Управление производством – теория для практиков

В этот раз статья не про 1С:ERP, а про теоретические концепции, о которых клиенты иногда задают вопросы. В статье кратко рассматриваются существующие методики управления производством и планирования, а также метрики эффективности производства.

Теория учит нас смотреть далеко вперёд, а практика – себе под ноги.

С. Янковский

Цели управления производством, измеримые показатели внешних целей – OEE и MCE

В конечном итоге, автоматизация управления производства подчинена глобальной цели – увеличению генерации прибыли.  Очевидно, что срок окупаемости проекта – это срок, за который будет сгенерирована, как результат внедрения системы,  дополнительная прибыль (доходы минус расходы), равная стоимости внедрения. Владельцы бизнеса, как правило,  мыслят именно таким критерием, и решение о старте проекта автоматизации зависит от ответов на вопросы:

1. Дать оценку срока окупаемости внедренной автоматизированной системы.
2. Дать оценку риска, что оценка окажется недостоверной.

Существует система показателей (метрик), по которым можно судить о влиянии производственной системы на глобальную цель.  Одними из важнейших фактических показателей эффективности производственной системы являются:

• OEE – (Overall Equipment Effectiveness) – общая эффективность использования технологического оборудования, или плотность полезной загрузки оборудования.
• MCE – (Manufacturing Cycle Effectiveness) – эффективность операционного цикла (скорость исполнения производственных заказов).

OEE зависит от доли простоев в общем фонде рабочего времени, от превышения времени операций над нормативным временем и от среднего процента брака:

Где:

Фактическое время работы оборудования – это фонд времени (например, длительность смены) за минусом плановых и внеплановых ППР, переналадки, обеды и прочие перерывы). Т.е. это – реальный фонд времени, в которое оборудование выполняло фактическое количество операций за смену.

Фонд времени – длительность смены.

Нормативное время операций – время, которое должно было быть потрачено на фактическое количество операций за смену.

Нормативное время на операции с положительным результатом – нормативное время, которое должно было быть потрачено на выпуск годных изделий.

Видно, что формула показывает составляющие OEE, если же сократить числители / знаменатели, то получим:

Таким образом, интерпретация OEE достаточно простая – нормативное время, которое должно было потратить подразделение на фактическое количество выпущенных годных изделий в смену, делим на длительность смены.

MCE характеризует время пролеживания. MCE максимален и равен 1, если время пролеживания равно 0. Это значит, что время пребывания партии изделий в подразделении равно суммарному времени операций над партией.

Чем выше OEE и MCE, тем выше эффективность производства.

Однако стремление организационными мерами повысить OEE приводит к снижению MCE, и наоборот.

MCE во многом зависит от качества пооперационного расписания, его оптимальности. В подразделениях с дискретным производством,  с большим станочным парком, с мелкосерийным или единичным производством максимизации MCE можно достичь с использованием автоматизированного расчета расписаний в MES-системах.

Рост OEE и MCE являются внешними измеримыми целями автоматизации управления производством.

Коэффициент закрепления операций и типы производств

Коэффициент закрепления операций характеризует степень специализации рабочих мест в производственном подразделении.

Согласно ГОСТ, от коэффициента закрепления операций зависит тип производства.

Чем больше различных операций выполняется на одном рабочем месте (единице оборудования), тем ниже Кзо.

Где Nразн – количество видов операций, выполняемых на участке (цехе)

Краб.м – количество единиц оборудования (рабочих мест) в цехе.

В соответствии с ГОСТ 3.1121-84 ЕСТД коэффициент закрепления операций составляет:

• для единичного производства — больше 40;
• для мелкосерийного производства — 20-40;
• для среднесерийного производства — 10-20;
• для крупносерийного производства — 1-10;
• для массового производства— не больше 1. Это значит, что за каждым рабочим местом закреплена только одна операция.

