0 引言

    鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)是離散與連續(xù)同時存在的多階段混合式生產(chǎn)方式，在生產(chǎn)中既要考慮工序和資源材料方面的限制，同時也要考慮鋼鐵生產(chǎn)中高溫、高壓和特殊因素。在如此動態(tài)復(fù)雜的生產(chǎn)工藝下，ERP系統(tǒng)無法對復(fù)雜的生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)細(xì)致、準(zhǔn)確的管理。由于ERP系統(tǒng)無法實(shí)時獲取生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，也不能進(jìn)行實(shí)時的生產(chǎn)調(diào)度，所以管理人員只能根據(jù)粗略產(chǎn)能計(jì)劃安排生產(chǎn)，無法執(zhí)行生產(chǎn)計(jì)劃。生產(chǎn)計(jì)劃得不到準(zhǔn)確的安排和執(zhí)行，導(dǎo)致現(xiàn)有資源得不到充分利用、造成過多庫存量、客戶交貨期發(fā)生延遲。因此，在鋼鐵企業(yè)ERP系統(tǒng)中融合高級計(jì)劃與排程(APS)系統(tǒng)的功能能夠在一定程度上解決上述問題。

1 無縫鋼管生產(chǎn)流程及其生產(chǎn)中ERP的限制

    1.1無縫鋼管生產(chǎn)工藝流程介紹

    鋼管有多種分類方法，從加工制造的角度可分為焊接鋼管和無縫鋼管。本文以無縫鋼管生產(chǎn)中的計(jì)劃與調(diào)度問題作為研究對象。由于無縫鋼管的生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度與其生產(chǎn)工藝緊密相關(guān)，因此，熟悉其生產(chǎn)工藝流程能夠便于準(zhǔn)確實(shí)施生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度。

    無縫鋼管生產(chǎn)工藝通常由熱變形處理和冷處理構(gòu)成。熱變形處理是鋼坯在高溫條件下持續(xù)進(jìn)行加工形成毛管，用到的設(shè)備包括穿孔機(jī)、連鑄機(jī)和張力減徑機(jī)。冷處理過程也稱為精整過程，是指在正常條件下毛管加工為成品鋼管的過程，工藝過程包括冷卻、矯直、切割、探傷等。無縫鋼管的加工方法有很多種，分為熱軋、冷軋、冷拔，但多數(shù)客戶訂單要求熱軋工藝。無縫鋼管的熱軋工藝流程如圖1所示，依次經(jīng)過管坯切割(折料)、加熱爐加熱、實(shí)心管坯穿孔、延伸機(jī)軋薄管壁、熱軋工序、加熱爐再次加熱、精軋環(huán)節(jié)，最后加工為成品無縫鋼管。

圖1 無縫鋼管生產(chǎn)工藝流程圖

    上述無縫鋼管熱軋工藝流程的管理與控制在現(xiàn)實(shí)中都是通過信息系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。鋼鐵企業(yè)的信息系統(tǒng)主要包括公司級系統(tǒng)(ERP)、車間級系統(tǒng)(MES)和生產(chǎn)線控制系統(tǒng)(PCS)。而鋼鐵企業(yè)的各級生產(chǎn)系統(tǒng)并不是孤立存在的，系統(tǒng)之間要完成信息的交互。因此，有必要把各系統(tǒng)作為一個集成系統(tǒng)看待，而集成系統(tǒng)的表現(xiàn)形式為系統(tǒng)間功能的分擔(dān)和數(shù)據(jù)信息交互。

    1.2無縫鋼管生產(chǎn)過程中ERP系統(tǒng)的限制

    鋼鐵企業(yè)的無縫鋼管生產(chǎn)是面向訂單的生產(chǎn)方式，這種生產(chǎn)方式要求企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)最少庫存量和履行客戶交貨期。為了完成庫存和交貨期的要求，需要詳細(xì)的生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度方案。但鋼鐵企業(yè)的ERP系統(tǒng)主要包括訂單管理、銷售和運(yùn)作計(jì)劃、主生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品管理等模塊，對于詳細(xì)的生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度方案不能提供很好的支持。

