Mes-planning и система MES для планирования приборостроения

Е. Б. Фролов, д. т.н., профессор МГТУ «СТАНКИН»; П. А. Нестеров, генеральный директор компании «КЭПОРТ»; А. В. Косьяненко, директор по развитию бизнеса компании «КЭПОРТ»

Человек не владеет тем, чего не понимает 
И. Гёте

Несмотря на то, что часть технологических решений, относимых к четвертой промышленной революции (3D-печать, автономные роботы и т. д.), допускают инновационную организацию управления производством, все российские и зарубежные концепции предусматривают как необходимое условие цифровой трансформации предприятий внедрение и использование уже известных классов ИТ-систем для автоматизации различных уровней управления. Например, консультанты компании McKinsey&Co предлагают разделять процесс трансформации на 5 стадий (рис. 1).

Рис. 1. Стадии цифровой трансформации

Находясь только на старте цифровизации, современный производственный менеджмент сегодня отчетливо понимает, что определение функций/процессов управления предприятием и требуемых для их автоматизации ИТ систем должно делаться с учетом лучших мировых практик и имеющейся нормативной базы.

Архитектура функций управления предприятия

Для выделения уровня оперативного управления производством принято группировать соответствующие функции на 3 уровне управления — ERP, APS, MES:

Рис. 2. Модель PERA: функции управления предприятием согласно ГОСТ Р МЭК 62264 (ISA-95)

Вся MES-функциональность на этом же рисунке разбита на отдельные (серые) блоки. Это означает, что в эти блоки включены функции, которые могут входить как в состав цеховой системы управления, так и в системы уровня предприятия в зависимости от организационных политик. Конкретная реализация системы управления определяется международным стандартом ISO 15704 и реализуется в каждом конкретном случае применительно к организационной структуре производственного предприятия.

Про мини ПК:  Используя систему сбора данных, вы можете просматривать документы для печати этикеток

Структура функциональной модели предприятия, изображенной на предыдущей схеме, не повторяет организационную структуру предприятия, а представляет собой лишь описание функций системы управления, сгруппированных по их функциональному признаку в соответствии со стандартом ГОСТ Р МЭК 62264 (ISA‑95).

Ниже перечислены 11 функций MES в привязке к вышеуказанным блокам стандарта ГОСТ Р МЭК 62264 (ISA‑95):
7.0. — Контроль состояния и распределение ресурсов (RAS) 
2.0. — Оперативное/детальное планирование (ODS) 
3.0. — Диспетчеризация производства (DPU) 
2.0. — Управление документами (DOC) 
3.0. — Сбор и хранение данных (DCA) 
3.0. — Управление персоналом (LM) 
6.0. — Управление качеством продукции (QM) 
3.0. — Управление производственными процессами (PM) 
10. — Управление техобслуживанием и ремонтом (MM) 
3.0. — Отслеживание истории продукта (PTG) 
2.0. — Анализ производительности (PA)

Нетрудно заметить, что MES-функции попадают только в четыре функциональных блока PERT-модели производственного предприятия, а именно в блоки: 2.0, 3.0, 6.0 и 10. В то же время с блоками 2.0, 4.0, 7.0 связан софт класса APS.

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).
На первый взгляд, функциональности систем класса APS и MES, предполагающих составление пооперационных производственных расписаний, практически совпадают или, по крайней мере, мало отличаются друг от друга, как две стороны одной и той же монеты: внешняя схожесть диаграмм загрузки оборудования (диаграмм Гантта) скрывает их принципиальное функциональное различие (рис. 3).

Рис. 3. Внешнее сходство расписания APS и MES скрывает их функциональное различие

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 (Just-in-Time) потребовали от предприятий более точных сроков поставок, полноценного участия в управлении цепочкой поставок. Поэтому основной целью для систем планирования нового поколения — APS являлось решение задач автоматизации управления цепочками поставок (SCM — Supply Chain Management). Применение этой категории софта для планирования производства позволило обеспечить синхронность, оперативность и точность оптимизации планируемых операций.

