制造執行系統中計劃排產的設計與實現

宋岐國，朱瑞龍，朱 林

(1.紅塔遼寧煙草有限責任公司，遼寧 沈陽110001；2.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽110016；3.中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006)

隨著制造業信息化技術的進步，越來越多的企業認識到了信息化帶來的益處。CIMS（Computer Integrated Manufacturing，計算機/現代集成制造系統）的三層結構也越來越多的被企業所認同，并且開始逐漸開始企業自己的信息化改造和升級[1]。首先，他們對實施難度較低的生產設備進行自動化改造或升級，實現現場生產數據的實時采集和管理。接下來，對企業的管理進行升級，引入ERP 系統，對企業的生產和運作進行規范化管理。在實施了ERP 以后，企業的管理效率確實有了較大的提升。近些年，企業對于生產車間的管理開始高度關注，制造執行系統（Manufacture Execute System，MES）進入他們的視線[2~3]。

作為CIMS 的中間一層，MES 對車間的生產過程進行直接的管理和控制，可以對企業的生產環節提供最大的助力。MES 處于中間層，聯系著ERP 和PCS，所以他們之間的關系密切，特別在一些模塊中甚至出現重疊和覆蓋，例如生產計劃排產[4]。在ERP 中，生產計劃排產是對企業的訂單制定計劃，排定生產順序；在MES 中，計劃排產從ERP 中獲得生產計劃，根據車間的實際生產情況對訂單按照工藝流程分解，再分配給具體的車間或設備執行生產[5~6]。本文對MES 中的計劃排產模塊進行研究，并針對實際企業生產進行了設計和實現，通過具體實施驗證方法的可行。

1 計劃排產的問題分析

在實施ERP 之前，現場管理大部分還處與手工狀態。針對企業的設備自動化改造，為了能讓好的管理思想切實有效的發揮作用，MES 系統的實施是必要的[7]。

目前，ERP 業務覆蓋了生產計劃，并進行生產計劃編制。不考慮能力平衡問題，根據零部件計劃完工情況進行下一步計劃安排，以工作中心為最小單位，生產調度和能力平衡由車間內部自行處理。但是，ERP 的生產計劃排產中運用無限能力計劃編排方法，制定的生產計劃在實際生產中可行性不強，造成了計劃不能按時完成，訂單無法按期交貨等。

所以，需要由MES 對生產計劃排產進行管理，統一制定各車間的生產計劃，首先分解為各車間生產作業計劃，再分解為各工作中心生產計劃。生產計劃以工作中心為最小單位。這樣可以根據實際情況安排生產，可行性高，可控制性強。

2 生產計劃排產的設計

生產計劃排產的總體架構設計如圖1 所示。

2.1 閉環生產能力平衡計劃排產方法的設計

MES 是對車間生產的直接管理，計劃排產需要考慮車間的生產能力，如果不考慮的話，會嚴重影響計劃的執行效果，MES 的優勢也就無從體現。針對這一問題，我們對生產能力的評價進行了研究和設計，其方法的流程圖，如圖2 所示。

圖2 閉環生產能力平衡流程圖

首先，MES 從ERP 接收3個月的生產計劃，并且將其分解為月份生產計劃，并且根據月份生產計劃中的關鍵時間節點，將月份生產計劃逐步分解為車間的零件月份生產計劃和車間工序月份生產計劃，最后下達到具體的車間班組執行生產計劃。當進入每個月的下旬，對生產能力進行匯總分析，從車間班組直到整個公司。當了解目前公司的生產能力后，再根據生產能力進行下一個生產計劃排產。

2.2 生產計劃排產的分解

當MES 從ERP 接收到生產計劃時，首先要對計劃分解，具體到每個設備和每個生產班組的生產計劃。分解流程如圖3 所示。

圖3 生產計劃排產分解流程

2.3 生產能力的分析匯總

生產計劃排產的制定，都是基于生產能力已知的情況下，只有了解生產能力，才能根據能力定制計劃，否則，在不考慮實際情況而指定的計劃很難執行和完成。對生產能力的評價需要從下至上，從車間的班組逐步匯總到公司的整體生產能力，這樣才是實際生產能力的反映，匯總流程如圖4 所示。