    鋼鐵企業(yè)ERP系統(tǒng)中主生產(chǎn)計(jì)劃模塊只能完成粗略產(chǎn)能計(jì)劃，粗略產(chǎn)能計(jì)劃只能了解關(guān)鍵資源的能力需求，比較關(guān)鍵資源的可用性，總體掌握關(guān)鍵資源的情況，并沒有細(xì)分出關(guān)鍵資源如何利用。除了粗略產(chǎn)能計(jì)劃ERP系統(tǒng)中還有其他能力計(jì)劃工具，如能力需求計(jì)劃和物料需求計(jì)劃。能力需求計(jì)劃可以確定更詳細(xì)的勞力和機(jī)器數(shù)量來滿足主生產(chǎn)計(jì)劃的要求，但是如何完成主生產(chǎn)計(jì)劃的坯料設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組批、作業(yè)調(diào)度等功能，卻不能給出詳細(xì)的描述。鋼鐵企業(yè)ERP系統(tǒng)中計(jì)劃工具的使用依賴于資源無限能力假設(shè)，如果某一資源被負(fù)荷使用，那么原計(jì)劃將無法合理執(zhí)行。

    以上所述的詳細(xì)生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度能夠通過高級計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)(APS)實(shí)現(xiàn)，因此，有必要將APS系統(tǒng)引入鋼鐵企業(yè)。但是現(xiàn)有ERP系統(tǒng)功能與APS系統(tǒng)的部分功能有重合之處，如何使ERP系統(tǒng)和APS系統(tǒng)進(jìn)行融合，形成一個整合系統(tǒng)，是無縫鋼管生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度得以精確實(shí)施的關(guān)鍵。

2 APS系統(tǒng)介紹及其與ERP系統(tǒng)的關(guān)系

    APS即高級計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)，美國運(yùn)營管理協(xié)會(APICS)對APS的定義是：任何能夠利用高級算法完成有限能力調(diào)度、資源計(jì)劃、預(yù)測、需求管理的優(yōu)化和仿真的計(jì)算機(jī)程序。這些技術(shù)在一系列約束和業(yè)務(wù)規(guī)則要求下，提供實(shí)時計(jì)劃與調(diào)度、決策支持、可承諾交貨量和可承諾交貨能力。APS系統(tǒng)是一套面向企業(yè)的具有高級計(jì)劃與優(yōu)化調(diào)度功能的軟件解決方案，重點(diǎn)解決企業(yè)生產(chǎn)管理中的生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度問題。

    APS系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)在功能上有根本差別：APS系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際資源和生產(chǎn)能力，安排與協(xié)調(diào)顧客要求的各項(xiàng)活動，形成符合實(shí)際情況的計(jì)劃時間表。APS系統(tǒng)基于優(yōu)化算法和規(guī)劃算法在短時間內(nèi)計(jì)算物料需求情況，隨時答復(fù)客戶詢問的“可否生產(chǎn)”或“多久生產(chǎn)”等問題。而ERP系統(tǒng)是根據(jù)假設(shè)的無限資源能力來安排生產(chǎn)計(jì)劃，當(dāng)生產(chǎn)計(jì)劃在執(zhí)行過程中產(chǎn)生問題時，再通過有限資源能力作適當(dāng)調(diào)整，這樣無法保證初始生產(chǎn)計(jì)劃的準(zhǔn)確性。可見，APS系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)具有不同的計(jì)劃方式，而無縫鋼管生產(chǎn)模式是根據(jù)訂單進(jìn)行排產(chǎn)，在復(fù)雜約束條件下達(dá)到最小庫存和交貨期履行，因而，APS系統(tǒng)能夠完成無縫鋼管生產(chǎn)“客戶需求與企業(yè)運(yùn)作同步”的要求。

    APS系統(tǒng)應(yīng)用到無縫鋼管生產(chǎn)中并不是要取代ERP系統(tǒng)的功能。APS系統(tǒng)是在ERP系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過ERP系統(tǒng)存儲的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)完善需求、供給及產(chǎn)能規(guī)劃，進(jìn)一步強(qiáng)化ERP系統(tǒng)中以傳統(tǒng)MRP規(guī)劃邏輯為主的生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度功能，協(xié)助計(jì)劃人員做出同步的、最有效益的生產(chǎn)計(jì)劃，進(jìn)而作為接收訂單的依據(jù)。

