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高级计划排程系统在马钢新区板带生产中应用和分析

2021/6/25    来源:互联网    作者:何诗兴  张吾胜      
关键字:高级计划排程  APS  生产计划管理  
高级计划排程系统(APS)是一种基于供应链管理和约束理论的先进计划与排产工具,可以解决瓶颈工序和准时交货等问题。本文通过分析钢铁企业产销一体化计划管理流程,介绍了马钢新区板带信息化系统结构和计划管理主要功能。
       随着钢铁行业快速发展与经济全球化,钢铁企业间的竞争更加激烈。钢铁企业要在竞争中立于不败之地,在持续改进工艺、更新设备的同时,需要提高生产管理水平,充分利用设备产能,提高用户服务水平。近十年来,企业资源管理系统(ERP)、制造执行系统(MES)已经在国内各大钢铁企业得到普及应用。然而很多企业逐渐发现ERP、MES的应用并没有解决产销衔接存在的交货期承诺、生产瓶颈工序等问题。

       高级计划排程(APS)系统是一种基于供应链管理和约束理论的先进计划与排产工具,包含数学模型、优化及模拟技术,其优势是实现基于约束的实时计划与报警功能。在计划与排产的过程中,APS考虑企业资源与能力约束,用复杂的智能化算法进行生产排程。钢铁行业生产是一个离散和连续混合的过程,其生产过程在不同工序呈现不同的特征,产线长、工序多、设备复杂,完全靠人工的方式进行生产管理和控制难度大。企业逐渐意识到ERP无法解决的生产中遇到这些问题,需要APS和MES来实现高效的优化的精细化的完成生产任务,逐步实现从信息集成、事务集成的MES到智能化集成型的APS/MES,满足可集成性、灵活可配量性和可扩展性的要求是钢铁企业APS/MES的发展趋势。

1 产销计划管理流程

       钢铁企业产销一体化计划包括综合销售计划、生产计划和作业计划。综合销售计划是围绕经营目标,结合需求预测、设备产能和边际利润,确定产品销售计划;生产计划为内部供应链计划,基于销售订单的交期和有限产能的原则,确定每个订单在每个工序的加工日期,目标是用最低的库存、最短提前期和最低的成本,提高交货水平;作业计划是基本生产约束条件,编制细化到件次并下达到各机组进行生产作业的计划。

       1.1 确定经营目标

       结合企业发展目标,分析生产经营历史数据,确定年度各项经营目标及经济技术指标,并分解出年、季、月的利润和产量目标等。围绕经营目标,进行产品利润分析和财务预算,合理规划销售、生产、库存、供应、采购等企业资源,追求效益最大化。

       1.2 制订生产经营计划

       根据经营目标,确定中长期时间范围内各个产品组的销售、库存水平、生产、供应等目标量的分配比率,形成销售运作计划(SOP);进行从产品组到产品物料层的计划分解,形成销售与生产的需求计划(DM)。以需求计划为依据,形成产成品及关键工序的物料的主生产计划(MPS);针对市场变动、设备能力、工艺限制等约束条件,进行有限产能检查(CTP)、可用性检查(ATP)和产能平衡,完成生产计划的优化排程,形成可行的中、短期生产计划。

       1.3 产品配额计划和交期承诺

       根据生产经营计划制定的各计划期的销售运作计划,分渠道、分地区、分品种规格对客户进行销售配额管理,从而实现销售资源合理有效的控制。签定销售订单时,首先对客户销售资源配额进行检查,参照最终优化的需求计划,对客户的需求数量与交货期完成可用性检查,并获得交货期确认。

       1.4 物料需求计划和生产订单

       根据实际销售订单及最终优化的需求计划,形成物料需求计划。依据物料需求计划将客户的需求转换成用来指导实际生产的生产订单。生产订单承载着客户的需求、产品标准的要求、生产的计划成本、生产工艺过程的要求等信息。

       1.5 生产作业计划编制和执行

       通过生产订单向各生产作业区的下达管控指令,生产厂对生产订单进行生产排序、工序平衡,并根据有序的生产订单组织生产,负责各工序的生产作业计划编制,将作业控制指令下达给各生产线过程控制系统控制生产作业过程后,进行各机组之间的生产协调与监控、质量控制、生产实绩采集、物料跟踪平衡、库管理等,最后根据销售发货计划进行成品发货出厂。

