Система планирования работ для машиностроительного предприятия с конвейерной сборкой изделий

УДК 658.513

Система планирования работ

для машиностроительного предприятия

о о У о о

с конвейерной сборкой изделии

М.А. Ермолова

МГТУ им. Н.Э. Баумана, 105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1

Workflow Planning System for a Machine Building Enterprise With Assembly Line Manufacturing

M.A. Ermolova

BMSTU, 105005, Moscow, Russian Federation, 2nd Baumanskaya St., Bldg. 5, Block 1 e-mail: ermolova.88@mail.ru

Представлен обзор систем планирования работ на машиностроительных предприятиях. Рассмотрены задачи построения расписаний работ на машиностроительных предприятиях с конвейерной сборкой изделий. Предложены методы решения задач путем агрегирования информации. Описан оригинальный алгоритм построения расписаний на уровне предприятия в целом. Приведена архитектура программной реализации системы планирования работ и результаты вычислительных экспериментов с этой системой. Решение тестовых задач различной размерности подтвердило эффективность предложенных методов.

Ключевые слова: теория расписаний, планирование, машиностроительные предприятия, обработка деталей, конвейерная сборка, методы агрегирования, алгоритм, программная система.

The paper provides an overview of workflow planning systems used by machine building enterprises. Scheduling problems pertaining to machine building enterprises with assembly line manufacturing are considered. The information aggregation approach is used as a way to solve the scheduling problems. An original scheduling algorithm is described for the enterprise as a whole. The software architecture for the planning system and the results of calculations using this system are presented. The efficiency of the proposed methods is confirmed through solving test problems of various dimensions.

Keywords: scheduling theory, planning, machine-building enterprises, machining, assembly line production, aggregation methods, algorithm, software system.

Современные системы планирования работ на предприятии. В настоящее время повышение эффективности производственных процессов на машиностроительных предприятиях достигается за счет внедрения систем оперативного управления производством MES- (Manufacturing Execution Systems — системы управления производственными процессами) или APS-систем (Advanced Planning & Scheduling Systems — системы усовершенствованного планирования).

Системы MES относятся к классу систем, решающих задачи исполнения производства: детальное планирование, диспетчирование и отслеживание, анализ производительности, учет простоев, отслеживание качества продукции, управление производственными фондами, управление запасами материалов и готовой продукции и т. д.

В структуре систем промышленной автоматизации MES-системы занимают промежуточ-

ное место между автоматизированными системами диспетчерского управления SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition — диспет-чирование и сбор данных) и системами управления ресурсами предприятия ERP (Enterprise Resource Planning — планирование ресурсов предприятия), выполняя следующие функции:

• получение от системы ERP перечня работ, для которых требуется построить расписание;

• контроль и при необходимости немедленное корректирование производственного расписания в течение рабочей смены;

• сбор и хранение данных о текущих производственных показателях и передача их в систему ERP.

На российском рынке представлено большое число MES-систем как отечественной, так и зарубежной разработки. Проведенное исследование показало, что математический аппарат, используемый в этих системах, в большинстве случаев основан на эвристических алгоритмах. Например, в системе HYDRA (MPDV Mikrolab GmbH) оптимизация расписаний построена на эволюционной стратегии или на продукционных правилах, в системе MES PHARIS (UNIS) — на генетических алгоритмах, а в системе 1C:MES «Оперативное управление производством» (1С) — на эвристических алгоритмах, сочетающих жадные стратегии и стратегии ограниченного перебора. С точки зрения области применения практически все системы MES предназначены для решения задач планирования на уровне отдельных цехов и участков. Однако оптимизация работы подразделений не гарантирует оптимального результата на уровне всего предприятия [1-3].

Возможность построения расписания работ для всего оборудования предприятия предоставляют системы APS. Они могут функционировать как отдельно, так и в качестве надстройки ERP-системы предприятия.

К особенностям систем APS относится возможность их применения к различным средам планирования (дискретное или непрерывное производство), синхронность планирования, при которой планирование закупок и производства проводятся одновременно с учетом ограничений по мощностям и ресурсам, а также оптимизация математического аппарата применительно к конкретной отрасли конкретного предприятия [4].

Для составления планов большинство систем APS (SynQuest, ProMIRA и др.) используют метод эвристик. Для производственной системы определяют комбинацию ограничений на

ресурсы, правила или показатели и важность этих ограничений (жесткие или нежесткие). На первом шаге составляют допустимое расписание, удовлетворяющее требуемым срокам выпуска без нарушения жестких ограничений. На следующих проходах полученное расписание оптимизируют с учетом оставшихся нежестких ограничений.

