钢铁企业先进生产计划和实时生产调度技术的研究
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执行器、机器人等
ERP MES PCS
企业生产工艺流程设备
图1 钢铁企业自动化系统构成和分级图
递阶系统中的第 4 、5 级为企业资源计划 E R P (Enterprise Resources Planning)层。ERP 是一个 集合企业内部的所有资源,进行有效的计划和控制, 以达到最大效益的集成系统。它是对企业内部的物 料、劳力、设备全部资源的全面计划,还对资源进行 全面控制,同时,制造业务的需求来源于销售订单和 预测,制造业务的后端与资金流集成。简单的说就是 将企业的3大流:物流,资金流,信息流进行全面一体 化管理的管理信息系统。递阶系统中的第 3 级为现 代制造执行系统 MES(Manufacturing Execution System)。它是为解决生产计划的适应性以及增加 底层生产过程的信息流动,提高计划的实时性和灵活
收稿日期: 2002-10-28 基金项目:国家 863/CIMS 主题资助项目(2002AA412020) 作者简介:马跃(1 9 6 0 —) ,男,大连理工大学 C I M S 中心讲师,硕士,主要从事现代集成制造技术、企业信息
化技术的研究工作。
第 25 卷 第 3 期 2003-3 3354
关键词: 生产计划;实时调度;生产管理模式;特钢企业;制造执行系统( M E S ) 中图分类号:F273 文献标识码:B 文章编号:1009-0134(2003)03-0035-05
Research on advanced production planning and real-time scheduling for iron and steel enterprises
3364 第 25 卷 第 3 期 2003-3
性而提出的。其定义为“位于上层的计划管理系 统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息 系统”。MES 为操作人员 / 管理人员提供计划的执 行、跟踪以及所有资源的当前状态,能够改善企业 的运营资本的投资回报率,改善物料的流动性能,还 能够通过双向的直接通信在企业内部和整个产品供 应链中提供有关产品行为的关键任务信息。MES 在 计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁,填补 了两者之间的空隙。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
MA Yue, XU Ran, LIU Xiao-bing (CIMS Center of Dalian University of Technology, Dalian 116024,China)
Abstract: For solving the problem of the lack of macroscopic control and real-time monitoring , by analyzing nowadays the theory of the informationization structure and production management mode, this paper presents production management mode based on the integration of MRPII and JIT for special type iron and steel enterprises. It applies multihierarchy production planning and scheduling strategy to build an integrated solution to upper ERP and lower Manufacturing Execution System (MES), satisfies the global optimization of production planning and scheduling, and finally establishes the information system for special type steel enterprise management and production.
生产计划 生产指令
实际产量
工序 A
工序 B
工序 C
完成
看板 A
看板 B
图3 JIT模式的生产指令的下达
正是由于 MRPII 和 JIT 都存在明显的不足和局 限,80年代末以来人们一直在探索如何取长补短,将 二者有机结合起来。可以看出,MRPII 侧重于管理 的计划职能,而JIT则基本上是一种生产控制方法即 管理的控制职能;MRPII 在哲理上强调集成,在手段 中重视计划;JIT 在哲理上强调改善,在手段上重视 控制;MRPII 的弱点是车间执行的控制,而这正是 JIT 的强处;MRPII 的强处是中长期全面的计划,而 这正是 JIT 的弱点。MRPII/JIT 集成将充分发挥各 自的优势,把 MRPII 的有效计划功能和 JIT 的控制、 执行功能有机地结合起来,形成一个较为科学、合 理、实用的生产管理模式。通常的做法是以 MRPII 作为企业的计划系统,以 JIT 作为计划的执行系统。 在生产计划和物料需求方面主要采用 MRPII,以其 为主线进行生产计划的制定和控制;而生产过程和车 间执行控制则主要采用 JIT 方式。将生产管理过程 分为两个阶段:计划阶段和执行阶段,其接口是物料 需求计划 M R P 。
