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基于MES系统的精益生产计划与控制模型研究

2020/12/9    来源:互联网    作者:鲁玉军  金倩倩      
关键字:MES  制造资源计划  准时化生产  瓶颈理论  精益生产计划  
为适应多品种、小批量、混流生产模式,构建基于MES系统的、MRPII、JIT、TOC集成的生产计划与控制模型。在生产计划层面,综合考虑MRPII、实际订单、TOC“瓶颈”约束,制定生产计划。

一、引言

    现今,日趋激烈的市场竞争,以及客户对产品呈现爆炸性的多样化要求,使企业必须实现从少品种、大批量,到多品种、变批量、混线生产模式的转变,要求企业实行更高柔性和敏捷性的生产计划和控制系统。但是,目前被广泛应用的JIT(Just In Time,准时化生产)、MRPII(Manufacturing Resource Planning,制造资源计划)、TOC(Theoryof constraints,瓶颈理论)这3种生产计划和控制方式,不可避免地都存在着一些缺陷,不能完全达到这些要求。

    近些年,一些学者对JIT、MRPII、TOC这3种方式进行了比较分析,或相互集成构想,对车间层的生产控制也主要考虑JIT和TOC,着重于生产方式,但大都未考虑生产现场与整个生产计划与控制体系信息的整合传递,特别是当生产车间内产品型号多、批量小,而导致大量任务并行时,会使得现场管理愈加复杂,制约了企业的快速响应能力。

    为了保障车间依旧可以有序、协调、高效地生产,企业必须运用信息技术和信息系统。而MES(Manufacturing Execution System,制造执行系统)的主要特性,就是在生产活动中传递信息,它把计划系统同自动控制系统联系起来,同时也为其他应用系统提供实时数据,能够帮助企业实现信息系统的实时化和一体化。

    本研究在综合考虑MRPII、JIT、MES、TOC各自优势和局限的基础上,提出了一种基于MES系统的、面向多品种、小批量、混流生产的生产计划与控制模型,以实现生产信息的一体化和准时性,缩短快速响应时间。

二、MRPIl、MES、JIT、TOC的比较与分析

    (一)MRPII、MES、JIT、TOC的比较

    1.几种生产方式比较的必要性

    面对愈加多样化、个性化的市场需求,多品种、中批量或小批量的混流生产方式,已逐渐成为大多数制造企业的主要生产方式。MRPII、JIT、TOC三者在这种生产条件下,若要达到更高的柔性和敏捷性要求,就必须发挥其各自的优势,并弥补其缺陷。同时,生产车间内产品型号多、批量小的特点,导致大批工作并行展开,使得现场管理日益复杂,更制约了车间的快速响应能力。

    为保障车间依旧可以有序、协调、高效地生产,MES与JIT作为车间现场的主要管理系统也需要相互改进。

    2.MRPII、MES、JIT、TOC的比较结果

    从多个方面分析比较MRPII、MES、JIT、TOC,可使四者的优缺点更加明了。具体如下表所示。

表1 MRPII、MES、JIT、TOC的比较

MRPII、MES、JIT、TOC的比较

    (二)比较结果的分析

    由表1可知,MRPII、JIT、TOC三种生产计划与控制方式都存在着一些局限,不能完全适应多品种小批量的混流生产。

    1.MRPII存在的局限性

    (1)制定的生产计划与控制相分离。

    (2)计划有效陛依赖于批量、提前期等参数的准确性。

    (3)在制品和成品库存量大,制造周期长等等。

    2.JIT存在的局限性

    (1)整体计划性很弱,生产控制缺少中长期生产计划的指导。

    (2)强调零库存,却未考虑安全库存的必要性和正面影响。

    (3)考虑产品的交货期和交货数量,不能找出真正的“瓶颈”等。

    3.TOC存在的局限性

    (1)瓶颈资源的识别是重点,若识别发生错误,后续的工作将会形成更大误差。

    (2)瓶颈如果发生“漂移”,计划部门必须根据新瓶颈制定新的生产计划,工作量增多。

    (3)TOC强调生产短期最优化,不对长期计划和优化有帮助等。

    4.MES与JIT的优劣势比较

    MES与JIT作为主要面向车间制造层的生产控制技术与管理系统,存在各自的优劣势。

    (1)MES强调其在生产活动中传递信息的作用,连接其他部门系统并共享实时数据,形成企业信息系统一体化和实时化。但其采用的方法,并未涉及如何控制改善生产现场的问题,如缩短加工前等待时间、改善工位布局等,现场控制能力弱。

