АВТОРЕФЕРАТ МАГИСТЕРСКОЙ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЫ

Варфлусев Денис Владимирович

Тема магистерской работы: Разработка компьютерной подсистемы оперативного управления производством машиностроительного предприятия

Научный руководитель: к.т.н., доц. Лаздынь Сергей Владимирович

г. Донецк, 2003 г. E-Mail : denis_v_don@rambler.ru

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ

Решение проблем руководителя, связанных с недостатком достоверной информации о производственном процессе, начинается с формулирования задачи. Именно руководитель четко определяет основную цель, к примеру, снижение себестоимости продукции. Это - самый первый и чрезвычайно важный шаг.

Разложив задачу руководителя на составляющие, получим конкретные вопросы, для ответа на которые требуется оперативная информация, получаемая из производственных систем и отсутствующая в административных системах:

• Какие партии изделий находятся в данный момент в обработке, и выдерживаются ли сроки отгрузки изделий заказчику?
• Сколько было потреблено сырья и других производственных ресурсов, и соответствуют ли расчеты себестоимости продукции реальному положению дел, включая фактическое потребление энергии, рабочей силы и затрат на подготовку производства?
• Какие товары имеются в наличии в данный момент времени? Можно ли добиться более своевременного обновления запасов?
• Можем ли мы повысить качество конечной продукции на основании знаний о том, какие выполнялись производственные операции или процедуры? Более того, сможем ли мы оперативно реагировать на события по мере их возникновения и предотвращать
• Можно ли устранить всю непродуктивную деятельность (например, исправления брака) за счет более качественного контроля?
• Существуют ли способы оценки и сравнения выпускаемой продукции различных производственных участков? Можно ли определить действительные производственные затраты, и можно ли затем определить те производственные операции, которые вносят максимальный вклад в себестоимость продукции?

Получение ответов на подобные вопросы гарантирует более высокую конкурентоспособность и эффективность предприятия, поскольку принимаемые решения в этом случае будут более своевременными и обоснованными.

Эти проблемы решает система управления производством. Её еще называют MES (Manufacturing Execution System) система. Такого рода система связывает воедино все бизнес-процессы предприятия с производственными процессами, оперативно поставляет объективную и подробную информацию руководству. Кроме того, система MES проводит анализ и определяет наиболее эффективное решение проблемы - например, для конкретного руководителя таким решением может быть переход на другие источники сырья, внедрение систем автоматизации в определенные точки технологического процесса, изменение графика поставок или сокращение ручного труда.

По определению APICS (American Production and Inventory Control Society) MES - это информационная и коммуникационная система производственной среды предприятия. Более развернутым является определение, принятое в некоммерческой ассоциации MESA (Manufacturing Enterprise Solutions Association), объединяющей производителей и консультантов-внедренцев MES-систем:

MES - это автоматизированная система управления производственной деятельностью предприятия, которая в режиме реального времени:

• планирует;
• оптимизирует;
• контролирует;
• документирует производственные процессы от начала формирования заказа до выпуска готовой продукции.

СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ НА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОМ ПРЕДПРИЯТИИ

Определим основные функции системы:

