Mes-технологии в машиностроительной промышленности

ПРОБЛЕМЫ ПРАКТИКИ УПРАВЛЕНИЯ

Вестник Омского университета. Серия «Экономика». 2006. № 3. С. 120-125.

© С.И. Соломонова, 2006 УДК 65.01.00: 658

MES-ТЕХНОЛОГИИ в машиностроительной промышленности

С.И. Соломонова

Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского

Article is devoted concerning the new integrated information system uniting tools and methods of production management in a mode real time at the machine-building enterprise (MES - system). The analysis of already realized MES - decisions is lead on the basis of widespread SCADA - systems and conclusions are made. One of them testify that in real conditions the information system will have, most likely, the mihed character, but the tendency to one of three considered variants will be traced.

В большинстве реализованных проектов, связанных с созданием интегрированных систем управления промышленным предприятием в России, 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.

Поэтому сегодня на российском рынке промышленной автоматизации наблюдается повышенный интерес к новому для него классу систем управления производством. Это системы класса MES (Manufacturing Execution Systems) или производственные исполнительные системы. Как определяет международная ассоциация производителей и поставщиков MES-решений (MESA International), MES - это интегрированная информационно-вычислительная система, объединяющая инструменты и методы управления производством в режиме реального времени.

Также согласно определению MESA, которая занимается разработкой методологических аспектов построения и применения MES-систем, в состав последних входят 11 функций:

• контроль состояния и распределение ресурсов (машин, инструментов, методик работ, материалов, оборудования);

• детальное оперативное планирование работ, основанное на приоритетах, и расчет оптимальной загрузки оборудования;

• диспетчеризация производства;

• управление производственным документооборотом, документальное сопровождение производственного процесса;

• сбор и хранение технологических и управляющих данных, циркулирующих в производственной среде предприятия между различными системами;

• управление персоналом;

• управление качеством продукции, предоставление данных измерений, выявление критических точек;

• управление производственными процессами;

• техобслуживание производственных фондов;

• отслеживание истории продукта;

• анализ производительности, составление отчетов о результатах производительности и сравнение фактических данных с прогнозируемыми результатами.

Развернутым смысловым определением MES-систем, соответствующим отечественной практике и терминологии (АСУ ПП), можно считать следующее: системы оперативного планирования, оптимизации и управления производственными процессами.

Рассмотрим основные аспекты применения MES-систем в машиностроительной промышленности.

Используя данные уровней планирования и контроля, MES-системы управляют текущей производственной деятельностью в соответствии с поступающими заказами, требованиями конструкторской и технологической документации, актуальным состоянием оборудования, преследуя при этом цели максимальной эффективности и минимальной стоимости выполнения производственных процессов.

MES-технологии в машиностроительной промышленности

121

MES-системы, собирая и обобщая данные, полученные от различных производственных систем и технологических линий, выводят на более высокий уровень организацию всей деятельности предприятия, начиная от формирования заказа и заканчивая отгрузкой готовой машиностроительной продукции на склады.

Они также реализуют связь в реальном времени производственных процессов с бизнеспроцессами и улучшают финансовые показатели компании (cash flow), включая повышение отдачи основных фондов, ускорение оборота денежных средств, снижение себестоимости, своевременность поставок, повышение размера прибыли и производительности.

Кроме того, эти системы формируют данные о текущих показателях (в частности, о реальной себестоимости продукции), необходимых для более качественного функционирования ERP-систем.

По мнению профессионалов, задачи, которые необходимо решать с помощью MES-систем, напрямую связаны с производственным циклом выполнения объемных планов, спускаемых машиностроительным цехам. Основных задач три: оперативное планирование, оптимизация, управление производственными процессами. К решению этих задач приступают после того, как машиностроительный цех в каком-либо виде получает спущенный ему вышестоящим руководством объемный план и пройден этап технологической подготовки производства.

В цехе все начинается с составления подробного оперативного, поминутного плана производства на ближайшую перспективу. Обычно горизонт оперативного планирования в машиностроительной промышленности не превышает двух месяцев, более далекие горизонты бессмысленны в силу непрерывно меняющихся условий производства в цехе и следующих за ними корректировок производственных расписаний. Итак, выделим первую обобщенную задачу для MES-системы на предприятиях с дискретным типом производства - оперативное планирование, или расчет производственных расписаний.

