《智能制造系统设计与运行控制》课件-第7章智能制造运行管理与控制

智能制造系统设计与运行控制机械与车辆学院工业与智能系统工程研究所第7章——智能制造运行管理与控制学习目标能简要概括工厂数字化管控模型及MES功能模型能准确描述制造系统运行控制架构及运行逻辑能清晰描述生产计划体系及生产调度问题并求解能简要概括ERP系统与MOM系统的主要功能案例导入——国内首个叶片加工无人车间及首条黑灯产线东方汽轮机叶片加工黑灯工厂基于数字孪生的车间实时运行状态可视化案例导入——国内首个叶片加工无人车间及首条黑灯产线讨论:1）该案例从“无人”车间与黑灯产线，再到数字孪生技术应用等多个角度详细介绍了东方汽轮机解码“国之重器”背后的新动能，你认为何为企业的新动能？2）东方汽轮机建设5G+全连接工厂，对我国大型装备制造乃至制造业发展有何启示？3）结合该案例总结制造企业在推进智能制造过程中，企业运行管理与控制涉及到哪些智能化的相关技术，还面临哪些技术难点和应用障碍？第7章：智能制造运行管理与控制7.1智能制造运行管控概述7.2生产计划与调度问题7.3企业资源计划（ERP）系统7.4制造运行管理（MOM）系统7.1.1工厂数字化管控模型工厂模型与MES功能模型传统工厂数字化管控模型AMR企业三层集成模型MES定义（1）国际制造执行系统协会（ManufacturingExecutionSystemAssociation，MESA）MES提供为优化从订单投入到产品完成的生产活动所需的信息MES运用及时、准确的信息，指导、启动、响应并记录工厂活动，从而能够对条件的变化做出迅速的响应、减少非增值活动、提高工厂运作过程的效率。MES不但可以改善设备投资回报率，而且有助于及时交货、加快库存周转、提高收益和现金流的绩效。MES在企业和供应链间，以双向交互的形式提供生产活动的基础信息。7MES定义（2）美国的权威机构先进制造研究中心AMR（AdvancedManufacturingResearch）

MES是位于上层的计划管理系统与工业控制系统之间的面向车间层的管理信息系统。它为操作人员/管理人员提供计划的执行和跟踪以及所有资源（人员、设备、物料、客户需求等）的当前状况。870年代产生，80年代发展，90年代规范从20世纪70年代的后半期开始，出现了解决单一功能的信息系统，如设备状态监控系统、质量管理信息系统，以及包含了生产进度跟踪、生产统计功能的生产管理系统等。管理系统和控制系统的建设工作是分别进行的，因此产生了两个问题：（1）各个信息系统完全是独立建设的，相互之间几乎没有联系，由此产生了信息孤岛；（2）信息系统基本上是管理信息系统（MIS），与生产装置的现场控制系统之间几乎没有任何联系。90年代AMR公司提出MES三层模型执行层是位于上层的计划管理系统与工业控制系统之间的信息系统。它为操作人员/管理人员提供计划的执行和跟踪以及所有资源的当前状况，主要负责生产管理和调度执行。MES（生产执行系统）通过控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源来提高制造竞争力，提供了一种在统一平台上集成诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能的方式。

计划层强调企业的作业计划，它以客户定单和市场需求为计划源，充分利用企业内部的各种资源，降低库存，提高企业效益；控制层强调设备的控制，如PLC、数据采集器、条形码、各种计量及检测仪器、机械手等的控制。1993年AMR公司提出IntegratedMES集成模型，1997年ISA编制ISASP95企业控制系统集成标准和ISASP98批量控制标准1993年AMR公司提出了改正的MES集成模型，这样MES则作为整个工厂生产现场的集成系统出现，故又称为IntegratedMES（I-MES）。主要功能为工厂管理（资源管理、调度管理、维护管理）、工厂工艺设计（文档管理、标准管理、过程优化）、过程管理（回路监督控制、数据采集）和质量管理（SQC-统计质量管理、LIMS-实验室信息管理系统）。在这个模型指导下，MES在90年代初期的重点是生产现场信息的整合。在这一时期，很多团体、政府机构、组织也参与了MES的标准化以及标准、模型的研究和建立，其中从1997年开始的国际仪表学会（InternationalSocietyformeasurementandcontrolAssociation，ISA）启动的编制ISASP95企业控制系统集成标准和ISASP98批量控制标准的工作尤为重要，几乎可以认定他就是正在形成中的MES国际标准。ISA

S95中MES定义的信息流和生产活动模型生产数据收集8生产执行5生产资源管理2生产部署4生产追踪6生产计划调度3产品定义管理1生产绩效分析7生产绩效生产计划生产能力产品定义ProductTime数据流和生产活动模型S95定义的MES的生产活动模型，其中的信息流分为

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种：产品定义信息（Productiondefinition）：通过交换产品的全周期管理信息描述如何制造一个产品；生产能力信息（Productioncapability）：通过信息交换说明需要的和可获得的生产资源的容量和能力；生产计划信息（ProductionScheduling）：通过信息交换说明何时何地生产何物以及需要何种资源；生产性能信息（ProductionPerformance）：通过信息交换说明生产了什么，消耗了什么资源，也包括了所有商业系统所需要的生产产品的反馈信息。8种MES的基本生产活动分别为：定义管理资源管理生产详细计划生产部署生产执行跟踪分析数据采集ISAS95层次架构定义Level4Level1Level2Level3BusinessPlanning&LogisticsPlantProductionScheduling,OperationalManagement,etcManufacturingOperationsManagementDispatchingProduction,DetailedProductionScheduling,ReliabilityAssurance,...BatchControlDiscreteControlContinuousControl1- Sensingtheproductionprocess,manipulatingtheproductionprocess2- Monitoring,supervisorycontrolandautomatedcontroloftheproductionprocessTimeFrame Hours,minutes,seconds,subseconds3- Workflow/recipecontroltoproducethedesiredendproducts.Maintainingrecordsandoptimizingtheproductionprocess.TimeFrame Days,Shifts,hours,minutes,seconds4- Establishingthebasicplantschedule-production,materialuse,delivery,andshipping.Determininginventorylevels.TimeFrame Months,weeks,daysLevel00- TheactualproductionprocessISAS95对MES范围定义INVENTORYOPERATIONSMANAGEMENTINVENTORYOPERATIONSMANAGEMENTMAINTENANCEOPERATIONSMANAGEMENTPRODUCTIONOPERATIONSMANAGEMENTQUALITYOPERATIONSMANAGEMENTProcurement(5.0)ProductionScheduling(2.0)MaterialandEnergyControl(4.0)ProductInventoryControl(7.0)ProductCostAccounting(8.0)QualityAssurance(6.0)Research