Синхронность.
Термин «синхронность» нужно понимать в APS, с одной стороны, как возможность планирования поставки 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 единые для всех подразделений предприятия с учетом сроков поставок партнеров, при этом расписания для всех этих производственных структур должны быть всегда взаимоувязанными во времени, поскольку они получаются из общего план-графика работы всего предприятия.

Оперативность.
Оперативность для APS — это возможность за кратчайшее время определить по тому или иному заказу срок его изготовления. В плане диспетчерского контроля и оперативного пересчета расписаний эта функция 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 ограничений, возникающих со стороны многочисленных подразделений (поломки оборудования, брак на операциях и т. п.), может привести к существенному утяжелению контура диспетчирования при существующей размерности задачи.

Точность и оптимизация.
По сравнению с алгоритмами MRPII (применяемыми для задач планирования в ERP-системах) 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, в частности, ограниченная мощность технологического оборудования.

В адрес алгоритмов APS встречается немало заслуженных положительных 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 якобы «имитационные модели, нейросетевые модели, планирование на основе базы знаний, модные ныне эвристические методы типа генетических алгоритмов, моделирования отжига и даже линейное программирование» (!).

Оценка полученных расписаний относительно действительного оптимума при этом может быть достаточно низкой, но надо отметить, что если мы составляем расписание из сотен тысяч операций для нескольких тысяч единиц оборудования на месяц или полгода, то с этим фактом можно смириться. Особенно если учесть, что на последующем этапе за фактическую реализацию производственного расписания будут отвечать уже MES-системы. Таким образом, упростив алгоритм построения расписания, разработчики APS дали возможность, используя существующие вычислительные мощности, получать допустимые расписания и более-менее точно прогнозировать сроки изготовления планируемых заказов.

В связи с этим APS-системы имеют на своем вооружении крайне ограниченный состав критериев планирования, как правило, экономических. Надо отметить, что и эта существующая возможность расчета хотя бы одного допустимого расписания (в пределах получаса) не зря появилась в середине 90‑х годов. Увеличение производительности электронных вычислительных машин с одновременным снижением их стоимости в очередной раз явилось катализатором прогресса в области управления производством.

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 отличие 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 явление 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 сроком плановой готовности самых 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 гарантии сроков выполнения уже запущенных заказов.

Еще одной существенной особенностью расписаний, составленных средствами APS, является их устойчивость по отношению к отклонениям, возникшим в текущей производственной программе и компенсируемым за счет коррекции расписания. В процессе этой коррекции оптимизирующий алгоритм APS стремится если и не полностью вернуться к исходному базовому расписанию, то, как минимум, не сильно от него отклоняться. Примером подобной устойчивости процедуры коррекции базовых расписаний может служить компенсация отклонений, возникших в расписании движения поездов, или изменение расписания занятий в аудиториях университета, если один из лекторов пропустил свою лекцию, и т. п. В действительности если критерий оптимизации экономический, что мы и имеем в APS, то значительное отклонение от первоначального базового варианта производственного расписания приводит к ощутимым финансовым потерям для предприятия в целом.

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. 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.

На рис. 4 приведена схема взаимодействия систем управления предприятием согласно ГОСТ Р МЭК 62264, которая соответствует PERA модели функций производственного управления, изображенной на рис. 2.

Рис. 4. Схема взаимодействия систем управления предприятием согласно ГОСТ Р МЭК 62264

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. 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, незавершенного производства и наличия производственных мощностей, уточняет плановые сроки запуска-выпуска изделий. Возникающие рассогласования этих сроков с требованиями текущей производственной программы приводят к необходимости коррекции плановых сроков уже на уровне ERP.

Планирование в MES

Перейдем к рассмотрению процедуры планирования в MES-системах. Многие производственники, и даже ИТ-специалисты, постоянно путают их с APS-системами.