    APS系統(tǒng)考慮潛在瓶頸資源試圖找到可行的近似最優(yōu)解，但是最終決策是靠有經(jīng)驗(yàn)的計(jì)劃人員做出。APS系統(tǒng)的目的是為復(fù)雜生產(chǎn)過程和實(shí)時生產(chǎn)決策搭建一座橋梁，APS系統(tǒng)的目標(biāo)是通過仿真和優(yōu)化自動計(jì)算出可行解。可見，APS系統(tǒng)在實(shí)施過程中需要與企業(yè)內(nèi)部供應(yīng)鏈的各環(huán)節(jié)發(fā)生信息傳遞和交互，所以，APS系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)之間的銜接與融合至關(guān)重要。APS系統(tǒng)與鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有的ERP、MES、PCS等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成，連接管理層、計(jì)劃層和執(zhí)行層，共同構(gòu)成鋼鐵企業(yè)信息化管理體系，實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程的總體控制。信息化管理體系如圖2所示。

圖2 ERP、APS與MES\PCS的信息關(guān)系圖

3 無縫鋼管生產(chǎn)計(jì)劃與控制功能模塊介紹及APS系統(tǒng)ERP系統(tǒng)整合

    3.1 無縫鋼管生產(chǎn)計(jì)劃與控制功能模塊介紹

    鋼鐵企業(yè)無縫鋼管生產(chǎn)計(jì)劃與控制是按層次進(jìn)行的，最高層次計(jì)劃即公司級計(jì)劃，通過長期計(jì)劃、總體計(jì)劃進(jìn)行描述，低層次計(jì)劃即車間、生產(chǎn)線級計(jì)劃，用短期計(jì)劃、詳細(xì)計(jì)劃描述。各層次的要求都對應(yīng)于企業(yè)系統(tǒng)的模塊，無縫鋼管生產(chǎn)計(jì)劃和控制是通過系統(tǒng)模塊的功能實(shí)現(xiàn)的，因此，描述出無縫鋼管生產(chǎn)計(jì)劃與控制模塊關(guān)系圖有助于理解APS系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)的整合過程。

    圖3所示的關(guān)系圖是依據(jù)國內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)無縫鋼管廠的實(shí)際生產(chǎn)過程構(gòu)建而成，該圖中主要描述了五個模塊，分別是銷售與運(yùn)作計(jì)劃、訂單管理、需求管理、主生產(chǎn)計(jì)劃和作業(yè)調(diào)度。銷售與運(yùn)作計(jì)劃模塊和訂單管理模塊的信息主要在ERP系統(tǒng)中存儲和進(jìn)行運(yùn)算，而其他三個模塊的信息都在APS系統(tǒng)中處理。下面詳細(xì)介紹五個模塊的主要功能。

圖3鋼管生產(chǎn)計(jì)劃與控制功能模塊關(guān)系圖

    1)銷售與運(yùn)作計(jì)劃模塊

    銷售與運(yùn)作計(jì)劃模塊(Sales and operations planning)基于策略計(jì)劃平衡客戶需求與可供應(yīng)能力，主要包括5個活動：(1)銷售部根據(jù)計(jì)劃周期產(chǎn)生預(yù)測的期望需求；（2）銷售部制定初步需求計(jì)劃；（3）根據(jù)需求計(jì)劃，生產(chǎn)部制定生產(chǎn)計(jì)劃，同時要求采購部采購生產(chǎn)材料；（4）市場部、生產(chǎn)部、采購部、財(cái)務(wù)部和物流部召開生產(chǎn)協(xié)調(diào)會，制定計(jì)劃期內(nèi)的生產(chǎn)計(jì)劃和交貨計(jì)劃；（5）將協(xié)調(diào)會沒有解決的問題交到上層進(jìn)行決策，確定初步的生產(chǎn)計(jì)劃和交貨計(jì)劃。

    活動（1）和活動（2）可以利用APS系統(tǒng)中的統(tǒng)計(jì)預(yù)測方法和需求計(jì)劃工具，創(chuàng)建可預(yù)測的初步交貨計(jì)劃，大大提高了決策準(zhǔn)確性。活動（3）的目的是創(chuàng)建初步生產(chǎn)計(jì)劃，APS系統(tǒng)能夠提供找到可行解的優(yōu)化模型，得到實(shí)時和精確的信息活動（4）是調(diào)整交貨計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃，活動（5）是確定交貨計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃，APS系統(tǒng)能夠確保信息可用性和情景分析，提高計(jì)劃可行度。

    2)訂單管理模塊

    訂單管理模塊主要包括依據(jù)產(chǎn)品規(guī)范的質(zhì)量設(shè)計(jì)和訂單評審。訂單管理模塊的功能主要是協(xié)調(diào)客戶多種規(guī)格、多種樣式的產(chǎn)品要求，分析出每個訂單的制造路徑和能力匹配，按照規(guī)則篩選出可行的銷售訂單。

