第10章-生产作业计划与控制.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,华东理工大学商学院,化学工业出版社,运营管理,Operations Management,范体军,主讲,:,李淑霞,常香云,第十讲,:,生产作业计划与控制,一、引言,二、生产作业计划,三、生产作业控制,四、最优生产技术,五、制造执行系统,一、引言,生产作业计划与控制的意义,生产作业计划与控制的内容,体系结构,经营目标,综合生产计划,（生产大纲）,主生产计划,（,MPS）,物料需求计划,（,MRP）,自制件投入出产计划,外购件需求计划,能力,需求计划,粗能力,需求计划,战略层,管理层,操作层,预测,现有资源,车间生产作业计划,作业统计与控制,采购订单,供货单位信息反馈,库存状,态文件,产品结,构文件,控制层,计划层,分解战术层,生产计划,平衡能力,与负荷,协调资源,与任务,生产任务,静态排序,生产任务,动态调度,资源实时,动态分派,执行设备,系统状态实时数据采集,数据分析,与计划状态存在偏差,PAC,决策支持,作业,计划层,生产,调度层,生产,活动,控制层,存在严重偏差,反馈至战术层,否,是,二、生产作业计划,基本概念,作业排序的方法,机器,：,表示“提供服务者”。如机床、维修工、工作地等,工件,：,表示“接受服务者”，或“服务对象”。如一个零件、一批零件、作业(,Job),等,加工路线/工艺路线,：,工件加工在技术上的约束，由工件加工的工艺过程所决定,加工顺序,：,每台机器(共,m,台)加工,n,个工件的先后顺序,（正是作业排序所要解决的问题）,1.,基本概念,（,1,）基本术语,作业排序(,Sequencing),：,确定工件在机器上的加工顺序。,作业计划编制/排产(,Scheduling),：,不仅要确定工件的加工顺序，而且还包括确定机器加工每个(批)工件的开始时间和完成时间。正向排产(,Forward Scheduling)、,反向排产(,Backward Scheduling),派工(,Dispatching),：,按作业计划的要求，将具体的生产任务安排到具体的机床上加工。,调度(,Scheduling),：,执行生产计划控制才采取的具体行动。“派工”属于“调度”的范围，“调度”属于“控制”的范围。,控制(,Controlling),：,保证生产进程按计划执行，或当实际的生产进度偏离生产计划，或出现例外事件时所采取的行动。“调度”是实行“控制”所采取的行动之一。,外延：控制,调度 派工；排产 排序,（,2,）作业排序问题分类和表示法,分类,按领域,：生产作业排序,VS,劳动力作业排序,按工件到达,：静态排序,VS,动态排序,按参数,：确定型排序,VS,随机型排序,按目标函数,：单目标排序,VS,多目标排序,按机器数量,：单台机器排序,VS,多台机器排序,按工艺路线,：单件作业排序(,Job-shop),VS,流水作业排序,(Flow-shop),排序问题表示方法：,n,/,m,/,A,/,B,n,工件数,m,机器数,A,车间类型（,F,：,流水作业排序问题；,P,：,流水作业排列排序问题(,Permutation,)；,G,：,单件作业排序问题）,B,目标函数，通常为最小化,例如：,n,/3/,P,/,C,max,表示：,n,个工件在,3,台机器上加工的流水作业排列排序问题,目标函数是使最长完工时间,C,max,最短,。,调度问题的表示法,代数形式,图论形式,（,3,）假设条件和符号说明,一个工件不能同时在几台不同的机器上加工；,每台机器同时只能加工一个工件；,工件在加工过程中采用,平行移动方式,（即当上道工序完工后立即送至下道工序加工）；,不允许中断（一个工件一旦开始加工必须一直进行到完工，不得中途插入其它工件）；,每道工序只在一台机器上完成；,工件数、机器数和加工时间已知，加工时间与加工顺序无关。