DevelopmentandEngineeringProductShippingAdmin(9.0)OrderProcessing(1.0)Marketing&SalesProductionControl(3.0)MaintenanceManagement(10.0)MES在企业生产运行管理系统中的地位与作用MES与总体信息集成模型CRM客户关系管理MES制造执行系统CMC/PDM协同制造/产品数据管理T&L运输与后勤Automation自动化ERP企业资源计划SCM供应链管理MES基本功能CRM客户关系管理SCM供应链管理DRP分配资源管理ERP企业资源管理CMC/PDM协同制造商务产品数据管理AUTOMATION自动化工序详细调度资源分配及状态管理文档管理生产单元分配维护管理性能分析产品跟踪及产品清单管理质量管理数据采集过程管理人力资源管理通过基于有限资源能力的作业排序和调度来优化车间性能;指导劳动者、机器、工具和物料如何协调地进行生产，并跟踪其现在的工作状态和刚刚完工情况;通过生产指令将物料或加工命令送到某一加工单元开始工序或工步的操作;管理和分发与产品、工艺规程、设计或工作令有关的信息，同时也收集与工作和环境有关的标准信息;通过监视工件在任意时刻的位置和状态来获取每一个产品的历史纪录，该记录向用户提供产品组及每个最终产品使用情况的可追溯性;将实际制造过程测定的结果与过去的历史记录和企业制定的目标以及客户的要求进行比较，其输出的报告或在线显示用以辅助性能的改进和提高;提供按分钟级更新的员工状态信息数据(工时，出勤等)，基于人员资历、工作模式、业务需求的变化来指导人员的工作;通过活动监控和指导，保证机器和其它资产设备的正常运转以实现工厂的执行目标;基于计划和实际产品制造活动来指导工厂的工作流程(这一功能实际上也可由生产单元分配和质量管理来实现);根据工程目标来实时记录、跟踪和分析产品和加工过程的质量，以保证产品的质量控制和确定生产中需要注意的问题;监视、收集和组织来自人员、机器和底层控制操作数据以及工序和物料信息，这些数据可由车间手工录入或由各种自动方式获取。第七章：智能制造运行管理与控制7.1智能制造运行管控概述7.2生产计划与调度问题7.3企业资源计划（ERP）系统7.4制造运行管理（MOM）系统生产运作：产品生产计划与控制，运行与服务生产计划控制197.2.1生产计划体系框架7.2.1生产计划体系框架生产计划体系框架长期计划企业战略规划中期计划综合生产计划主生产计划（MPS）粗能力需求计划短期计划物料需求计划（MRP）细能力需求计划生产作业计划采购计划产品和市场计划资源计划经营预测总装配计划产品需求预测财务计划三层：长期计划中期计划短期计划7.2.1生产计划体系框架项目战略层计划战术层计划作业层计划计划期计划的时间单位空间范围详细程度不确定性管理层次计划焦点长（≥5年）粗（年）企业、公司高度综合高企业领导层资源获取中（一年）中（月、季）工厂综合中部门管理管理层资源利用短（月、旬、周）细（工作日、班次、小时、分）车间、工段、班组详细低车间管理层日常活动处理长期计划中期计划短期计划7.2.1生产计划体系框架生产计划与控制的层次结构7.2.1生产计划体系框架生产计划的主要指标品种指标，指工业企业在品种方面满足社会需要的程度，亦反映企业专业化协作水平、技术水平和管理水平质量指标，通常指企业在计划期内，各种产品应达到的质量标准产量指标，通常指企业在计划期内应当生产的合格产品的实物数量产值指标，是用货币表示的产量指标，可分为：总产值，商品产值，工业增加值出产期，是为了保证按期交货而确定的产品出产期限7.2.1生产计划体系框架指标名称工资毛利润贡献率指标定义公司某一定时期的税前利润额与核发工资的比较设立目的通过工资利润比的表现，掌握生产工厂所创造价值的变化，也就是说调薪是否有相对地提高生产能力。此说明产品成本的升降。计算公式工资毛利润贡献率＝(毛利润÷核发工资)×100%相关说明·毛利润＝生产产值－生产成本（生产成本包括原料成本、直接工资、制造费用）。·核发工资要包含临时工、契约工的工资。·工资合计包含从车间主任以下人员。数据收集财务部数据来源财务报表数据核对生产部统计周期每月一次统计方式数据和趋势图7.2.1生产计划体系框架指标名称产品一次合格率指标定义指产品从生产的第一道工序始到最后一道工序止的一次合格数量占总产量的比率设立目的反映生产部门的生产水平和质量保证水平、加工水平计算公式一次合格率=1－(月不良产次量÷月产量)×100%相关说明·一批产品有二项不良点即计算二次不良。·同一产品先后二次送检不良即计算二次不良。·该指标为生产部门日常管理的重要指标。数据收集质检科数据来源品管检验记录数据核对各车间统计周期每日、每月一次统计方式数据和趋势图7.2.1生产计划体系框架指标名称在制品周转率指标定义一定时期内，生产部门实际库存的平均周转次数设立目的反映生产车间内库存周转情况，即反映车间资金积压速度计算公式在制品周转率＝入库成品原料总成本÷((在制品期初库存额＋在制品期末库存额)÷2)×100%相关说明·原料单价建议使用管理单价。·淡旺季产品应与去年同期作管理比较。数据收集财务部数据来源财务报表数据核对各车间统计周期每月、每年一次统计方式数据和趋势图7.2.1生产计划体系框架指标名称生产效率指标定义是指生产部门的投入工时的有效利用率设立目的反映生产管理对人员、设备和制程的管理效率计算公式生产效率＝Σ产成品核定工时÷Σ产成品投入工时×100%相关说明·Σ核定工时即各个投产合同所额定的生产工时合计·投入工时要扣除因停电、缺料等外部因素所造成的停产工时。·要做到这项统计必须每日由车间提报工时记录。·该指标为生产日常管理的重要指标。数据收集各车间数据来源入库单、考勤资料数据核对生产部统计周期每日、每月一次统计方式数据和趋势图7.2.1生产计划体系框架指标名称原料收率指标定义是指生产部门的投入原料的有效利用率设立目的反映生产管理对人员、设备和制程的管理在原料上产生的效益计算公式原料收率＝Σ产成品标准用料合计÷Σ产成品领用原料合计×100%相关说明·要做到这项统计必须领料按合同归属领料。·该指标为生产日常管理的重要指标。数据收集财务部数据来源入库单、领料单、MRPⅡ数据核对生产部统计周期每日、每月一次统计方式数据和趋势图7.2.1生产计划体系框架指标名称设备时间利用率指标定义是指设备在时间上的有效利用率设立目的反映生产部门对设备的维修、保养与使用的管理效益计算公式设备时间利用率＝1－(停机总工时÷设备可用总工时×100%)相关说明·设备可用总工时24小时。·停机工时是指停电、未排产、缺料停产、缺料待修、故障等因素停机。·缺料待修指因缺少备件停机超过30分钟以上的停机，30分钟计为故障，超出时间计为缺料停机。·要做到这项统计必须做好设备运行的停机记录。·该指标为生产日常管理的重要指标。数据收集生产调度数据来源设备停机记录数据核对生产部长统计周期每日、每月一次统计方式数据和趋势图7.2.1生产计划体系框架30指标名称设备有效生产率指标定义是指生产部门对设备的有效利用率设立目的反映生产部门对设备的维修、保养与使用管理效益计算公式设备有效生产率＝(设备开机总工时－外部停机总工时)÷设备开机总工时×100%相关说明·设备开机总工时即每日上班工时（包括加班工时）。·外部停机总工时是指停电、未排产、缺料停产、缺料待修等因素的停机总工时。·缺料待修指因缺少备件停机超过30分钟以上的停机，30分钟计为故障，超出时间计为缺料停机。·要做到这项统计必须做好设备运行的停机记录。·该指标为生产日常管理的重要指标。数据收集生产调度数据来源设备停机记录数据核对生产部长统计周期每日、每月一次统计方式数据和趋势图7.2.1生产计划体系框架指标名称合同准时完成率指标定义是指生产部门对合同交期的管理能力设立目的反映生产部门从原料供应→生产调度→制程管理的综合效益计算公式合同准时完成率＝1－(当月延迟合同数量÷当月应交货合同数量)×100%相关说明·上月延迟到本月的合同并入本月计算。·合同延迟一天交货即视为延迟合同。·该指标为生产日常管理的重要指标。数据收集市场部数据来源合同&出货单数据核对生产部统计周期每日、每月一次统计方式数据和趋势图7.2.1生产计划体系框架我国自主研发的15轻型坦克——高原战车国防利器