Ряд производителей APS-систем ^Technologies, Thru-Put Technologies, Berclain) включают в свои алгоритмы элементы теории ограничений. В производственном процессе выделяют операции — так называемые узкие места — и дальнейшее улучшение плана достигается планированием работы этих узких мест.

Таким образом, в результате упрощения алгоритмов построения расписания можно получать допустимые расписания для предприятий больших размерностей за приемлемое время. Однако полученные расписания могут быть достаточно далеки от действительного оптимума и, кроме того, не учитывать более сложных задач, например минимизации времен и переналадки оборудования, транспортных операций и т. п., что приведет к усложнению алгоритмов и как следствие — к невозможности осуществления расчетов расписания на уровне всего предприятия в реальном времени.

Исследование методов построения планов работ, применяемых в современных системах MES и APS, подтвердило актуальность задачи разработки новых методов построения расписаний на уровне всего предприятия с конвейерной сборкой готовых изделий.

Постановка задачи разработки системы планирования на предприятии. Рассмотрим задачу. Пусть на машиностроительном предприятии, где сборка изделий проводится на конвейерах, необходимо изготовить в течение планового периода L типов партий изделий. Размеры партии ni (l = 1,...,L) изделий каждого типа заданы.

Сборка готовых изделий осуществляется на конвейере из произведенных деталей, а также закупленных на других предприятиях комплектующих деталей, узлов и агрегатов. Для сборки l-го изделия (i = 1,...,L) требуется Rr узлов r-го типа (r = 1,...,Rl). Сборка узлов каждого типа может начаться после изготовления всех комплектующих деталей для этой группы узлов.

В задаче известны маршруты обработки и сборки всех деталей, время обработки и переналадки всего оборудования, а также состав и количество оборудования на каждом участке

предприятия. Известны основные характеристики конвейера: время и затраты на его переналадку, количество рабочих мест и время установки в каждое изделие комплектующих деталей, узлов и агрегатов на этих местах.

Требуется разработать систему планирования работ на таком предприятии, предоставляющую возможность за приемлемое время строить расписания обработки деталей для заданного планового периода.

Важным требованием к системе планирования работ является возможность построения расписаний работ на уровне предприятия в целом, а не для отдельных его подразделений. При этом возникает задача хранения и обработки большого числа данных, так как речь идет о расчете расписания обработки более 100 000 деталей, для каждой из которых определен свой технологический маршрут обработки.

В результате проведения исследования систем хранения данных была выбрана бесплатная документоориентированная база данных MongoDB. К ее достоинствам следует отнести кроссплатформенность, масштабируемость, а также поддержку больших и сложных массивов данных, поскольку при построении расписания на уровне предприятия приходится иметь дело с сотнями тысяч деталей и единиц оборудования. Кроме того, важной характеристикой MongoDB является более высокая производительность, чем у реляционных баз данных, что позволяет приложению с высокой скоростью обмениваться данными с системой управления базой данных (СУБД) и получать информацию обо всех деталях, маршрутах их обработки и производственных подразделениях.

В системе планирования должен поддерживаться ручной ввод данных об изделиях, числе технологических и вспомогательных операций, их времени, маршрутах обработки деталей, числе производственных подразделений предприятия и о находящемся в них обрабатывающем оборудовании. Также должна быть реализована подсистема расчета расписаний, учитывающая особенности предприятий, на которых сборка готовых изделий проводится на конвейерах.

Особенностью производств с конвейерной сборкой изделий является то, что сборку готовых изделий, как правило, начинают, когда на каждое рабочее место конвейера доставлено одно и то же количество комплектов деталей, узлов и агрегатов, из которых будут собираться выпускаемые изделия [5]. Таким образом обеспечивается ритмичная работа конвейера и

упрощается снабжение рабочих мест сборки комплектующими. Еще одно ограничение накладывается на систему в том случае, если на предприятии работает несколько конвейеров: на каждом конвейере собирается определенная группа изделий и изделие каждого типа может собираться только на данном конвейере.

Изготовление всех комплектующих деталей, узлов и агрегатов для выпускаемых изделий проводится в цехах и на производственных участках предприятия. Количество комплектующих, а также используемого для их изготовления оборудования может быть весьма большим, что приводит к значительным и не всегда преодолимым затруднениям при попытках построения расписаний изготовления комплектующих с помощью традиционных методов.

