Информационные системы и технологии. Часть 2. Лекция 10. MES-системы

Оперативно-календарное планирование и диспетчирование в MES-системах
В зависимости от типа производства, особенностей построения конкретных АСУП (Автоматизированных Систем Управления Предприятием) и разновидностей, используемых на предприятии систем управления производственными и технологическими процессами (MES-системы являются именно системами управления технологическими процессами), существует два различных подхода к получению точных план-графиков работы оборудования:
1) метод поэтапного децентрализованного получения плана работ;
2) метод рекурсивного получения и выполнения плана работ.

1. Метод поэтапного децентрализованного получения плана работ
Данный метод характеризуется тем, что задача планирования выпуска продукции на предприятии разбивается на несколько, по сути, независимых этапов:
1.A) оценка мощностей на заданном портфеле заказов;
1.B) объемно-календарное планирование;
1.C) детализированное оперативно-календарное планирование.
Разделение задач планирования при поэтапном методе показано на рис.1, где видно: какие системы на каком этапе выполняют ту или иную функцию.

1.A) оценка мощностей на заданном портфеле заказов
Этап оценки мощностей характеризуется тем, что на существующем портфеле заказов (ПЗ), с учетом заказов, находящихся в производстве, оценивается: возможно ли выполнение заданного ПЗ по фондам времени имеющегося оборудования?
В данном случае не требуется построения никаких графиков, требуется только один простой ответ на такой же простой вопрос – смогут «осилить» требуемую нагрузку производственные фонды предприятия или нет? В результате мы получаем либо отрицательный ответ, либо положительный в виде загрузки фондов – от 0 до 100%.
На последующих этапах планирования 1.В) и 1.С) происходит последовательное уточнение этой оценки на основании решения задачи баланса производственных мощностей (Capacity Planning Problem)
В результате появляется возможность получить сводные коэффициенты загрузки технологического оборудования по цехам и участкам, а также подробную гистограмму загрузки конкретного станка - ежедневные коэффициенты использования: в работе, в наладке, в ремонте, в ожидании - это на уровне MES-систем

1.б) объемно-календарное планирование
Этап объемно-календарного планирования в какой-то мере повторяет предыдущий этап, но здесь уже требуется полная картина предварительной загрузки оборудования. С задачами объемного планирования (ОП) вполне справляется большинство систем управления, как класса ERP, так и MRPII.
С помощью ERP-систем решаются стратегические задачи – управление ресурсами предприятия, укрупненное планирование

1.с) детализированное оперативно-календарное планирование
Для каждого цеха, на основе расцеховки заказов, определяется: сколько и каких комплектов, сборочных единиц и деталей необходимо сделать к определенному сроку.
Затем эти объемы работ надо реализовать на конкретных единицах оборудования, с учетом их переналадок, ремонтов, отказов, транспортных и складских операций, кадрового состава операторов и станочников и других производственных факторов конкретного цеха.
За выполнение этих задач отвечают MES-системы (уровень детализированного, оперативно-календарного планирования). На нижнем уровне управления находятся SCADA-системы, отвечающие за автоматизацию управления и контроля выполнения технологических процессов.

Взаимосвязь систем ERP и MES систем
Взаимосвязь систем ERP и MES представлена на рисунке. При этом ERP-система формирует объемные планы для цехов, а с помощью сессий MES-системы каждый цех формирует детализированные расписания. Данная система управления должна иметь два контура диспетчирования – внешний K1, отслеживающий возможность выполнения заданного объема при существующих временных ограничениях на горизонт планирования и сроки выпуска продукции конкретного наименования, и внутренний контур - K2.
Контур управления K1 формирует соответствующую величину рассогласования дельта 1 , а внутренний контур K2 формирует величину рассогласования дельта 2 в случае, если для того или иного цеха необходима коррекция его текущего производственного расписания из-за возникших отклонений от принятой производственной программы

Функции MES систем
1. Контроль состояния и распределение ресурсов (RAS).
2. Оперативное/Детальное планирование (ODS).
3. Диспетчеризация производства (DPU).
4. Управление документами (DOC).
5. Сбор и хранение данных (DCA).
6. Управление персоналом (LM).
7. Управление качеством продукции (QM).
8. Управление производственными процессами (PM).
9. Управление техобслуживанием и ремонтом (MM).
10. Отслеживание истории продукта (PTG).
11. Анализ производительности (PA).
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.
Основными функциями MES-систем из перечисленных выше являются – оперативно-календарное планирование (детальное планирование) и диспетчеризация производственных процессов в цехе. Именно эти две функции определяют MES-систему как систему оперативного характера, нацеленную на формирование расписаний работы оборудования и оперативное управление производственными процессами в цехе.

Взаимосвязь APS и MES-систем (1)
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.

Взаимоввязь APS и MES - систем (2)
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 цехе контролируются в режиме real time и это позволяет заранее предвидеть все возможные нарушения расписаний и вовремя принимать соответствующие меры.

Взаимосвязь APS и MES - систем (3)
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 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 под 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).