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1、第十讲第十讲: :生产作业计划与控制生产作业计划与控制一、引言一、引言二、生产作业计划二、生产作业计划三、生产作业控制三、生产作业控制四、最优生产技术四、最优生产技术五、制造执行系统五、制造执行系统一、引言一、引言生产作业计划与控制的意义生产作业计划与控制的内容体系结构经营目标综合生产计划（生产大纲）主生产计划（MPS）物料需求计划（MRP）自制件投入出产计划外购件需求计划能力需求计划粗能力需求计划战略层管理层操作层预测现有资源车间生产作业计划作业统计与控制采购订单供货单位信息反馈库存状态文件产品结构文件控制层计划层分解战术层生产计划平衡能力与负荷协调资源与任务生产任务静态排序生产任务动态调度
2、资源实时动态分派执行设备系统状态实时数据采集数据分析与计划状态存在偏差PAC决策支持作业计划层生产调度层生产活动控制层存在严重偏差反馈至战术层否是二、生产作业计划二、生产作业计划基本概念作业排序的方法机器机器：表示表示“提供服务者提供服务者”。如机床、维修工、工作地等。如机床、维修工、工作地等工件工件：表示表示“接受服务者接受服务者”，或，或“服务对象服务对象”。如一个零件、。如一个零件、一批零件、作业一批零件、作业(Job)等等加工路线加工路线/工艺路线工艺路线：工件加工在技术上的约束，由工件加工工件加工在技术上的约束，由工件加工的工艺过程所决定的工艺过程所决定加工顺序加工顺序：每台机器每台
3、机器(共共m台台)加工加工n个工件的先后顺序个工件的先后顺序（正是（正是作业排序所要解决的问题）作业排序所要解决的问题）1. 基本概念（1）基本术语作业排序作业排序(Sequencing)：确定工件在机器上的加工顺序。确定工件在机器上的加工顺序。作业计划编制作业计划编制/排产排产(Scheduling)：不仅要确定工件的加工顺不仅要确定工件的加工顺序，而且还包括确定机器加工每个序，而且还包括确定机器加工每个(批批)工件的开始时间和工件的开始时间和完成时间。正向排产完成时间。正向排产(Forward Scheduling)、反向排产反向排产(Backward Scheduling)派工派工(Di
4、spatching)：按作业计划的要求，将具体的生产任务按作业计划的要求，将具体的生产任务安排到具体的机床上加工。安排到具体的机床上加工。调度调度(Scheduling)：执行生产计划控制才采取的具体行动。执行生产计划控制才采取的具体行动。 “派工派工”属于属于“调度调度”的范围，的范围， “调度调度”属于属于“控制控制”的的范围。范围。控制控制(Controlling)：保证生产进程按计划执行，或当实际的保证生产进程按计划执行，或当实际的生产进度偏离生产计划，或出现例外事件时所采取的行动。生产进度偏离生产计划，或出现例外事件时所采取的行动。“调度调度”是实行是实行“控制控制”所采取的行动之一
5、。所采取的行动之一。外延：控制外延：控制 调度调度 派工；排产派工；排产 排序排序（2）作业排序问题分类和表示法 分类分类按领域按领域：生产作业排序：生产作业排序 VS 劳动力作业排序劳动力作业排序按工件到达按工件到达：静态排序：静态排序 VS 动态排序动态排序按参数按参数：确定型排序：确定型排序VS 随机型排序随机型排序按目标函数按目标函数：单目标排序：单目标排序 VS 多目标排序多目标排序按机器数量按机器数量：单台机器排序：单台机器排序 VS 多台机器排序多台机器排序按工艺路线按工艺路线：单件作业排序：单件作业排序(Job-shop) VS 流水作业排序流水作业排序( Flow-shop)
6、 排序问题表示方法：排序问题表示方法：n/m/A/B n工件数工件数 m机器数机器数 A车间类型（车间类型（F：流水作业排序问题；流水作业排序问题；P：流水作业排流水作业排列排序问题列排序问题 (Permutation)； G：单件作业排序问题）单件作业排序问题） B目标函数，通常为最小化目标函数，通常为最小化例如：例如： n/3/P/Cmax表示：表示： n个工件在个工件在3台机器上加工的流水作业排列排序问题台机器上加工的流水作业排列排序问题, , 目标函数是使最长完工时间目标函数是使最长完工时间Cmax最短最短。 调度问题的表示法调度问题的表示法 代数形式代数形式 图论形式图论形式（3）假