企业环境 定货及市场需求
第五级 企业长期生产经营决策规划
管 理 自 第四级 企业短期生产计划及业务管理 动 化
第三级 生产控制车间在线作业管理
过 程 自 第二级 动 化
基 第一级 础 自 动 化 第零级
生产机组的过程控制
生产设备控制 PLC,DCS 数控装置等
生产工艺参数检测与控制 装置驱动传感器、变送器、
Key words:production planning; real-time scheduling; production management mode; special type steel enterprise; Manufacturing Execution System(MES)
0 前言
制造业自动化
钢铁企业先进生产计划和实时生产调度
技术的研究
马 跃,徐 然,刘晓冰
(大连理工大学 CIMS 中心,大连 116024)
摘 要: 为了解决钢铁企业目前由于缺乏生产计划和调度系统而造成的宏观调控和实时监控等方面存 在的问题,在对现有钢铁企业的信息化体系结构和生产管理模式等进行理论研究的基础上,提 出了基于 MRP Ⅱ与 JIT 相结合的特钢行业生产管理模式;采用多层递阶计划和动态实时调度 策略,构建面向企业上层管理 ERP 和下层执行 MES 系统的集成化解决方案。实现了企业生产 计划和调度的整体优化,建立了适合特钢企业经营管理与生产制造一体化的信息系统。
造成宏观生产失控,以及调度系统不完善导致实时监 控紊乱等方面的问题。利用先进的企业生产管理理 念,提出的将 MRPII 与 JIT 相结合的生产管理模式, 实现了企业管理层与生产底层的集成,达到了物流、 资金流和信息流统一的目的;以先进的科学技术(计 算机技术、通信技术)为手段,构造出生产计划和调 度整体优化的钢铁企业管理信息系统,为钢铁企业提 供了面向经营管理和生产制造一体化的先进生产计 划和动态实时调度信息系统平台。
制造业自动化
1 钢铁企业 ERP/MES/PCS 递阶系统 结构
钢铁企业从高层领导的宏观决策到岗位工人的 具体操作,其基本组织方式可分为:决策级、管理 级、车间调度级、过程控制级、设备控制级,相应 地可以同样对其信息化应用进行划分。参照国际标 准化组织 ISO 技术报告,钢铁企业自动化系统分为 0~6 级结构,如图 1 所示。其中,1~5 级为钢铁企 业信息化建设的主要内容。这 5 个层次的信息化中 L1~L3 面向生产过程控制,强调的是信息的时效性 和准确性,L4~L5 面向业务管理,强调的是信息的 关联性和可管理性。
2 MRPII、JIT、MRPII/JIT 模式分析
企业管理模式是一种系统化的指导与控制方 法,它把企业中的人、财、物和信息等资源,高质量、 低成本、快速及时地变换成市场需要的各种商品和 服务[4]。
制造资源计划MRPII(Manufacturing Resource Planning)是在 MRP 基础上发展起来的一种企业管 理模式。其哲理是以市场需求为导向,以生产计划、 调度为手段,以物料需求计划为核心,以车间作业计 划为基础,扩展到生产管理的全过程,构成一个有反 馈的闭环系统。它是一种计划主导型的“推” (PUSH)式生产管理方法,后续阶段或环节的活动基 本上依计划由先行阶段或环节的活动结果来推动。 其生产指令的下达如图 2 所示, 从中可以看出 MRPII 模式中物流与信息流方向是相同的,计划生 产数量与实际产量由于生产过程的干扰因素而导致 不一致。MRPII 以计划驱动的集中控制,对企业全 局宏观计划的制定和按成组技术组织生产是一种有 效的方法,但由于各工序严格按照既定计划进行生 产,即使前后相关工序在实际生产过程中出现变化 或异常,本工序仍按原计划生产,其结果造成工序 间产量不平衡,库存量大,对突发事件的反应能力 差。
3 钢铁企业生产计划和实时调度管理 模式、系统结构及模型的研究
3.1 MRPII 与 JIT 相结合的管理模式
典型的钢铁生产属于半流程半离散型,也称为混 合型。钢铁生产是将几十吨的钢水一步步地转换成 要求各异的用户合同,它的制造过程是一个分解过 程,是化整(钢水)为零(客户合同),而它的计划过程则 是化零为整,即进行组炉和组批。目前国内钢铁企业 大多是粗放型的生产管理模式,以追求产值为目标, 整个经济处于投入多、消耗高、效益低的状态。存 在资金短缺、积压严重、质量波动、效率低下等问 题。因此企业必须由粗放型管理方式向集约化方式 转变。将 MRPII 和 JIT 相结合的生产管理模式就是 一个很好的解决方案。
钢铁行业的生产主要采用面向订单(Make for Order)兼顾面向库存(Make for Stock)的方式。当 订单饱和时,采用前种生产方式;当订单不饱和时,采 用面向库存的生产方式,解决由于生产任务不足造成 的设备闲置的问题。面向订单生产,要求企业生产具 有良好的柔性,具有快速组织协调生产资源,完成指 定生产任务的能力, 要实现上述要求就要采用 MRPII 的有效计划功能;同时在保证生产正常进行 的条件下,尽量压缩库存,减少资金占用,应采用JIT 的控制、执行功能。将 MRPII 和 JIT 推拉机制相结 合,上游工序通过计划采用 MRPII 的推式驱动,下游 工序通过订单采用 JIT 的拉式控制。上游工序的推 式驱动保证了投入生产线的原料尽快地加工以满足 需求,从而保证了机器的合理利用;下游工序的拉式 控制可以防止过多的原料投入生产线,从而有利于减 小在制品量、在制品库存和库存费用。MRPII 与JIT 相结合的生产管理模式将充分利用 MRPII 对外部 环境不确定性的应变能力和系统性以及 JIT 在现场 管理方面的严密性,严格控制物流,并对资金流与管 理控制信息流加以分析和控制。
生产计划