Классификация производств по непрерывности  потока

• Непрерывное производство – технологическая операция непрерывна по потоку и по времени. На вход операции поступает непрерывно сырье (жидкое, газообразное, твердое-сыпучее), с выхода операции непрерывно поступает продукция (также жидкое, газообразное, твердое-сыпучее, тепло (энергия)). При этом, надо отличать поступление сырья и выход продукта непосредственно в/из процесса и в/из накопителей. Поток в/из накопителя может быть прерывистым. Но производственный процесс непрерывен. Во многих случаях процесс останавливается только для ремонта оборудования.
• Дискретное производство – сырье поступает отдельными измеримыми партиями или штуками, продукция также выдается отдельными партиями или штуками. Операция запускается для обработки отдельной партии (например, это может быть количество одновременно изготавливаемых изделий – «КОИД»), между обработками отдельных партий оборудование останавливается (операция прерывается).

Классификация производств по поточности

Рассмотрены схемы «в чистом» виде. Разумеется, в реальной жизни в процессах присутствуют элементы нескольких схем при производстве продукта или в подразделении.

• Поточное производство – технологическое оборудование (рабочие места) выстроены в технологическую линию, изделия продвигаются по линии, на каждом рабочем месте выполняется некоторая операция над изделием. Разновидности:
  • Однопредметный поток – линия настраивается на один вид продукции (номенклатуру). Переход на другой вид продукции требует переналадки линии.
  • Многопредметный поток – на линии присутствует вперемешку разная номенклатура
• Универсальное производство – каждое изделие или партия изделий запускается по своему пооперационному маршруту (рабочим местам) в зависимости от производственной ситуации, отсутствуют сложившиеся постоянные цепочки рабочих мест для последовательной обработки изделий. Рабочие места (оборудование) чаще всего однотипное.
• Производство с фиксированным местоположением. Готовое изделие не перемещается. Перемещаются исполнители и оборудование относительно изделия. Пример: судостроение.

Классификация систем планирования по планово-учетным единицам (ПУЕ)

Существует классификация систем планирования, которую можно встретить во множестве отечественных учебных пособий по организации производства. Приведем краткую  характеристику этих систем, подробное изложение соответствующих методик выходит за рамки настоящей статьи.

С точки зрения того, какие элементы являются объектами планирования и отчетности по фактическому исполнению плана, системы межцехового планирования делятся на 3 основные группы:

1.Подетальная система. Объект планирования и контроля исполнения (ПУЕ) – номенклатура. План составляется (и отслеживается его исполнение) по этапам обработки каждой номенклатуры, входящей в состав готового изделия, возможно, с указанием конечного заказа на готовую продукцию. Такая система может работать только с детальными НСИ, содержащими технологические маршруты для каждой номенклатуры. Такие системы могут применяться в наиболее технологически стабильных производствах и в условиях высокой организационной культуры. Подетальная система применяется преимущественно в массовом производстве. Разновидности:

• Партионно-периодическая система. Устанавливается строгая периодичность выпуска каждой единицы или партии готовой продукции (количество в единицу времени). Строгая периодичность выпуска готовой продукции позволяет установить стандартный (неизменный) график цеховых этапов работ от запуска сырья до выпуска продукции. Например, система формирует график запуска партий сырья в производство в соответствии с темпом выхода готовой продукции, далее каждый передел по мере готовности результатов обработки немедленно передает результаты работ на следующий передел.
• Планирование по ритму запуска-выпуска. Выпуск каждого готового изделия (или партии изделий) разузловывается по этапам обработки каждой детали, входящей в состав изделия. По каждому этапу обработки подразделения получают задания на запуск – выпуск соответствующих партий деталей, эти задания синхронизированы между собой так, чтобы обеспечить выход в срок готового изделия (партии готовых изделий).
• Планирование по основному такту. Определяется основной такт выпуска, как движение готового изделия по постам обработки, на каждом посте выполняется некоторая группа операций. Каждая группа операций занимает фиксированное, одинаковое время для данного такта, что обеспечивает равномерную загрузку постов выполнения операций. Обеспечивается подача комплектующих к постам выполнения операций в соответствии с основным тактом.