    3)需求管理模塊

    需求管理模塊中的工單設(shè)計(jì)是根據(jù)工藝規(guī)范，把訂單管理模塊中的銷售訂單和S&OP模塊中的預(yù)測、預(yù)訂訂單分解成能夠被加工車間識別的訂單。訂單排程是在訂單分解后，根據(jù)現(xiàn)實(shí)中的能力計(jì)劃需求，把訂單安排到生產(chǎn)工藝上，形成正式的生產(chǎn)訂單，生產(chǎn)訂單的交貨期數(shù)據(jù)被保存到數(shù)據(jù)庫中，同時把交貨期的準(zhǔn)確時間安排反饋到上層系統(tǒng)。

    4)主生產(chǎn)計(jì)劃模塊

    坯料設(shè)計(jì)是根據(jù)生產(chǎn)訂單的成品規(guī)格和用戶要求，選擇鋼管的軋制方式，滿足鋼管的尺寸、長度、壁厚、鋼種、交貨期等要求，在達(dá)到現(xiàn)場工藝、設(shè)備安全要求的基礎(chǔ)上，確定坯料的長度、重量等參數(shù)。坯料設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)鋼管主要參數(shù)(品種、鋼種、外徑、壁厚等)和用戶時間要求，把幾個參數(shù)相同或相近的生產(chǎn)訂單組合到一起生產(chǎn)，這個過程叫做生產(chǎn)組批。最后，根據(jù)訂單之間的參數(shù)關(guān)系和交貨期的時間，把生產(chǎn)組批后的訂單進(jìn)行排程。

    5)作業(yè)調(diào)度模塊

    作業(yè)調(diào)度是根據(jù)主生產(chǎn)計(jì)劃模塊產(chǎn)生的生產(chǎn)計(jì)劃，合理安排物料和熱工具，保證生產(chǎn)計(jì)劃按時進(jìn)行。鋼管的作業(yè)調(diào)度問題實(shí)際就是更新生產(chǎn)計(jì)劃中的軋制批次的組合和排序。由于生產(chǎn)現(xiàn)場有很多指導(dǎo)規(guī)則，這就需要系統(tǒng)和調(diào)度人員對計(jì)劃期的生產(chǎn)訂單進(jìn)行排序。

     3.2無縫鋼管生產(chǎn)中APS系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)整合

    ERP系統(tǒng)在無縫鋼管的生產(chǎn)過程中主要支持銷售與運(yùn)作計(jì)劃和訂單管理，其他模塊的功能主要由APS系統(tǒng)提供，這樣APS系統(tǒng)功能就彌補(bǔ)了ERP系統(tǒng)功能上的不足。雖然有些企業(yè)已經(jīng)研究ERP系統(tǒng)和APS系統(tǒng)某些功能上進(jìn)行整合，但是還很少有針對無縫鋼管生產(chǎn)過程進(jìn)行整合研究。

    由鋼管生產(chǎn)流程的計(jì)劃與調(diào)度功能模塊關(guān)系圖可知，圖4是ERP系統(tǒng)和APS系統(tǒng)整合后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖，圖中的各個接口分別連接著ERP系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)就把無縫鋼管生產(chǎn)計(jì)劃與控制流程與APS系統(tǒng)、IDB系統(tǒng)有機(jī)的整合到一起，使ERP系統(tǒng)原來不能實(shí)現(xiàn)的功能轉(zhuǎn)移到APS系統(tǒng)上，同時在ERP系統(tǒng)中保留一個副本。表1是圖4接口傳遞信息的詳細(xì)說明。

圖4 ERP和APS整合后的系統(tǒng)及其之間的接口圖(IDB代表ERP、APS一體化數(shù)據(jù)庫)

表1 ERP和APS之間的接口描述

4 結(jié)論

    本文以熱軋無縫鋼管的生產(chǎn)計(jì)劃與控制為背景，設(shè)計(jì)出生產(chǎn)計(jì)劃與控制功能的ERP系統(tǒng)和APS系統(tǒng)的整合系統(tǒng)，通過整合系統(tǒng)把原有兩個系統(tǒng)涉及的相關(guān)問題進(jìn)行分析整合。雖然這種特殊生產(chǎn)流程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不能完全復(fù)制到其他行業(yè)，但是對ERP系統(tǒng)和APS系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中的整合問題提供了解決方法。
 

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本文標(biāo)題：鋼鐵企業(yè)無縫鋼管生產(chǎn)中ERP和APS整合系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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