    (2)JIT在强调其在车间作业现场的控制和改善作用,利用精益思想和技术,对现场的问题进行控制和改善,采用看板系统进行“拉动”式生产。但与其他部门或系统的信息传递与共享较少,主要专注于车间内部作业,现场控制能力强,但信息系统整体性较弱。

    (三)MRPII、MES、JIT、TOC相互集成的思路

    由于以上几种生产方式均存在一些局限,如果单一地运用这些计划和控制模式,将会使产品的制造不能满足生产系统所需的更高柔性与敏捷性的要求。因此,基于优势互补、取长补短原则,将MRPII、JIT、TOC、MES系统进行整合,使它们在生产计划和控制方面相互补充。具体的集成思路是:

    1.在生产计划层面

    因MRPII的优势,在于其信息管理集中、中长期计划能力强、便于利用信息技术,对生产系统的整体进行决策和改善,所以,将其作为主要的生产计划系统,进行中长期生产计划的制定。

    而为了解决MRPII能力需求平衡误差大、计划与实际可能脱节的问题,在制定生产计划、能力计划时,首要考虑TOC“瓶颈”问题,了解整体能力局限,使计划更符合生产实际,减少误差。同时,通过制造执行层的MES系统反馈的作业现场实时信息数据,进行及时更新和分析,根据问题改善计划,增加生产系统的敏捷性。

    2.在生产控制方面

    因JIT在缩短产品制造周期、降低库存、减少浪费等方面有着显著的效果,所以将其作为主要的生产控制系统,运用精益思想和技术进行计划执行和现场控制。而TOC的优势在于现场控制和能力管理,它通过DBR系统的动态控制,弥补了JIT在工序与资源的“瓶颈”识别和控制上的不足,所以可将TOC与JIT结合起来。

    同时,再通过MES系统与数控设备、条码系统、看板系统等工具的集成,对现场数据进行全面实时的采集,并作出相应的分析、反馈、处理,形成快速车间生产调度,并与企业计划层与控制层信息交互共享,消除信息孤岛与信息断层。

三、基于MES系统的精益生产计划与控制模型及其应用

    (一)基于MES系统的精益生产计划与控制模型

    根据上述集成思路,将侧重于生产计划职能的MRPII、侧重于生产现场控制职能的JIT、基于“瓶颈”进行短期生产决策的TOC,以及面向车间层的管理信息系统MES四者灵活地结合起来,形成一个功能较完备的,面向多品种、小批量、混流生产的和基于MES系统的精益生产计划和控制模型。具体如下图所示:

基于MES系统的精益生产计划与控制模型

图1 基于MES系统的精益生产计划与控制模型

    (二)模型系统结构

    基于MES系统的精益生产计划与控制模型,主要包括ERP计划系统、MES执行系统、PCS控制系统三部分,而ERP、PCS通过MES相互传递共享生产信息,形成系统信息实时化和一体化,从而达到系统能够对生产问题快速响应的目的。

    1.ERP生产计划系统

    ERP生产计划系统由MRPII与TOC相互集成,主要是MRPII在制定能力计划时,首要考虑TOC“瓶颈”资源问题(该“瓶颈”资源是对近期生产实际状况进行分析识别出来的),以“瓶颈”资源的最大化产能作为能力计划的基础,进而修改主生产计划与物料需求计划。

    2.MES执行制造系统

    MES执行制造系统在执行MES系统的基础上,集成JIT与TOC的优势,进行生产计划执行、生产调度与控制工作。首先,运用精益生产思想和技术,改善车间现场、工位布局、工艺流程等,达到生产均衡化、作业标准化等条件,从而能够实施看板系统与JIT拉式生产;其次,通过MES收集生产现场各种实时信息并进行数据分析和传递,再利用TOC理论识别出“瓶颈”资源,对“瓶颈”进行最大限度的使用,迁就“瓶颈”,而后打破“瓶颈”,再识别新“瓶颈”,从而持续改进;最后,基于“瓶颈”产量最大化和数据分析得出的各种偏差,进行车间生产调度,快速调整车间作业计划,再进行生产计划执行。