2.Покомплектная система. Объект планирования и контроля исполнения (ПУЕ) – комплект номенклатуры, предназначенный для сборки готового изделия. План составляется (и отслеживается его исполнение) по этапам формирования комплекта, возможно, с указанием конечного заказа на готовую продукцию. Такой подход упрощает планирование и контроль исполнения. Покомплектная система применяется преимущественно в серийном производстве. Разновидности:

• Планирование по цикловым комплектам (комплектно-групповая система). Все детали, необходимые для обеспечения плана выпуска продукции, разбиваются на цикловые комплекты. Критерий включения (группировки) деталей в цикловой комплект – схожесть маршрутов обработки, длительности цикла, время опережения потребности в поступлении на сборку относительно момента выпуска конечной продукции. Детали, требующиеся для сборки примерно в одинаковое время (причем для разных видов продукции), группируют и назначают единый срок их подачи. Каждой группе подачи присваивается соответствующий номер. График запуска и этапности обработки формируется для каждого циклового комплекта. Детали каждого комплекта могут принадлежать к разным единицам и номенклатуре готовой продукции.
• Машинокомплектная система (планирование по комплектовочным номерам). Все детали, входящие на всех уровнях структуры продукта в единицу готовой продукции, образуют «машинокомплект». Каждая единица готовой продукции имеет свой порядковый номер.  Машинокомплекты привязаны к этим комплектовочным номерам. Планы цехам на производство деталей, входящих в машинокомплект, формируются в виде временного графика  сдачи комплектовочных номеров деталей, дата сдачи каждого комплектовочного номера определяется через время опережения относительно сдачи номера конечного изделия.
• Комплектно-узловая система. В качестве ПУЕ используется «узловой комплект» – комплект деталей, необходимый для начала сборки определенного технологического узла готового изделия. Формируется график запуска-выпуска этапов изготовления узлового комплекта.
• Планирования по группам опережения. Все детали, входящие в конечную продукцию, разбиваются на группы опережения, согласно времени от момента выпуска детали до момента выпуска готового изделия. В качестве ПУЕ используется группа опережения, график производства для цехов определяет даты выпуска для групп опережения.
• Планирование по заделам. Для каждой детали определяется нормативный неснижаемый задел, уровень которого определяется нормативным опережением. Размер задела определяется в количестве деталей или днях (на сколько дней потребления  должно хватить задела деталей). Разница между фактическим и нормативным заделом (превышение факта над нормативных заделом) – это число деталей, посредством которого (через число условных комплектов детали на одно готовое изделие) определяется число готовых изделий, укомплектованных данной деталью. ПУЕ является условный комплект. Задачей цеха является поддержание на требуемом уровне количества условных комплектов в заделе, что обеспечивает плановый объем выпуска готовой продукции.
• Система Родова. В настоящее время в связи с переходом к рыночной экономике (соответственно, переходом к позаказному производству с частым изменением ассортимента) практически не применяется, но во времена СССР и плановой экономики была чрезвычайно распространена. В этой системе формируется график по дням выпуска только одного условного готового изделия, на каждую дату определяется в плане номер выпускаемого условного изделия. Состав готового изделия рассчитывается таким образом, чтобы включал в себя составы всех видов выпускаемой продукции. Обеспеченность деталью номера готового изделия на некоторый день означает обеспеченность этой деталью всего ассортимента выпуска к этому дню. Используется «Картотека пропорциональности» – ящик с днями- ячейками, в котором переставляются карточки изделий. Текущее положение карточек (в прошедших датах или в будущих ячейках-датах) показывает отставание или опережение комплектации номеров условного изделия в этих датах.

3.Позаказная система. Объект планирования и контроля исполнения (ПУЕ) – заказ на готовое изделие. План составляется (и отслеживается его исполнение) по этапам выполнения заказа в целом с учетом нормативного времени опережения каждого этапа относительно временной точки готовности заказа. Позаказная система используется преимущественно в мелкосерийном и единичном производстве.

Виды производственных логистических систем

Одним из основных критериев, по которому производственные логистические системы делятся на виды, является информация (данные), на основе которых локальный диспетчер цеха принимает оперативное решение о запуске тех или иных партий изделий.