К настоящему моменту идея планирования производства получила признание во всех развитых странах мира. На практике при планировании производства формируются так называемые объемные и оперативные планы. Объемный план устанавливает когда, сколько и какой продукции должно быть произведено, оперативный план детализирует объемный по времени и заданиям для низовых звеньев. Фактически оперативный план определяет, как в действительности производится продукция. Кроме того,

оперативный план предусматривает диспетчеризацию производства: контроль и учет выполнения рабочих нарядов, оперативное регулирование и оптимизацию хода производства на уровне цеха. Мировой опыт показывает, что резервы снижения издержек, повышения эффективности и конкурентоспособности производства лежат в местах создания прибавочной стоимости продукции, т. е. в сфере оперативного планирования и управления производством - в зоне ответственности систем класса MES.

На многих отечественных предприятиях машиностроительной отрасли, в производственных подразделениях сегодня можно увидеть, что оперативный план регулярно нарушается вследствие множества причин. Среди них:

• отклонение фактического времени выполнения операций от запланированного;

• поступление срочных заказов;

• переработка брака;

• нехватка и замена рабочей силы;

• поломки и ремонт оборудования;

• наступление других незапланированных событий.

Каждое из этих событий делает огромную брешь в производственном плане. В цехе, чтобы успеть выполнить заказы в срок, предпринимают срочные действия по изменению очередности работ, перераспределению ресурсов и установке внутренних приоритетов заказам. Здесь нужно отметить, что это нормальная ситуация, такова природа производства и незапланированные события в цехах происходят на предприятиях всего мира. Однако вручную без специальных инструментов эту проблему до сих пор решают только в странах третьего мира. Очевидно, что в век глобальной компьютеризации для решения такой задачи необходимо использовать специальные программные средства и мощную вычислительную технику.

Для решения задачи оперативного планирования в MES-системах строится динамическая компьютерная модель машиностроительного производства. Эта модель реализует непрерывное имитационное моделирование движения материальных потоков внутри цеха в соответствии с технологическими маршрутами.

Встроенный механизм диспетчирования производства обеспечивает своевременную доставку и ввод информации о совершаемых действиях, происходящих событиях и отклонениях от составленного оперативного плана. Производственное расписание поддерживается в оптимальном состоянии за счет непрерывной компенсации отклонений методом коррекции либо полного перерасчета. В результате все процессы, происходящие в цехе, становятся прозрач-

122

С.И. Соломонова

ными, достигается прослеживаемость, управляемость и идентифицируемость материальных потоков машиностроительного производства в соответствии с требованием международных стандартов.

Для вычисления реальной себестоимости продукции необходимо проводить детальный финансово-экономический анализ производства. Широко распространенным на Западе методом анализа источников издержек и создания прибавочной стоимости является так называемый АВС-анализ, или Activity Based Costing. Суть этого метода состоит в том, что расходы и доходы предприятия привязываются к точкам его активности. В случае производства это означает привязку издержек и созданной прибавочной стоимости к конкретным инвентарным номерам технологического оборудования и реализуемым производственным процессам. Осуществить такой анализ, имея приблизительное представление о распределении производственных процессов во времени и по оборудованию невозможно. В MES-системах строится точная динамическая модель машиностроительного производства, обеспечивающая подробную калькуляцию текущих производственных затрат как в привязке к конкретным рабочим местам, так и в разрезе отдельных выполняемых заказов.

В общем случае расчет производственного расписания является сложной математической задачей. Для ее решения разрабатывается система критериев расчета и оптимизации расписаний, на базе которой создается соответствующий алгоритмический аппарат. Эвристические алгоритмы расчета производственных расписаний являются ядром MES-систем и охраняются в режиме ноу-хау.

Применяемый в MES-системах аппарат расчета производственных расписаний позволяет учесть взаимосвязь всех элементов оперативного плана, обеспечить выбор альтернативных технологических маршрутов и адаптивный режим управления материальными потоками. Вычислительное ядро MES-систем позволяет в полной мере задействовать мощность современных компьютеров (процессоров) для решения данной задачи.

Здесь не лишним будет добавить, что в части, касающейся управления производством, системы класса MES отличаются от систем класса ERP, тем, что в MES-системах расчет производственных расписаний строится на базе множества критериев. В ERP/MRP-системах планирование, как правило, производится по одному критерию, в MES-системах таких критериев может быть более десятка. Минимально возможное количество критериев, отграничи-

вающее MES-систему от систем других классов, два. Различные комбинации критериев позволяют рассчитывать десятки вариантов производственного расписания, использовать их как средство моделирования производственных процессов и выбирать наиболее эффективный сценарий выполнения текущего плана.

