характера полученные расписания могут корректироваться (пересчитываться), как правило, в лучшую сторону.

          Несмотря на то, что основы классификации моделей планирования исторически лежат в классификации задач теории расписаний, модели систем планирования производства для предприятий машиностроения имеют большое количество технологических и организационных параметров, присущих производственным системам дискретного характера, которые в классическом варианте теории расписаний не учитываются. Кроме того, серьезную путаницу вносят классификационные признаки систем планирования, которые появились благодаря развитию практики менеджмента, различных общественных инженерных обществ, фирм-производителей программного обеспечения, когда в целях маркетинговой политики создаются собственные признаки, зачастую малоинформативные, как отражение торговой марки программного продукта. Например, в настоящее время достаточно популярным признаком классификации систем планирования являются понятия pull planning (вытягивающее планирование) и push planning (выталкивающее планирование), что никакого отношения к системам  планирования не имеет. Внесение в функциональность систем планирования критериев из теории массового обслуживания, таких как FIFO, SIO, LRT  и др., относится не к классификации систем, а к обоснованию эвристического правила выбора текущей работы из всего пула работ.

3. Системы планирования класса APS

С точки зрения точного планирования работ на предприятиях интерес представляют системы классов APS (Advanced Planning & Scheduling Systems). Целью данных систем является выполнение укрупненных директив со стороны ERP-систем на цеховом уровне для предприятия в целом, т.е. должно быть составлено детализированное расписание работы всего парка оборудования на всем портфеле заказов на длительный период, например, на два-три месяца.

APS-системы, появившиеся на рынке в середине 90-х годов, являются уже непосредственным инструментом планирования множества всех операций на всем множестве оборудования предприятия. 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? Рассмотрим задачи планирования с помощью систем класса APS более подробно, не вдаваясь в оценку приведенных выше эпитетов, характерных для статей рекламного характера.

На рис.2.2. представлен пример, поясняющий смысл механизма SCM. 

Допустим, что некое предприятие P0, представляющее собой торговую организацию, на основе спроса со стороны потребителей на продукцию A, решило заказать ее выпуск в определенном количестве производственному предприятию P1. После получения заказа на продукцию вида A, предприятие P1, после анализа выяснило, что продукция A с точки зрения выполнения может быть представлена как A=A1+A2, где A1 – часть объема работ, которую может выполнить непосредственно само предприятие P1, а A2 – часть объема работ, которую лучше всего выполнит предприятие P2, имеющее определенный опыт именно в такого рода работах. Например, такие сложные ДСЕ, как зубчатые колеса, прецизионная гидравлика и т.п., могут выполнить далеко не все предприятия, а только те, которые имеют определенный опыт в изготовлении такого вида продукции.

Рис.2.2. Механизм SCM

После анализа заказа A2 предприятие P2 составляет расписание работы для своих цехов (в качестве примера P21 и P22 на рис.2.2). Расписание работы составляется с учетом текущей занятости оборудования. При этом выясняются точные сроки поставки заказа A2 для предприятия P1. Если предприятие P1 согласно с этими сроками, то предприятие P2 начинает выполнять заказ A2. Предприятие P1 в этот момент выполняет свою часть работ по общему заказу – работы по объему A1. Соотношение длительности работ по частям A1 и A2 может быть различной. После выполнения заказа A2 предприятие P2 передает его предприятию P1, после чего в рамках общего заказа A могут выполняться еще какие-либо работы – сборка, контрольно-испытательные операции и др. После окончания проекта над заказом A, предприятие P1 передает его основному заказчику – предприятию P0, которое реализует данную продукцию.

         Таким образом, цепочка поставок в данном примере включает в себя три предприятия и момент выполнения заказа A определился окончательно на предприятии P2.

Из этого можно сделать следующий вывод.

Цепочка поставок может включать в себя достаточно большое количество предприятий, и точность поставок на верхнем уровне во многом зависит от точности  планирования и выполнения заказов на нижнем уровне этой цепочки.

Крайне важным моментом в SCM является наличие директивных сроков поставки. Например, если в рассмотренном выше примере предприятие P0 четко указывает свои сроки поставки по принципу «не позже», то предприятие P1, на основе анализа длительности срока выполнения своей части заказа A1 и оценки сроков выполнения части заказа A2 предприятием P2, может судить о возможности выполнения всего заказа A. Кроме того, на основе длительности выполнения части заказа A1 предприятие P1 может регламентировать сроки выполнения части заказа A2 и, если предприятие P2, на основе анализа построенного расписания, не гарантирует выполнение этих сроков, то целесообразно найти другое предприятие, которое может уложиться в заданные сроки. Если сроки, оговоренные предприятием P0, не могут быть выполнены в принципе, то они корректируются самим предприятием P0.

Как мы уже отметили, механизм SCM имеет важное значение не только для отдельных предприятий, но также в структуре планирования работ на конкретном предприятии. Машиностроительное предприятие, как правило, состоит из множества служб, основных и вспомогательных цехов. Сложная продукция изготавливается не в одном цеху.