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 система сама не только строит более точные расписания для оборудования и персонала, но и в оперативном режиме отслеживает их выполнение. В этом смысле цель MES-системы — не только выполнить заданный объем работ с указанными сроками реализации тех или иных заказов, но выполнить их как можно лучше с точки зрения специфики и плановых 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 переналадок оборудования, полное высвобождение станков, имеющих небольшую загрузку и т. п. Оперативность составления и пересчета расписания является также прерогативой MES, поскольку пересчет может вестись с квантом времени в одну минуту. Примером может служить многокритериальная оптимизация, реализованная в российской MES-системе «ФОБОС», где диспетчер может составить 100 вариантов производственных расписаний, выбирая комбинацию из 14 критериев, разбитых на 3 группы (рис. 5):

Рис. 5. Интерфейс многокритериальной оптимизации,  MES «ФОБОС» (Россия)

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 оптимума в таких задачах всегда сопряжен со значительными временными затратами (MES-системы строят расписания за 5–10 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 бригад слесарей, наладчиков, транспортных средств и других обслуживающих устройств. Не по силам каким-либо другим системам такие особенности планирования, как формирование технологических сборов, планирование выпуска изделий с параллельным планированием изготовления требуемого комплекта оснастки (приспособлений, уникального инструмента).

В отличие от универсальных 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, SCADA/MDC.

В результате коррекции производственного расписания в MES формируются подробные сменно-суточные задания на рабочие места, 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. Таким образом, MES-система обеспечивает наличие контура автоматического регулирования функции производства с учетом динамически меняющихся частных производственных условий производственных подразделений.

Волна интереса к глобальной цифровизации вновь активизировала запросы на автоматизацию оперативного управления производством. Авторы статьи постарались привести функциональную систематизацию разных классов ИТ-систем (ERP, MES, APS), предназначенных для планирования и управления дискретным производством, в надежде на то, что изложенный материал окажется полезным соответствующим ИТ-специалистам в понимании проблем, существующих в данной области, ибо хорошо известно, что «человек не владеет тем, чего не понимает» (И. Гёте)

Литература

1. ГОСТ Р МЭК 62264–1-2014 «Интеграция систем управления предприятием. Часть 1. Модели и терминология».
2. Нестеров П. А., Косьяненко А. В., Фролов Е. Б. Правила оптимального выбора исполнительной производственной системы (MES) для машиностроительного предприятия // Главный инженерр. 2010. № 9. С. 25–35.
3. Фролов Е. Б., Загидуллин Р. Р. Если у вас проблемы с планированием, значит, вы планируете себе проблемы // Генеральный директорр. 2010. № 9. С. 56–61. 2011. № 1. С. 48–54.
4. Загидуллин Р. Р. Планирование машиностроительного производства. М.: изд-во «Тонкие наукоемкие технологии», 2020. 392 с.

Источник журнал «РИТМ машиностроения» № 2-2020

Современные производственные предприятия – это сложные системы, состоящие из взаимосвязанных частей, в которых ежедневно протекают различные технологические процессы. Для бесперебойной работы каждого участка и эффективного решения задач используется специальное программное обеспечение MES (Manufacturing Execution System), помогающее автоматизировать производство.

Стандарты MES

MES – это системы исполнительного уровня, которые помогают координировать, анализировать и оптимизировать процесс изготовления продукции в рамках производства. С целью снижения рисков и ошибок при внедрении MES-систем, был разработан международный стандарт ISA-95, который описал их общую модель в разрезе задач и информационных потоков на предприятии.

Еще одна цель его создания – возможность взаимодействия корпоративных и производственных информационных продуктов. Стандарт разработан с учетом всех видов производства и для всех видов процессов, например, непрерывных или повторяющихся.

