1.1.3 Современное состояние MES-систем

Среди множества MES-систем наиболее популярными являются Фобос [8, 9, 10], Omega Production [11], YSB.Enterprise.Mes [12], PolyPlan [13], Zenith SPPS [14], T-FACTORY 6 [15], Preactor [16] и отчасти Axapta [17]. Рассмотрим их более подробно.

Одним из модулей российской системы ФОБОС оказывающих наибольшее влияние на построение плана производства, является Оперативное планирование и контроль (ОПК). Данный модуль является ядром интегрированной системы ФОБОС. Оперативное планирование и диспетчерский контроль прохождения заказов осуществляется в системе посредством расчета оптимального производственного плана. В основу расчета и управления планом положен математический оптимизационный аппарат, позволяющий моделировать 100 сценариев по 14 критериям. ФОБОС предоставляет следующую функциональность [18]:

– формирование и коррекция оперативных производственных планов цеха с учетом имеющихся межоперационных заделов и текущего состояния станочной системы;

– расчет производственного расписания загрузки оборудования по различным критериям (100 комбинаций из 14 критериев);

– представление результатов расчета расписания в виде таблиц текущего состояния партий запуска, графиков обработки партий деталей и диаграмм загрузки оборудования;

– формирование сменно-суточных заданий на рабочие места цеха;

– формирование оперативных маршрутных карт по всем партиям запуска с контролем их прохождения по рабочим местам;

– составление и автоматическая коррекция планово-учетного графика изготовления комплектов деталей с контролем готовности каждой партии запуска;

– автоматизированный контроль состояния производственного процесса и имитационное моделирование материальных потоков в цехе (на участке);

– расчет времени простоя оборудования и пролеживания деталей;

– формирование рабочих нарядов на выполненные и текущие технологические операции, контроль процесса выдачи нарядов в соответствии с производственным планом;

– печать внутрицеховых документов: сменно-суточные задания на рабочие места, оперативные маршрутные карты, рабочие наряды, планово-учетные графики изготовления изделий и прочее.

Система ФОБОС предназначена для использования на крупных и средних машиностроительных предприятиях. ФОБОС осуществляет внутрицеховое планирование и управление, традиционно принимая и выдавая входные и выходные данные ERP-системе, которая обычно используется в машиностроении на крупных заводах. Как правило, это тяжелые ERP-продукты, такие как BAAN и SAP, взаимодействие с которыми осуществляется посредством интеграции, хотя в настоящее время ведутся работы и по интеграции с «1СПредприятием». В комплексе с этими системами система ФОБОС способна решать большинство задач крупного предприятия [19].

В модуле оперативно-календарного планирования Omega Production используется эвристический алгоритм формирования плана. Управление качеством плана при использовании эвристических алгоритмов производится через манипулирование параметрами алгоритма. Примеры таких параметров – загрузка оборудования, приоритет партий, точность определения производственных ресурсов и т.д. Для каждого параметра выделяется перечень возможных значений. Пример возможных значений для параметра «загрузка оборудования» – равномерная загрузка, максимальный коэффициент загрузки и т.д. [20].

Расчет производственной программы производится под заданные критерии оптимальности с использованием данных о приоритетах заказов или партий изделий [21].

Параметрами, на которые может влиять сотрудник плановодиспетчерской службы, являются сроки запуска/выпуска как заказов и изделий, так и определенных партий; изменение размеров партий (партия может дробиться для более динамичного процесса производства, или, наоборот, несколько партий могут объединяться в одну); изменение режимов работы как конкретного производственного оборудования и персонала, так и производственного подразделения. Одним из способов управления является манипуляция параметрами исходных данных, которые вводятся в систему на основе экспертных данных [20]. В системе не предусмотрена возможность, когда сама система предлагает значительное улучшение за счет изменения исходных параметров.

В документации на данную систему [21] говорится, что «на основании производственной программы производится формирование заданий по рабочим местам с возможностью отслеживания их выполнения. Система позволяет гибко корректировать производственную программу. Существует ручной режим корректировки и автоматический, который основывается на закрытии нарядов сменных заданий». На основе данного утверждения можно сделать предположительный вывод, что при возникновении непредвиденных ситуаций система может перестраивать план производства, а не просто осуществлять мониторинг за состоянием выполнения заказов.