面对战时需求，数以10万计的零件，如何及时组织生产？本页图片视频来自于网络刘福水教授发动机总设计师为国防献身7.2.1生产计划体系框架我国自主研发的第一代轿车——红旗轿车，民族骄傲！假如你是长春一汽的制造部经理，公司将在今年第四季度的第7周，出产1000辆红旗轿车，你如何决定应该何时开始投入生产或下达订单外购红旗轿车所需的物料，需要生产或外购的数量又是多少呢？图片来自于网络7.2.1生产计划体系框架——综合生产计划长期计划企业战略规划中期计划综合生产计划主生产计划（MPS）粗能力需求计划短期计划物料需求计划（MRP）细能力需求计划生产作业计划采购计划产品和市场计划资源计划经营预测总装配计划产品需求预测财务计划7.2.1生产计划体系框架——综合生产计划定义根据市场需求预测和企业所拥有的生产资源，对企业计划期内出产的内容、出产数量以及为保证产品的出产所需劳动力水平、库存等措施所做出的决策性描述。综合生产计划（Aggregate

ProductionPlanning，APP），又称为生产计划大纲，是企业的整体计划，是各项生产计划的主体。7.2.1生产计划体系框架——综合生产计划MTS型综合生产计划MTS，MaketoStock的缩写，即企业的生产类型是按库存组织生产，此时企业制定综合生产计划的核心是确定产品品种和产量。7.2.1生产计划体系框架——综合生产计划MTS型综合生产计划——确定产品品种象限法/波士顿矩阵法（BCGMatrix）——市场增长率-相对市场份额矩阵7.2.1生产计划体系框架——综合生产计划MTS型综合生产计划——确定产品品种收入利润顺序法是将生产的多种产品按销售收入和利润排序产品代号ABCDEFGH销售收入12345678利

润2316587487654321利润小——大

AECBDGHF收入：大——小7.2.1生产计划体系框架——综合生产计划MTS型综合生产计划——确定产品产量盈亏平衡分析法盈亏平衡点的产量＝固定费用/（单位产品销售价格－单位产品变动费用）亏损盈亏平衡点a金额销售收入盈利变动费用总费用固定费用产量X007.2.1生产计划体系框架——综合生产计划MTS型综合生产计划——确定产品产量盈亏平衡分析法

盈亏平衡点的产量＝固定费用/（单位产品销售价格－单位产品变动费用）例：某企业计划明年生产某产品，销售单价为1.25元/件，单位产品的变动费用为0.92元。预计明年该批产品总的固定费用为10000元，试确定该批产品的产量。解：