2 马钢新区信息系统构成及计划管理功能

       马钢新区板带厂建设有550万吨高附加值系列板卷产品生产线,主要包括2座300吨转炉、1座RH、1座LF炉、2台双流板坯连铸机、1条2250mm热连轧线、1条热轧平整线、1条热轧横切线、1条2130mm酸洗冷连轧线、2条热镀锌线、1条连退线以及相配套的公辅设施,包括热轧板卷、冷轧板卷、镀锌板等高附加值产品,主要用于汽车、家电、建筑等行业。

       新区信息化系统采用四级架构,系统基本结构见图1。公司ERP采用SAP ECC6.0系统,主要承担中长期计划、月度计划和订单转换功能。三级系统分为两部分,一是计划与排程系统,主要负责编制和调整生产计划,包括APS和各机组作业计划排程系统(ALS);另一部分是传统MES,主要负责物流跟踪和生产管制,生产指令下达和生产实绩收集整理上传,以及与各机组过程控制系统(L2)、公司物流支持系统(LES)、质量检化验系统(QS)等系统的通信。从生产计划管理角度来看,ERP负责公司资源整体的优化控制并根据MRP逻辑确立产销关系;APS按照SAP下发的生产订单链,完成有限产能与生产约束条件下机组生产作业的组织和优化;MES则负责从ALS接受作业计划并生成相关原始数据输入(PDI)参数后下发给各机组L2系统。

马钢新区信息化系统结构图

图1 马钢新区信息化系统结构图

       2.1 ERP系统计划功能

       SAP ECC6.0作为一个综合性资源计划系统集成了企业计划业务流程,能够整合分散的业务,优化贯穿从销售、生产到成本核算流程。生产计划(PP)模块是一个联机处理的企业资源计划系统,高度集成了财务和后勤的计划和执行功能。生产计划模块中有各种计划类型,包括从销售预测和销售运作计划(SOP)开始到主生产计划(MPS)、物料需求计划(MRP)、能力需求计划(CRP)等。

       (1)销售与运作计划(SOP)

       SOP连接销售计划与生产,并充分集成销售信息系统与主生产计划,允许使用灵活的计划层次。从销售期望值和运作预算开始,利用SOP为公司运作层编制现实和协调一致的计划,根据销售预测及有效的运作计划制定年度计划及定期修订的目标计划。销售计划根据来自后勤信息系统(LIS)的运作数据和来自经营规划系统(CO-PA)的预算数据,对未来的销售情况进行预测。

       (2)主生产计划(MPS)

       MPS是主生产计划员负责维护的预先建立的一份计划,主生产计划驱动MRP,能反映出企业计划生产什么,什么时候生产以及生产多少。主计划模块包括需求管理(DM)、生产计划管理(PP)及主生产计划(MPS),其中需求管理与销售与运作计划(SOP)及销售分销的计划功能高度集成。

       (3)物料需求计划(MRP)

       MRP的主要功能是监控库存,自动建立相应的建议订单,以确定所需要的物料的数量及需用的时间。系统用在净需求计算中得出的采购或生产计划需求量对比可用的仓库库存或计划入库量,如果出现短缺,即可用的库存量小于需要的数量,系统将提出建立订单的建议。

       (4)能力需求计划(CRP)

       CRP以MRP的输出为输入,并结合生产制造信息,由MRP所计算出的物料需求及生产设备与能力需求量、负荷量,进行瓶颈预测,调整生产负荷,以判断生产能力是否足够,然后做好生产能力与设备负荷的平衡工作。

       2.2 APS/ALS系统主要功能

       马钢APS/ALS系统涵盖了冷热轧板带复杂的生产环境下进行生产计划与作业排程的需求,系统采用基于约束的运算规则和优化算法,提供丰富的参数配置方式,通过参数设定满足不同生产线和产品的实际需求。