,符号说明,J,i,工件,i,i,=1,2,n,M,j,机器,j,j,=1,2,m,p,ij,J,i,在,M,j,上的加工时间,J,i,的总加工时间,P,i,=,p,ij,w,ij,J,i,在,M,j,上加工之前的等待时间,J,i,的总等待时间,W,i,=,w,ij,r,i,J,i,的到达时间,J,i,从外部进入车间，可以开始加工的最早时间,d,i,J,i,的完工期限,C,i,J,i,的完工时间,C,i,=,r,i,+,(,p,ij,+,w,ij,)=,r,i,+,P,i,+,W,i,C,max,作业最长完工时间,C,max,=,max,C,i,F,i,J,i,的流程时间,F,i,=,C,i,r,i,=,P,i,+,W,i,F,max,作业最长流程时间,F,max,=,max,F,i,a,i,J,i,的允许停留时间,a,i,=,d,i,r,i,L,i,J,i,的延迟时间,L,i,=,C,i,d,i,=,r,i,+,P,i,+,W,i,d,i,=,F,i,a,i,(+/,/0),L,max,作业最长延迟时间,L,max,=,max,L,i,（,4,）作业排序方案的评价标准,满足顾客交货期或者下游工序的交货期。,最长流程时间最短（全部完工时间最短、加工周期最短）。,延迟最小（顾客等待时间最小）。可以用时间表示，也可以用工件数表示。,在制品库存最小。可以用工件数、货币价值表示。,利用率最大。机器的有效生产时间占总工作时间的百分比。,总成本最小。综合考虑在制品库存、加工成本与加工时间。,2.,作业排序的方法,(1),工艺导向的排序方法,工艺导向的工作环境,(,又称间歇性或单件车间环境,),是产出品种多、数量少，在生产和服务组织中较多采用的系统。,它是一个按订货来制造产品的生产系统。,生产的各产品在使用的物料、操作顺序、操作要求、操作时间及生产准备要求等方面有很大差异，排序会十分复杂。,(1),工艺导向的排序方法（续）,对未来订货生产的排序应不违背每个工作中心的生产能力限制。也就是说，应该进行有限负荷,(Finite Loading),排序。,在分配一项订货给一部门前，要检查一下所需工具及物料的供给情况。,确定每件工作的到期时间并检查一下相对所需日期及订货生产时间的工作进度。,当各工作流经车间时检查进展中的工作情况。,提供关于工厂及生产活动的反馈信息。,提供生产效率统计及检查生产时间，为工资及劳动力分配分析提供依据。,(2),工作中心导向的排序方法,n,/1,问题排序,n,/1,问题是,n,项作业的单机排序。可以采用规则调度方法来排序。,规则名,英文全名,含义,适用目标,SPT,Shortest Processing Time,优先选择加工时间最短的工序,WIP,最少（平均流程时间最短）,FCFS,First Come First Served,优先选择最早进入可排工序集合的工序,公平对待工件,EDD,Earliest Due Date,优先选择完工期限最紧的工件,保证交货期（工件最大延迟时间最小）,MWKR,Most Work Remaining,优先选择余下加工时间最长的工件,工件完工时间尽量接近,LWKR,Least Work Remaining,优先选择余下加工时间最短的工件,工作量小的工件尽快完成,MOPNR,Most Operations Remaining,优先选择余下工序数最多的工件,与,MWKR,类似（主要减少转运排队时间）,SCR,Smallest Critical Ratio,优先选择临界比最小的工件,工件允许停留时间,/,工件余下加工时间,RANDOM,Random,随机地挑选一个工件,(2),工作中心导向的排序方法,n,/2/,F,/,F,max,问题排序，如,Johnson,算法,n,/,m,/,P,/,F,max,问题排序，如,CDS,法,Johnson,算法,Johnson,法则,：,如果,min(,p,i,1,p,j,2,),p,i,2,的工件按,p,i,2,不增的顺序排成一个序列,B。,将,A,放到,B,之前，就构成最优加工顺序。,A=2,5,6,1,B=4,3,S,=A+B=2,5,6,1,4,3,最长流程时间,F,max,的计算,设：,n,个工件的加工顺序为,S,=(,S,1,S,2,S,i,S,n,),Cs,i,m,k,表示工件,S,i,在机器,M,k,上的完工时间,（,i,=1,2,n,),ps,i,m,k,表示工件,S,i,在机器,M,k,上的加工时间,（,k,=1,2,m,),则：,Cs,i,m,1,=Cs,i-,1,m,1,+ps,i,m,1,Cs,i,m,2,=,max,Cs,i,m,1,，,Cs,i-,1,m,2,+ps,i,m,2,Cs,i,m,k,=,max,Cs,i,m,k-,1,，,Cs,i-,1,m,k,+,ps,i,m,k,Cs,n,m,m,=,max,Cs,n,m,m-,1,，,Cs,n-,1,m,m,+,ps,n,m,m,递推公式,当,r,i,=0,时（,i,=1,2,n,