YSB.Enterprise.Mes возникла в деревообрабатывающей промышленности и ввиду особенностей, изложенных ниже, ориентируется на сектор средних и мелких предприятий. Система YSB.Enterprise функционировала на предприятиях среднего размера и постепенно расширила свои функциональные возможности по сравнению с функциональностью типичной MES-системы, включив в свой состав продажи с формированием портфеля заказов, возможности по управлению складским дефицитом (не только производственного происхождения) и даже бухгалтерию с расчетом заработной платы различными способами. Конечно, уровня полноценной ERP-системы функциональность YSB.Enterprise пока не достигла, тем не менее, имеющихся возможностей может быть достаточно для многих российских предприятий. Такая политика позиционирования системы выбрана из-за того, что предприятия среднего класса и ниже, уже переросшие уровень возможностей системы «1СПредприятие», пока обделены полноценной производственной автоматизацией, т.к. цены на западный и российский софт, ориентированный на серьезное производство, не говоря уже об оптимальном его планировании, пока превышают уровень доступности для большинства компаний, вынужденных значительную часть средств инвестировать в свое развитие [19].

Расширенный спектр функций YSB.Enterprise по сравнению с традиционными MES предоставляет возможности учета дополнительных данных при управлении производством. Так, включение склада позволяет организовать определение приоритетов при запуске заказов в производство, к примеру, при недостаточной обеспеченности покупными материалами или отсутствии предоплаты за заказ [19].

Система PolyPlan имеет меньший набор функций MES, но позиционируется как система оперативно-календарного планирования для автоматизированных и гибких производств в машиностроении. Российская MES-система PolyPlan ориентирована на машиностроительные производства, но, кроме традиционного класса обслуживающих устройств типа рабочих центров (РЦ), оперативно-календарное планирование PolyPlan предполагает формирование расписаний для транспортных систем, осуществляющих перевозку партий деталей между РЦ, для складских устройств приема-выдачи партий деталей и для бригад наладчиков. Ввиду отсутствия явного контура оперативной диспетчеризации PolyPlan стоит несколько дешевле указанных выше систем [19].

Система MES PolyPlan легко адаптируется для управления и неавтоматизированным производством. Ориентированная на машиностроение, она может быть также использована и на этапе маркетинга, – программа позволяет на укрупненных данных определить возможность выполнения портфеля заказов по существующим фондам времени технологического оборудования. При оперативном планировании производства возможно получение нескольких допустимых решений расписания. Чем выше глубина поиска, которая задается пользователем, тем больше время счета, но и тем выше точность построения расписания. Точность «однопроходной» оптимизации, часто используемой в таких задачах, отличается от оптимального решения не более чем на 5-7%, но на порядки экономит время счета [19].

В версии 1.8 системы Zenith SPPS реализован полноценный обратный расчет расписания. В случае такого расчета для каждой рассчитываемой позиции оперативного плана делается попытка установить максимально позднее начало выполнения операций, при котором еще возможно завершение работы в срок (стратегия Just-In-Time). В результате появляется возможность позднее закупать необходимые для производства материальные средства. В отличие от имеющейся в версиях 1.5-1.7 функции «Поздний срок запуска», обратный расчет работает точно и поддерживает сборы, но при этом требует гарантированного запаса свободного времени на рабочих местах. Функция уплотнения позволяет корректно убрать из плана неоправданные простои, возникшие вследствие оптимизации расписания по другим критериям. В результате происходит дополнительная оптимизация плана. При перерасчете расписания можно сохранить изменения периодов выполнения операций, сделанные в ходе диспетчирования предыдущего расписания [22].

В T-FACTORY 6 MES предусмотрены средства сетевого и перспективного планирования на неограниченный период времени. Планирование возможно осуществлять также во внешних программах – например в MS Project® [23, 24]. Основное отличие T-FACTORY 6 MES от конкурирующих разработок, отмечаемое самим производителем, заключается в следующем [25]:

T-FACTORY 6 MES – коробочный продукт, который может быть полностью освоен и внедрен силами отдела АСУ предприятия;

T-FACTORY 6 MES основан на технологиях реального времени, разрабатывается в тесной интеграции с системой АСУТП предприятия (как бы «вырастает» из нее).

В целом система представляет достаточно сильные средства для автоматизации производства и смещена в большей степени в направлении ERPсистем.