В связи с этим для планирования и построения расписаний работ, выполняемых для изготовления комплектующих, предлагается использовать агрегирование информации. Суть его заключается в разделении деталей, для которых строится расписание обработки, на группы таким образом, чтобы все детали каждой группы при обработке проходили бы производственные подразделения предприятия в одной последовательности [1]. Сформированные таким образом группы деталей рассматриваются как обобщенные детали, а производственные подразделения предприятия, через которые при своей обработке проходят эти группы, — как обобщенные станки.

Затем с помощью традиционных методов либо оценочных моделей [1, 6, 7] можно определить время обработки групп деталей на всех обобщенных станках. После чего, используя традиционные методы построения расписаний, строят планы обработки сформированных групп деталей на производственных участках предприятия, что позволяет получить оценку времени обработки комплектующих на предприятии. В работе [8] такое расписание названо «каркасным». Использование традиционных методов построения расписаний [9, 10] для его построения оказывается возможным, поскольку количество обобщенных деталей и станков значительно меньше исходного их количества за счет применения описанных выше идей агрегирования и становится приемлемым для этих методов.

После завершения подготовки комплектующих и отправки их на конвейер начинается обработка комплектующих для сборки следующей группы изделий. Данное каркасное рас-

писание «приклеивается» к уже сформированному каркасному расписанию изготовления комплектующих деталей, узлов и агрегатов для ранее изготавливаемых на предприятии изделий.

Алгоритм построения расписания работ для обработки комплектующих и сборки из них готовых изделий на предприятиях с конвейерной сборкой изделий приведен на рис. 1.

В системе необходимо реализовать и модуль, отвечающий за предоставление пользователю выходной информации в следующих видах:

• графика работ — диаграммы Гантта;

• расписания обработки выбранной детали изделия;

• сменно-суточного задания для конкретного рабочего места;

• коэффициента загрузки оборудования.

Архитектура и принципы построения системы планирования работ. Разработанная система является комплексом программных мо-

с

Старт

Определить количество выпускаемых изделий

Рассчитать количество комплектов, необходимых для сборки изделия

Рассчитать количество комплектов для сборки

Для каждого конвейера

Для каждого комплекта

Разделить детали комплектов на группы

Для каждой группы деталей

Для всех производственных участков предприятия

Определить время обработки деталей на производственных участках

Участки предприятия

\_I_/

Группы деталей

I /

Построить каркасное расписание для данного комплекта деталей

Комплекты

N /

Соединить расписание

комплекта с общим планом на предприятии

Конвейеры

Конец

дулей, обеспечивающих ее функционирование. Программный комплекс состоит из следующих модулей:

• просмотра и редактирования технологической информации;

• работы с заказами, отображения расписаний;

• расчета и построения расписаний;

• сбора и обработки статистики;

• формирования каркасных расписаний;

• формирования отчетов.

Программа представляет собой приложение Windows, написанное на языке C# для платформ Microsoft.Net Framework 4 и Parallel Extensions для Microsoft.Net Framework компании Microsoft. В качестве среды разработки выбрана Visual Studio 2010, поддерживающая выбранный язык программирования.

При построении расписания на уровне всего предприятия требуется значительное число данных, ввод которых вручную является довольно трудоемким, поэтому для проведения вычислительных экспериментов использовалась генерация исходных данных с помощью датчика случайных чисел. В качестве распределения случайной величины принято равномерное распределение.

Для приближения сгенерированной информации к получаемой от реальных предприятий в модуле генерации исходных данных (рис. 2) предусмотрен ввод интервалов значений количества изделий, сборочных единиц, станков, величин спроса, производительности конвейеров, а также времени изготовления деталей. Это позволяет, зная только статистические данные предприятия, осуществлять построение расписаний работ.

В модуле просмотра и редактирования технологической информации пользователь может добавлять, изменять и удалять изделия, детали и маршруты их обработки.