Одним из основных принципов, положенных в основу рассматриваемых систем, является принцип конечного планирования ресурсов производства. Суть данного принципа заключается в том, что ресурсы (как основные, так и дополнительные) всегда ограничены, и выполнение работ планируется только тогда, когда достоверно известно, что ресурсы доступны.

Так, например, помимо незапланированного выхода машиностроительных станков из строя и влияния других неожиданных воздействий, изменяющих доступный объем ресурсов производства, в цехах существует регламент проведения профилактических ремонтов оборудования. С помощью MES-системы можно смоделировать текущую ситуацию, проиграть несколько сценариев ее развития и добиться такого расписания, в котором профилактический ремонт оборудования минимальным образом скажется на выполнении производственного плана.

Система вторичных ограничений формируется на этапе построения логической модели производства. В процессе описания основного технологического оборудования с каждым инвентарным номером связываются какие-либо ограничения, оказывающие или способные оказать влияние на его доступность или характеристики работы. В качестве вторичных ограничений может выступать предел потребления электроэнергии, необходимость присутствия оператора на определенных рабочих местах, наличие специфической оснастки и прочее. В дальнейшем при планировании и коррекции расписаний система будет отслеживать доступность и объем использования вторичных ограничений. В случае превышения или нехватки ресурсов, система прежде всего проинформирует об этом диспетчера производства и затем предложит сознательно принять либо отклонить условия этого варианта производственного плана.

Слабость большинства систем автоматизированного планирования (ERP, MRP) заключается в том, что ресурсы производства оцениваются ориентировочно либо вообще считаются неисчерпаемыми.

Мировой опыт показал высокую эффективность MES-систем, выразившуюся в значительном улучшении финансовых показателей

MES-технологии в машиностроительной промышленности

123

машиностроительных предприятий. Вот лишь часть из них:

• на 15 % повышается производительность;

• на 45 % увеличивается коэффициент загрузки оборудования;

• на 30 % уменьшается объем незавершенного производства;

• на 40 % снижаются объемы материально-производственных запасов;

• на 60 % улучшается соблюдение сроков поставки.

По мнению специалистов, практическая отдача от внедрения MES-системы с экономической точки зрения заключается в увеличении ликвидности производства на машиностроительных предприятиях за счет изменения структуры его активов. Повышение ритмичности работы, уменьшение межоперационных запасов и внедрение более прогрессивных методов планирования и контроля приводит к снижению потребности предприятия в оборотных средствах, что наряду с минимизацией внутрицеховых накладных расходов позволяет более эффективно использовать финансовые и материальные ресурсы предприятия за счет увеличения общей оборачиваемости его капитала. Кроме того, создание условий прозрачности технологических процессов и обеспечение основных требований международного стандарта ISO-9000 создает условия для выхода основной продукции машиностроительных предприятий на международный рынок.

Основная цель интеграции различных подсистем на предприятии - создание единого информационного пространства предприятия для объективной и оперативной оценки текущей ситуации, оперативного принятия оптимальных управленческих решений, ликвидации, наконец, информационных и организационных барьеров между управленческим и технологическим уровнями.

Существующие в настоящее время локальные (автономные) подсистемы, основанные на многообразных программно-технических решениях, не охватывают всех функциональных областей управления. Продолжение практики создания автономных подсистем без единой стратегии объединения их в единое информационное пространство приводит к тому, что быстро возрастает количество используемых для обмена данными интерфейсов, в том числе и нестандартизованных, образующих наиболее дорогостоящие и ненадежные узлы информационных потоков. Сопровождение таких подсистем становится крайне трудоемкой задачей.

Для интегрирования информации основного технологического и вспомогательного произ-

водства необходимо объединение разнородных подсистем в единую систему мониторинга и диспетчеризации технологических и производственных процессов.