Система Preactor (Великобритания) формируется на этапе построения логической модели производства. В процессе описания основного технологического оборудования с каждым инвентарным номером связываются какие-либо ограничения, способные оказать влияние на его доступность или характеристики работы. В качестве вторичных ограничений может выступать предел потребления электроэнергии, необходимость присутствия оператора на определенных рабочих местах, наличие специфической оснастки и т. п. В дальнейшем при планировании и коррекции плана система будет отслеживать доступность и объем использования вторичных ограничений. В случае превышения или нехватки ресурсов система, прежде всего, проинформирует об этом диспетчера, а затем предложит принять либо отклонить условия этого варианта плана [26].

Идеальным решением является комплексная автоматизация, предлагаемая, например, ERP-системой Axapta от Microsoft. Но, в существующих экономических условиях далеко не все предприятия могут позволить себе использование таких систем. Поэтому приходится автоматизировать предприятие несколькими продуктами различных производителей. При этом необходимо учитывать, что планы по автоматизации не должны сковывать планы предприятия по развитию: всегда нужно обдумывать решения на шаг вперед [27].

Довольно часто приходится слышать о различных ситуациях, в которых необходимо планировать новый пришедший заказ по какой-либо стратегии. Самыми популярными стратегиями являются ASAP («As soon as possible» – «Планирование как можно раньше») и JIT («Just in time» – «Точно в срок»). Возможность настройки параметров планирования значительно повышает гибкость системы планирования, однако возможность настройки стратегии отсутствует практически во всех рассмотренных системах и, как правило, предоставляет возможность только для задания выбранной стратегии для всего плана производства, всего потока заказов, что является достаточно жестким условием.

Рассматривая развитие MES систем, можно отметить частое смещение понимания MES в сторону ERP-систем. Однако в части, касающейся управления производственными процессами, MES-системы отличаются от ERP тем, что в MES расчет производственных планов строится на основе множества критериев. В системах ERP планирование, как правило, осуществляется по одному критерию. В MES-системе ФОБОС таких критериев 14 (например, максимальный коэффициент загрузки, минимальное число используемых станков, равномерная загруженность станков, минимальное число переналадок, минимальная мощность грузопотока и другие). В системе Preactor таких критериев 8. Минимально возможное число критериев, отличающее MES-систему от систем других типов, равно двум. Различные комбинации критериев позволяют рассчитывать десятки вариантов производственного плана, использовать их как средство моделирования производственных процессов и выбирать наиболее эффективный сценарий выполнения текущего плана [28].

Только MES-системы оперируют так называемыми векторными, интегральными критериями построения планов. При этом диспетчер, составляя план, может указать, что должно быть достигнуто 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 плана 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 реального времени, что позволяет заранее предвидеть все возможные нарушения расписаний и вовремя принимать соответствующие меры [29].

Критерий, который отражает какой-либо один параметр при построении плана, называется частным, например, минимизация времени переналадок, минимизация транспортных операций и другие. В отличие от частных критериев, существуют критерии интегрального характера. К ним относятся, например, минимум суммарного непроизводительного времени, минимум стоимости выполненного плана и другие [30, 31].

С использованием нескольких частных критериях можно создать очень большое количество комбинаций, которые могут быть пригодны для различных производственных ситуаций. Например, в MES-системе ФОБОС имеется возможность получения 100 комбинаций векторных критериев. Такое большое количество векторных критериев в системе ФОБОС достигается комбинированием 14 критериев в группы по три критерия. Для таких случаев системный анализ на основе жесткого руководства «разделяй и властвуй» дает более гибкое решение – «разделяй, синтезируй, властвуй». Это относится к так называемым векторным критериям планирования. Векторный критерий – это такой интегральный критерий, в который могут входить несколько частных критериев, иногда противоречивых (чем более противоречат частные критерии друг другу, тем сложнее отыскать оптимальное решение). В ряде случаев синтез критерия осуществляется в процессе уточнения производственного задания по планированию с учетом технологии того или иного производства [31].

При оптимизации планов в MES-системах с помощью векторных критериев используются различные методики, но чаще всего – поиск оптимума на Парето-множествах [32]. Таким образом, за счет использования в MESсистемах векторных критериев повышается управляемость при построении расписаний, что существенно сказывается на последующем увеличении эффективности использования парка дорогостоящего оборудования. При планировании партиям деталей могут назначаться приоритеты. Так, в MES-системе ФОБОС некоторым заказам присваивается приоритет в очереди заказов, подлежащих планированию. Приоритет назначается в виде числа от 1 до 100, чем больше значение, тем выше приоритет, а значит, эта партия деталей будет назначаться на изготовление раньше по времени, нежели партии деталей, имеющих более низкий приоритет [31].