Концепция «Бережливое производство» (lean production) в данной системе координат является скорее системой ценностей, направленной на борьбу со всевозможными потерями – «мудами», но не каким-то конкретным алгоритмом планирования операций. Поэтому в данной статье не рассматривается.

Отметим, что описание ниже является несколько упрощенным для лучшего понимания смысла тех или иных методик. Для более глубокого изучения предмета следует обратиться к прилагаемому списку литературы.

Выталкивающая система

Выталкивающая (проталкивающая) система. Основное свойство такой системы в том, что план запуска-выпуска по датам, периодам для цехов предопределен заранее и «спускается» сверху центральным органом планирования (например, ПДО предприятия). Еще один признак такой        системы – размер запасов (НЗП) не имеет формального ограничения со стороны системы.

Согласно этому плану, локальный диспетчер цеха знает, какие партии, когда и в каком количестве он должен запустить, и когда выпустить и передать следующему в цепочке цеху – получателю. Какие материалы и изделия он должен получить для этого, когда и в каком количестве. В идеальном случае (100% выталкивающая система в своем абсолютном проявлении) локальный диспетчер не знает, и его не интересует, что происходит на смежных участках (его цехах- поставщиках и получателях). Он просто выполняет график, полученный от центрального планировщика. Если все цеха выполнят в точности этот график, то готовая продукция по заказу будет изготовлена и отгружена в срок, поскольку план (межцеховой график)  синхронизирован между подразделениями.

Навряд ли такая система работает на 100% в реальной практике. Между локальными диспетчерами цехов неизбежно существуют оперативные коммуникации и ими учитывается оперативная обстановка смежных цехов. Например, цех 2 может отложить изготовление некоторой партии изделий и отклониться от графика, если цеху 3 эта партия не нужна – он  не может приступить к ее обработке из-за поломки оборудования.

Поэтому выталкивающая система в своем абсолютном проявлении навряд ли работоспособна.

На этом рисунке показано синими стрелками – каким образом центральный плановый орган планирует межцеховые перемещения.

Как только появляются коммуникации между цехами и в принятии решений о запуске-выпуске партий учитывается реальная обстановка смежников – появляются составляющие вытягивающей схемы.

В основе вытягивающей схемы лежит оперативное принятие решений о запуске-выпуске партий производства, исходя из оперативной производственной ситуации на смежных участках. Проще говоря, запускаем в производство на своем участке не то, что предписано планом, а то, что:

• сейчас нужно потребителю (вытягивание справа);
• сейчас поступило от поставщика (вытягивание слева).

Иначе говоря, производством управляет не план, как в выталкивающих системах, а сам материальный поток.

Принято выделять 5 типов вытягивающих схем:

• KANBAN – («Восполнение супермаркета») – Supermarket Replenishment.
• Лимитированные очереди FIFO – Capped FIFO Lanes.
• Барабан – буфер – веревка (DBR), составляющая ТОС (Теория ограничений Голдратта)- Drum Buffer Rope.
• Лимит незавершенного производства – WIP Cap.
• Метод вычисляемых приоритетов – Priority Sequenced Lanes.

Одним из важных признаков вытягивающей системы является формальное ограничение размера запасов (НЗП) со стороны системы. Именно поэтому вытягивающие системы находят наибольшее применение в концепции «Бережливого производства» (Lean production).

Канбан

KANBAN: справа налево оперативно передаются сигналы о потребностях, потребности закрываются перемещениями изделий. Это вытягивание «Справа». (Supermarket Pull System)

Лимитированные очереди FIFO

При использовании метода лимитированных очередей FIFO график запуска-выпуска глобальным диспетчером формируется для самого первого участка, исходя из длительности цикла производства и срока исполнения заказа на конечную продукцию.

Первый участок по мере изготовления партий изделий немедленно передает их на участок- потребитель 2, эти партии изделий попадают в очередь к обработке Цехом 2. Цех 2 принимает партии изделий из очереди по правилу FIFO. И так далее по цепочке. Это вытягивание «Слева» (Sequential Pull System).

Таким образом, график работы цеха 2 определяется поставщиком – цехом 1, и отдельный график для цеха 2 (как это реализовано в системе выталкивания) – не требуется.

