基于MES的企业高级计划排产系统的设计

吴莹莹，王 睿，费 衡

（1.安徽商贸职业技术学院信息与人工智能学院，芜湖 241000；2.国营芜湖机械厂，芜湖 241000）

0 引言

伴随着企业的业务拓展，企业加工业务逐步呈现“多品种、小批量、常插单”的特点。面对繁杂多变的加工订单，企业需要借助先进的高级计划排产系统来提升车间生产管理能力，保证产品的按时交付以及对紧急订单的应变。

1 机械加工行业排产存在的挑战

1.1 生产资源管理精细化

机械加工企业对各类生产资源的管理提出了精细化的需求，需要基于信息系统对它们的基本属性信息进行维护与管理，并将其应用于需求订单的计划排产，在有限资源的条件下追求产能的最大化，促使生产任务管理更加精细化，带来更高经济效益［1-2］。

1.2 生产计划弹性大

当企业生产计划遇到突发情况需要调整时，缺乏有效手段来评判情况变化对当前生产计划的影响，以至于顾此失彼，导致生产过程频繁调整，整个生产管理线呈现出“两头大、中间小”的不良状态［3-4］。当企业面临生产前端有大量的紧急计划下达，后端则是大量高端数控加工设备、检测设备交替配合使用的情况下，若车间管理依靠手工计划调度，则很难符合“多品种、小批量、高质量”的订单要求［5］。当出现多个计划需要使用共同的设备资源时，车间调度员只能通过对瓶颈资源的定性分析来沟通协调资源冲突并按优先级组织生产，但无法判断该瓶颈资源冲突对计划的影响，无法给出明确的订单交付期。

1.3 生产准备工作系统化、精细化

随着加工工艺和工艺资源的逐渐结构化，生产准备工作愈加系统化、精细化。MES系统不仅要实现生产准备过程中包括技术准备、物料准备、工时定额准备等环节的节点管控，还需要与企业ERP、CAPP、PDM、OA、辅助配套系统进行集成［6-7］，以便能够通过MES系统直接进行准备过程进展、技术依据资料、工艺规程/工艺卡等信息查询，并通过MES与ERP的集成，在物料准备环节全面掌握物料技术状态信息和库存状态信息。

2 关键技术应用

2.1 面向多订单的APS高级排产技术

APS（advanced planning and scheduling），即高级排产，是基于供应链管理的计划排产方法。实际建模中，针对企业多品种、小批量等订单特点，基于APS理论建立了面向多订单生产线的APS模型，并且设计算法来求解模型［8］。此外，在实际实施过程中还需紧密贴合企业自身业务流程特点，掌握特定的瓶颈工序，再基于瓶颈资源约束进一步求解。

2.2 基于MES系统的集成开发技术

基于MES系统的集成开发技术以开放架构的MES系统作为枢纽，承接高级排产系统输出的生产计划，并组织相关生产单位和生产资源有序执行［9］。同时，通过开发WebService接口，实现MES系统与ERP系统集成，使企业生产计划及时传达至MES，针对MES主计划的ERP材料库存进行领料出库；与CAPP系统集成，获取CAPP的工艺文档对象及工艺进程信息；与DNC/MDC系统集成，获取联网数控设备资源的状态信息和故障信息；与EAM系统集成，获取生产资源的基础数据信息和设备台账信息。

3 高级计划排产系统设计分析

3.1 系统架构

MES系统管理制造过程，主要是针对制造现场管理，衔接上层的计划、设计管理系统和底层的工业控制系统。基于MES系统实现高级排产，可充分利用相关系统的数据支持，如ERP的物料数据和生产计划数据、CAPP的工艺数据、车间生产资源数据等。高级排产系统作为MES系统的核心模块，快速、迭代地构建有限能力的作业计划，并结合计划员手工调整，输出精确的作业计划。其输出的作业计划，经MES系统执行管理，再将执行结果以制品入库的形式反馈给ERP系统，形成生产计划的闭环，如图1所示。

图1 基于MES的高级排产系统架构

3.2 生产准备评估

生产加工的主计划需经过生产准备评估才能被执行。主计划到达MES系统后，先进行工艺资源数据检查，对照主计划检查所需物料、加工设备、道具、人员资质等工艺资源是否就绪，若检查通过，则生产准备通过；若检查未通过，则视工艺相关资源数据集成程度而定，实际已就绪但数据不能实时同步的，由管理人员在MES系统中手工补充数据，实际资源无法满足的，则发送通知给相关技术人员，快速从工艺源头控制数据。检查通过的主计划方可纳入MES系统的车间计划环节，从而进行后续生产计划的安排与执行。包含工装需求的主计划则另外先行派生出工装设备生产计划，待工装生产计划完成，主计划所需工装处于就绪状态，则继续进行相关生产准备评估。同时MES系统提供一个统计报表，统计主计划的工装准备情况，跟踪主计划的技术准备阶段所触发的工装通知的处理结果，为车间计划员及时了解各主计划的工装准备进度信息，如图2所示。

图2 生产准备评估流程

3.3 计划分解释放

对于生产准备评估通过可开工的主计划，由车间计划人员在MES系统中将主计划分解释放为车间计划，即将主生产计划按产品序列和加工工序，分解为多个生产车间可并行加工的订单，再由车间根据实际情况，对订单进行分批。