)：,F,max,=,Cs,n,m,m,(,即排在末位加工的工件在车间的停留时间,),S,=(,S,1,S,2,S,i-,1,S,i,S,n,),m,k-,1,m,k,m,m,m,1,ps,i,m,k,Ps,i,m,k,-1,ps,i,m,1,ps,i,m,m,Cs,i-,1,m,k,Cs,i-,1,m,k-,1,Cs,i-,1,m,1,Cs,i-,1,m,m,Cs,i,m,k,Cs,i,m,k-,1,Cs,i,m,1,Cs,i,m,m,Cs,i,m,k,=,max,Cs,i,m,k-,1,，,Cs,i-,1,m,k,+,ps,i,m,k,本工件在上工序机器上的完工时间,前工件在本机器上的完工时间,算例,有一个,6/4/,P,/,F,max,问题，加工时间矩阵如下表。当工件的加工顺序为,S,=(6,1,5,2,4,3),时，求最长流程时间,F,max,。,i,1,2,3,4,5,6,p,i,1,4,2,3,1,4,2,p,i,2,4,5,6,7,4,5,p,i,3,5,8,7,5,5,5,p,i,4,4,2,4,3,3,1,加工时间矩阵,解：,i,6,1,5,2,4,3,p,i,1,2(2),4(6),4(10),2(12),1(13),3(16),p,i,2,5(7),4(11),4(15),5(20),7(27),6(33),p,i,3,5(12),5(17),5(22),8(30),5(35),7(42),p,i,4,1(13),4(21),3(25),2(32),3(38),4(46),顺序,S,=(6,1,5,2,4,3),时的加工时间矩阵,F,max,=max(38,42)+4=46,本工件在前机器上的完工时间,前工件在本机器上的完工时间,CDS,法,将,Johnson,算法用于一般,n,/,m,/,P,/,F,max,问题求解。,具体做法：,对前述算例用,CDS,法求解,当,l,=1,时按,Johnson,算法得到加工顺序：(1，2，3，4),F,max,=28,当,l,=2,时按,Johnson,算法得到加工顺序：(2，3，1，4),F,max,=29,取顺序（1，2，3，4）,i,1,2,3,4,l,=1,p,i,1,1,2,6,3,p,i,3,4,5,8,2,l,=2,p,i,1,+p,i,2,9,6,8,12,p,i,2,+p,i,3,12,9,10,11,其他启发式算法,随机抽样法,概率调度法,三、生产作业控制,引言,甘特图,输入,/,输出控制,引言,实行生产控制的原因和条件,不同生产类型生产控制的特点,生产控制的主要功能,2.,甘特图,作业进度图,2.,甘特图,甘特机器图,3.,输入,/,输出,(Input/Output control,I/O),控制,输入,/,输出控制，也称投入,/,产出控制，是指对工作中心的作业流和序列程度进行控制。,主要原则：工作中心的输入永远不能超过工作中心的输出。,目的：分析输入与输出之间的差异，找到问题的来源，采取适当的控制措施。,四、最优生产技术,最优生产技术,(Optimized Production Technology,OPT),是由以色列物理学家,Eli,Goldratt,于,70,年代末首创的。,OPT,最初被称作最优生产时间表,(Optimized Production Timetable),，,20,世纪,80,年代才改称为最优生产技术。后来，,Goldratt,又进一步将它发展成为约束理论,(Theory of Constraints),。,OPT,的倡导者强调，任何制造企业的真正目标只有一个，即在现在和将来都能赚钱。要实现这个目标，必须在增加产销率的同时，减少库存和运行费。,OPT,的基本思想是识别企业的瓶颈资源,/,非瓶颈资源，生产管理与控制基于瓶颈资源（约束）。,OPT,九条原则,主张平衡物流，而不平衡能力。,非瓶颈资源的利用程度不取决于其自身潜力，而是由系统的约束决定的。,资源的“利用”,(Utilization),和“活力”,(Activation),不是同义词。,瓶颈上一小时的损失就是整个系统一小时的损失。,非瓶颈资源获得的一小时毫无意义，因为只能增加一小时的闲置时间。,瓶颈控制了库存和产销率。,转运批量可以不等于（在许多时候应该不等于）加工批量。,加工批量应是可变的，而不是固定的。,安排作业计划应同时兼顾所有的约束，提前期是作业计划的结果，而不应是预定值。,OPT,计划与控制的,DBR,实现,识别瓶颈。