Необходимость поддержки планирования мелкосерийного производства приводит к необходимости учитывать большое количество различных интересов и ограничений. Почти все системы при составлении плана производства руководствуются большим или меньшим количеством критериев. Но при этом отсутствует индивидуальный подход к планированию каждого заказа – критерии и их параметры задаются для всех участников производственного плана в целом, однако при мелкосерийном производстве крайне эффективно применять индивидуальную подстройку критериев и их параметров для каждого участника. Например, один заказ необходимо выполнить точно в срок, так как заказчик является новым и достаточно перспективным. Выпуск другого изделия можно немного задержать, так как на складе уже имеется достаточное его количество и одним из главных критериев является экономичность изготовления.

Среди требований к MES-системам можно выделить такие, как составление производственного плана на некоторый горизонт планирования с предоставлением возможности корректировки производственного плана в процессе его выполнения. Если первое требование обеспечивается всеми рассмотренными системами, то второе в различных системах может быть реализовано разными способами. В частности, корректировка может быть ручной или автоматической с подразделением на возможность перестройки расписания и сдвиг всех зависимых задач на более позднее время. Наибольший интерес представляют системы, которые могут выполнять на одном и том же горизонте планирования и корректировку выполнения работ, и обработку поступления нового заказа или другого ранее непредвиденного события. Это может быть обработка очень важного заказа, который необходимо срочно выполнить при выполнении поставленного плана производства.

Выше был рассмотрен один из аспектов адаптивности системы, связанный с управлением системой за счет задания параметров заказов, станков, рабочих и остальных участников производственного процесса. Другим аспектом является адаптивность и управление относительно времени. Все системы производства строят производственный план на некоторый горизонт планирования, затем полученный план отправляют на выполнение. Продолжительность расчета может быть различной, так как исходные данные также могут различаться – различные технологические процессы, зависимости между операциями, множество критериев и т.п. В результате, при отсутствии резерва времени, когда, например, необходимо выполнить срочный заказ, следует по возможности сократить продолжительность планирования, а при наличии резерва времени система должна постоянно улучшать производственный план. В этом смысле система планирования в общем случае может изменить план производства вплоть до его полной перестройки. Невозможность точно сказать, каким будет план производства, приводит к аналогии с принципами работы довольно популярной системы Канбан [33], когда заранее неясно, как именно будут выполняться заказы, то есть участники производственного процесса знают только то, что необходимо выполнять в данный момент.

Так, в основе организации производства фирмы «Тойота» лежит годовой план производства и сбыта автомобилей, на базе которого составляются месячные и оперативные планы среднесуточного выпуска на каждом участке. Последние планы основаны на прогнозировании покупательского спроса (период упреждения – 1 и 3 месяца). Суточные графики производства составляются только для главного сборочного конвейера. Для цехов и участков, обслуживающих главный конвейер, графики производства не составляются (им устанавливаются лишь ориентировочные месячные объемы производства). В то же время колебания спроса и рыночной конъюнктуры имеют свои пределы, за границами которых система Канбан начинает давать сбои [34]. Ориентация на прогнозируемые данные при мелкосерийном производстве или даже единичных заказах, может привести к достаточно серьезным потерям.

Управление в рассмотренных системах осуществляется на основе параметров заказов и ресурсов, в частности, приоритетов заказов. Изменяя данные параметры и запуская систему планирования несколько раз, можно получить несколько соответствующих вариантов производственного плана и затем выбрать наиболее предпочтительный план производства. Однако моделирование работы системы с различными параметрами может осуществляться и в автоматическом режиме. Фактически человек стремится найти такие варианты производственного плана, в которых небольшое изменение исходных параметров может привести к значительному улучшению результатов планирования, то есть, может быть достигнут наиболее выгодный динамический баланс интересов – трейд-оффов. С учетом требования оперативности систем составления производственных планов, а именно возможности реагировать на входящие события, ручное моделирование редко используется, что также сказывается на качестве производственного процесса.

Нельзя не отметить тот факт, что возможность программного продукта подстроиться к специфике выбранного предприятия с помощью добавления зависимостей, описания критериев повышает качество внедрения системы планирования. В этом смысле системы, которые предполагают небольшую доработку или расширение, выгодно отличаются от коробочных продуктов.