临界产量＝固定费用/（单位产品销售价格－单位产品变动费用）＝10000/（1.25－0.92）≈30300(件)即明年计划产量应当超过30300件，企业才能盈利。7.2.1生产计划体系框架——综合生产计划MTS型综合生产计划——确定产品产量线性规划法

——研究如何将有限人力、物力、设备、资金等资源进行最优计划和分配的理论和方法；在有限的生产资源和市场需求条件约束下，求得利润最大的生产计划。7.2.1生产计划体系框架——综合生产计划MTS型综合生产计划——确定产品产量线性规划法例：线性规划方法求最优的生产计划问题解：目标函数：maxP=60X1+30X2约束条件：3X1+X2≤4650 2X1+4X2≤9600 2X1≤2400

X1≥0，0≤X2≤2000产品时间定额(h)材料消耗定额(kg)配套零件(件)利润(元)产量(台)A32260X1B1430X2约束总工时≤4650总材料≤9600总供应≤2400maxB需求≤2000X1=900X2=1950P=1125007.2.1生产计划体系框架——综合生产计划MTO型综合生产计划MTO，MaketoOrder的缩写，即企业的生产类型是按订单组织生产，也称为订货型生产。单件小批生产是典型的订货型生产，其特点是按用户订单的要求，生产规格、质量、价格和交货期不同的专用产品。7.2.1生产计划体系框架——综合生产计划MTO型综合生产计划订货决策Y订单处理产品优化组合报价系统比较价格交货期报价系统比较交货期限拒绝协商接受订货产品出产计划PC≥P?DC≥D?Dmin>Dcmax?Pmin>Pcmax?NNNNYYY7.2.1生产计划体系框架——主生产计划长期计划企业战略规划中期计划综合生产计划主生产计划（MPS）粗能力需求计划短期计划物料需求计划（MRP）细能力需求计划生产作业计划采购计划产品和市场计划资源计划经营预测总装配计划产品需求预测财务计划7.2.1生产计划体系框架——主生产计划定义主生产计划（MasterProductionSchedule，MPS）是对企业生产计划大纲的细化，是详细陈述在可用资源的条件下何时要生产出多少物品的计划，用以协调生产需求与可用资源之间的差距。确定每一个体的最终产品在每一具体时间内的生产数量7.2.1生产计划体系框架——主生产计划7.2.1生产计划体系框架——主生产计划作用对综合计划分解和细化与所拥有的资源平衡调整综合计划或增加资源产品时间设备能力人员能力加班能力外协能力年计划一季度二季度三季度四季度短纤22,30014,47020,28021,150长纤1,0609601,0901,170

主生产计划月123456789101112短纤维1.33100280031002000210020003000300029003000290031001.64500045000400004000040000400001.7043000220002170033800410004050季产22,30014,47020,28021,150长纤维50020000190002100022007623020023019020019023023021025023025016720000190002100022000季产1,0609601,0901,170某涤纶厂的生产计划大纲和主生产计划7.2.1生产计划体系框架——主生产计划7.2.1生产计划体系框架——主生产计划如何从综合生产计划分解出主生产计划？周123456预测160160160160215250生产规划库存量5455906356806706253个产品构成的产品族的生产规划产品族中各产品的期初库存量（总计：500）产品A:350产品B:100产品C:50把对产品族的预测分解到产品族中的每一项产品7.2.1生产计划体系框架——主生产计划如何从综合生产计划分解出主生产计划？周123456产品A707070707080产品B4040404095120产品C505050505050总预测量160160160160215250各产品的需求预测7.2.1生产计划体系框架——主生产计划周123456产品A205产品B205205205产品C205205总生产份主生产计划草案周123456产品A280210140700125产品B265430595555460340产品C0-50-10055210160预计库存量545590635680670625对应于主生产计划草案的预计库存量优点：告诉工厂何时开始及停止生产能力与生产规划相符不足：与总库存相比，其库存量平衡性差导致在第2和第3周产品C缺货

7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划长期计划企业战略规划中期计划综合生产计划主生产计划粗能力需求计划短期计划细能力需求计划生产作业计划采购计划产品和市场计划资源计划经营预测总装配计划产品需求预测财务计划物料需求计划物料需求计划7.2.1生产计划体系框架——问题回顾我国自主研发的第一代轿车——红旗轿车，民族骄傲！假如你是长春一汽的制造部经理，公司将在今年第四季度的第7周，出产1000辆红旗轿车，你如何决定应该何时开始投入生产或下达订单外购红旗轿车所需的物料，需要生产或外购的数量又是多少呢？图片来自于网络7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划物料需求计划（MaterialRequirementPlanning，MRP）物料：原材料，自制零部件、外购件和服务件(备品备件)、成品

根据物料清单（Bill

of

Materials，BOM）和主生产计划，综合考虑物料库存情况，确定满足生产需求的物料数量及要求到货的时间。7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划物料需求计划（MRP）主生产计划物料库存物料清单生产交付（采购到货）物料数量时间本页图片来自于网络7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划自行车、汽车、拖拉机，再到大飞机，他们的零件或者部件构成？本页图片来自于网络7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划什么是物料清单（Bill

of

Materials，BOM）？描述了构成一个产品内各种物料之间的相互关系的信息产品中所有零部件和毛坯材料的品种单台份数量，它们之间的隶属关系提前期：某项生产或采购任务的时间周期即从任务开始到任务结束的时间经济批量：一定时期储存成本和订货成本最低的采购批量物料清单的表示方法？提前期（2周）订货批量（50）提前期（2周）订货批量（50）B（2）AC（1）0层1层用“产品结构树”表示产品A的物料清单7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划物料清单的表示方法？车架（1）Mobike自行车车把（1）车轮（2）前叉组件（1）车座组件（1）驱动组件（1）刹车组件（1）前叉1前轴1前轴碗2防尘盖2前轴档2垫圈4螺母2中轴1链条1脚蹬组件1齿轮2后轴1脚蹬2曲柄20层1层2层3层7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划问题再现假如你是长春一汽的制造部经理，公司将在今年第四季度的第7周，出产1000辆红旗轿车，你如何决定应该何时开始投入生产或下达订单外购红旗轿车所需的物料，需要生产或外购的数量又是多少呢？学习知识的两个层次：一要会用，二要创新图片来自于网络7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划 ＋