,基于瓶颈约束，建立产品出产计划。,通过“绳索”控制进入非瓶颈的物料，保持生产的均衡。,OPT,与,MRP,的集成,五、制造执行系统,1.,MES,是什么？,MES,是“,Manufacturing Execution System,”,的英文缩写,，,中文翻译为“制造执行系统”,、,“生产实施系统”等。,简单地讲，,MES,是面向车间的生产过程管理与实时信息系统。它主要解决车间生产任务的执行问题。,MES,发展大事记,20世纪80年代末，,美国先进制造研究机构(,AMT),首先提出,MES,的概念；,1992年，美国成立以宣传,MES,思想和产品为宗旨的贸易联合会,MES,国际联合会（,MESA International）；,1997,年，,MESA,发布修订后的,6,个关于,MES,的白皮书，对,MES,的定义与功能、,MES,与相关系统间的数据流程、应用,MES,的效益、,MES,软件评估与选择以及,MES,发展趋势等问题进行了详尽的阐述；,1999年，美国国家标准与技术研究所（,NIST）,在,MESA,白皮书的基础上，发布有关,MES,模型的报告，将,MES,有关概念标准化。,MES,的定义,美国先进制造研究机构(,AMR,)：,MES,是位于上层计划管理系统与底层工业控制之间、面向车间层的管理信息系统。它为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等)的当前状态信息。,MES,国际联合会(,MESA International,)：,MES,是一些能够完成车间生产活动管理及优化的硬件和软件的集合，这些生产活动覆盖从订单发放到出产成品的全过程。,它通过维护和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。,Michael McClellan,(,曾任,MESA,主席)：,MES,是一个集成的计算机化的系统，它是用来完成车间生产任务的各种方法和手段的集合。,2.MES,产生的背景,车间层生产管理系统本身发展的需要,MRPII/ERP,进一步发展的需要,其它先进制造及管理模式发展的需要,相关技术的发展为,MES,提供了技术支撑,在,MES,出现之前,车间生产管理依赖若干独立的单一功能软件，如车间作业计划系统、工序调度、工时管理、设备管理、库存控制、质量管理、数据采集等软件来完成。这些软件之间缺乏有效的集成与数据共享，难以达到车间生产过程的总体优化。,为了提高车间生产过程管理的自动化与智能化水平，必须对车间生产过程进行集成化管理，实现信息集成与共享，从而达到车间生产过程整体全局优化的目标。,（1）车间层生产管理系统本身发展的需要,MRPII/ERP,强调企业的计划性，好的计划应该建立在实时、准确、全面信息的基础之上。,MRPII/ERP,无法及时获取车间生产现场的实时信息，造成“生产计划”与“生产信息”不同步，使得计划的合理性大打折扣。,因此，必须把“生产”与“计划”实时关联起来。但,MRPII/ERP,本身无法直接与生产现场的控制层相联系，作为连接两者的桥梁，,MES,应运而生。,（2）,MRPII/ERP,进一步发展的需要,MES,填补了计划与控制之间的鸿沟,计算机集成制造系统（,CIMS）：,对车间层制造过程及管理自动化以及与其它分系统集成的需求；,JIT/,精益生产：,对生产现场实施“零库存”控制的需求；,网络化制造：,对车间生产过程及数据管理信息化、集成化、网络化的需求；,敏捷制造：,对车间生产过程集成化、智能化、柔性化的需求。,（3）其它先进制造与管理模式发展的需要,计算机网络、数据库及计算机软件技术的发展,：,Internet/Intranet/LAN/Field Bus/MAP，,大型分布式数据库，分布式对象计算、软总线及组件技术等；,自动控制与传感检测技术：,PLC/DCS/SCADA，,智能仪表，数字传感器，网络数控技术等；,计算机辅助生产管理技术的普及与发展：,生产计划与控制，设备管理，工具管理，质量管理与控制，过程管理及工作流技术等。