    3.PCS控制系统

    PCS控制系统包括,分布式数控系统(DNC)、数据采集与监视控制系统(SCADA)、可编辑逻辑控制器(PLC)等系统或工具,主要对生产过程和设备进行控制监测,并收集实时数据,传递反馈给MES系统,通过MES与ERP联系起来。

    (三)模型应用

    基于MES系统的精益生产计划与控制模型,主要面向多品种、小批量的混流生产,追求系统信息的一体化和准时性,以达到缩短快速响应时间、增加生产系统的柔性和敏捷性的目的,适用于各种制造业

    1.具体应用步骤

    (1)企业先进行中长期的市场需求预测和资源需求规划,然后,ERP计划系统通过综合考虑两者,制定出生产大纲,用来大体指导各部门未来一段时期的经营生产活动。

    (2)依据生产大纲,再根据最近的客户实际订单情况、成品库存现状,以及基于“瓶颈”资源制定的粗能力计划,制定出针对具体产品的主生产计划。同时,在生产过程中,根据生产实际反馈的一些问题,对主生产计划进行修订。

    (3)基于主生产计划,根据产品物料清单、相关物料库存现状及基于“瓶颈”资源制定的细能力计划进行展开,得到面向各个产品详细相关需求物料情况的物料需求计划。同时,也需根据车间生产实际反馈回来的信息,必要时对该计划进行修订。

    (4)依据MRPII制定出详细的车间作业计划和物料采购计划。同时,车间作业计划也需考虑其生产能力的限制,即“瓶颈”资源的限制,在执行控制过程中,要依据新“瓶颈”与各种偏差进行作业调度,快速调整作业计划,以便实现准时生产的目的。

    (5)车间作业计划以订单的形式,通过看板系统下达生产指令到生产装配线现场,运用JIT生产方式,进行看板系统拉动生产,以准时交货为目标。同时,在生产过程中,通过车间层的生产管理信息系统MES,收集生产现场巾的人员、物料、设备等实时信息,将其进行传递、共享、数据分析,并将发现的问题与计划偏差反映到生产调度系统,快速调整车间作业计划。而TOC也通过这些数据识别“瓶颈”资源,若“瓶颈”资源改变,则对新“瓶颈”进行最大限度的利用;然后,基于“瓶颈”与计划偏差进行车间生产调度,同时也需对新“瓶颈”采取方法尽量进行改进打破,提升“瓶颈”产能,再传递数据给MES系统,重新识别“瓶颈”。如此不断循环改善。

    2.生产计划与控制模型应遵循的运行原理

    (1)对客户的紧急订单,不用依照流程先制定生产计划,可将该紧急订单发送到看板系统,直接进行指示生产,从而增强生产系统的敏捷性。

    (2)MES系统将车间生产现场的投入产出等信息,实时传递反馈到计划层,使企业计划管理层能够实时了解并更新客户订单完成情况与产品物料库存现状,以便及时调整主生产计划与物料需求计划,使计划更加切合实际。

    (3)ERP计划系统、MES执行系统、PCS控制系统之间,需保持信息的及时传递、反馈、共享,保证MRPII计划、JIT控制与TOC“瓶颈”管理的有效结合,缩短计划编制过程,加强计划的准确性和控制的有效性,提高生产计划与控制系统的柔性、敏捷性。

四、结论

    现今的产品市场竞争越来越激烈,各类制造型企业要想不断发展并取得更好的成绩,在企业内部建立一套先进的生产计划与控制系统是关键。而MRPII、JIT、TOC虽然都是主要的生产计划与控制方式,其应用效益较显著,但三者都明显存在一些局限,影响了其作用的发挥。

    因此,需要深刻理解TOC的“瓶颈”资源管理,取MRPII的计划能力、JIT的现场控制之长,并应用MES车间执行层的信息管理系统和有效执行操作功能,从而形成MRPII、JIT、MES、TOC四者集成的生产计划与控制模型,提高企业生产系统的柔性和敏捷性,以适应多品种、小批量、混流生产环境下快速响应需求的根本要求。

    这里需要注意的是,企业在应用基于MES系统的精益生产计划与控制模型时,应结合各自的特点,在实践中对其进行改善和优化,进而改进企业的整个生产运作系统。

责任编辑:程玥
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