生产指令
生产指令
生产指令
实际产量
工序 A
工序 B
工序 C
完成
库存 A
库存 B
图 2 MRP Ⅱ模式的生产指令的下达
准时制生产 JIT(Just In Time)是继泰勒管理
制造业自动化
和福特系统之后又一个革命性的企业管理模式。其 基本思想是只在需要的时刻按需要的数量生产需要 的产品。它的概念很简单,即在正确的时间、正确地 点、干正确的事情,以期达到零库存、无缺陷、低成 本的理想管理模式[4]。JIT 是一种现场控制主导型 的“拉”(PULL)式生产管理方法,生产过程中前一工 序的活动是按后续工序的现场需求来确定的。它的 生产指令的下达如图3所示,可以看出JIT模式中物 流与信息流方向正好相反,而计划生产数量与实际产 量一致。JIT不容许生产线中存在能力瓶颈,也不作 详细的能力计划,它用增加设备的方法来消除生产线 上的不平衡,但由于加工时间的波动,不平衡总会出 现。而且由于市场交易成本的存在“, 处处时时”(Just In Time)也不现实。
钢铁市场竞争日益激烈,产品生产呈现多品种小 批量的趋势,同时要求产品质优价廉、准时交货、并 提供优质的售后服务。钢铁企业要在竞争中获胜, 必须保证在向敏捷化、连续化、自动化生产发展的 同时,实行实时高效的生产管理策略。我国钢铁工业 虽已形成较为完整的生产体系,但技术、装备和管理 水平仍然比较落后,尤为突出的是由于缺乏生产计划
ERP MES PCS
企业生产工艺流程设备
图1 钢铁企业自动化系统构成和分级图
递阶系统中的第 4 、5 级为企业资源计划 E R P (Enterprise Resources Planning)层。ERP 是一个 集合企业内部的所有资源,进行有效的计划和控制, 以达到最大效益的集成系统。它是对企业内部的物 料、劳力、设备全部资源的全面计划,还对资源进行 全面控制,同时,制造业务的需求来源于销售订单和 预测,制造业务的后端与资金流集成。简单的说就是 将企业的3大流:物流,资金流,信息流进行全面一体 化管理的管理信息系统。递阶系统中的第 3 级为现 代制造执行系统 MES(Manufacturing Execution System)。它是为解决生产计划的适应性以及增加 底层生产过程的信息流动,提高计划的实时性和灵活
收稿日期: 2002-10-28 基金项目:国家 863/CIMS 主题资助项目(2002AA412020) 作者简介:马跃(1 9 6 0 —) ,男,大连理工大学 C I M S 中心讲师,硕士,主要从事现代集成制造技术、企业信息
化技术的研究工作。
第 25 卷 第 3 期 2003-3 3354
关键词: 生产计划;实时调度;生产管理模式;特钢企业;制造执行系统( M E S ) 中图分类号:F273 文献标识码:B 文章编号:1009-0134(2003)03-0035-05
Research on advanced production planning and real-time scheduling for iron and steel enterprises
3364 第 25 卷 第 3 期 2003-3
性而提出的。其定义为“位于上层的计划管理系 统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息 系统”。MES 为操作人员 / 管理人员提供计划的执 行、跟踪以及所有资源的当前状态,能够改善企业 的运营资本的投资回报率,改善物料的流动性能,还 能够通过双向的直接通信在企业内部和整个产品供 应链中提供有关产品行为的关键任务信息。MES 在 计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁,填补 了两者之间的空隙。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
MA Yue, XU Ran, LIU Xiao-bing (CIMS Center of Dalian University of Technology, Dalian 116024,China)
Abstract: For solving the problem of the lack of macroscopic control and real-time monitoring , by analyzing nowadays the theory of the informationization structure and production management mode, this paper presents production management mode based on the integration of MRPII and JIT for special type iron and steel enterprises. It applies multihierarchy production planning and scheduling strategy to build an integrated solution to upper ERP and lower Manufacturing Execution System (MES), satisfies the global optimization of production planning and scheduling, and finally establishes the information system for special type steel enterprise management and production.