7、设条件和符号说明 一个工件不能同时在几台不同的机器上加工；一个工件不能同时在几台不同的机器上加工； 每台机器同时只能加工一个工件；每台机器同时只能加工一个工件； 工件在加工过程中采用工件在加工过程中采用平行移动方式平行移动方式（即当上道工序完工后（即当上道工序完工后立即送至下道工序加工）；立即送至下道工序加工）； 不允许中断（一个工件一旦开始加工必须一直进行到完工，不允许中断（一个工件一旦开始加工必须一直进行到完工，不得中途插入其它工件）；不得中途插入其它工件）； 每道工序只在一台机器上完成；每道工序只在一台机器上完成； 工件数、机器数和加工时间已知，加工时间与加工顺序无关。工件数、机器数和加
8、工时间已知，加工时间与加工顺序无关。符号说明Ji工件工件ii=1,2, , nMj机器机器jj=1,2, , mpijJi在在Mj上的加工时间上的加工时间Ji的总加工时间的总加工时间Pi= pijwijJi在在Mj上加工之前的上加工之前的等待时间等待时间Ji的总等待时间的总等待时间Wi= wijriJi的到达时间的到达时间Ji从外部进入车间，可以开始加工的最早时间从外部进入车间，可以开始加工的最早时间diJi的完工期限的完工期限CiJi的完工时间的完工时间Ci = ri + (pij + wij ) = ri +Pi + Wi Cmax作业最长完工时间作业最长完工时间Cmax = maxCiF
9、iJi的流程时间的流程时间Fi = Ci ri =Pi + Wi Fmax作业最长流程时间作业最长流程时间Fmax = maxFiaiJi的允许停留时间的允许停留时间ai = di ri LiJi的延迟时间的延迟时间Li = Ci di = ri + Pi + Wi di = Fi ai (+/ /0)Lmax作业最长延迟时间作业最长延迟时间Lmax = maxLi（4）作业排序方案的评价标准 满足顾客交货期或者下游工序的交货期。 最长流程时间最短（全部完工时间最短、加工周期最短）。 延迟最小（顾客等待时间最小）。可以用时间表示，也可以用工件数表示。 在制品库存最小。可以用工件数、货币价值表示
10、。 利用率最大。机器的有效生产时间占总工作时间的百分比。 总成本最小。综合考虑在制品库存、加工成本与加工时间。2. 作业排序的方法(1)工艺导向的排序方法 工艺导向的工作环境(又称间歇性或单件车间环境)是产出品种多、数量少，在生产和服务组织中较多采用的系统。 它是一个按订货来制造产品的生产系统。 生产的各产品在使用的物料、操作顺序、操作要求、操作时间及生产准备要求等方面有很大差异，排序会十分复杂。(1)工艺导向的排序方法（续） 对未来订货生产的排序应不违背每个工作中心的生产能力限制。也就是说，应该进行有限负荷(Finite Loading)排序。 在分配一项订货给一部门前，要检查一下所需工具及
11、物料的供给情况。 确定每件工作的到期时间并检查一下相对所需日期及订货生产时间的工作进度。 当各工作流经车间时检查进展中的工作情况。 提供关于工厂及生产活动的反馈信息。 提供生产效率统计及检查生产时间，为工资及劳动力分配分析提供依据。(2)工作中心导向的排序方法 n/1问题排序n/1问题是n项作业的单机排序。可以采用规则调度方法来排序。规则名英文全名含义适用目标SPTShortest Processing Time优先选择加工时间最短的工序WIP最少（平均流程时间最短）FCFSFirst Come First Served优先选择最早进入可排工序集合的工序公平对待工件EDDEarliest Du
12、e Date优先选择完工期限最紧的工件保证交货期（工件最大延迟时间最小）MWKRM o s t W o r k Remaining优先选择余下加工时间最长的工件工件完工时间尽量接近LWKRL e a s t W o r k Remaining优先选择余下加工时间最短的工件工作量小的工件尽快完成MOPNRMost Operations Remaining优先选择余下工序数最多的工件与MWKR类似（主要减少转运排队时间）SCRSmallest Critical Ratio优先选择临界比最小的工件工件允许停留时间/工件余下加工时间RANDOMRandom随机地挑选一个工件 (2)工作中心导向的排序方
13、法 n /2/F/Fmax问题排序，如Johnson算法 n/m/P/Fmax问题排序，如CDS法Johnson算法Johnson法则法则：如果如果min(pi1, pj2) pi2的工件按pi2不增的顺序排成一个序列B。将A放到B之前，就构成最优加工顺序。A = 2,5,6,1B = 4,3S = A + B = 2,5,6,1,4,3最长流程时间Fmax的计算n设：设：n个工件的加工顺序为个工件的加工顺序为S = (S1,S2, , Si , Sn)Csimk 表示工件表示工件Si在机器在机器Mk上的完工时间上的完工时间（i=1,2,n)psimk 表示工件表示工件Si在机器在机器Mk上的