1. Контроль состояния и распределение ресурсов (RAS). Эта функциональность MES-систем обеспечивает управление ресурсами производства (машинами, инструментальными средствами, методиками работ, материалами, оборудованием) и другими объектами, например, документами о порядке выполнения каждой производственной операции. В рамках этой функции описывается детальная история ресурсов и гарантируется правильность настройки оборудования в производственном процессе, а также отслеживается состояние оборудования в режиме реального времени.
2. Оперативное/Детальное планирование (ODS). Эта функция обеспечивает оперативное и детальное планирование работы, основанное на приоритетах, атрибутах, характеристиках и свойствах конкретного вида продукции, а также детально и оптимально вычисляет загрузку оборудования при работе конкретной смены.
3. Диспетчеризация производства (DPU). Обеспечивает текущий мониторинг и диспетчеризацию процесса производства, отслеживая выполнение операций, занятость оборудования и людей, выполнение заказов, объемов, партий и контролирует в реальном времени выполнение работ в соответствии с планом. В режиме реального времени отслеживаются все происходящие изменения и вносятся корректировки в план цеха.
4. Управление документами (DOC). Контролирует содержание и прохождение документов, которые должны сопровождать выпускаемое изделие, включая инструкции и нормативы работ, способы выполнения, чертежи, процедуры стандартных операций, программы обработки деталей, записи партий продукции, сообщения о технических изменениях, передачу информации от смены к смене, а также обеспечивает возможность вести плановую и отчетную цеховую документацию. Предусматривается архивирование информации.
5. Сбор и хранение данных (DCA). Эта функция обеспечивает информационное взаимодействие различных производственных подсистем для получения, накопления и передачи технологических и управляющих данных, циркулирующих в производственной среде предприятия. Данные о ходе производства могут вводиться как вручную персоналом, так и автоматически с заданной периодичностью из АСУТП или непосредственно с производственных линий.
6. Управление персоналом (LM) Предоставляет информацию о персонале с заданной периодичностью, включая отчеты о времени и присутствии на рабочем месте, слежение за соответствием сертификации, а также возможность учитывать и контролировать основные, дополнительные и совмещаемые обязанности персонала, такие как выполнение подготовительных операций, расширение зоны работы.
7. Управление качеством продукции (QM) Предоставляет данные измерений о качестве продукции, в том числе и в режиме реального времени, собранные с производственного уровня, обеспечивая должный контроль качества и заостряя внимание на критических точках. Может предложить действия по исправлению ситуации в данной точке на основе анализа корреляционных зависимостей и статистических данных причинно-следственных связей контролируемых событий.
8. Управление производственными процессами (PM) Отслеживает заданный производственный процесс, а также автоматически вносит корректировку или предлагает соответствующее решение оператору для исправления или повышение качества текущих работ.
9. Управление производственными фондами (техобслуживание) (MM) Поддержка процесса технического обслуживания, планового и оперативного ремонта производственного и технологического оборудования и инструментов в течение всего производственного процесса.
   
   
   
   
   
   
   Рис.1.1. Функциональная модель MES
   
   
10. Отслеживание истории продукта (PTG) Предоставляет информацию о том, где и в каком порядке велась работа с данной продукцией. Информация о состоянии может включать в себя: отчет о персонале, работающем с этим видом продукции, компоненты продукции, материалы от поставщика, партию, серийный номер, текущие условия производства, несоответствия установленным нормам, индивидуальный технологический паспорт изделия.
11. Анализ производительности (PA) Предоставляет отчеты о реальных результатах производственных операций, а также сравнивает с предыдущими и ожидаемыми результатами. Представленные отчеты могут включать в себя такие измерения, как использование ресурсов, наличие ресурсов, время цикла производственного ресурса, соответствие плану, стандартам и другие. На рис.1.1 представлено одиннадцать функций MES-системы и ее взаимосвязь с другими системами предприятия. Глубина связи между компонентами определяется типом продукции и производственными потребностями.
    

Взаимодействие MES с другими системами:

Система управления производством - это связующее звено между ориентированными на хозяйственные операции ERP-системами, системами планирования цепочки поставок и деятельностью в реальном масштабе времени на уровне производства.

Некоторые функции MES в определенной степени перекрываются с другими системами, которые, в свою очередь, перекрываются между собой (рис.1.2). Степень их перекрытия зависит от конкретной задачи, вида отрасли и способа реализации системы.

Дадим расшифровку сокращениям:
MES Система управления производством
SSM Система управления сбытом и обслуживанием
SCM Система управления цепочкой поставок
ERP Система планирования ресурсов производства
P/PE Система проектирование производственных процессов и продукции
Industrial (АСУТП) PLC, распределенные системы управления, средства автоматики

Так, и в MES, и в системе управления сетью поставок есть календарное планирование; функции управления трудовыми ресурсами имеются в MES, в системе управления сбытом и обслуживанием и в подсистеме управления кадрами системы планирования производства; документооборот контролируется и MES, и системой проектирования процессов и продукции; управление технологическими процессами осуществляется как MES, так и устройствами автоматизации.

Покажем (рис 1.3) место MES систем на общей схеме интегрированной системы управления предприятием

Из рисунка видно, что интегрированную автоматизированную систему управления промышленным предприятием можно представить в виде трех взаимосвязанных уровней управления. При этом каждый уровень выполняет свою основную управленческую функцию:

1. Верхний уровень управления предприятием (административно-хозяйственный) решает стратегические задачи, а соответствующая ERP-система обеспечивает управление ресурсами в масштабе предприятия в целом, включая часть функций поддержки производства (долгосрочное планирование и стратегическое управление в масштабе: годовое, квартальное, месячное);
2. Средний уровень управления (производственный) решает задачи оперативного управления процессом производства, а соответствующая автоматизированная система обеспечивает эффективное использование ресурсов (сырья, энергоносителей, производственных средств, персонала), а также оптимальное исполнение плановых заданий (сменное, суточное, декадное, месячное) на уровне участка, цеха, предприятия;
3. Низшие уровни технологического управления решают классические задачи управления технологическими процессами.