       (1)订单谈判 

       在对客户下达的销售订单进行承诺之前,对新订单进行工厂生产能力评估。根据公司各生产线的生产实际能力和物料利用情况等数据对销售订单进行实时的交货期检查,确定产品的最终生产路径,推算销售订单的准确交货日期并进行交货期确认。

       (2)物料计划

       针对销售订单制定出有效的物料配置计划,具有优化配卷、优化切割、库存匹配等功能,确定轧制件次与销售订单之间的配置关系,对于不能满足的销售订单,生成用于生产的原材料净需求计划。通过系统的物料配置策略,基于特定的产品结构进行产品规格的匹配,对钢卷、板坯等物料尺寸进行优化。并将生成原材料净需求计划,下达到相应的产线,能进行跟踪和在线调整。

       (3)生产计划

       能够根据基于约束的有限能力计划,对工厂供应链中的短期物料流动进行优化。生产计划主要需要关注物料平衡、拖期订单、瓶颈设备等问题,并能计算生产能力空闲时间,以此来辅助新订单的谈判。识别工厂供应链的约束,以产品和客户的优先级为基础,优化物料的流动。

       (4)冶铸轧一体化计划

       提供从炼钢、炉外精炼、连铸到热轧的更为详细的生产计划和作业排程能力。该模块采用多种方案,将生产率、生产成本、交货水平、板坯库存和热送热装与生产流程上的技术约束进行平衡。

       (5)作业计划排程

       根据生产订单的交货期和每个生产单元的生产设备状况、工艺规程约束条件等生成短期的各机组作业计划,提供快速的工厂作业计划排程,同时能够对生产异常情况进行快速自响应处理。

3 APS与ERP系统的集成

       3.1 APS的定位

       APS介于ERP与MES之间,接受ERP系统下达的销售订单和生产订单,进行生产计划与排程的制定。它以提高生产效率、缩短交货期、降低库存为目标,计划、排程、优化从定单开始到产品产出的整个生产活动(细化到工序);另外APS根据生产实际情况,动态调整生产计划排程,提高事件处理效率(动态调度)。APS实现的主要业务流程如图2所示。

高级计划排程系统业务流程图

图2 高级计划排程系统业务流程图

       3.2 与ERP系统的集成

       由于SAP系统计划体系均是基于无限能力计划工具进行能力的评估与平衡的不足,特别是无法考虑生产工艺限制条件的约束,计划和生产排程最重要的是考虑到包括物料、机器设备、人员、供应、运输等影响计划因素的所有资源约束能力。马钢将SAP形成的需求计划传递到高级计划排程系统中,实现基于有限能力计划下的产能检查,以获得优化排程后的生产量及交货期,并将结果反馈给SAP,最终达成产销合理平衡后的需求计划。该计划作为接受销售订单的可用量承诺(ATP)检查依据,同时可以作为生产组织产能分配的依据,将销售订单的需求传递到生产订单中,并核发至APS中,保证销售订单的交货期承诺。集成的计划管理体系统流程如图3所示,图中分为计划编制阶段和计划执行两阶段,计划编制阶段确定后的结果作为计划执行阶段销售订单客户配额和可用性检查的依据,完成销售订单的交货期确认。

APS与ERP系统集成计划管理流程

图3 APS与ERP系统集成计划管理流程

4 结束语

       马钢新区高级排程系统在热轧生成计划编制中,着重考虑了交货期、库存以及设备、工艺约束条件,通过集中的工厂模型和算法管理器实现了月度计划与机组生成作业计划的优化与匹配,并实现了炼钢、热轧和冷轧计划的集成。马钢新区通过与ERP集成的APS实现了面向订单组产模式下的生产计划动态优化与作业计划编制。系统在计划编制中,着重考虑了交货期、工艺约束条件、设备状态以及库存,实现了月度生产计划与机组作业计划的优化与匹配,目前热轧机组月产量最大已达到45万吨,取得了较好的效果。高级排程系统在结构上是整体ERP系统的一个重要的补充,与多个系统存在着业务逻辑的规范、主数据定义和业务数据交换的复杂关系;此外,计划系统还要处理现场实际生产的变化和波动等异常情况,因此必须从整体上对业务逻辑进行规范和优化,才能更加充分地发挥计划系统的作用。
 
责任编辑:程玥
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