Стандарт выделяет четыре зоны ответственности производственного уровня:

Согласно стандарту, MES должна помогать:

Функции MES

Функциями функцией? MES является оперативное управление процессами производства, которое затрагивает все возможные области, процессы и объекты:

Все функции MES имеют оперативный характер и регламентируют требования не к предприятию в целом, а к его производственной единице (цеху, участку, подразделению), для которой ведется планирование работ. Среди перечисленных функций можно выделить две главные – оперативно-календарное планирование (детальное планирование) и внутрицеховая диспетчеризация производственных процессов.

Для чего нужно оперативное управление производством

Решения MES способствуют сокращению затрат и повышению производительности. Автоматизированные программы помогают избавиться от типичных производственных проблем, повысить результативность процессов, сократить издержки.

Какой эффект дает внедрение MES:

Преимущества MES

Внедрение оперативного управления предприятием – обязательное условие при наличии необходимости расширить ассортимент, повысить конкурентоспособность предприятия, выйти на мировые показатели эффективности.

Главное отличие MES от других программных продуктов – оперирование исключительно производственной информацией, что помогает оперативно корректировать или менять производственное расписание в течение рабочей смены. За счет оперативной реакции на происходящие события и применения математических методов компенсации отклонений от производственного расписания, MES способствуют оптимизации производства и росту рентабельности.

Преимущества внедрения MES:

Интеграция MES с ERP

Для построения единой системы управления предприятием используется интеграция ERP и MES. Их совместное применение помогает выстроить жесткую вертикаль управления деятельностью предприятия, начиная от автоматического сбора информации и заканчивая получением сводных аналитических отчетов.

Такое взаимодействие помогает сформулировать задачи, решение которых необходимо для построения единой информационной среды. ERP формируют календарный план производства, который передается на уровень MES и служит основой для формирования и последующей оптимизации производственного расписания.

В продукте использованы технологии искусственного интеллекта, которые помогают повысить эффективность производства, и снизить влияние человеческого фактора на такие процессы как аналитика и прогнозирование.

Российские предприятия приборостроительной отрасли вынуждены работать в условиях жесткой конкуренции со стороны зарубежных компаний. Рынок требует постоянного обновления ассортимента выпускаемой продукции и сокращения сроков ее производства с одновременным повышением качества. Только при выполнении этих требований можно говорить о конкурентоспособности предприятия.

В связи с этим перед приборостроительными предприятиями стоят глобальные задачи по повышению эффективности работы, гибкости и устойчивости к внешним факторам. Решение этих задач возможно с помощью современных систем автоматизации производства.

Особенности предприятий приборостроительной отрасли

Особенности отрасли вызваны характерными для приборостроения тенденциями развития и спецификой выпускаемой продукции. В чем они заключаются:

Главной отличительной особенностью приборостроительной отрасли является ее динамичность. Вследствие быстрого морального устаревания приборов и техники предприятия должны быть готовы к непрекращающемуся процессу изменения номенклатуры и ассортимента, а значит, и всего производственного процесса.

В связи с этим вся система организации производства должна обладать устойчивостью к подобным изменениям и достаточной гибкостью для обеспечения перехода на выпуск новых моделей приборов в короткие сроки и с минимальными затратами.

Производственное планирование в приборостроении

В условиях быстрого темпа вывода на рынок изделий, повышением их сложности и наукоемкости, а также под давлением жесткой конкуренции, на первый план выходят следующие задачи:

Для этого приборостроительным предприятиям необходима грамотная организация процесса планирования, основанная на передовых методах.

На данный момент у большинства отечественных предприятий приборостроительной отрасли планирование не может обеспечить эффективную производственную деятельность. С чем это связано:

В результате этого затягиваются сроки запуска новых изделий в производство, что не устраивает заказчиков. Сроки производства не выполняются из-за отсутствия нужных материалов или комплектующих, поломок оборудования приборостроительного производства и образования узких мест в производственном процессе, замедляющих всю цепочку. Низкая производительность и неоправданные издержки становятся причиной завышенной себестоимости, фактически делающей выпуск продукции убыточным для предприятия приборостроительной отрасли.

