MES生产调度设计.docx

基于网络计划技术的MES生产调度设计与实现

鲁灵惺
王永志

摘要：网络计划技术是目前比较盛行的一种现代生产管理的科学方法，它能可视化地再现企业生产中各活动之间的约束关系，很容易地对生产过程进行优化，在此技术基础上，能快速形成对生产过程的监控。制造执行系统（Manufacturing Execution System，简称MES）是通过信息传递，对从订单下达到产品完成整个的生产过程进行优化管理的信息系统。本文介绍了网络计划技术的基本原理，阐述了基于网络计划技术的、骏威MES套件中生产调度的设计与实现。

关键词：网络计划；MES；生产调度；可视化；最优工序路径。

在市场竞争非常激烈的当今，各企业都把信息化建设作为提升本企业核心竞争力的手段。越来越多的企业在上了ERP系统的同时，也开始着手规划实施MES系统，以加强对本企业生产过程的精细化管理。但在企业生产计划与调度中，由于多品种、小批量的生产，以及各种因素的不断变化，需要对生产计划随时进行调整，这就对MES系统在生产调度功能方面提出了很高的要求。
网络计划技术不仅能表示出企业生产活动中各项工作、时间以及它们之间的相互关系，而且调节非常方便和快速，再结合先进的IT技术，可实现企业生产调度业务的可视化优化管理。
1 网络计划理论原理
网络计划技术是目前比较盛行的一种现代生产管理的科学方法其 基本原理是将拟定进行的工作，按其各项具体任务的先后顺序，通过网络图的形式对整个项目进行全面规划，达到以最少的时间和资源消耗来完成整个系统的预定目标，取得最好的经济效益。网络计划图如图1所示：

图1
注：上图中，节点 、、、、、、，表示各工作之间的联系，即表示一项工作的开始和结束；箭线 A、B、C、D、E、F、H、I，表示一项工作（工序、作业、活动），其中 F为虚工作；箭线下方表示的是此项工作所用时间。

此项工作的各项子工作与所需时间以及它们之间的相互关系如表1所示：
表 1

下面是基于网络计划图，计算关键路径（工作）、优化资源所需的参数：
作业时间（Tij）：为完成一项工作所需的时间。
节点最早时间（TjE）：该节点后各工作的最早开始时间，表示为：TjE = {TiE + Tij}
式中：TiE ，TjE 分别是节点 i , j 的最早时间，节点 i ,j 分别是工作 i-j 的箭尾节点和箭头节点。
节点最迟时间（TiL）：该节点前各工作的最迟完成时间，表示为：TiL = {TjL- Tij }
式中：节点 i, j 分别是工作 i-j 的箭尾和箭头节点。
工作最早开始时间（TijES）：它是指一项工作在满足紧前工作逻辑关系约束和计划的其他约束的条件下有可能开始的最早时间。其表示为：
TijES =｛ ThiES + Thi｝
式中：ThiES—— 工作 i–j 的紧前工作h–j 的最早开始时间。
Thi—— 工作 i–j 的紧前工作 h–i 的作业时间
工作最迟开始时间（TijLS）：是指在不影响整个任务按期完成的条件下，本工作必须最迟开始的时间。其表示为：
TijLS = ｛TjkLS｝－Ｔij
总时差（ＦijT）：是指在不影响总工期的前提下，工作所具有的机动时间。其表示有两种：
采用节点计算法时，总时差可表示为：FijT = TjL-TiE-Tij
采用工作计算法时，总时差可表示为：FijT = TijLS- TijES

自由时差（FijF）：是指从本工作的最早开始时间至各紧后工作最早开始时间范围内，本工作可以灵活机动使用的时间。其表示有两种：
采用节点计算法时，自由时差可表示为：FijF = TjE – TiE – Tij
采用工作计算法时，自由时差可表示为：FijF = {TjkES} – TijES – Tij
式中 工作 j–k 是工作 i–j 的紧后工作。
关键路径的确定：
首先阐述关键工作概念，即没有任何时间可资利用的工作，也就是总时差为零或为负值的工作。任何关键工作的拖延而不能补救时，都将延误工期。
网络计划的路径是连接起点节点至终点节点的一系列箭线和首尾衔接处的节点组成的一条通路。关键路径也就是自起点节点至终点节点而由关键工作所连接起来的线路。在关键路径上没有任何可以机动使用的时间。
确定关键路径有两种常用方法：
一种是利用关键工作确定关键路径：即把所有总时差为 0 或为负值（或最早开始时间等于或小于最迟开始时间）的工作首尾相接连接起来，构成一条线路，即为关键路径。
另一种是利用关键节点确定关键路径：即把起点节点——关键节点（指最早时间与最迟时间相等的节点）——终点节点所连接而成的线路。