＝轮胎＋轮毂＝车轮（外购）（自制）红旗轿车的物料清单？红旗轿车物料清单（部分）简图红旗轿车图片来自于网络7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划物料2021年第四季度生产期间物料需求计划表（周）1234567红旗轿车LT＝1周需求1000投产车轮LT＝1周需求投产轮胎LT＝3周需求订货轮毂LT＝2周需求投产1000500050005000500050005000时间数量类型BOM的核心作用：求解物料需求计划7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划物料2021年第四季度生产期间物料需求计划表（周）1234567红旗轿车

LT＝1周需求1000投产车轮

LT＝1周需求投产轮胎

LT＝3周需求订货轮毂

LT＝2周需求投产1000500050005000500050005000时间数量类型从后向前自顶向下图表法求解过程7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划MRP基本原理：从最终产品的主生产计划（MPS）推导出对相关物料的需求量和需求时间；根据物料的需求时间和生产（订货）周期推出其开始生产（订货）的时间。7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划敢于挑战几分钟？（1）红旗轿车的第四季度生产期间内1～7周每周需要量分别为200,300,500,500,600,600,1000辆；（2）所需车轮的当前库存为2500,提前期为1周,经济批量为2500,第1,2周期的计划入库分别为：2000,2500；求解：车轮、轮胎、轮毂的物料需求计划红旗轿车物料清单（部分）简图红旗轿车7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划你挑战成功了吗？物料项目：车轮（提前期为1周,经济批量为2500）物料2021年第四季度生产期间物料需求计划表（周）01234567红旗轿车

LT＝1周需求2003005005006006001000投产2003005005006006001000车轮

LT＝1周需求1000150025002500300030005000投产002500250025004000时间数量类型7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划物料2021年第四季度生产期间物料需求计划表（周）2021年第四季度生产期间物料需求计划表（周）01234567红旗轿车LT＝1周需求2003005005006006001000投产2003005005006006001000车轮LT＝1周需求1000150025002500300030005000投产002500250025004000轮胎LT＝3周需求2500250025004000订货2500250025004000轮毂LT＝2周需求2500250025004000投产2500250025004000时间数量类型7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划图片来自于网络图片来自于网络7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划（1）物料需求计划求解的数学模型（2）运用数学模型的MRP计算处理逻辑MRP编制的数学模型法：7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划（1）计划投入量Rj(t')

指投入生产或提出采购的数量。数量上与计划订货量Pj(t)相等，时间上从订货量的交货时间反推一个提前期，以得到投入的时间。LT——物料的生产提前期或采购提前期计划投入量Rj(t')最终需求物料的开始生产（订货）的时间和数量72计划投入量Rj(t')最终需求物料的开始生产（订货）的时间和数量计划订货量Pj(t)向生产部门或供应部门下达的订货任务量（2）计划订货量Pj(t) 是按照批量规则将净需要量Nj(t)

调整后的结果7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划计划投入量Rj(t')最终需求物料的开始生产（订货）的时间和数量计划订货量Pj(t)向生产部门或供应部门下达的订货任务量净需要量Nj(t)当现有库存量不足该期总需要量时，其短缺数量即为净需要量（3）净需要量Nj(t)

计划入库量Sj(t)：

已经投产或已经订购，预计可在计划周期t时间段内到货入库的物料数量。（已知量）可用库存量Hj(t)：

在满足本期总需要量后，剩余的可供下一个周期使用的库存量。7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划计划投入量Rj(t')最终需求物料的开始生产（订货）的时间和数量计划订货量Pj(t)向生产部门或供应部门下达的订货任务量净需要量Nj(t)当现有库存量不足该期总需要量时，其短缺数量即为净需要量总需要量Gj(t)物料总需要量＝上层物料计划投入量×物料清单中每个零部件的用量+独立需求量7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划结论：MRP的数学模型计划投入量：计划订货量：净需要量：可用库存量：已知量：总需要量计划入库量7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划MRP计算处理逻辑开始n=0YesNoNoYes计算n层t周期物料j的总需要量Gj(t)确定n层t周期物料j的净需要量Nj(t)由Nj(t)确定计划订货量Pj(t)计算t周期物料j的计划投入量Rj(t)下达提前期计划投入量Rj(t’)用n+1取代n用t+1取代t结束所有产品结构层次已分解？计算n层t周期物料j可用库存量Hj(t)所有时间周期t算完否？物料总需要量＝上层物料计划投入量×BOM中每个零部件的用量+独立需求物料项目：车轮（提前期为1周,经济批量为2500）项目01234567红旗轿车投产量2003005005006006001000G：总需要量1000150025002500300045005000S：计划入库量20002500H：可用库存量2500N：净需要量P：计划订货量R：计划投入量G(t)

＝POLO轿车数量×5＝200×5＝10007.2.1生产计划体系框架——物料需求计划物料项目：车轮（提前期为1周,经济批量为2500）项目01234567红旗轿车投产量2003005005006006001000G：总需要量1000150025002500300045005000S：计划入库量20002500H：可用库存量25003500N：净需要量-3500P：计划订货量0R：计划投入量H(t)＝S(t)＋P(t)＋H(t－1)－G(t)=2000+0+2500-1000=3500净需要量小于0，不需要订货。N(t)＝G(t)－S(t)－H(t－1)=1000-2000-2500=-3500＜07.2.1生产计划体系框架——物料需求计划物料项目：车轮（提前期为1周,经济批量为2500）项目01234567红旗轿车投产量2003005005006006001000G：总需要量1000150025002500300030005000S：计划入库量20002500H：可用库存量25003500450020002000150010000N：净需要量-3500－4500－2000500100015004000P：计划订货量0002500250025004000R：计划投入量2500250025004000净需要量大于批量，以净需要量安排生产。净需要量大于0并小于批量，安排生产，并以批量修正。7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划ERP

