Отставание России по производительности труда от Евросоюза и США в ряде промышленных отраслей достигает тридцати раз, свидетельствуют данные, опубликованные на сайте Минэкономразвития. Удивительно, что большинство передовых отечественных предприятий сегодня уже модернизировали свои производственные мощности, закупили современное дорогостоящее технологическое оборудование, но... добиться роста производительности своей станочной системы так и не смогли. Между тем отставание эффективности российского производства от эффективности производства развитых капиталистических стран стремительно растет.
Практикуемые в СССР методы организации производства и повышения производительности труда были актуальны в прошлую эпоху стабильных условий существования предприятий, когда можно было корректно прогнозировать их деятельность на длительную перспективу, а производственные процессы в силу этого обстоятельства были возобновляемы с одними и теми же техническими и технологическими параметрами и стабильными временными циклами.
«Если у вас проблемы с планированием — значит, вы планируете себе проблемы...»
Любой грамотный руководитель мог бы подписаться под этими словами. Но вот что интересно: немногие российские топ-менеджеры готовы хотя бы себе признаться в том, что именно наличие систем оперативного планирования производства на западных предприятиях дает последним значительное конкурентное преимущество.
Базисом для обеспечения высокоэффективной работы любого промышленного предприятия является процедура календарного планирования производства, состоящая из четырех функциональных этапов:
1) объемно-календарное планирование (Master Production Schedule, MPS);
2) баланс производственных мощностей (Capacity Planning Problem, CPP);
3) расчет производственного расписания (Production Scheduling, PS);
4) группирование деталей и сборочных единиц (ДСЕ) и оборудования (Group Technology, GT).
Сегодня существует множество программных продуктов, позволяющих решать те или иные задачи из этого перечня. Например, первые два этапа планирования выполняются, как правило, системами класса ERP (Enterprise Resource Planning), этапы 3 и 4 реализуются средствами MES (Manufacturing Execution Systems). Хотя для второго и третьего этапов календарного планирования производства также успешно используют APS (Advanced Planning Systems).
На передовых отечественных предприятиях ВПК сегодня уже внедряются системы управления ресурсами предприятия (ERP), формирующие в автоматизированном режиме номенклатурные планы производства, программы для усовершенствованного планирования (APS) и исполнительные производственные системы (MES), повышающие эффективность использования станочной системы.
Интеграция различных систем привела к размыванию границ между ними. Следствием этого процесса стало нечеткое понимание, даже в среде ИТ-специалистов, функциональной специализации различных систем планирования и управления производством. Окончательный «вынос мозга», по-видимому, наступил в тот момент, когда производители ERP-систем стали заявлять, что их продукты теперь «легко решают» все MES-задачи, а производители MES-систем, в свою очередь, принялись убеждать представителей производства, что именно их системы пришли на смену «устаревшим» системам класса ERP. И все это на фоне повсеместных деклараций продавцов APS о том, что, оказывается, системы класса APS легко могут заменить как ERP, так и MES вместе взятые.
Планирование в ERP
/2013-05/05_13/13141620/Direktor_informacionnoj_sluzhby_(CIO.RU)_p38_1_(2067).png) |
| Рисунок 1 |
ERP-системы, по сути, не являются прямым инструментом планирования работ на предприятии. По прошествии десяти лет консультанты и пользователи наконец-то поняли, что ERP-система — это прежде всего корпоративная информационная система, система управления предприятием, своего рода кровеносная и нервная система промышленного организма, соединяющая его многочисленные органы, выполняющие определенные функции (документооборот, управление закупками, поставками, складскими запасами и пр.). О характере планирования работ, технологических операций для станков и других единиц технологического оборудования в ERP-системах можно сказать одной фразой — планирование в большинстве систем ведется на основе старого стандарта MRPII без учета текущей загрузки данного оборудования и состояния обработки изделий. То есть, по существу, любой детальный ERP-план будет практически невыполнимым.
Планирование на уровне ERP ограничивается лишь формированием месячного (декадного) номенклатурного плана производства. Корректировать такие планы оперативно не удается, вот почему их реализация предполагает строгую исполнительскую дисциплину во всех вовлеченных в производственную цепочку подразделениях предприятия.
Производство, контролируемое ERP, — это производство с определенным запасом «устойчивости» по отношению к возникающим отклонениям от составленного объемного плана. Вся тяжесть при этом ложится на исполнителей: «Как хочешь, но плановое задание к рассчитанному сроку выполни!» И, что особенно важно, ERP, выдав задание всем подразделениям, при возникновении потребности в корректировке планов не в состоянии с этим справиться, так как любой пересчет даст ту же картину общего задания — задания в объемах и номенклатуре, но не в детальных сроках по изделиям и операциям, что требуется для управления на уровне цехов. Пример формирования номенклатурного плана производства средствами ERP приведен на рис. 1. Если обрабатываемые детали условно изобразить в виде цветных кубиков, то наилучшей иллюстрацией такого плана будет некая «наваленная груда кубиков» — неупорядоченное множество заданий, с которыми, по мнению составителей плана, производственная система может и должна справиться. При этом не указывается, как именно и в какой последовательности должны выполняться в цехе эти задания.
