MES环境下车间计划调度的过程设计与应用

柳霞+何兰+杨志刚

[摘 要] 通过车间存在的许多不确定信息干扰生产的问题，对MES环境下基于实时数据采集的车间计划与调度的过程设计与应用进行了研究，有效解决了制造执行系统下车间的动态调度及生产过程管理控制等问题。

[关键词] 数据采集；动态调度；过程管理控制

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 03. 083

[中圖分类号] TP311 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2017）03- 0148- 04

1 引 言

车间生产环境充满了不确定性，加工工序繁多，需要在不同的工序间运转，经常会遇到紧急插单。生产交付节点严格，生产流程关系复杂，往往因为部分区域发生故障，造成生产无法正常运行。在面对生产过程不可预测的外部变化和内部变动时如何合理的进行计划调度，如何控制好产品的生产流程，使得各个生产环节达到均衡负荷，最大限度地缩短生产周期，按相关部门要求的交货期完成生产任务，是本文研究目的所在。

2 MES 环境下作业车间计划调度需求描述

制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）为车间调度提供了实时的信息环境。MES环境下的计划、调度任务是对整个车间的制造过程进行优化，其基本计划调度流程是在静态调度的基础上通过基于实时生产数据采集和对生产中不确定性因素（动态扰动）的分析，采取科学计划和排产解决动态调度问题。

作为MES系统中的核心模块，车间计划调度过程设计必须满足以下几个要求：

（1）优化生产计划，提高排产能力，解决生产计划预期时间短，加工周期长等问题。

（2）实现与生产有关数据的实时采集。

（3）生产信息可动态掌控，利于指导实际生产。

（4）积累历史数据，及时总结生产经验，减少重复性劳动，避免造成资源浪费。

3 生产作业描述

3.1 车间生产信息流程

车间业务流程是以任务计划为源头，对生产任务进行优化分解、排产计划，通过系统对任务执行情况进行监控；按工艺规程为路线，完成各工序的分发操作；以检验为关键点，采集在制产品的质量及加工信息。做到各个环节的信息共享，减少传统的纸张传递过程，并及时追溯产品制造过程信息，将生产管理最大化的透明，实现车间任务及时完工、及时反馈，具体流程见图1。

3.2 车间业务角色

车间的现场生产管理涉及的角色有很多，每个角色在生产流程中产生相关信息，同时也根据其他角色产生的信息进行业务判断，具体说明见表1。

4 生产管理计划方法

4.1 生产计划

生产计划是根据需求，考虑车间现有生产能力和资源供应条件，对未来一定时期内的生产作业活动和各项资源的使用作出统筹安排。它把生产计划规定的任务一项一项地具体分配到每一生产单位及每个操作班组，规定他们在具体时间范围内每一单元中的工作任务。

4.2 制定作业计划的方法

编制车间生产作业计划时，首先考虑的是保证产品的交付期。其次考虑单元加工任务的均衡，还要考虑车间内生产资源合理、充分、高效的利用，并据此把车间的任务分解成各单元作业计划和资源需求计划。以此为基础，制定单元或班组作业计划（简称单元计划）。单元计划属于属于工序级作业计划，不仅要决定每个单元要完成的零件工序数量，而且还要决定零件进入各单元的先后顺序、每个零件的加工路径及所需的设备、刀具、量具、夹具等。制定该计划，突出的问题是在编制零件交付期的前提下，如何更好的优化使用单元内资源。

对于优先级高的零部件生产计划，建议采用正排的方法，即从当前时间开始往后排，如果排产的结果超过零部件的计划完工时间，无法按时交货的只能延迟交货。

对于优先级低的零部件计划，采用倒排的方法，从零部件的计划完工时间开始往前排，如果排产的结果（第一道工序开工时间）早于当前时间，按照当前的能力，无法按时交货，只能延迟交货，否则计划不可执行。

在编制多品种小批量生产作业计划时，由于每一种产品的产量很小，重复生产的可能性很小，无周转用在制品，在安排计划时，主要考虑期限上的衔接、负荷与生产能力的均衡。

在确定生产周期时首先要根据生产流程，确定产品（或零件）在各个工艺阶段上的生产周期；其次在此基础上确定产品的生产周期。

制定产品生产周期需注意以下问题：

（1）先找出最初的零件加工，到部件组装，最后到总装的最长时间加工顺序路线，它决定了产品生产周期的最大长度。

（2）其余零部件的工艺加工阶段，是与关键路线上零部件加工平行进行，安排方法是从最后工序开始，逆向反推零件的加工顺序，这样安排，可使总停放时间最少。

（3）考虑各种设备的最大负荷限制，错开某些零件的加工时间，使设备负荷尽量均衡。

（4）为了避免生产脱节，在前后衔接的工艺阶段之间应留有必要的安全时间。

4.3 制定作业计划的过程设计与应用

在MES系统中计划人员依据以往的生产实践经验以及上级下达的生产计划，对加工产品和工件工艺特征进行分析，然后灵活确定生产任务匹配的加工计划需求（如选择是否编制工艺及准备材料）。