1990sMRPII1980sMRP1960s尽管工具不断进化，我依然在！ ——MRP7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划BA102229整车工程明细表D00000211雨刮器及洗涤器A13560525雨刮连杆机构总成A21547325左刮臂刮片总成A00245250左刮片总成A65421512左刮臂总成A22546251雨刮堵盖A00041254右刮臂刮片总成A35625254右刮片总成A25251258右刮臂总成A36525874雨刮堵盖A00021548雨刮电机总成……EBOM模块层整车60.08.02前雨刮&洗涤器60.08.02.01雨刮连杆机构60.08.02.02刮臂刮片60.08.02.02.01刮片总成60.08.02.02.02刮臂总成60.08.02.02.03堵盖60.08.02.03雨刮电机……VPPS60.08雨刮&洗涤器60外饰示例示例系统层子系统层IA层零部件层IA层调整为模块层，或新增模块层结构7.2.1生产计划体系框架——物料需求计划思考：物料清单(BOM)还有哪些变形及重要作用？

——DBOM、EBOM、PBOM、MBOM工信部智能制造项目：新能源汽车大规模个性化定制的智能制造新模式关键技术之一：基于BOM的产品模块化设计与个性化组合技术7.2.1生产计划体系框架——生产能力计划长期计划企业战略规划中期计划综合生产计划主生产计划（MPS）粗能力需求计划短期计划物料需求计划（MRP）细能力需求计划生产作业计划采购计划产品和市场计划资源计划经营预测总装配计划产品需求预测财务计划7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产能力计划生产能力在一定时期内，直接参与企业生产过程的固定资产，在一定的技术组织条件下，经过综合平衡后，所能生产的一定种类产品最大可能的产量。生产能力分类设计能力计划能力实际能力理想条件：设备不发生故障、原材料供应充分、生产系统满负荷运行、生产计划组织良好

计划能力＝设备利用率×设计能力实际生产能力＝效率×计划能力7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产能力计划生产能力影响因素固定资产数量固定资产工作效率企业在计划期内拥有的全部能够用于生产的设备数量按企业现行工作制度计算的设备全部有效工作时间固定资产工作时间单位设备的产量定额或是单位产品的台时定额7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产能力计划生产能力计划：对企业生产能力的合理规划将物料需求计划转化为对车间的设备、人力等资源的能力需求

按照时段和设备组（或工作中心）对所需要的能力进行汇总用能力需求报告或负荷图检查能力与负荷之间的差异提供解决能力与负荷之间差异的措施基本计算模型7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产能力计划生产能力计划粗能力计划细能力计划将成品的生产计划（综合生产计划或主生产计划）转换成对相对的工作中心的能力需求通过MRP运算得出对各种物料的需求量后，计算各时段分配给工作中心的工作量，判断是否超出该工作中心的最大工作能力，并做出调整。只针对关键工作中心的负荷针对所有工作中心的负荷7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产能力计划设备组生产能力的计算M——设备组的生产能力（件/年）Fe——单位设备有效工作时间（分）S——设备数量（台数）P——产量定额（件数）t——-时间定额，生产单位产品所需的台时数(分/件)

或

单位设备有效工作时间=计划期制度工作时间·设备利用率已知：某工作地有相同设备10台，生产A产品，单件加工时间为120分钟。（年工作日250天，工作时间8小时/天，设备利用率80%）求：该工作地生产能力解：

Fe=250×8×60×80%=96000(分）

M=（96000×10）/120=8000（件）7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产能力计划7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产能力计划作业场地生产能力的计算M——作业场地（生产面积）的生产能力F——单位面积有效工作时间A——作业场地的生产面积a——单位产品占用生产面积t——-单位产品占用时间7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产能力计划流水线生产能力计算M——流水线的生产能力Fe——流水线有效工作时间R——流水线的节拍

流水线的生产能力取决于流水线上瓶颈工序设备的生产能力，因此可以用流水线上瓶颈工序设备或者设备组的生产能力代替流水线的生产能力。原材料产成品7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产能力计划流水线生产能力计算已知：某流水生产线有7道工序，各工序的单件定额工时分别为：T1=2.20T2=3.54T3=3.54T4=2.41T5=3.50T6=9.93T7=9.93

其中第6、7工序为3台设备，其余均为1台求：流水线的生产能力？（300工作日/年，设备利用率90%）7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产能力计划流水线生产能力计算解：制约流水线的瓶颈：T3和T2，加工时间最长，生产能力最小，即为关键工序，决定了流水线的生产能力。该流水线的生产能力为：

M=Fe·S／T =(300×8×60×90%)×1／3.54 =36610(件）7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产作业计划与排序长期计划企业战略规划中期计划综合生产计划主生产计划（MPS）粗能力需求计划短期计划物料需求计划（MRP）细能力需求计划生产作业计划采购计划产品和市场计划资源计划经营预测总装配计划产品需求预测财务计划7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产作业计划与排序定义基于物料需求计划确定各车间的零部件投入产出计划，将产品出产计划分解为各车间的具体生产任务，并以此详细规定在每个具体时期（如月、旬、周、天、小时等），各车间、工段、班组以至每个工作地的具体生产任务。——零部件生产在产品出产计划的基础上，详细规定在每个具体时期（如月、旬、周、天、小时等），总装车间各工段、班组以至每个工作地的具体生产任务。——最终产品装配7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产作业计划与排序生产作业计划的两个实例：派工单/随车单、工作令7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产作业计划与排序节拍：流水线上连续出产两个相同制品之间的时间间隔决定了流水线的生产能力、生产速度和效率，是组织大量流水生产的依据。R=T效/QR——节拍(分/件)T效——计划期有效工作时间(分)Q——计划期制品产量(件).除计划中规定的任务外,还包括不可避免的废品。计划期有效工作时间=计划期制度工作时间×时间利用系数