,（4）相关技术的发展为,MES,提供了技术支撑,3.MES,的功能与作用,Controls,车间设备控制,SCM,供应链,管理,MRPII/ERP,企业资,源规划,SSM,服务销售,管理,MES,制造执行系统,P/PE,产品及,工艺设计,MES,定位及功能模型,MES,功能概述,序,功能项目,英文全称,功能概述,备注,1,资源分配与状态,Resource Allocation and Status,管理车间资源状态及分配信息,MESA/NIST,2,操作/详细调度,Operations/Detail Scheduling,生成操作计划，提供作业排序功能,M/N,3,分派生产单位,Dispatching Production Units,管理和控制生产单位的流程,M/N,4,文档管理,Document Control/Specification Management,管理、控制与生产单位相关的记录,M/N,5,数据采集/获取,Data Collection/Acquisition,采集生产现场中各种必要的数据,M/N,6,人力管理,Labor Management,提供最新的员工状态信息,M/N,7,质量管理,Quality Management,记录、跟踪和分析产品及过程特性,M/N,8,过程管理*,Process Management,监视生产，纠偏或提供决策支持,MESA,9,维护管理,Maintenance Management,跟踪和指导设备及工具的维护活动,M/N,10,产品跟踪和谱系,Product Tracking and Genealogy,提供工件在任意时刻的位置及其状态信息,M/N,11,性能分析,Performance Analysis,提供最新的实际制造过程及对比结果报告,M/N,12,物料管理*,Material management,管理物料的运动、缓冲与储存,NIST,MES,功能详解,资源分配与状态：,该功能跟踪资源状态并维护一个详细的历史记录。它保证设备能够适时地安装调整以及其它资源（如文档）能够及时获取。,对上述资源的管理包括对操作/详细调度功能的支持。,操作/详细调度：,提供基于优先级、属性、特性以及制造方法与工艺等的作业排序功能，,负责生成工序计划（即详细计划）以满足用户定义的运行目标。,分派生产单位：,根据生产计划和详细排程，指导作业、订单、批次、工作指令等形式的生产单位的工作流程。以适当的顺序分派信息，使在正确的时间到达正确的地点。它具有变更预定排程/生产计划、以及通过缓冲管理来控制在制品数量的能力。,文档管理：,控制、管理与交付与生产单位关联的信息包，包括工作指令、制造方法、图纸、标准操作规程、零件加工程序、批次记录、工程更改通知以及交班信息等。它支持编辑预定信息和维护文档历史版本。,数据采集/获取：,获取和更新用于产品跟踪、维护生产历史记录以及其它生产管理功能的生产信息。它可使用扫描仪、输入终端、与制造控制者的软件界面以及其它软件等方式相结合来完成上述功能。它以手工或自动方式在车间采集最新的数据。,人力管理：,提供最新的人员状态信息，包括时间和出勤记录、资质跟踪以及追踪起其间接活动的能力。它与资源分配进行交互以确定最优的人员分派。,质量管理：,及时提供产品和制造工序测量尺寸分析以保证产品质量控制，并辨别需要引起注意的问题。它可推荐一些矫正问题的措施。也可以包括,SPC/SQC,跟踪、离线检测操作以及在实验室信息管理系统(,LIMS),中分析。,过程管理：,监视生产过程，自动纠偏或为操作者提供决策支持以纠正和改善在制活动,。,它可包括报警管理。可能通过数据采集/获取提供智能设备与,MES,的接口。,（,NIST,认为过程管理活动已在分派与质量管理中描述；,MESA,将其单列，是因为该活动可能由一个单独的系统来执行）,维护管理：,跟踪和指导设备及工具的维护活动以保证这些资源在制造进程中的可获性，保证周期性或预防性维护调度，以及对应急问题的反应（报警）,，,并维护事件或问题的历史信息以支持故障诊断。,产品跟踪和谱系：,提供所有时期工作及其处置的可视性。其状态信息可包括：谁在进行该工作；供应者提供的零件、物料、批量、序列号；任何警告、返工或与产品相关的其它例外信息。其在线跟踪功能也创建一个历史记录，该记录给予零件和每个末端产品使用的可跟踪性。,性能分析：,提供实际制造操作活动的最新报告，以及与历史记录和预期经营结果的比较。运行性能结果包括对诸如资源利用率、资源可获取性、产品单位周期、与排程表的一致性、与标准的一致性等指标的度量。,物料管理：,管理物料（原料、零件、工具）及可消耗品的运动、缓冲与储存。这些运动可能直接支持过程操作或其它功能，如设备维护或安装调整。,（该功能为,NIST,所追加，它认为上述物料管理活动与资源分配和跟踪功能的关系并不明确）,