Для создания единой информационной системы необходимо решить такие задачи, как:

1. Горизонтальная интеграция обеспечения информационного взаимодействия между существующими автономными подсистемами технологического уровня. Основными компонентами таких подсистем являются следующие:

• объединенное промышленными шинами контроллерное оборудование, для обеспечения информационного взаимодействия с которым используются драйверы или серверы ввода-вывода;

• SCADA-приложения, уже обеспечивающие сбор технологических данных с контроллерного уровня, информационное взаимодействие с которыми можно обеспечить, используя механизмы COM (DCOM), DDE (NetDDE), частнофирменные протоколы, если обмен осуществляется между SCADA-приложениями одного производителя;

• стандартные настольные программы (Excel, CrystalReports, Word); обмен информацией с данными приложениями может осуществляться на базе OLEAutomation-объектов, SQL-запросов, DDE-протокола;

• таблицы баз данных; добавление, удаление, модификация текущих записей в таблицах возможна с помощью языка SQL-запросов (драйверы ODBC, OLE DB).

Данные, которые поступают с технологического уровня, отличаются тем, что быстро изменяются во времени (по сравнению с бизнеспараметрами) и потому объем их, получаемый в единицу времени, огромен. Из этого следует, что подсистема, интегрирующая технологические данные, должна обеспечивать скоростной сбор данных, сжатие данных при сохранении, поддержку каналов обмена по вышеуказанным протоколам. Причем интегрирующие подсистемы должны не только поддерживать обмен с технологическим уровнем, но и обеспечивать передачу технологических данных на уровень MES-систем. Существенно то, что большинство данных реального времени мало полезны в бизнес-приложениях. Поэтому на бизнес-уровень должны подниматься технологические данные, предварительно обработанные интеграционной подсистемой.

2. Вертикальная интеграция. В общем случае целью вертикальной интеграции является передача технологических данных на уровень бизнес-приложений. В полном объеме на этом уровне решаются следующие задачи:

124

С.И. Соломонова

• обеспечение хранения оперативных данных (данных реального времени) в объеме, оптимальном для конкретного предприятия. Именно эти данные, назовем их realtime-данные, должны стать источником обрабатываемой информации, в том числе востребованной в бизнес-приложениях, системах управления ресурсами предприятия;

• формирование данных, отражающих динамику и последовательность технологического процесса производства продукта от сырья до товара. Назовем эти данные продуктовыми или product-данными. Программное обеспечение, ориентированное на решение таких задач, относится к классу MES, или систем управления производством. В качестве входных данных в MES-системы поступают параметры сырья, выходными параметрами является полная характеристика (например, технологический паспорт) полученного товара(ов);

• формирование данных, отражающих структуру и состояние фондов (активов) предприятия, прежде всего основных фондов, с помощью которых реализуется технологический процесс. Назовем их данными поддержки или maintenance-данными. Программное обеспечение, ориентированное на отслеживание и сопровождение основных фондов производства, относится к классу EAM (Enterprise Assets Management) шстем.

Программное обеспечение интеграционного слоя предназначено для решения следующих задач:

• сбор и хранение данных, поступающих из различных технологических участков/цехов и отражающих оперативную информацию о состоянии технологического процесса;

• визуализация производственного процесса с предоставлением количественных характеристик во всех контрольных или узловых точках технологического процесса;

• дистанционный контроль и управление технологическими процессами;

• мониторинг текущего состояния основных фондов производства;

• поддержка Internet-решений, что (помимо других достоинств) позволяет осуществлять обмен информацией, в том числе и графической, между технологическими и корпоративными системами.

Системы управления производством (MES-системы) представляют собой инструментальные системы, позволяющие создавать приложения, описывающие все стадии производства продукта от сырья до товара. Основой таких систем являются базы данных с определенной системой отношений полей в таблицах. С их

помощью описываются характеристики технологического процесса, маршруты движения продуктов, контрольные точки.

В настоящее время рядом компаний реализованы MES-решения на базе распространенных SCADA-систем. Например, компании Felton, Qmatic предлагают решения с использованием SCADA-системы Citect (CiTechnologies) и базы данных Oracle. Предлагаемые решения апробированы в ряде проектов. С другой стороны, существуют коммерческие MES-продукты. К такому классу продуктов следует отнести InTrack из пакета FactorySuite (Wonderware). Особенности технологического процесса описываются в базе данных Microsoft SQL Server или Oracle со сложной системой отношений полей таблиц в базе. MES-продукты, также как SCADA-системы, имеют среду разработки и среду исполнения. На этапе разработки описывается технологический процесс: вводятся product-

данные, карты производства продуктов и т. д. Эти данные конкретизируют поля таблиц.

В качестве системы визуализации для InTrack рекомендуется использовать SCADA-пакет InTouch. Основной механизм передачи данных из приложения InTrack определяют объекты OLE Automation, встраиваемые в приложение InTouch.