Барабан-буфер-веревка 

Этот метод требует определения операции (единицы оборудования, вида оборудования), ограничивающей пропускную способность всей технологической цепочки. Для этой точки – «барабана» – выстраивается детальное оптимизированное расписание. Барабан задает темп работы всей системы. Под «веревкой» понимается график отпуска материалов, этот график строится так, чтобы предотвратить отпуск материалов в количестве большем, чем это может быть обработано далее в барабане.

Для того чтобы защитить барабан от простоя, перед барабаном организуется буферный запас изделий, который обеспечивает непрерывность работы барабана.

Так же как в методе лимитированных очередей, межцеховое планирование перемещений в участках до буфера не требуется, поскольку участки обладают избыточной мощностью по сравнению с барабаном. Действует важное правило – по мере исполнения операций на каждом участке результаты немедленно передаются на следующий участок (цех) потребитель.

Размер буфера определяется возможными колебаниями производительности участка, снабжающего барабан.  Чем меньше такие колебания, тем меньше может быть размер буфера.

Для того, чтобы сформировался буферный запас (очередь перед барабаном), опережение запуска материалов в систему должно составлять время большее, чем суммарное расчетное время производственного цикла  до барабана. Это увеличенное время составляет длительность временного буфера до барабана.

В этом случае изделия из центра, снабжающего буфер, будут поступать заблаговременно до их потребления барабаном.

Опережение запуска материалов (длина буфера) может, например, составлять утроенное время производственного цикла до барабана (но не обязательно). В этом случае производственная цепочка до буфера обрабатывает заказ (партию) в идеальном случае за время операционного цикла, и еще удвоенное время этого цикла заказ ожидает обработки перед барабаном в очереди. Разумеется, идеального не бывает, поэтому обработка изделия перед барабаном производится за время, превышающее время операционного цикла (например, удвоенное время). В любом случае, партия попадет в очередь к барабану заблаговременно.  Контроль за состоянием каждого заказа/партии, который еще не попал в очередь перед барабаном,  выполняется по принципу «светофора»:

• Заказ/партия в «зеленой» зоне и не требует внимания. С момента запуска материалов под заказ прошло меньше времени по сравнению с операционным циклом.
• Заказ/партия в «желтой» зоне – надо обратить на него внимание, хотя ситуация остается «штатной». С момента запуска материалов под заказ прошло больше времени по сравнению с операционным циклом, но меньше, чем время до границы красной зоны. Заказу уже пора выйти попасть в очередь к барабану.
• Заказ/партия в «красной» зоне. С момента запуска материалов под заказ прошло больше времени по сравнению с операционным циклом, и больше, чем время до границы красной зоны. В данном примере уже прошло удвоенное время операционного цикла прохождения заказа, но заказ по-прежнему находится в цепочке до барабана и не попал в очередь к барабану. С этим заказом нужно немедленно разбираться, иначе он не выйдет вовремя в очередь к барабану, что приведет к сокращению буферного запаса перед барабаном.

Кроме буфера “до” барабана, реализуется буфер «после» барабана, а также другие виды буферов:

Более детальное рассмотрение метода ББВ выходит за рамки этой статьи. Отметим, что недостатком этого метода является необходимость локализации основного ограничения производства (барабана) и его неизменность в горизонте планирования. Это больше характерно для крупносерийных производств со стабильным ассортиментом, а в мелкосерийных и единичных производствах применение метода ББВ чаще оказывается менее перспективным. Хотя даже единичное производство не является четким критерием отсутствия основного постоянного ограничения.