14、加工时间上的加工时间（k=1,2,m)n则：Csim1 = Csi-1m1 + psim1Csim2 = maxCsim1 ，Csi-1m2 + psim2Csimk = maxCsimk-1 ，Csi-1mk + psimkCsnmm = maxCsnmm-1 ，Csn-1mm + psnmm递推公式n当ri = 0时（i=1,2,n) ： Fmax = Csnmm (即排在末位加工的工件在车间的停留时间)S = (S1,S2, , Si-1 , Si , Sn)mk-1mkmmm1psimkPsimk-1psim1psimmCsi-1mkCsi-1mk-1Csi-1m1Csi-1mmCsi
15、mkCsimk-1Csim1CsimmCsimk = maxCsimk-1 ，Csi-1mk + psimk本工件在上工序机器上的完工时间前工件在本机器上的完工时间算例有一个有一个6/4/P/Fmax问题，加工时间矩阵如下表。当工件的问题，加工时间矩阵如下表。当工件的加工顺序为加工顺序为S=(6,1,5,2,4,3)时，求最长流程时间时，求最长流程时间Fmax 。i123456pi1423142pi2456745pi3587555 pi4424331加工时间矩阵解：i615243pi12( 2)4( 6)4(10)2(12)1(13)3(16)pi25( 7)4(11)4(15)5(20)7(
16、27)6(33)pi35(12)5(17)5(22)8(30)5(35)7(42) pi41(13)4(21)3(25)2(32)3(38)4(46)顺序S=(6,1,5,2,4,3)时的加工时间矩阵Fmax=max(38,42)+4=46本工件在前机器上的完工时间前工件在本机器上的完工时间CDS法将将Johnson算法用于一般算法用于一般n/m/P/Fmax问题求解。问题求解。具体做法：具体做法：取其中最好的结果。）次加工顺序，算法求（用和对加工时间1) 1,.,2 , 1(11mJohnsonmlppmlmkiklkik对前述算例用CDS法求解当当l=1时按时按Johnson算法得到加工顺
17、序：算法得到加工顺序：(1，2，3，4) Fmax=28当当l=2时按时按Johnson算法得到加工顺序：算法得到加工顺序：(2，3，1，4) Fmax=29取顺序（取顺序（1，2，3，4）i1234l=1pi11263pi34582l=2pi1 + pi296812pi2 + pi31291011其他启发式算法n随机抽样法随机抽样法n概率调度法概率调度法三、生产作业控制三、生产作业控制引言甘特图输入/输出控制引言实行生产控制的原因和条件不同生产类型生产控制的特点生产控制的主要功能2. 甘特图作业进度图2. 甘特图甘特机器图3.输入/输出 (Input /Output control, I/O
18、) 控制 输入/输出控制，也称投入/产出控制，是指对工作中心的作业流和序列程度进行控制。 主要原则：工作中心的输入永远不能超过工作中心的输出。 目的：分析输入与输出之间的差异，找到问题的来源，采取适当的控制措施。四、最优生产技术四、最优生产技术最优生产技术(Optimized Production Technology, OPT)是由以色列物理学家Eli Goldratt于70年代末首创的。OPT最初被称作最优生产时间表(Optimized Production Timetable)，20世纪80年代才改称为最优生产技术。后来，Goldratt又进一步将它发展成为约束理论(Theory of
19、Constraints)。OPT的倡导者强调，任何制造企业的真正目标只有一个，即在现在和将来都能赚钱。要实现这个目标，必须在增加产销率的同时，减少库存和运行费。OPT的基本思想是识别企业的瓶颈资源/非瓶颈资源，生产管理与控制基于瓶颈资源（约束）。OPT九条原则主张平衡物流，而不平衡能力。非瓶颈资源的利用程度不取决于其自身潜力，而是由系统的约束决定的。资源的“利用”(Utilization)和“活力”(Activation)不是同义词。瓶颈上一小时的损失就是整个系统一小时的损失。非瓶颈资源获得的一小时毫无意义，因为只能增加一小时的闲置时间。瓶颈控制了库存和产销率。转运批量可以不等于（在许多时候应