T效=T制×KK=0.9-0.96

计划期制度工作时间=全年制度工作日数×班次×每班工作时间7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产作业计划与排序批量：是指在成批生产方式下同时投入生产并消耗一次准备结束时间，所制造的同种零件或产品的数量。生产间隔期：是指在成批生产方式下相邻两批相同产品（零件）投入或产出的时间间隔。批量＝生产间隔期×平均日产量平均日产量等于计划期产量除以计划期工作日数7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产作业计划与排序生产周期：是从原材料投入生产开始，到产成品出产时为止的整个生产过程所需的日历时间（或工作日数）。成批生产中的生产周期是按零件工序、零件加工过程和产品进行计算的，其中，零件工序生产周期是计算产品生产周期的基础。7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产作业计划与排序生产周期：是从原材料投入生产开始，到产成品出产时为止的整个生产过程所需的日历时间（或工作日数）。某产品生产周期的进度计划网络图

7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产作业计划与排序生产作业排序确定每台设备、每个人员每天的工作任务和工件在每台设备上的加工顺序的过程工作中心作业排序的主要目标（1）满足交货日期（2）极小化提前期（3）极小化准备时间或成本（4）极小化在制品库存（5）极大化设备或劳动力的利用7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产作业计划与排序影响生产作业排序的主要因素生产任务的到达方式生产任务在车间的流动模式车间中的设备种类和数量车间中的人员数量作业计划的评价标准静态到达成批到达计划人员将一段时间内订单汇总，一起安排生产作业计划动态到达在一段时间内按某种统计分布规律到达生产任务随到随安排7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产作业计划与排序影响生产作业排序的主要因素生产任务的到达方式生产任务在车间的流动模式车间中的设备种类和数量车间中的人员数量作业计划的评价标准流水车间（定流车间）所有流动路线相同单件车间（随机路线车间）流动路线均不一样，工件按某种概率分布从一台设备流向满足加工需要的设备中的某一台设备混合式加工车间介于两者之间7.2.2生产作业调度问题及其影响因素——生产作业计划与排序影响生产作业排序的主要因素生产任务的到达方式生产任务在车间的流动模式车间中的设备种类和数量车间中的人员数量作业计划的评价标准达到企业整体目标的程度总利润最大生产费用最小设备利用的程度设备利用率最大任务完成的程度7.2.3生产作业调度规则——生产作业计划与排序任务完成的程度总流程时间最短平均流程时间最短最大延迟或最大误期最短平均延迟或平均误期最短平均在制品占用量最小总调整时间最小

一批工件从进入某一车间或工艺阶段开始，到这一批工件加工完，全部退出该车间或工艺阶段为止的全部完工时间指工件的实际完成时间与预定的交货期之间的差额在加工一批不同工件时，每加工一个工件，设备需要调整一次，该批工件的调整时间之和7.2.3生产作业调度规则——生产作业计划与排序作业排序劳动力排序按设备分按工件分生产作业排序按目标分单台设备排序多台设备排序单件车间排序流水车间排序静态排序动态排序确定性动态排序随机性动态排序单目标排序多目标排序7.2.3生产作业调度规则——生产作业计划与排序优先调度规则局部优先规则SPTEDD全局优先规则FCFSSCRMWKRLWKRMOPNR优先选择加工时间最短的任务优先选择完工期限最早的任务优先选择队列最早进入的任务优先选择临界比最小的任务优先选择余下加工时间最长的任务优先选择余下加工时间最短的任务优先选择余下工序最多的任务7.2.3生产作业调度规则——生产作业计划与排序定理1对于单设备排序问题，SPT规则使平均加工时间最小

7.2.3生产作业调度规则——生产作业计划与排序工件排序J3J1J5J4J2加工时间13457交货期82314620开始时间014813结束时间1481320延迟L-7-19-1070误期T00070零件号J1J2J3J4J5加工时间37154交货期23208614共计5个工件，其作业时间和交货期如表所示

7.2.3生产作业调度规则——生产作业计划与排序定理2对于单设备排序问题，EDD规则使最大延迟或最大误期最短工件号J1J2J3J4J5加工时间37154交货期23208614共计5个工件，其作业时间和交货期如表所示

7.2.3生产作业调度规则——生产作业计划与排序工件排序J4J3J5J2J1加工时间51473交货期68142023开始时间0561017结束时间56101720延迟L-1-2-4-3-3误期T00000工件号J1J2J3J4J5加工时间37154交货期23208614共计5个工件，其作业时间和交货期如表所示

7.2.4单设备调度问题及求解——生产作业计划与排序定理3如果对于某单设备排序问题，存在使为0的工件排序方案，则在交货期比考虑中的工件的作业时间之和大的工件中，将作业时间最大的工件安排在最后位置，如此反复进行，可得到使最小的最优工件排序。操作步骤的所有j，当，H排在j后找出所有交货期大于所有作业时间之和的作业，比较这些作业，将作业时间大的排在最后。之后去掉排在最后的作业，再重复步骤1。工件排序J4J3J5J2J1作业时间51473交货期68142023开始时间0561017结束时间56101720延迟L-1-2-4-3-3误期T000007.2.4单设备调度问题及求解——生产作业计划与排序J31801J45616J132369J5414913J27201320