2 基于网络计划技术MES生产调度的实现
MES上承ERP、下接控制系统，对从订单下达到产品完成整个的生产过程进行优化管理。其重要使命就是实现企业的连续信息流协调和控制整个生产过程中的材料、人员、能源和设备，从而优化作业，降低成本，提高质量，缩短制造周期。
骏威MES套件产品是骏威立达科技发展有限公司推出的一套可视化的企业信息化管理系统，是遵循MES规范、ERP规范并覆盖企业车间工位级的系统。该套件以生产现场的生产数据采集、生产计划与监控、全面质量管理为核心，构建生产过程的信息化和可视化，强调产品制造过程的整体优化和细化，方便企业的业务流程快速重组与管理水平持续提升。
生产调度系统是骏威MES套件的重要组成部分，其以网络计划技术为理论基础，结合先进的IT技术，利用网络计划图进行导航，对企业的生产计划业务进行全面管理。该系统利用网络计划图实现了集团级、工厂级、车间级、工段级的多级生产计划以及任务分解、任务分派、任务相互约束以及生产情况逐层归总等功能；实现了生产计划制定（年度计划、月度计划、每日生产计划）、工作日设置、各工序的每日物料清单管理、生产月度结转、工序完工票管理；实现了对工序每日生产情况自动汇总和分析（生产日报、生产进度表、生产动态表、日产和均衡率的计算、生产计划能力分析、工作中心负荷报告、工作中心负荷图）；实现了对生产计划的完成情况进行实时监视，对超动态的工序予以提醒，对掉动态的工序予以报警等。
基于网络计划技术的骏威MES生产调度系统，目前适用于所有离散型行业的生产调度。本文以铁路货车产品的生产计划数据为例进行阐述
2.1 工艺路线及工序创建
根据企业生产情况，首先创建工艺路线（流水线）节点及各工序节点，再设置工序属性参数（如初始的工序生产周期确定），定义在工艺路线上需要采集的加工工艺参数，工序所属单位可灵活调整。

图2
2.2 生产网络计划的制定
可视化地制定生产网络计划图，在图中进行图线的拖拉、连线等操作，可定义一道工序的上道工序、下道工序及工序节点，可制定集团级、工厂级、车间级、工段级等多级生产计划及其间的约束关系。网络图上所有的图形可放大、缩小、移动。选中某一工序，点击图形上面工具栏的相应功能按钮，可查询相应工序的生产进度、子网络计划图等信息。

图3
2.3 分层生产调度以降低风险
网络计划技术可方便地实现企业生产多层计划、调节以及生产完成信息逐层归总。针对企业内外部供应链的风险，可以利用网络计划技术进行分层管理，分层规避风险（工厂级——大工序、车间级——小工序、配件级——分支子工序），形成工厂保合同、车间保工厂、配件生产供应保组装车间的层级管理格局。

2.4 关键工艺路线的确定
以各工序实时有效的生产周期，根据网络计划理论的算法，可快速确定生产中的关键路径。负责企业生产调度的管理者必须随时监视关键工艺路线上各工序的生产情况，一旦出现异常，必须立即给予协调及解决，生产进度才会得到有力的保障。快速确定了生产中的关键路径，就可方便地对生产过程进行工期优化、费用优化与资源优化。
生产调度员可随时监视关键路径的变化，发现生产瓶颈的变化情况。关键路径受网络图中工序周期的影响，骏威MES生产调度系统智能地对各工序的历史生产数据按照相应的算法，计算出各工序当时的被生产零部件的有效生产周期；另外，工序有所调整时，关键工艺路线也会随之而变。
铁路货车加工生产计划网络图见图4。

图4
注：红色线路表示算出的关键路径
2.5 生产完成信息的采集
对车间现场流水线上各工序的生产信息在各工位上以工作人员手工录入（工序完工票）、条码设备输入或终端自动化设备直接导入等多种方式和手段进行采集。在数据进入系统时自动进行全面校核（一次输入二次校核），并辅之以工序间及流程上的互控，保证生产数据来源的实时性、全面性、真实性，保证车间生产的物流与信息流一致。
2.6 现场生产监视
在网络计划图上，选中工序，点击现场生产情况监视按钮，可实时监视各生产流水线、各工序当日生产完成情况（生产数据自动刷新时间间隔可达1秒）。有条件的企业，可在车间生产现场安装摄像头，生产现场就会作为网络计划图的背景出现在用户面前。
若企业有条件，还可在车间现场安装摄像头，可远程监视生产现场。

图5
在网络计划图上，选中某一工序，点击生产进度按钮，可查询此工序本月的生产进度。

图6

2.7 生产异常情况报警
对生产情况进行可视化的分析管理，由生产网络计划图进行导航，对超动态（超额生产）的工序给予提醒，对掉动态（未完成生产任务）的工序给予报警等。
图7中，“钻12孔工序”未完成当时生产任务，以红色报警；“支点座焊接工序”超额完成任务，以绿色给予提示（注：超额完成任务，也是浪费生产资源）。

图7
3 结束语
网络计划技术应用于具有中国特色的企业生产管理中，具有特别重大意义。ERP和JIT均是以整合内外部供应链为前提，生产计划按提前期的概念从流水线的最后一道工序向前层层展开，生产计划的刚性较强，因此在JIT生产中有一种拉停机制。而我国的传统制造企业特别是国有企业，还没有进行内外部供应链的整合，企业与其供应方还是纯粹竞争关系，而不是共赢的战略合作伙伴关系。这种格局导致配件、原材料的供货周期和质量都不能得到稳定保证。这样，企业的生产计划就不得不根据外部供应情况和内部制造状况经常进行调整。在这种状况下，企业如何针对内外部的变化，合理迅速地对计划进行调整，对变化快速响应，就给了网络计划技术施展作用的空间。

本系统实现了Web方式的基于网络计划技术的企业生产调度功能,对企业生产过程进行可视化管理，以达到用最少的时间和资源消耗来完成预定目标，取得最好的经济效益。

参考文献：
[1] 王永具 运筹学——规划论及网络. 北京：清华大学出版社，1993
[2] 张莹 运筹学基础 北京：清华大学出版社，1994
[3] 汤代焱 管理运筹学 北京：湖南大学出版社，1997

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