20、该不等于）加工批量。加工批量应是可变的，而不是固定的。安排作业计划应同时兼顾所有的约束，提前期是作业计划的结果，而不应是预定值。OPT计划与控制的DBR实现 识别瓶颈。 基于瓶颈约束，建立产品出产计划。 通过“绳索”控制进入非瓶颈的物料，保持生产的均衡。OPT与MRP的集成五、制造执行系统五、制造执行系统1. MES 是什么？ MES是“Manufacturing Execution System”的英文缩写，中文翻译为“制造执行系统”、“生产实施系统”等。 简单地讲，MES是面向车间的生产过程管理与实时信息系统。它主要解决车间生产任务的执行问题。MES发展大事记 20世纪80年代末，美国先进
21、制造研究机构(AMT)首先提出MES的概念； 1992年，美国成立以宣传MES思想和产品为宗旨的贸易联合会MES国际联合会（MESA International）； 1997年，MESA发布修订后的6个关于MES的白皮书，对MES的定义与功能、MES与相关系统间的数据流程、应用MES的效益、MES软件评估与选择以及MES发展趋势等问题进行了详尽的阐述； 1999年，美国国家标准与技术研究所（NIST）在MESA白皮书的基础上，发布有关MES模型的报告，将MES有关概念标准化。 MES 的定义美国先进制造研究机构(AMR)： MES是位于上层计划管理系统与底层工业控制之间、面向车间层的管理信息系
22、统。它为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等)的当前状态信息。MES 国际联合会(MESA International)： MES 是一些能够完成车间生产活动管理及优化的硬件和软件的集合，这些生产活动覆盖从订单发放到出产成品的全过程。它通过维护和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。Michael McClellan (曾任MESA主席)： MES是一个集成的计算机化的系统，它是用来完成车间生产任务的各种方法和手段的集合。2. MES 产生的背景 车间层生产管理系统本身发
23、展的需要 MRPII/ERP进一步发展的需要 其它先进制造及管理模式发展的需要 相关技术的发展为MES提供了技术支撑 在MES出现之前, 车间生产管理依赖若干独立的单一功能软件，如车间作业计划系统、工序调度、工时管理、设备管理、库存控制、质量管理、数据采集等软件来完成。这些软件之间缺乏有效的集成与数据共享，难以达到车间生产过程的总体优化。 为了提高车间生产过程管理的自动化与智能化水平，必须对车间生产过程进行集成化管理，实现信息集成与共享，从而达到车间生产过程整体全局优化的目标。 MRPII/ERP强调企业的计划性，好的计划应该建立在实时、准确、全面信息的基础之上。 MRPII/ERP无法及时获
24、取车间生产现场的实时信息，造成“生产计划”与“生产信息”不同步，使得计划的合理性大打折扣。 因此，必须把“生产”与“计划”实时关联起来。但MRPII/ ERP本身无法直接与生产现场的控制层相联系，作为连接两者的桥梁，MES应运而生。MES填补了计划与控制之间的鸿沟 计算机集成制造系统（CIMS）：对车间层制造过程及管理自动化以及与其它分系统集成的需求； JIT/精益生产：对生产现场实施“零库存”控制的需求； 网络化制造：对车间生产过程及数据管理信息化、集成化、网络化的需求； 敏捷制造：对车间生产过程集成化、智能化、柔性化的需求。 计算机网络、数据库及计算机软件技术的发展：Internet /I
25、ntranet/LAN/Field Bus/MAP，大型分布式数据库，分布式对象计算、软总线及组件技术等； 自动控制与传感检测技术：PLC/DCS/SCADA， 智能仪表，数字传感器，网络数控技术等； 计算机辅助生产管理技术的普及与发展：生产计划与控制，设备管理，工具管理，质量管理与控制，过程管理及工作流技术等。3. MES 的功能与作用资源资源配置配置与状态与状态文档文档管理管理派遣生派遣生产单元产单元操作操作/ /详细详细调度调度过程过程管理管理劳工劳工管理管理质量质量管理管理数据数据采集采集/ /获取获取产品产品跟踪和跟踪和系谱系谱维护维护管理管理性能性能分析分析MESControls车
26、间设备控制SCM供应链管理MRPII/ERP企业资源规划SSM服务销售管理MES制造执行系统P/PE产品及工艺设计MES定位及功能模型MES功能概述序序功能项目功能项目英文全称英文全称功能概述功能概述备注备注1资源分配与状资源分配与状态态Resource Allocation and Status管理车间资源状态及分配信息管理车间资源状态及分配信息MESA /NIST2操作操作/详细调度详细调度Operations/Detail Scheduling生成操作计划，提供作业排序功能生成操作计划，提供作业排序功能M/N3分派生产单位分派生产单位Dispatching Production Unit