-7

0

-14

-1

0

0

0

0

0

0最大流程时间Fmax最大误期Tmax7.2.5多设备调度问题及求解——生产作业计划与排序2台设备排序——Johnson-Bellman排序算法从未排序的工件表中找出作业时间最小的工件如果这一作业时间最小的工件为第一（第二）工序，则将该工件排在工件顺序的开始（最后）将此工件从工件表中删去直到工件表为空，则说明已得到最优排序7.2.5多设备调度问题及求解——生产作业计划与排序从未排序的工件表中找出作业时间最小的工件如果这一作业时间最小的工件为第一（第二）工序，则将该工件排在工件顺序的开始（最后）2台设备Johnson-Bellman算法总流程时间最短1在前2在后7.2.5多设备调度问题及求解——生产作业计划与排序工件J1J2J3J4J5工序112451510工序22253168排序过程J3J2J5J1J4J20510152025303540455055606570时间J2J1J1J4J4J5J5J3J3工序1工序27.2.5多设备调度问题及求解——生产作业计划与排序多台设备的工件排序如何做？工件J1J2J3J4设备A158612设备B3156设备C410577.2.5多设备调度问题及求解——生产作业计划与排序流水生产的作业排序在2个工序流水生产作业计划问题中，希望总流程时间最小时，如果则在最优工件排序中，排在之前7.2.5多设备调度问题及求解——生产作业计划与排序3台设备使用条件将3台设备A、B、C变换为2台虚拟设备G、H7.2.5多设备调度问题及求解——生产作业计划与排序工件J1J2J3J4设备A158612设备B3156设备C41057工件J1J2J3J4设备G1891118设备H711101305101520253035404550时间G=A＋B=15+3=18H=C＋B=4+3=7设备A0882020262641设备B89202626314144设备C919263333384448J1J2J3J4J2J2J4J4J3J3J1J1J2J4J3J17.2.5多设备调度问题及求解——生产作业计划与排序对于工艺路线不同的n种任务在2台设备上加工的排序3）将｛A｝类工件排在｛AB｝类后，顺序任意4）将｛B｝类工件排在｛BA｝类后，顺序任意5）将先安排到其他设备上的工件加到各设备已排序队列的后面，顺序不变1）将工件划分为4类｛A｝类仅在A设备上加工｛B｝类仅在B设备上加工｛AB｝类工艺路线为先A后B｛BA｝类工艺路线为先B后A2）分别对｛AB｝类及｛BA｝类采用Johnson-Bellman法排序将首序在A上加工的工件先安排给A将首序在B上加工的工件先安排给B7.2.5多设备调度问题及求解——生产作业计划与排序JobSequencingSPT规则EDD规则Johnson-Bellman算法多设备排序?确定零件在机器上的加工顺序7.2.5多设备调度问题及求解——生产过程监控生产过程监控当前制造企业面向的生产环境已经从传统的小品种、大批量向中小批量、多品种转变，制造系统需要针对复杂多变的生产环境实现快速柔性生产，其核心便是对产线资源的优化配置、仿真运行验证。应用的核心技术与成果数字孪生驱动的生产过程监控7.2.5多设备调度问题及求解——生产过程监控7.2.5多设备调度问题及求解——生产过程监控主要能力:面向生产管理人员，实时可视化监测生产状态、关键KPI：车间设备可用度、性能、生产质量和OEE等。生产管理人员实时可视化监测性能及问题查找后台数据进行根因分析监测制造KPI，预测趋势7.2.5多设备调度问题及求解——生产过程监控主要能力:面向维护人员，实时可视化监测关键设备健康状态，预测潜在问题，及时预警维修及服务工作。维护人员实时异常监测异构设备统一互联基于状态的监测设备运行趋势及问题解决7.2.5多设备调度问题及求解——生产过程监控实时可视化设备状态设备联结问题他实时报警快速查看历史趋势控制工程师主要能力:面向设备控制人员，实时监测设备互联状态，保证数据采集的稳定性。7.2.5多设备调度问题及求解——生产过程监控实现多AGV的分组优化、并列并行控制7.2.5多设备调度问题及求解——AGV作业控制机械臂AGV末端执行器其他辅助设备自主移动生产单元不确定约束的路径规划自主协同配送智能算法车头AGV运动模型

速度采样

智能移动装配单元机械臂移动AGV驾驶室及玻璃玻璃吸盘气泵支架执行装配操作的关键设备；控制吸盘实现玻璃的搬运、定位和装配吸盘实现驾驶室玻璃的吸附；气泵为吸盘提供吸力。玻璃支架实现玻璃的承载和定位；驾驶室支架实现驾驶室的固定和支撑；机械臂支架实现机械臂的固定、支撑和配重。驾驶室和玻璃是装配平台的实验对象。移动AGV实现玻璃的承载、搬运和定位。7.2.5多设备调度问题及求解——AGV作业控制7.2.5多设备调度问题及求解——AGV作业控制130汽车总装车间布局环境建模路径规划算法S型布局栅格地图A*算法输送站点聚类类中确定配送顺序离散事件系统仿真谱聚类遗传算法事件表、甘特图AGV路径规划AGV调度路径规划功能Matlab2016bAGV调度管理系统开发任务管理功能AGV管理功能通信功能数据管理功能日志、数据存储Excel、文本文档7.2.5多设备调度问题及求解——AGV作业控制基于“机群布局”工厂的物流最短路研究与AGV导航策略的开发与实现 ——小组成员（2015级）：杨奥、曹家滨、张潘禹提出基于“网格式布局”的工厂规划模式与该模式下的AGV最短路径算法开发，并采用C++语言编程实现策略。同时，采用“3RFID”定位方式和“节点控制”的通信控制方式，实现小车按命令的行驶；开发出AGV可视化仿真运行软件。131第7章：智能制造运行管理与控制7.1智能制造运行管控概述7.2生产计划与调度问题7.3企业资源计划（ERP）系统7.4制造运行管理（MOM）系统7.3.1ERP系统发展历程一个由GartnerGroup开发的概念，描述下一代制造经营系统和制造资源计划（MRPⅡ）软件。它将包含客户/服务架构，使用图形用户接口，采用开放式系统制作。它除了已有（MRPⅡ）的标准功能外，还包括其他特性，如质量、过程运作管理以及管制报告等。这就是新一代的MRPⅡ，即企业资源计划。从MRPⅡ飞跃到ERP是一场革命，而不是一种简单的升级。ERP既需要具有现行的MRPⅡ系统的实用性，又要考虑混合型生产的需要，还要有不同计算机平台的环境，图形化窗口界面，仿真和多媒体技术，以及通过EDI同外部环境的连接。ERP模式将通过降低硬件的成本，减少操作的复杂性，采用开放系统，面向用户，缩短开发周期，采用压缩软件安装，使其逐步进入全球越来越多的公司。7.3.1ERP系统发展历程ERP的形成大致经历了四个阶段：基本MRP阶段，闭环MRP阶段，MRPⅡ阶段以及ERP的形成阶段。20世纪40年代初期，西方