Планирование в APS
/2013-05/05_13/13141620/Direktor_informacionnoj_sluzhby_(CIO.RU)_p38_2_(4903).png) |
| Рисунок 2 |
Усовершенствованное планирование (Advanced Planning & Scheduling, APS) — концепция производственного планирования, главной особенностью которой является возможность построения укрупненного расписания работы оборудования в рамках всего предприятия с учетом графика поставок и обеспеченности производства исходными материалами. Полученные средствами APS частные расписания производственных подразделений взаимосвязаны с точки зрения обработки изделия на этапе финальных операций (требование SCM — Supply Chain Management, управление цепочками поставок). Требования SCM в данном случае могут соблюдаться как в пределах предприятия (межцеховые расписания), так и в отношении внешних к предприятию поставок. Как правило, модуль APS состоит из трех основных компонентов:
1) прогнозирование сбыта и спроса (Sales and Demand Forecasting);
2) основной производственный план и общее планирование загрузки производственных мощностей (Master Production Scheduling & Rough-Cut Capacity Planning);
3) планирование производства и детальное планирование загрузки производственных мощностей (Production Planning & Finite Capacity Scheduling).
Как следует из перечисленных выше функциональных возможностей APS, основной задачей APS-систем является автоматизация управления цепочками поставок. Возможность планирования всех работ во времени с учетом загрузки мощностей имеет двойное назначение: она реализуется как для предприятия, выступающего объектом всей цепочки на динамичном рынке товаров, так и для объектов самого предприятия — цехов, участков и подразделений. Таким образом, возможности планирования в APS расширены и усовершенствованы относительно стандарта MRPII.
В APS производственные расписания строятся для всех подразделений предприятия. С учетом сроков поставок от партнеров, расписания для всех этих производственных структур всегда взаимоувязаны во времени, поскольку они получаются из общего расписания работы всего предприятия. Пример укрупненного производственного расписания, рассчитанного средствами APS-системы, приведен на рис. 2. Плановые задания на каждое рабочее место можно представить в виде упорядоченного множества разноцветных кубиков, каждый станок должен выполнять задания в строго определенной последовательности. Оперативность для APS — это возможность за кратчайшее время определить для того или иного заказа срок его изготовления. Оперативный диспетчерский контроль и коррекция текущих производственных расписаний от APS-систем, как правило, не требуются.
Алгоритм построения расписаний в APS достаточно прост и опирается, как правило, на весьма несложную эвристику: сначала планируют производство одной детали, потом — другой и т.д., до тех пор, пока производство всего множества деталей не будет спланировано. Оптимальность всего плана в целом может быть невысока, но надо отметить, что если требуется составить расписание для нескольких тысяч единиц оборудования, учитывая сотни тысяч операций, на месяц или полгода, то с этим фактом можно смириться. Особенно если учесть, что на последующем этапе за фактическую реализацию производственного расписания будут отвечать уже системы класса MES.
Как правило, системы класса APS не имеют в своем составе подсистемы технологической подготовки производства. Импорт технологических данных для расчета расписаний осуществляется из внешних САПР ТП.
Таким образом, упростив алгоритм построения расписания, разработчики APS дали возможность в пределах существующих вычислительных мощностей получать допустимые расписания и более-менее точно прогнозировать сроки поставок готовой продукции. При этом APS-системы не решают более сложных задач: например, минимизации в построенных расписаниях времен переналадок, транспортных операций, уменьшения количества задействованного оборудования и т. п. — поскольку решение этих задач неминуемо приведет к утяжелению алгоритмов и невозможности за кратчайшее время получать расписания для большого числа объектов. В связи с этим APS имеют на своем вооружении крайне ограниченный состав критериев планирования.
Планирование в MES
/2013-05/05_13/13141620/Direktor_informacionnoj_sluzhby_(CIO.RU)_p38_3_(4221).png) |
| Рисунок 3 |
MES (Manufacturing Execution Systems) используются для оперативного планирования и управления внутрицеховыми материальными потоками.
В отличие от APS-систем, MES-системы оперируют меньшими размерностями назначения — до 200 станков и 20 000 операций на горизонте планирования, который обычно составляет не более трех — десяти смен. Уменьшение размерности связано с тем, что в MES учитывается гораздо большее количество ограничений технологического характера. Еще одним отличием является то, что MES-системы обычно оперируют не одним или двумя критериями построения расписания, а зачастую несколькими десятками, что дает возможность диспетчеру цеха строить расписание с учетом различных производственных ситуаций. Только MES-системы оперируют так называемыми векторными, интегральными критериями построения расписаний, когда в один критерий собираются несколько частных критериев. При этом диспетчер, составляя расписание, может указать, что он хочет видеть 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 расписания является также прерогативой MES, поскольку пересчет может вестись с шагом по времени в одну минуту. Из этого не следует, конечно же, что каждую минуту рабочему будут выдаваться новые задания, но это означает, что все процессы в цеху контролируются в реальном времени, и это позволяет заранее предвидеть все возможные нарушения расписаний и вовремя принимать соответствующие меры.