4. Системы планирования класса MES

Появление систем класса MES (Manufacturing Execution Systems) относят к концу 80-г.г. Под MES-системами понимаются исполнительные производственные системы. Задача MES-систем – выполнение плана работ, который был определен тому или иному производственному подразделению системами APS или ERP.

Чтобы лучше понять, для чего предназначены MES-системы, рассмотрим подробно перечень функций, за которые они отвечают на предприятии (табл.2.1).

                                                                                                                                                                                                               Таблица 2.1

Функции MES-систем

Не все системы этого класса имеют весь перечисленный состав функций, но обязательными для них являются – оперативное/детальное планирование и  диспетчеризация производства.

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 (нарядами-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.

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 рынке существуют решения как для систем с дискретным характером выпуска продукции, так и для производств с непрерывным характером. Наиболее сложными с точки зрения точности планирования и выполнимости планов являются системы первого вида. Рынок MES-систем развивается динамично (на ресурсе ассоциации MES – www.mesa.org читатель может найти упоминание более чем о пятидесяти MES-системах). В то же время далеко не все эти системы можно отнести к классу MES. Очень часто, в связи с популярностью тематики MES, исходя из маркетинговых соображений, та или иная система технологической подготовки производства, позиционируется разработчиками как MES-система. Кроме того, надо отметить немаловажный факт того, что полный перечень функций MES-систем, оговоренный стандартом, на самом деле не является строго необходимым. Система может содержать всего 2 – 3 функции, но если эти функции связаны именно с планированием, с построением расписаний, то этого вполне достаточно, чтобы решить основные проблемы производства, связанные с повышением эффективности станочного парка. При выборе или проектировании MES-системы, прежде всего надо руководствоваться весьма простыми принципами отбора – устраивает та или иная система предприятие по составу и качеству реализованных функций или – нет.

Первоначально в MES-системах регламентировались все 11 функций, которые перечислены в табл.2.1. (MES-11). С течением времени количество функций сократилось до девяти (MES-9), потом – до восьми (MES-8). При этом исчезли функции, связанные с планированием и диспетчированием производства. Связано это с тем, что именно эти функции являются для разработчиков самыми наукоемкими и сложными (подавляющее большинство современных систем управления производством – это обычные системы работы с базами данных и справочниками). Но для получения эффекта повышения фондоотдачи оборудования на предприятии нужны именно эти, удаленные из списка MES-11, функции планирования и диспетчирования. Поэтому при выборе MES-системы необходимо обращать пристальное внимание на то, реализованы ли в ней функции планирования и диспетчирования.

Очень часто под видом планирования в MES-системах выдаются различные графики и таблицы загрузки оборудования, построенные по устаревшим и крайне бесполезным стандартам MRP II, по которым трудно понять, составляется детализированное расписание системой или нет. Определить это достаточно просто. При составлении расписания работы, как для малого, так и для большого множества работ и ОУ диаграмма Гантта не является прямым руководством к действию, гораздо удобнее представить расписание в виде таблицы, в которой будут указаны: наименования и шифры ЕП, величины партий запусков, инвентарные номера ОУ, моменты начала и окончания обработки ЕП, моменты начала и окончания операций переналадки и транспортирования и другие параметры расписания. Но в то же время MES-система, которая может строить расписания должна иметь возможность графической интерпретации расписания в виде диаграммы Гантта. При этом диаграмма может быть представлена сразу для всего множества ЕП и ОУ (если эти множества небольшие), так и для части этих множеств, в виде фрагментов расписаний. Если MES-система не может построить такой диаграммы, то это означает, что функция ОКП в ней не реализована. Кроме того, все диаграммы должны иметь вид достаточно плотных графиков и на оси времени каждого ОУ должны быть представлены различные ЕП, чаще, в различном порядке.

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 получают расписания работы первой степени приближения.

При этом ввиду большой размерности задачи, в APS-системах не учитываются многие технологические и организационные факторы. MES‑система, получая такой предварительный план, оптимизирует его по ряду критериев, которые отражают особенности того или иного цеха, участка. 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 реального времени и это позволяет заранее предвидеть все возможные нарушения расписаний и вовремя принимать соответствующие меры.

Алгоритмы MES-систем, хотя и базируются, в большинстве случаев, на эвристике, но 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 оптимума в таких задачах всегда сопровождается 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.

Традиционная система ОКП в данных системах управления предприятиями теперь представляет собой подсистему, вернее, модуль цехового планирования, совмещенный с системами диспетчирования и, иногда, с системами технологической подготовки производства (ТПП).

5. Системные решения в планировании

На основе функций, которыми могут обладать те или иные системы могут быть получены самые разнообразные, с точки зрения сочетания, системные решения. При этом архитектура всех выбранных системных решений может быть представлена по типу системы, рассмотренной на рис.2.3.

Рис.2.3. Системное функциональное решение