3.4 计划排产

对分解释放到车间的具体计划，计划员在MES系统中对所有计划可进行全局模拟排产，以评估是否能够满足计划交付节点要求；评估过程中，根据车间实际加工能力，确定外协计划以及加班安排等处理。评估通过后，系统将排产的结果反馈MES系统供生产调度人员使用，如图3所示。

图3 计划排产流程

实现高级排产之前，某企业的车间产品工作卡是技术人员在技术资料准备阶段就打印好的，工作卡在车间现场传递流转，主要用于记录工序执行情况和关键环节信息，对生产的指导性较弱。实现高级排产后，由MES系统规划出来的车间产品工作卡片，包含了具有实际节点信息的工序作业计划。该工作卡片生成后打印现场使用，对现场生产具有一定的计划指导性。

3.5 计划外协

当车间产能不足时，对于车间计划或是工序任务的执行，MES系统可根据排产结果，将高级排产输出的部分生产计划或工序任务进行外协处理，具体由车间计划员协调确定需要外协的车间计划或工序任务，再与外协厂家开展任务对接，待外协生产完成后，首先进行加工汇报，再提交质量检验。质量检验合格后，对于零部件外协计划需打印合格证并作入库处理，然后再流转至下道工序，如图4所示。

4 高级计划排产系统设计方案

对于以工序加工为主的生产车间，计划排产主要是以设备作为主要资源约束，以有限产能的方式来安排设备上的生产任务；而对于以工序装配为主的生产车间，计划排产则以生产班组为基本单位资源，设置的约束条件将更加宽幅，排产的核心是基于制造工时给出相应的大致完工时间点，计划员可在MES系统中对所有计划进行无限产能方式下的全局模拟排产，并以甘特图形式展示生产订单的各个工序信息及时间节点，支持以手工拖拽方式锁定对应的工序任务，以评估计划交付节点是否满足要求，评估过程中，根据车间实际生产能力，手工确定工作时间安排。

系统获取生产订单、物料、设备、人员、工时等排产资源信息，按设定的策略进行计划排产及能力平衡，形成一个精确的相对优化的详细排产计划。再对排产结果进行分析，通过计划模拟功能发现可能出现的问题，提前采取措施加以避免，最终得到一个较优的结果分派任务。系统将排产的结果提交MES平台，由MES平台将近日内的生产订单工作进行分派，进行管理。计划排产流程如图5所示。

图5 计划排产流程

4.1 计划排产策略配置

根据某机械加工企业“多品种、小批量、常插单”的业务特点，计划排产策略配置为基于设备、人员、物料等实时情况的有限能力排产，满足优先级（面向紧急插单）、交货期限、最长工序、瓶颈资源等约束，能够同时满足正排和倒排的需要，并支持锁定某个已排计划、某道工序或某个时间周期的重新排产。

4.2 作业计划滚动修改调整

排产作为生产管理中的复杂问题，不能完全依靠系统计算出百分之百合理的计划，需根据实时情况对作业计划滚动修改调整。由于MES系统与计划排产系统同步实施，若某企业每个月计划数量大、变更频繁，初期生产产能未必能做到十分精确。因此，应该遵循表1中作业计划滚动修改调整原则。

表1 作业计划滚动修改调整原则

4.3 插单业务的排产处理

当客户需求发生临时改变，则可能需要在已有排程结果的计划上新增生产任务。一旦企业接受了插单，就需要排产系统快速重新排产，并记录下排产结果，如果重新排产结果会导致原需求订单延时交付，则需要与客户及时沟通解决。针对某企业在生产中经常出现的插单情况，在MES系统中将利用优先级来确定计划的紧急程度，优先级越高表示任务越紧急。

插单后重新进行排程，系统将自动生成追加急件的新计划以及调整后的进展状况。当设备被紧急计划占用，原有已开始任务不会受到影响，但原有未开始的生产任务会自动后延（不包括锁定资源），紧急插单的任务将优先占用设备资源。在紧急插单处理时，可先手工锁定某个计划或某些工序，再进行重新排产，使插单不影响已锁定的计划或工序，整体更加优化。如果因为紧急插单排产导致了超期工作，计划人员可以综合运用优先级设置、计划合并、工序合并等操作来形成对冲，确保排产结果符合生产管理预期。

4.4 计划排产的手工调整

计划排产系统需兼顾、利用计划人员的排产经验和排产习惯，支持计划人员手工调整。手工调整功能包括：更改加工设备在指定日期的可用时间；将指定的工序固定在指定的设备上；强制指定工序的开始时间。

5 结语

基于MES系统实现高级排产，有效应对了机械加工企业面临的订单数量大、种类多、插单多等一系列问题，使企业能够快速应对市场和客户需求的变化，同时也最大限度地减少了企业的资源闲置和浪费，切实对机械加工企业的生产管理起到了“赋能”作用。基于APS理论的高级排产，其算法随着适用场景的不断丰富而不断发展，对具体项目而言，能否切实解决问题、发挥作用的关键往往不在于算法是否尽善尽美，而更多在于实施者对算法的理解和对排产系统的应用，以及对业务流程的合理规划，而MES系统在此发挥了不可或缺的作用，对于同类项目具有一定的借鉴价值。