沈斌分享 http://blog.sciencenet.cn/u/bshen 同济大学中德学院机械工程系主任、制造执行系统(MES)分会理事长

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准确理解制造执行系统(MES)(四)作业计划的优化(1)

已有 2065 次阅读 2019-8-12 12:28 |个人分类:学术论文|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 智能制造, MES, 作业计划优化

 

准确理解制造执行系统(MES)(四)

----作业计划的优化(1)

 

 

同济大学中德学院  沈斌 教授

 

上文提出了实施MES是企业提高经济效益的最佳切入点,为什么呢?总的来说,企业通过实施MES系统,可以在以下主要几个方面获得显著的益处:

    1)通过作业计划的优化,在同样生产资源环境下,可以提高10-20%的效益,其基本原理将在本文进一步分析论述。

    2)根据精确的生产进度控制,实现“准时生产法”,减少原材料库存、在制品积存量50%左右。

    3)通过合理的作业计划和实时的智能生产调度,提高生产设备的利用率(OEE,Overall Equipment Effectiveness设备综合效率)一倍。

    4)实现了生产过程的透明化,最大限度地保证最小的产品交货误期。

    5)实现产品质量的实时监控,保证质量原因的追溯率100%。

    6)合理配置人力资源,通过精确的工作量和薪酬的计算,调动员工的积极性。

    以上2-6点,将另文分析阐述。

 

1、作业计划概述

  

主生产计划给出了最终产品的交货期限,如果要转换成各生产周期内的原材料和零件的需求计划,这还需根据工厂的实际生产能力确定零件的加工批量与完成期限,才下达给车间或制造岛。车间作业计划编制就是按一定的排序准则将规定的任务按周、日、小时具体分配给指定的工作地进行加工,确保完成生产计划的要求,如图1所示。

 

主生产计划中的最终产品是由各种零件构成的,每种零件都按一定的加工顺序进行制造。因此,作业计划包括分配各种零件的投入期和产出期,并规定完成这些加工工序的地点。它实际上由下列二个步骤组成:

(1)确定制造设备负荷。即将各项加工任务分配至各工作地。这时每个工作地将有一长队的工件等待加工处理。在计划周期内,各项任务的加工总工时应与工作地实际生产能力相平衡。

(2)作业排序。是确定各项任务通过给定工作地的先后加工顺序。为此,必须确定这一列任务中的排队准则,各项任务将按此顺序加工。当一项任务完成后,即转入下一个工作地的任务队列中,成为下一个工作地的制造设备负荷。

 

 图 1 多品种中小批量厂级作业计划流程图

过去,对于简单的、只包含几个加工工序的生产环境,排序是依靠有经验的调度员来做的,它们所使用的工具一般是图表,如甘特图。在排序计划执行时,靠人工修改和维护生产作业排序。这种人工排序一般只是凭经验定性地进行,有时也运用几个分配准则。人工排序不能保证排序结果达到最优,它取决于排序人员对生产情况的熟悉程度。另外,对于车间作业排序这样比较复杂的问题,用人工借助于图表也是很难排出一个令人满意的计划的。

    随着计算机在企业管理中应用的日益普及,在许多复杂的多工序生产环境中,已经开始实现了计算机排序,这种排序实质上是一个算法模型,它利用计算机的存储量大、计算快、逻辑推理能力强等特点,能够完成详细记录中间排序结果和反复迭代的功能,或是在作出可行的排序结果后,根据计算机中记录的车间或制造岛的加工状态和期望的未来需求,提供更合乎当前实际情况的排序信息。

 

2、作业优化排序模型

 

作业排序是在有限资源约束下,如何安排零件的加工顺序,使其给定的目标函数达到最优。作业排序的优化目标包括以下几个方面:

    (1)总加工工时最短;

(2)零件平均通过时间最短;

(3) 机床利用率最高;

(4)不按期交货或交货误期最少;

(5)加工总成本最低;

(6)原材料、在制品库存量最低。

以上目标有的是相互相成的,如目标(1)总加工工时最短,也许实现目标(5)加工总成本最低。有的是相互排斥的,如为了实现目标(3) 机床利用率最高,就有可能导致了不能实现目标(6)原材料、在制品库存量最低。

因此,在编制作业计划时,根据实际情况,有时可以进行单目标优化编制;有时需多个目标的优化编制。在这方面,国内外专家进行了大量的算法研究。

 

设有n种零件,要在m台机器上加工。每种零件根据工艺要求,要按一定顺序通过这些设备。一种零件在一台设备上加工一次称为一道工序,每种加工零件总有若干道工序组成。作业排序问题就是研究在满足约束条件的基础上,找到一个使目标函数最优的各种零件在每台设备上的加工顺序。一般说来,约束条件如下:

(1)加工顺序约束:每种零件仅当其第j道工序加工完成后,第j+1道工序才能开始加工。

(2)资源约束:一台设备不能同时加工多于一种的零件。

(3)工序不可中断约束:每一零件一旦开始在一台设备上加工,则本道工序不能被中断,必须待该零件的这道工序加工结束后,该设备才能加工其它零件。

 

这是车间作业排序最普遍的问题,每种作业任务可以要求按任何一种可能的顺序在一组设备上加工。因此,作业排序的优化实际上是广泛组合的最优化问题,如n个零件在单台设备上加工,则先后加工顺序有n!种(n的阶乘,如5个零件,就有5!=120种先后加工顺序)。如n个零件经过m台机床加工时,作业排序的算法有(n!)*m之多,这是一个巨大的排列数字,即使利用计算机也无法逐一(遍历)计算,故只能根据优化的目标建立近似的数学模型,然后进行排序的优化。下文将举例分析论述。

 

 

参考文献:

沈斌,陈炳森,张曙.《生产系统学》(第二版).同济大学出版社,1999



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2 李毅伟 宁利中

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