Рис.1. Алгоритм построения расписаний

Рис. 2. Генерация данных об изделиях

ManualDaîaEntryWindow

Название изделия

Базовое изделие 5

Маршруты обработки

Название Описание маршрут 1

Деталь 1 базового изделия 5

Деталь 2 базового изделия 5

Деталь 3 базового изделия 5

Деталь 4 базового изделия 5

Деталь 5 базового издели я 5

Деталь б базового изделия 5

Деталь 7 базового изделия 5

Деталь 8 базового изделия 5

Деталь 9 базового изделия 5 V-

Название Основное время Дополнительное время Оборудование

Операция 1 для детали 6 19 0 Станок №16

Операция 2 для детали б 29 13 Станок №16

Операция 3 для детали б 28 7 Станок №1

Операция 4 для детали 6 20 2 Станок №22

1 Операция 5 для детали б 28 1» Станок №18

Операция 6 для детали 6 26 0 Станок №17

Операция 7 для детали б 22 16 Станок №8

Операция 8 для детали б 26 15 Станок №12

Операция 9 для детали 6 27 15 Станок №14

!

Рис.3. Окно ввода и редактирования информации о составе изделий

План изготовления деталей и сборки изделий

28 марта 2015 г.

Загрузить расписание

Показать ПЛАНИРОВАНА

> Zoom In fj^ Zoom Out

Qfj Загрузка оборудования

(•) Подетальный плаь

»en

Q 0 00 Q

мдм шт.   шёяшёшёщшш

О О000ООЕШЕ0ЕЕ00Щ ЕЩВВВ

Q 0 0 0 """ """

Станок №10

Станок №12

Станок №14

Станок №15 Готово

0 0 п MgjïWI»-

ШУ ШИШ

I 2 g 2 SB Д1Д Я! S2Ü1 Q Ol! ' !

fi 3 9 b 9 2 9

ЩЦ I j j.^'.'j flj |jj

5 ^ j

Рис. 4. Окно графического вывода диаграмм Гантта

На рис. 3 приведено окно ввода и редактирования информации об изделии. В верхней части окна в раскрывающемся списке приведены названия изделий. Для выбранного изделия в левой части окна приводится список деталей, входящих в его состав, а в правой — для конкретной детали — список маршрутов

обработки. В нижней части окна для выбранной детали и маршрута ее обработки показана последовательность операций обработки детали по выбранному маршруту со станками, на которых должна выполняться каждая операция, временами их выполнения и переналадок станка. Эта информация может как вводиться

Рис. 5. Отчетная информация Результаты вычислений

Изделий Деталей Операций Станков Конвейеров Время расчета

20 21 183 97 959 30 1 30 мин 52 с

25 50 999 293 019 42 1 47 мин 36 с

35 95 367 512 975 45 2 1 ч 15 мин

70 296 387 967 251 50 2 2 ч 45 мин

заново, так и редактироваться по мере необходимости.

Модуль работы с заказами предназначен для создания нового заказа, описания входящих в него изделий и запуска расчета плана для их производства.

В модуле расчета и построения расписаний реализуется приведенный алгоритм (см. рис. 1). Вычислительные эксперименты доказали его эффективность для планирования и построения расписаний работ для предприятий с конвейерной сборкой изделий. Результаты этих экспериментов приведены ниже.

Модуль отображения расписаний предназначен для графического отображения построенных планов работ и взаимодействия с ними. В этом модуле производственная программа представляется в виде диаграмм Гантта (рис. 4).

В модуле формирования отчетов собираются данные о сроках изготовления каждого изделия заказа, времени начала и окончания операций по обработке комплектующих на всем используемом оборудовании (рис. 5). Пользователю доступна информация и о заказе в целом, и о каждой детали изделия.

При помощи описанной выше системы решались тестовые задачи различной размерно -сти, которые подтвердили эффективность предложенных алгоритмов для построения планов работ. Все эксперименты проводились на компьютере с объемом оперативной памяти 6 Гб, работающем на двухъядерном процессоре 1те1(К) Соге(ТМ) 15-4200 с тактовой частотой 1,6 ГГц. Результаты вычислений приведены в таблице.

Литература

[1] Хоботов Е.Н. О некоторых моделях и методах решения задач планирования в дискрет-

ных производствах. Автоматика и телемеханика, 2007, № 12, с. 85-100.

[2] Сидоренко А.М., Хоботов Е.Н. Планирование производств с параллельной сборкой из-

делий. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2009, № 3, с. 100-109.

[3] Куняев М.С., Фирсов А.С., Хоботов Е.Н. Выбор подхода к построению системы плани-

рования работ на машиностроительном предприятии. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2009, № 4, с. 91-102.

[4] Фролов Е.Б., Загидуллин Р.Р. МЕ8-системы, как они есть, или эволюция систем плани-

рования производства. Станочный парк, 2008, № 10 (55), с. 31-37.

[5] Ермолова М.А., Хоботов Е.Н. Система планирования и построения расписаний работ

для предприятий с конвейерной сборкой изделий. Автоматизация в промышленности, 2014, № 8, с. 3-8.