圖4 生產能力匯總流程

2.4 生產能力的約束條件

生產能力，不是單純的單位時間能加工零件數量的多少，還有其他因素需要考慮。例如：設備的定期維護和保養，生產班組的輪換和節假日休息，這些都是影響生產能力的約束條件。所以，在這里我們提出約束規則的概念。

約束規則主要包括工序工時約束、工序準備時間約束、工序順序約束和工序設備匹配約束。

車間生產涉及的工時包括技術工時（由制造方法部提供）、額定工時（由綜合部提供）、實動工時（根據實際生產統計）、排產用技術工時。

工序準備時間指熟悉圖紙及技術文件，裝卡、調整及拆卸工藝裝備，清理設備和場地的時間。準備時間是生產時間的一部分，計劃時要考慮。

工序順序約束主要是依據工藝路線給定的前后工序之間的順序關系來定義。

車間是以工作中心來組織生產的，這里定義的工作中心是按設備功能相近、成本相同的原則對設備進行劃分的，一個工作中心可以是若干功能相近的一臺或幾臺設備，或者是一個班組，也可以是一個工作區域。工序/工作中心匹配約束定義了哪些工作中心可以進行某個工序的操作。工作中心/設備匹配約束是指工作中心與設備之間的對應關系。

2.5 計劃排產的粒度

生產計劃的粒度對于排產非常關鍵。過大的粒度會導致對生產過程中的細節不夠關注，在出現突發情況時，不能得到及時了解和解決，導致計劃執行困難。過小的粒度會將一些無關生產細節也納入MES 的管理，這會給系統的運行帶來負擔，導致系統運行變慢，影響效率。所以在這里，我們規定，公司下達的ERP 生產計劃以3個月為一個周期，對車間生成月份計劃，細化到零件月份生產計劃，對車間月份生產計劃細化到工序，生成車間月份工序計劃。

在這樣的計劃粒度下，公司對計劃的執行方便管理，對于車間，生產班組按照工序計劃順序執行，不會將與生產關系不大的其他因素與MES 關聯，提高了生產效率的同時，也提高了MES 的運行效率。

3 結束語

本文提出的生產計劃排產方法被應用于具體的車輛生產企業實施，通過一段時間的運行，較好的和現存的ERP 實現了協同管理，使ERP 制定的生產計劃被更好的執行。同時，對車間的生產能力分析也提供了很好地幫助，使企業的ERP 生產計劃制定更加有針對性。下一步要對生產計劃排產的調度算法進行研究，使其更有效率，而且對突發狀況下生產計劃排產的變更能夠有效的反映，制定新的排產計劃。

[1]陳 勛. APS 高級計劃排程——煙草行業MES 的核心[A].第四屆MES(制造執行系統)開發與應用專題研討會論文集[C].上海，2005，67-70.

[2]張昌柱. 精細化在卷煙廠制絲線生產管理中的應用研究[D].合肥:合肥工業大學，2006.

[3]MOHANTR R P, SINGH R. A hierarchical production planning approach for a steel manufacturing system [J]. International Journal of Operations and Production Management, 1991, (12):69-78.

[4]彭 威，史海波.軟件架構模型及機組作業計劃中的任務分配法[J].計算機集成制造系統，2002，8(3):213- 218.

[5] ASSAF I, CHEN M, KATZBERGJ. Steel production schedule generation[J].Int.Jour.Prod.Res,1997,35(2):467-477.

[6]史海波，彭 威，馮春楊.冷軋企業生產管理模式及CIMS 實施方案設計[J].計算機集成制造系統,2002,8(6):496- 499.

[7]魏 坤，陳 開，竺長安. 基于.NET 技術與AutoCAD 的產品數據管理系統研究[J].制造技術與機床，2008，(7):126-130.