27、s管理和控制生产单位的流程管理和控制生产单位的流程M/N4文档管理文档管理Document Control / Specification Management管理、控制与生产单位相关的记录管理、控制与生产单位相关的记录M/N5数据采集数据采集/获取获取Data Collection/Acquisition采集生产现场中各种必要的数据采集生产现场中各种必要的数据M/N6人力管理人力管理Labor Management提供最新的员工状态信息提供最新的员工状态信息M/N7质量管理质量管理Quality Management记录、跟踪和分析产品及过程特性记录、跟踪和分析产品及过程特性M/N8过程管理
28、过程管理*Process Management监视生产，纠偏或提供决策支持监视生产，纠偏或提供决策支持MESA9维护管理维护管理Maintenance Management跟踪和指导设备及工具的维护活动跟踪和指导设备及工具的维护活动M/N10产品跟踪和谱产品跟踪和谱系系Product Tracking and Genealogy提供工件在任意时刻的位置及其状提供工件在任意时刻的位置及其状态信息态信息M/N11性能分析性能分析Performance Analysis提供最新的实际制造过程及对比结提供最新的实际制造过程及对比结果报告果报告M/N12物料管理物料管理*Material managem
29、ent管理物料的运动、缓冲与储存管理物料的运动、缓冲与储存NISTMES功能详解 资源分配与状态：该功能跟踪资源状态并维护一个详细的历史记录。它保证设备能够适时地安装调整以及其它资源（如文档）能够及时获取。对上述资源的管理包括对操作/详细调度功能的支持。 操作/详细调度：提供基于优先级、属性、特性以及制造方法与工艺等的作业排序功能，负责生成工序计划（即详细计划）以满足用户定义的运行目标。 分派生产单位：根据生产计划和详细排程，指导作业、订单、批次、工作指令等形式的生产单位的工作流程。以适当的顺序分派信息，使在正确的时间到达正确的地点。它具有变更预定排程/生产计划、以及通过缓冲管理来控制在制品数
30、量的能力。 文档管理：控制、管理与交付与生产单位关联的信息包，包括工作指令、制造方法、图纸、标准操作规程、零件加工程序、批次记录、工程更改通知以及交班信息等。它支持编辑预定信息和维护文档历史版本。 数据采集/获取：获取和更新用于产品跟踪、维护生产历史记录以及其它生产管理功能的生产信息。它可使用扫描仪、输入终端、与制造控制者的软件界面以及其它软件等方式相结合来完成上述功能。它以手工或自动方式在车间采集最新的数据。 人力管理：提供最新的人员状态信息，包括时间和出勤记录、资质跟踪以及追踪起其间接活动的能力。它与资源分配进行交互以确定最优的人员分派。 质量管理：及时提供产品和制造工序测量尺寸分析以保证
31、产品质量控制，并辨别需要引起注意的问题。它可推荐一些矫正问题的措施。也可以包括SPC/SQC跟踪、离线检测操作以及在实验室信息管理系统(LIMS)中分析。 过程管理：监视生产过程，自动纠偏或为操作者提供决策支持以纠正和改善在制活动。它可包括报警管理。可能通过数据采集/获取提供智能设备与MES的接口。（NIST认为过程管理活动已在分派与质量管理中描述；MESA将其单列，是因为该活动可能由一个单独的系统来执行） 维护管理：跟踪和指导设备及工具的维护活动以保证这些资源在制造进程中的可获性，保证周期性或预防性维护调度，以及对应急问题的反应（报警），并维护事件或问题的历史信息以支持故障诊断。 产品跟踪和
32、谱系：提供所有时期工作及其处置的可视性。其状态信息可包括：谁在进行该工作；供应者提供的零件、物料、批量、序列号；任何警告、返工或与产品相关的其它例外信息。其在线跟踪功能也创建一个历史记录，该记录给予零件和每个末端产品使用的可跟踪性。 性能分析：提供实际制造操作活动的最新报告，以及与历史记录和预期经营结果的比较。运行性能结果包括对诸如资源利用率、资源可获取性、产品单位周期、与排程表的一致性、与标准的一致性等指标的度量。 物料管理：管理物料（原料、零件、工具）及可消耗品的运动、缓冲与储存。这些运动可能直接支持过程操作或其它功能，如设备维护或安装调整。 （该功能为NIST所追加，它认为上述物料管理活动与资源分配和跟踪功能的关系并不明确）