[6] Хоботов Е.Н. Использование оптимизационно-имитационного подхода для решения

задач планирования и выбора маршрутов обработки. Ч. I. Автоматика и телемеханика, 1996, № 1, с. 121-128.

[7] Хоботов Е.Н. Использование оптимизационно-имитационного подхода для решения

задач планирования и выбора маршрутов обработки. Ч. II. Автоматика и телемеханика, 1996, № 2, с. 147-155.

[8] Сидоренко А.М., Хоботов Е.Н. Агрегирование при планировании работ на машино-

строительных предприятиях. Известия российской академии наук. Теория и системы управления, 2013, № 5, с. 132-144.

[9] Конвей Р.В., Максвелл В.А., Миллер Л.В. Теория расписаний. Москва, Наука, 1975. 360 с.

[10] Зак Ю.А. Прикладные задачи теории расписаний и маршрутизации перевозок. Москва, Издательство «Либроком», 2011. 393 с.

References

[1] Khobotov E.N. On some models and methods of the solution of scheduling problems in dis-

crete enterprises. Automation and Remote Control, 2007, vol. 68, no. 12, pp. 2172-2186.

[2] Sidorenko A.M., Khobotov E.N. Planirovanie proizvodstv s parallel'noi sborkoi izdelii [Plan-

ning of Production Shops with Parallel Assembly of Items]. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie [Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Mechanical Engineering]. 2009, no. 3, pp. 100-109.

[3] Kuniaev M.S., Firsov A.S., Khobotov E.N. Vybor podkhoda k postroeniiu sistemy plani-

rovaniia rabot na mashinostroitel'nom predpriiatii [Selection of Approach to Construction of System of Planning Operations at Machine Building Enterprise]. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie [Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Mechanical Engineering]. 2009, no. 4, pp. 91-102.

[4] Frolov E.B., Zagidullin R.R. MES-sistemy, kak oni est', ili evoliutsiia sistem planirovaniia pro-

izvodstva [MES-systems, as they are, or the evolution of production planning systems]. Stanochnyipark [Machinery equipment]. 2008, no. 10(55), pp. 31-37.

[5] Ermolova M.A., Khobotov E.N. Sistema planirovaniia i postroeniia raspisanii rabot dlia

predpriiatii s konveiernoi sborkoi izdelii [The system of planning and scheduling of construction works for businesses from the conveyor assembly products]. Avtomatizatsiia v promyshlennosti [Automation industry]. 2014, no. 8, pp. 3-8.

[6] Khobotov E.N. Ispol'zovanie optimizatsionno-imitatsionnogo podkhoda dlia resheniia

zadach planirovaniia i vybora marshrutov obrabotki. Ch. I [Optimization-simulation approach to scheduling and routing. I]. Avtomatika i telemekhanika [Automation and remote control]. 1996, no. 1, pp. 121-128.

[7] Khobotov E.N. Ispol'zovanie optimizatsionno-imitatsionnogo podkhoda dlia resheniia

zadach planirovaniia i vybora marshrutov obrabotki. Ch. II [Optimization-simulation approach to scheduling and routing. II]. Avtomatika i telemekhanika [Automation and remote control]. 1996, no. 2, pp. 147-155.

[8] Sidorenko A.M., Khobotov E.N. Aggregation in job scheduling in machine works. Journal of

Computer and Systems Sciences International, 2013, vol. 52, no. 5, pp. 800-810.

[9] Konvei R.V., Maksvell V.A., Miller L.V. Teoriia raspisanii [Scheduling theory]. Moscow,

Nauka publ., 1975. 360 p.

[10] Zak Iu.A. Prikladnye zadachi teorii raspisanii i marshrutizatsii perevozok [Applied problems of scheduling and routing traffic]. Moscow, Librokom publ., 2011. 393 p.

Информация об авторе

ЕРМОЛОВА Мария Алексеевна (Москва) — аспирант кафедры «Компьютерные системы автоматизации производства». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, e-mail: ermolova.88@mail.ru).

Статья поступила в редакцию 03.06.2015 Information about the author

ERMOLOVA Maria Alekseevna (Moscow) — Post Graduate, Department of Computer Systems for Manufacture Automation. Bauman Moscow State Technical University (105005, Moscow, Russian Federation, 2nd Baumanskaya St., Bldg. 5, Block 1, e-mail: ermolova.88@mail.ru).