Надо отметить, что при передаче части функций управления от систем ERP в MES-системы на производственный уровень (руководству производства, цеха, производственного участка, технологу, начальнику службы эксплуатации, и т.д.), происходит рациональная сегментация контуров управления предприятием в целом (рис.1.4).

При этом каждый контур управления характеризуется своим уровнем интенсивности циркулирующей в нем информации, своим масштабом времени и своим набором функций:

1. Контур управления уровня ERP (стратегический) освобождается в этом случае от решения оперативных задач производства и обеспечивает поддержку бизнес-процессов предприятия в целом. Поток информации от производственного блока становится минимальным и включает в себя агрегированную управляющую и отчетную информацию по стандартам ERP с типовыми временами контроля (декада, месяц, квартал), а также "алармовые" сигналы, требующие немедленного вмешательства высшего менеджмента предприятия.
   
   
   
   
   
   
   Рис.1.4. Сегментация контуров управления предприятием.
   
   
2. Контур управления уровня MES (оперативно-производственный) опирается на отфильтрованную и обработанную информацию, поступающую как от АСУТП, так и от других служб производства (снабжения, технической поддержки, технологических, планово-производственных и т.д.). Интенсивность информационных потоков здесь существенно ниже и связана с задачами оптимизации заданных производственных показателей (качество продукции, производительность, энергосбережение, себестоимость и т.д.). Типовые времена циклов управления составляют минуты, часы, смены, сутки. Оперативное управление производством в этом контуре управления осуществляется специалистами, которые более детально, чем высший менеджмент, владеют производственной ситуацией (руководители производственных цехов, участков, главные технологи, энергетики, механики и др.). В связи с этим должно повышаться качество и эффективность принимаемых решений в пределах делегированных сверху полномочий.
3. Контур управления уровня АСУТП (технологический) является самым интенсивным по объему информации и самым жестким по времени реакции, которое может составлять секунды и даже миллисекунды. В верхнем уровне слоя АСУТП - в SCADA-системах происходит накопление и обработка большого числа технологических параметров и создается информационная база исходных данных для MES-уровня.

Очевидно, что при комплексной автоматизации практически любого предприятия есть потребности в покрытии того или иного набора MES-функций средствами автоматизации.

ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Как известно, на многих промышленных предприятиях Украины, на производственном уровне в настоящее время доминирует "лоскутная", "островная" автоматизация. Здесь отсутствует единая информационная среда, которая смогла бы стать основой системы оперативного учета и управления ресурсами производства на уровне участка, цеха, да и предприятия в целом.

В то время как на административно-хозяйственном уровне в рамках ERP-системы осуществляется учет каждой финансовой операции и каждого документа, на уровне производства подобного детального контроля не обеспечивается. Но именно на этом уровне рождается прибавочная стоимость, осуществляются основные затраты и скрыты главные источники экономии, обеспечивается производственный план и требуемое качество продукции, а также работают многие другие факторы, определяющие эффективность и рентабельность предприятия в целом. Таким образом, из контура автоматизированного контроля и управления предприятием выпадает основное звено - Производственный блок.

В кибернетике известен постулат: "управлять можно только тем, что подвергается измерению". Очевидно, что именно этот принцип и нарушен в случае управления производством со стороны ERP. Производство в этом случае представляет собой непрозрачный (с точки зрения контроля и мониторинга, а значит и управления) "черный ящик". Его внутренние процессы информационно и логически не взаимосвязаны и не синхронизированы по времени с процессами административно-хозяйственной и финансовой деятельности предприятия в целом. Получается так, что применительно к Производству основная задача АСУП - своевременно обеспечить поставки сырья и комплектующих, задать производственный план, подготовить склад и отдел сбыта к отгрузке и затем пассивно ждать появления готовой продукции.

Но плановые сроки срываются из-за не оперативности поступления информации с производства. Информация поступает раз в месяц или квартал. Нет возможности оперативно скорректировать план-график, если, например, главный конвейер встал на непредвиденный ремонт, прессовщик не вышел на работу и т.п.

Дело в том, что для решения таких проблем необходима система оперативного управления производственными процессами с учетом фактической ситуации, которая в настоящих условиях подвержена значительным и быстрым изменениям. Без такой системы управлять производством приходится интуитивно и с помощью голоса на фоне большого числа текущих проблем (рис. 4.1.1).