Алгоритмы MES, используемые для оптимизации расписаний, хотя и базируются в большинстве случаев на эвристике, но, как правило, значительно сложнее и «умнее» алгоритмов APS. Вначале алгоритм MES находит допустимое решение с учетом всех ограничений и выбранного критерия (частного или интегрального). В дальнейшем, на этапе оптимизации, происходит поиск лучшего расписания. Конечно, полученное расписание также не является оптимальным в полном смысле слова. Поиск оптимума в таких задачах всегда сопровождается значительными затратами времени (MES-системы строят расписания за время от нескольких секунд до нескольких минут на современной технике), но полученные при этом расписания, как правило, уже намного ближе к оптимуму, нежели расписания, построенные APS-системами.
В ряде случаев MES могут составлять расписания не только для станков, но также для транспортных средств, бригад наладчиков и других обслуживающих устройств. Не по силам каким-либо другим системам такие особенности планирования, как формирование технологических сборов, планирование выпуска изделий с параллельным планированием изготовления требуемого комплекта оснастки (приспособлений, уникального инструмента).
MES-системы при выполнении заданий опираются на принцип расчета и коррекции производственных расписаний по фактическому состоянию производства. Эти системы достаточно чутко реагируют на отклонения во времени выполнения технологических операций, на непредвиденный выход из строя оборудования, на появление брака в процессе обработки изделий и другие возмущения внутреннего характера. На рис. 3 приведен пример коррекции текущего расписания средствами MES. «Цветные кубики», символизирующие выполняемые плановые задания для каждого рабочего места, могут при необходимости меняться местами в течение производственного процесса. Наличие обратной связи от рабочих мест к оптимизационному модулю MES позволяет оперативно изменять приоритеты заданий, то есть переставлять их в очереди на выполнение, не выходя за пределы цеха.
Вновь поступившие в тот или иной цех задания от APS-системы пересматриваются MES-системой. Задача MES — коррекция нового плана-графика работы оборудования в соответствии с конкретными условиями цеха. MES на оперативном интервале времени корректирует расписание работ, полученное от APS, с учетом того критерия, который является наиболее актуальным для данного цеха в текущий момент времени. При этом даты выпуска вновь поступивших в обработку деталей и сборочных единиц (ДСЕ), определенные ранее APS-системой, для MES-системы являются директивными. Можно выпустить эти ДСЕ раньше, пересмотрев расписание цеха, но нельзя выпускать позже срока, рассчитанного APS-системой. Причина этого директивного начала со стороны APS кроется в том, что сроки сдачи, рассчитанные APS, включены в номенклатурный план на уровне ERP и согласованы с заказчиком.
В результате коррекции производственного расписания в MES формируются подробные сменно-суточные задания на рабочие места, а также составляются для всех ДСЕ оперативные маршрутные карты с указанием сроков начала и завершения каждой технологической операции с ее привязкой к конкретному инвентарному номеру станка.
В отличие от систем классов ERP и APS, системы MES являются предметно ориентированными — для машиностроения, деревообработки, полиграфии и пр. Поэтому они максимально полно отражают особенности технологии конкретных производственных процессов и зачастую включают в себя развитые средства поддержки технологической подготовки того или иного типа производства.
В чем же разница?
Подводя краткий итог сказанному, обратим внимание на существующие функциональные различия в рассмотренных системах планирования производства.
ERP-система выполняет объемно-календарное планирование (MPS), попутно решая задачу баланса производственных мощностей (CPP). Наглядно эту ситуацию можно себе представить как формирование для цеха неупорядоченного набора заданий, которые производство должно успеть выполнить к концу горизонта планирования.
APS-система уточняет рассчитанные в ERP плановые задания, распределяя (оптимизируя) их по рабочим местам. На этом этапе возможно внесение коррекций в исходный MPS. Поскольку последовательность этих заданий, как правило, зависит от вовлеченной в контур планирования цепочки поставок материалов и комплектующих (SCM), то нарушать эту последовательность внутри цеха уже нельзя без риска разрушить основной производственный план.
MES-система за счет возможностей многокритериальной оптимизации позволяет, варьируя приоритеты различных заданий, решить задачу максимизации скорости их прохождения через рабочие места. При этом допускается не только переупорядочение заданий, но и перераспределение некоторых из них на другие взаимозаменяемые рабочие места. Отметим, что на MES-уровне никаких изменений в общий производственный план вносить нельзя.
Читатель может наглядно увидеть указанную разницу, сравнив расположение «цветных кубиков» (плановых производственных заданий на рабочие места) на приведенных рисунках.
Но проблемы остаются...
Евгений Фролов, профессор кафедры информационных технологий и вычислительных систем МГТУ «СТАНКИН», зав. лабораторией исполнительных производственных систем ИКТИ РАН, Москва; fobos.mes@gmail.com.