生产计划 生产指令
实际产量
工序 A
工序 B
工序 C
完成
看板 A
看板 B
图3 JIT模式的生产指令的下达
正是由于 MRPII 和 JIT 都存在明显的不足和局 限,80年代末以来人们一直在探索如何取长补短,将 二者有机结合起来。可以看出,MRPII 侧重于管理 的计划职能,而JIT则基本上是一种生产控制方法即 管理的控制职能;MRPII 在哲理上强调集成,在手段 中重视计划;JIT 在哲理上强调改善,在手段上重视 控制;MRPII 的弱点是车间执行的控制,而这正是 JIT 的强处;MRPII 的强处是中长期全面的计划,而 这正是 JIT 的弱点。MRPII/JIT 集成将充分发挥各 自的优势,把 MRPII 的有效计划功能和 JIT 的控制、 执行功能有机地结合起来,形成一个较为科学、合 理、实用的生产管理模式。通常的做法是以 MRPII 作为企业的计划系统,以 JIT 作为计划的执行系统。 在生产计划和物料需求方面主要采用 MRPII,以其 为主线进行生产计划的制定和控制;而生产过程和车 间执行控制则主要采用 JIT 方式。将生产管理过程 分为两个阶段:计划阶段和执行阶段,其接口是物料 需求计划 M R P 。
企业环境 定货及市场需求
第五级 企业长期生产经营决策规划
管 理 自 第四级 企业短期生产计划及业务管理 动 化
第三级 生产控制车间在线作业管理
过 程 自 第二级 动 化
基 第一级 础 自 动 化 第零级
生产机组的过程控制
生产设备控制 PLC,DCS 数控装置等
生产工艺参数检测与控制 装置驱动传感器、变送器、
Key words:production planning; real-time scheduling; production management mode; special type steel enterprise; Manufacturing Execution System(MES)
0 前言
制造业自动化
钢铁企业先进生产计划和实时生产调度
技术的研究
马 跃,徐 然,刘晓冰
(大连理工大学 CIMS 中心,大连 116024)
摘 要: 为了解决钢铁企业目前由于缺乏生产计划和调度系统而造成的宏观调控和实时监控等方面存 在的问题,在对现有钢铁企业的信息化体系结构和生产管理模式等进行理论研究的基础上,提 出了基于 MRP Ⅱ与 JIT 相结合的特钢行业生产管理模式;采用多层递阶计划和动态实时调度 策略,构建面向企业上层管理 ERP 和下层执行 MES 系统的集成化解决方案。实现了企业生产 计划和调度的整体优化,建立了适合特钢企业经营管理与生产制造一体化的信息系统。
造成宏观生产失控,以及调度系统不完善导致实时监 控紊乱等方面的问题。利用先进的企业生产管理理 念,提出的将 MRPII 与 JIT 相结合的生产管理模式, 实现了企业管理层与生产底层的集成,达到了物流、 资金流和信息流统一的目的;以先进的科学技术(计 算机技术、通信技术)为手段,构造出生产计划和调 度整体优化的钢铁企业管理信息系统,为钢铁企业提 供了面向经营管理和生产制造一体化的先进生产计 划和动态实时调度信息系统平台。
制造业自动化
1 钢铁企业 ERP/MES/PCS 递阶系统 结构
钢铁企业从高层领导的宏观决策到岗位工人的 具体操作,其基本组织方式可分为:决策级、管理 级、车间调度级、过程控制级、设备控制级,相应 地可以同样对其信息化应用进行划分。参照国际标 准化组织 ISO 技术报告,钢铁企业自动化系统分为 0~6 级结构,如图 1 所示。其中,1~5 级为钢铁企 业信息化建设的主要内容。这 5 个层次的信息化中 L1~L3 面向生产过程控制,强调的是信息的时效性 和准确性,L4~L5 面向业务管理,强调的是信息的 关联性和可管理性。
2 MRPII、JIT、MRPII/JIT 模式分析
企业管理模式是一种系统化的指导与控制方 法,它把企业中的人、财、物和信息等资源,高质量、 低成本、快速及时地变换成市场需要的各种商品和 服务[4]。