Чтобы процесс производства стал контролируемым и управляемым, нужно, по крайней мере, решить две задачи.

Во-первых, необходимо создать систему "измерения", обеспечивающую объективный и оперативный контроль текущего состояния технологических и производственных процессов и имеющихся в распоряжении производственных ресурсов. Во-вторых, нужен адекватный инструмент управления производственными процессами и ресурсами.

Для высокой эффективности управления производством необходимо обеспечить соответствующее качество выбранных средств измерения и управления, качество производственной информации, адекватность системы управления целевой функции управления и, конечно, качество управленческих решений. Игнорирование любого из этих факторов неизбежно приведет к потере эффективности управления. Естественно, все это справедливо и для других элементов АСУП, однако, для производственного уровня такой подход особенно актуален. Именно здесь можно получить действительно качественную информацию, необходимую и достаточную для принятия управленческих решений. Показателями качества этой информации являются ее оперативность и объективность.

Оперативность позволяет:

• своевременно обнаруживать узкие и проблемные места производства, обеспечивая тем самым возможность оперативно влиять на процесс;
• в реальном времени контролировать загрузку и техническое состояние производственного оборудования;
• управлять ключевыми показателями производства не по нормативным параметрам, а по их реальному текущему состоянию.

Достоверность обеспечивает:

• оптимизацию производственных процессов на основе их объективного анализа;
• поддержку заданных производственных показателей: производительности, качества продукции, себестоимости;
• исключение человеческого фактора при решении учетных задач.

Решение всех перечисленных задач наиболее актуально для повышения эффективности производства. При серьезном ("целевом") подходе к созданию действительно интегрированной АСУП промышленного предприятия без решения проблем Производства уже не обойтись.

Производственные исполнительные системы (MES) - необходимый элемент эффективного управления предприятием.

В большинстве реализованных проектов, связанных с созданием интегрированных систем управления промышленным предприятием существует целый пласт функций, не покрываемых ни классом ERP, ни классом АСУТП. ERP-системы не обеспечивают оперативного управления производством, ограничиваясь стратегическим планированием, что предопределяет существование значительного функционального разрыва между уровнем ERP и уровнем АСУТП. А именно в этом "неохваченном" информационными технологиями слое оперативного управления производством находится целый класс жизненно важных для предприятия производственных процессов, создающих прибавочную стоимость продукции, и оказывающих значимое влияние на эффективность предприятия в целом.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Спорыхин В.Я., Лаздынь С.В. Теория и методы гибких автоматизированных производственных систем: Учеб.пособие.
2. Слепцов А.И., Юрасов А.А. Автоматизация проектирования управляющих систем гибких автоматизированных производств / Под ред. Б.Н. Малиновского. 3. Фельдман Л.П., Дедищев В.О. Математическое обеспечение САПР: Моделирование вычислительных и управляющих систем: Учеб. пособие.
3. Фельдман Л.П., Слепцов А.И., Дедищев В.А. Оптимизация структур и процессов в вычислительных системах методами имитационного моделирования: Учеб. пособие.
4. Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Междунар. сб. науч. тр.: Вып.5/ДонНТУ; Ред. кол.: Михайлов А.Н. (пред.) и др.
5. Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Междунар. сб. науч. Тр.: Вып.7/ДонНТУ; Ред. кол.: Минаев А.А., Михайлов А.Н., Калафатова А.П. и др.
6. Проблеми моделювання та автоматизації проектування динамічних систем: Наук. працi Донец. Держ. техн. ун -ту.Вып.10.
7. Стеклов В.К. Проектування систем автоматичного керування: Навч. посібник.
8. Теоретические основы создания и внедрения автоматизированных систем управления отраслью и промышленным предприятием / ДонГУ; Под ред.В.А.Елисеева.
9. Афанасьев В.Н. и др. Математическая теория конструирования систем управления: Учебник для вузов.
10. Олссон Густав, Пиани, Джангуидо. Цифровые системы автоматизации и управления.
11. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник для вузов: В 3 т.Т.1:Анализ и статистическая динамика систем автоматического управления / Пупков К.А., Баркин А.И., Воронов Е.М. и др.; Под ред. Н.Д. Егупова.
12. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник для вузов: В 3 т.Т.2: Синтез регуляторов и теория оптимизации систем автоматического управления/Пупков К.А., Егупов Н.Д., Баркин А.И. и др.;Под ред.Н.Д.Егупова
13. Шишкин О.П., Парфенов А.Н. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов:Учебник для вузов.