Все эти факторы негативно сказываются и на качестве производимых изделий, не позволяя предприятиям конкурировать с зарубежными компаниями. В такой ситуации становится практически невозможным достижение главной цели предприятия – получение прибыли.

Важность оперативного планирования на приборостроительных предприятиях

К наиболее сложным задачам предприятиях относится оперативное внутрицеховое планирование, поскольку оно осуществляется в условиях наличия большого парка разнообразного оборудования приборостроительного производства, широкого спектра выпускаемой номенклатуры и многоэтапного технологического процесса.

План производства более высокого уровня имеет низкую детализацию и содержит информацию только об объемах и сроках выпуска продукции, а исходные графики и расписания всегда требуют последующей корректировки, поскольку внутри цеха регулярно происходят события, отражающиеся на ходе производственного процесса.

В области оперативного планирования производственных процессов приборостроительного предприятия скрыты основные возможности для повышения эффективности производственной деятельности. Именно на этом уровне можно предотвратить отклонение производственного процесса от определенного ритма, которое часто сопряжено с огромными финансовыми потерями на предприятии, вызванными простоями цехов и участков, и дополнительными затратами на восстановление нормального хода производства.

Кроме этого, оперативное планирование позволяет максимально оптимизировать все процессы, расширить узкие места, сократить производственный цикл, обеспечить эффективную загрузку оборудования и снизить объемы незавершенного производства.

Планирование производственных процессов приборостроительного предприятия на уровне цеха предусматривает высокую степень детализации, глубокий анализ, точность расчетов и возможность внесения корректировок по мере необходимости. Человек не может справиться с подобной задачей, поэтому оперативное планирование на современных приборостроительных предприятиях осуществляется не силами людских ресурсов, а с помощью автоматизированных систем.

Автоматизированные системы планирования для приборостроительной отрасли

MES – это системы управления производственными процессами нового класса, которые включают большое количество функциональных возможностей. В первую очередь – это планирование работ по производству продукции с учетом имеющихся ограничений и с использованием критериев оптимизации. MES-системы дают возможность составления точных планов и графиков, расписанных по минутам, повышая прозрачность процессов.

Кроме этого, система отслеживает производственные процессы в реальном времени, и при обнаружении сбоев или отставаний вносит корректировки. В отличие от других классов систем, MES-система может обеспечить одновременный пересчет большого количества данных практически мгновенно. Возможность быстрого реагирования на производственную ситуацию помогает постоянно поддерживать планы в актуальном состоянии и снизить зависимость производственных процессов от негативных факторов.

Внедрение MES на приборостроительных предприятиях способствует повышению качества продукции, поскольку система помогает выявлять и предотвращать причины брака, что, в свою очередь, снижает общие затраты и позволяет увеличить общую рентабельность производства. Кроме этого, MES-системы формируют данные о текущих производственных показателях, включая реальную себестоимость продукции.

Преимущества, которые получает приборостроительное предприятие после внедрения системы:

Математические методы планирования в СНАРЯД | MES

Мультиагентные технологии относятся к методам современной математики и представляют собой принципиально новый способ решения сложных задач, использующий принципы самоорганизации и эволюции, свойственный живым системам.

Мультиагентные алгоритмы могут быстро находить решение, приближенное к оптимальному, и постоянно его улучшать. Скорость расчетов составляет более 10000 операций в секунду, поэтому формирование планов и их пересчет происходит практически мгновенно.

Особенности программного обеспечения СНАРЯД | MES

СНАРЯД подходит для всех отраслей машиностроительного комплекса, включая приборостроительную отрасль, тяжелое машиностроение, станкостроение, машиностроение для легкой и пищевой промышленности и т.д. Один из успешных примеров внедрения программного обеспечения, разработанного на платформе СНАРЯД – машиностроительное предприятие «МАГМА».

Оцените статью
Карман PC
Добавить комментарий