Кстати, часто можно услышать, что ограничение производства в виде единицы или группы оборудования можно определить визуально по максимальному размеру очереди перед данным оборудованием. Насколько справедливо это утверждение, читатель может проверить сам, решив логическую задачу:

На дороге есть два сужения – А и В. Сужение В расположено после сужения А. Перед сужением А скопилась пробка из 100 автомобилей, перед сужением В – пробка из 10 автомобилей. Какой участок дороги является ограничением пропускной способности – А или В? Ответ не так очевиден, как кажется :)

Метод лимитов незавершенного производства

Планируется так же, как и в методе ББВ, поступление материалов на первый участок. Ограничение (барабан) на технологической цепочке директивно не устанавливается, т.е. «точкой вытягивания» является заказ на готовую продукцию. Суммарный размер НЗП по всей дальнейшей технологической цепочке ограничен системой сверху по той простой причине, что партии в цехе № 1 запускаются в соответствии со спросом на готовую продукцию. Этот метод часто называют «Упрощенный ББВ». Данный метод наиболее прост во внедрении.

Метод вычисляемых приоритетов

Метод вычисляемых приоритетов является усовершенствованием метода лимитированных очередей FIFO. Усовершенствование состоит в том, что цех-потребитель выбирает партии/заказы не в соответствии с правилом FIFO, а в соответствии с вычисляемым приоритетом  партии/заказа в этой очереди. Приоритет зависит от «напряженности» партии/заказа и других параметров оптимизации загрузки цеха-потребителя. Приоритет вычисляется в рамках действующей MES-Системы.

Формула Литтла

Формула Литтла устанавливает зависимость между сроком выполнения заказа цехом на одну единицу продукции, размером НЗП в цехе и темпом выпуска продукции цеха. Для применения этой формулы НЗП должен быть оценен в единицах продукции цеха.

Время выполнения заказа = НЗП / Темп

Для понимания смысла формулу можно трактовать в таком упрощенном виде:

Время выполнения заказа (дни) = НЗП в единицах ГП / кол-во выпуска единиц ГП в день

Предположим, в цехе в каждый момент времени уровень НЗП (единиц ГП и материалов в пересчете на единицы ГП) составляет 100 шт. единиц готовой продукции.

Цех выпускает в день 20 шт. готовой продукции. При расчете по формуле получаем 5 дней – срок исполнения заказа на единицу готовой продукции.

Физический смысл формулы очень простой – это количество дней, за которые цех срабатывает весь запас НЗП в 0, и выпускает из этого НЗП весь объем продукции, если в цех прекращается поступление материалов. Принимается допущение, что новый заказ на единицу продукции ставится в очередь исполнения последним, поэтому выпуск по нему произойдет тогда, когда цех переработает имеющийся запас НЗП, т.е. предыдущие заказы в очереди.
Резюмируем: какой вывод можно сделать из этого обзора систем планирования? В общем случае непродуктивно воспринимать систему выталкивания как единственную концепцию планирования производства и насаждать ее по всей технологической цепочке.

Например, технологическая цепочка может состоять из двух укрупненных этапов:

1) Производство готовых комплектующих с длительным циклом и множеством переделов для финальной сборки с широкой применяемость в различных заказах.

2) Финальная сборка из готовых комплектующих для единичных заказов с особыми конфигурациями готовой продукции.

Для каждого укрупненного этапа в таком случае следует рассмотреть отдельную схему планирования.

Необходимо рассматривать комплексно каждую конкретную производственную систему и комбинировать существующие методики, а задачу управления производством рассматривать шире, чем те или иные выталкивающие схемы. Зачастую именно в отсутствии такого комплексного подхода заключается причина неудачных проектов по внедрению ERP-систем в части планирования и управления производством.

Автор: Лисин Н.Г.

Литература

1. Хэллет Д. Обзор систем вытягивания. Перевод 2009 wkazarin.ru www.pullscheduling.com
2. Голдрат Э. М. Цель. Процесс непрерывного совершенствования.
3. Детмер У, Шрагенхайм Э. Производство с невероятной скоростью.
4. Детмер У. Теория ограничений Голдратта.
5. Фролов Е. Б. Производственная логистика, или что такое «вытягивающее» планирование?
6. Фролов Е.Б., Загидуллин Р.Р. MES-системы как они есть или Эволюция систем планирования производства.
7. Мауэргауз Ю. Е. «Продвинутое» планирование и расписания (AP&S) в производстве и цепочках поставок.
8. Питеркин. С. В. Точно вовремя для России.
9. Гаврилов Д.А. Управление производством на базе стандарта MRP II.