制造资源计划MRPII(Manufacturing Resource Planning)是在 MRP 基础上发展起来的一种企业管 理模式。其哲理是以市场需求为导向,以生产计划、 调度为手段,以物料需求计划为核心,以车间作业计 划为基础,扩展到生产管理的全过程,构成一个有反 馈的闭环系统。它是一种计划主导型的“推” (PUSH)式生产管理方法,后续阶段或环节的活动基 本上依计划由先行阶段或环节的活动结果来推动。 其生产指令的下达如图 2 所示, 从中可以看出 MRPII 模式中物流与信息流方向是相同的,计划生 产数量与实际产量由于生产过程的干扰因素而导致 不一致。MRPII 以计划驱动的集中控制,对企业全 局宏观计划的制定和按成组技术组织生产是一种有 效的方法,但由于各工序严格按照既定计划进行生 产,即使前后相关工序在实际生产过程中出现变化 或异常,本工序仍按原计划生产,其结果造成工序 间产量不平衡,库存量大,对突发事件的反应能力 差。
3 钢铁企业生产计划和实时调度管理 模式、系统结构及模型的研究
3.1 MRPII 与 JIT 相结合的管理模式
典型的钢铁生产属于半流程半离散型,也称为混 合型。钢铁生产是将几十吨的钢水一步步地转换成 要求各异的用户合同,它的制造过程是一个分解过 程,是化整(钢水)为零(客户合同),而它的计划过程则 是化零为整,即进行组炉和组批。目前国内钢铁企业 大多是粗放型的生产管理模式,以追求产值为目标, 整个经济处于投入多、消耗高、效益低的状态。存 在资金短缺、积压严重、质量波动、效率低下等问 题。因此企业必须由粗放型管理方式向集约化方式 转变。将 MRPII 和 JIT 相结合的生产管理模式就是 一个很好的解决方案。
钢铁行业的生产主要采用面向订单(Make for Order)兼顾面向库存(Make for Stock)的方式。当 订单饱和时,采用前种生产方式;当订单不饱和时,采 用面向库存的生产方式,解决由于生产任务不足造成 的设备闲置的问题。面向订单生产,要求企业生产具 有良好的柔性,具有快速组织协调生产资源,完成指 定生产任务的能力, 要实现上述要求就要采用 MRPII 的有效计划功能;同时在保证生产正常进行 的条件下,尽量压缩库存,减少资金占用,应采用JIT 的控制、执行功能。将 MRPII 和 JIT 推拉机制相结 合,上游工序通过计划采用 MRPII 的推式驱动,下游 工序通过订单采用 JIT 的拉式控制。上游工序的推 式驱动保证了投入生产线的原料尽快地加工以满足 需求,从而保证了机器的合理利用;下游工序的拉式 控制可以防止过多的原料投入生产线,从而有利于减 小在制品量、在制品库存和库存费用。MRPII 与JIT 相结合的生产管理模式将充分利用 MRPII 对外部 环境不确定性的应变能力和系统性以及 JIT 在现场 管理方面的严密性,严格控制物流,并对资金流与管 理控制信息流加以分析和控制。
生产计划
生产指令
生产指令
生产指令
实际产量
工序 A
工序 B
工序 C
完成
库存 A
库存 B
图 2 MRP Ⅱ模式的生产指令的下达
准时制生产 JIT(Just In Time)是继泰勒管理
制造业自动化
和福特系统之后又一个革命性的企业管理模式。其 基本思想是只在需要的时刻按需要的数量生产需要 的产品。它的概念很简单,即在正确的时间、正确地 点、干正确的事情,以期达到零库存、无缺陷、低成 本的理想管理模式[4]。JIT 是一种现场控制主导型 的“拉”(PULL)式生产管理方法,生产过程中前一工 序的活动是按后续工序的现场需求来确定的。它的 生产指令的下达如图3所示,可以看出JIT模式中物 流与信息流方向正好相反,而计划生产数量与实际产 量一致。JIT不容许生产线中存在能力瓶颈,也不作 详细的能力计划,它用增加设备的方法来消除生产线 上的不平衡,但由于加工时间的波动,不平衡总会出 现。而且由于市场交易成本的存在“, 处处时时”(Just In Time)也不现实。
钢铁市场竞争日益激烈,产品生产呈现多品种小 批量的趋势,同时要求产品质优价廉、准时交货、并 提供优质的售后服务。钢铁企业要在竞争中获胜, 必须保证在向敏捷化、连续化、自动化生产发展的 同时,实行实时高效的生产管理策略。我国钢铁工业 虽已形成较为完整的生产体系,但技术、装备和管理 水平仍然比较落后,尤为突出的是由于缺乏生产计划