Большинство MES-систем являются открытыми продуктами, способными поставлять данные во внешний мир, включая мир корпоративных сетей.

Поставщиками технологической информации могут быть приложения SCADA (один из основных компонентов автоматизированной системы управления технологическим процессом, АСУТП), а также различного типа клиентские приложения, которые могут предоставлять соответствующие производственному процессу в огромном объеме данные в приемлемом для пользователя виде.

В решениях с поддержкой обмена информацией через Internet/Intranet кроме технологического сервера как поставщика данных и клиента как получателя информации, задействован также Web-сервер.

Сейчас разработчики SCADA-систем для обеспечения передачи данных с технологических подсистем предлагают специальные программные средства, реализованные как расширения Web-серверов. Остановимся вкратце на двух из них: SuiteVoyager от Wonderware и Plant2Net от CiTechnologies.

Специальный пакет SuiteVoyager от компании Wonderware представляет масштабируемое, расширяемое средство разработки информационных порталов. Портал - это просто Web-сайт,

MES-технологии в машиностроительной промышленности

125

который предоставляет пути доступа к дополнительной информации по определенным темам. Пакет SuiteVoyager является набором интегрированных программ, поддерживающих удобный способ получения технологической информации.

Программное средство Plant2Net также является расширением Microsoft Web-сервера. Источником технологических данных для него является БДРВ Plant2Business Server. Для просмотра данных через браузер MS Explorer предлагается использовать специальные средства для отображения значений различных переменных БДРВ Plant2Business Server, статистической информации, списков данных, гистограмм и трендов. Все, что регистрируется в БДРВ Plant2Business Server в виде переменных, алар-мов, трендов, доступно и Web-клиентам.

Проблемные задачи, такие как поддержка MES, EAM, сохранение информации в БДРВ, поддержка Internet-решений, должны решать и решают все продукты интеграционного слоя, но выбор произвольных систем от разных производителей не всегда возможен из-за отсутствия коммуникаций между ними. Так, выбор Plant2Net в качестве Web предполагает обязательное применение Plant2Business Server как БДРВ. Использование InTrack как MES-системы сопровождается выбором InTouch как системы визуализации.

На наш взгляд, на предприятии существуют три типовые варианта построения систем:

• иерархический вариант характеризуется тем, что выбранные технологические данные или realtime-данные поднимаются с уровня технологических систем на интеграционный уровень (продуктовая линейка которого рассматривалась выше). Далее часть realtime-данных и выбранные product- и maintenance-данные поднимаются на уровень бизнес-приложений. Аналогичным образом через интеграционный уровень должны осуществляться управляющие воздействия на технологические приложения со стороны бизнес-уровня;

• централизованный вариант ориентирован на постоянное сохранение всей технологической информации на интеграционном уровне:

приложения верхнего (бизнес-уровня) и нижнего (технологического уровня) при необходимости обращаются к данным, хранящимся в инфраструктуре интеграционных систем, при этом не обязательно сохраняя обработанную информацию на своем уровне. Соответствующее приложение, например, бизнес-уровня по известному алгоритму всегда может получить результат, запросив данные с интеграционного уровня. По конфигурации централизованная система аналогична иерархической, но направления информационных потоков и потоков управления отличаются;

• диспетчерский вариант предполагает, что интеграционные приложения распределены по цехам. Например, в каждом цехе имеется своя БДРВ, клиентское или серверное SCADA-приложение, которое является приложением главного диспетчера, но распределенным по цехам. MES-решение включает один сервер базы данных и клиентские приложения, реализованные в цехах.

В реальных условиях информационная система, скорее всего, будет носить смешанный характер, но тенденция к одному из рассмотренных вариантов будет отслеживаться.

В условиях, когда сформировались субъективные (понимание задач) и объективные (возможность технической реализации) предпосылки создания единой информационной системы предприятия, важно разработать концепцию единого информационного пространства для предприятия, включающую описание задач, структур отдельных подсистем, архитектурную схему обобщенной системы с определением информационных потоков и потоков управления. В соответствии с требованиями определить класс продуктов, наиболее полно подходящий сформулированным требованиям. Далее определить приоритетность в реализации задач.

Для выбранных продуктов необходимо проанализировать возможные каналы обмена данными, поскольку несовместимость по каналам обмена может заметно снизить интеграционные возможности, а следовательно, потребительские свойства системы.