加工计划需求准备完毕后再将对应的生产任务分批，分批的主要原因是单元内加工资源的约束，如机床、刀具、夹具等。具体方法是在一个生产周期（一般为一周）里，考虑加工全部工件所需的批量数最少和全部机器的平均利用率最高两方面，对工件加工任务进行类型与数量的分批。分批后应考虑的问题是在完成每批的生产任务中，应当优化利用系统内的各项资源。分批的主要目的在于均匀地、有效地利用单元内各项资源，如：某类零件的生产数量较多，即使全部机床都来加工，也不能一次性加工完成，此时零件就必须分批。而分批的主要依据是产品的批量及生产间隔期。

在任务分批后，针对每个批次进行作业计划排产，结合生产实际情况和经验，可相应调整工序顺序或增加减少工序，最终形成一个可实际操作的计划。

5 生产管理调度方法

5.1 生产调度

生产调度是生产计劃的执行者，对车间日常生产活动进行控制与调节。它需要根据车间实际生产能力和状态，接收生产计划下达的制造信息，包括零件类型、数量、交货日期等；需要根据车间生产实际状态和制造信息，为计划资源作优化调度，制定具体加工计划，进行生产作业排序；需要及时处理生产过程中出现的异常情况，对生产任务进行重调度。生产调度应和生产控制相符，即调度结果能确实符合车间实际的生产活动。

5.2 生产调度方法

生产调度方法是：①对于加工部件级别从高到低进行安排加工；②如果加工部件的加工级别相同，可以通过加工部件加工所需时间最短的先加工；③如果加工部件的加工级别和加工所需时间也相同的情况下可以根据加工设备零部件的紧缺程度进行安排，加工设备资源紧张的可以先进行加工。通过这种调度方式可以加快加工件的加工完成速度，保质保量的完成加工任务。

5.3 生产调度过程设计功能

生产调度是对生产计划的补充和完善，它的主要功能是根据下达的各项生产任务计划，对其所对应的工艺规程等相关信息进行车间资源与制造能力检查，同时根据生产任务中的工件信息进行车间内的单元重组。由于车间内外部的不确定因素存在，使得生产调度必须在生产运行过程中随时做出各种决策，可能会出现不合理的结果，或者不可能正常地执行，此时要求车间调度能及时调整原计划方案，对车间作业计划进行调整、修改，保证原计划和新计划之间合理地衔接，把对生产过程的影响降到最低。

在车间生产管理过程中，调度根据系统采集的相关生产信息，了解任务目前完成情况，结合生产实际要求，在生产过程中随时掌握产品状态信息，并进行相应计划更改或调整，实现调度的动态管理。

6 生产现场过程管理控制的设计与应用

上级部门的生产指令计划主要依靠生产任务通知单下达到车间，而车间的生产计划信息在生产现场主要是以派工单的形式传递，在生产现场中产生的完工信息、质量信息、工序转换等信息采集录入系统的同时，也可体现在派工单上。科学有效的派工单设计应该满足以下要求：

（1）经过相关人员交互操作，进行派工单的完形填空，最终才可以派工；

（2）一项任务可以多次或者重复派工；

（3）可以派工指定到班组；

（4）一张派工单可以有多个工序，每个工序有相应生产信息；

（5）可根据派工单快速定位查找相关信息。

而派工单的生成过程则设计如下：计调员通过车间生产管理系统接收上级部门下发的生产任务，根据任务通知单组织生产计划，按相应的时间节点下发到工艺，工艺员再按照图样进行工艺编制，完成后提交给计调员，计调员按工艺规程中涉及的班组进行生产任务排产。定额员参照图样和工艺规程在规定的时间内完成各工序的工时定额。相关人员在各自的界面上交互操作，进行派工单的完形填空，最后打印派工单并随着工艺规程及图纸一起下发到生产现场，生产任务准备流程完成。

7 结 语

通过对作业车间生产计划与调度过程设计与应用的研究，结合车间生产中实际情况，考虑了紧急插单、加工延时、机器停工等影响排产的扰动因素，利用MES环境实现对生产过程中动态扰动因素的有效处理，缩短了调度计划作业的编制时间和实际生产过程中的非作业等待时间，有利于提高生产效率、降低能源与原材料消耗，取得显著经济效益。

主要参考文献

[1]黄振刚，鲁建厦，王成. MES 环境下作业车间多级动态调度方法研究[J]. 机械设计与制造，2011（11）：240-242.

[2]赵长明.我国二手房地产交易价格风险的核算[J]. 统计与决策，2014（1）：50-52.