CN102081760A

CN102081760A - 用于执行调度生产过程的方法和系统

Info

Publication number: CN102081760A
Application number: CN2010105618159A
Authority: CN
Inventors: P·方塔诺特
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2011-06-01
Also published as: US8788082B2; US20110130856A1; EP2328118A1

Abstract

本发明涉及用于执行调度生产过程的方法和系统，该过程具有由制造执行系统执行和控制的生产进度表内的执行持续时间，包括：a）在生产过程内定义执行生产过程所需资源；b）为资源定义顺序相关设置子过程、生产性子过程以及顺序相关拆除子过程；c）调度生产过程以便其按生产进度表上开始时间执行；d）确认用于分派和后继执行的生产过程；e）响应于用于分派的生产过程的确认，为顺序相关设置子过程、生产子过程和拆除子过程创建各生产过程，藉此所创建各生产过程通过定义顺序的优先约束被链接在一起；f）通过用所创建各生产过程来替代该生产过程来重新调度生产进度表；g）通过以调度的顺序分派所创建各生产过程来执行重新调度的生产进度表。

Description

用于执行调度生产过程的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于执行调度生产过程（scheduled production process）的方法和系统，该调度生产过程具有由制造执行系统执行和控制的生产进度表内的执行持续时间（execution duration）。

背景技术

企业资源计划（ERP）是一种包括用于计划企业的商业资源（即材料供应、人力资源管理、购买、订单、利润、财务、库存控制、客户管理、其他项）的硬件设备和对应软件应用的系统，而术语“车间（shop floor）”已被用来指示一种例如通过测量由每个机器每小时生产的零件（piece）数量或其运行参数、所生产的零件的质量等等来支持在制造过程中涉及的单机器的控制的系统。

制造执行系统（MES）是在ERP上层和车间下层之间提供计算机器和软件工具的中间层，包括：用于生产订单管理的软件工具，其接收来自ERP的生产请求；以及用于生产建模的软件工具，其支持选择和管理要在制造过程中涉及的资源（即，员工、机器和材料）以便在要求的时间约束（constrain）内实现所计划制造过程的阶段。

因此，制造执行系统要求建模工厂设备以用于调度和控制活动。更具体地，制造执行系统要求可靠的仪器用以在复杂的生产环境中管理来自车间的或用于控制车间级的过程的巨量数据。同时，操作MES和/客户端的软件工程师经常需要修改MES的关系数据库中的数据结构。

因此，在大多数情况下工业生产环境内的资源的有效且有利利用要求对生产过程所需的资源使用的详细计划。就这一点而言资源可以是例如机器、材料、人员、工具以及一般是用于生产、转换、运输或包装产品、材料或组件的任何东西。该计划包括预先决定每个生产过程将在哪个资源上执行。在制造操作的执行期间，生产过程可以在所计划的资源上或用其执行。

这种使用可以包括针对每个资源和每个生产过程的若干步骤，比如设置（set up）资源、对资源运行某个生产操作、清洗、停机（shut-down）或拆除（tear down）资源。当所用的资源是机器时，对于给定产品的生产步骤的持续时间通常由机器本身确定，因为该持续时间通常与吞吐量有关或者与机器的生产率有关。在一些情况下，设置步骤的持续时间不仅由资源（机器）本身确定还由在机器上运行的先前过程确定。在这种情况下，设置步骤的持续时间是顺序相关的并且对于正确的计划应当考虑到在给定机器上运行的过程的确切顺序。

可以采用特定顺序的过程；通常，调度软件被用来执行这样的详细计划并且根据这个顺序，资源的设置时间由生产调度器估计。例如，当计划油漆车间的操作时，要制造的产品的颜色可以是用于确定所需的顺序相关设置持续时间的辨别准则。例如，如果先前产品具有相同颜色，则不需要设置油漆机器（如果颜色不变化，则设置持续时间等于零）。但是在颜色变化的情况下，设置的持续时间可以取决于所需的当前颜色和所用的先前颜色。为从红色切换到黄色可能要求与从红色改变到蓝色不同的时间量。生产调度器的调度软件因此根据存储在生产过程模型的数据库中的某个具体设置逻辑来执行顺序相关设置持续时间的计算。

在生产执行期间，制造执行系统（MES）从生产调度器的数据库中读取详细的过程计划并且根据这个计划协调资源利用。过程进展（progress）也可以存储在这个数据库中，并且可以汇报回给生产调度器。在当生产过程的进展与预先计划的进度表不吻合时的情况下，这种反馈可以影响该计划。由于这种反馈，调度器可以重新计算与由过程执行产生的实际情形吻合的资源利用计划，包括估计的顺序相关设置持续时间。通常，在调度的执行时间之前的相当短的时间范围（horizon）上，过程顺序根本不应当变化。然而，由于技术原因，可能的是稍后即在生产过程的实际执行后执行来自过程执行的将过程确认转发到生产调度器的反馈。也可能的是，确认生产过程的顺序不同于计划的顺序。基于这种反馈，生产调度器正常自动地重新计算针对至少以下生产过程（包括顺序相关设置持续时间）的所估计的开始和结束时间。

生产过程顺序和顺序相关设置持续时间的自动重新调度对于生产过程计划者（planner）而言可能是混乱的。在生产过程的每个确认后，设置持续时间可以变化，这也可以导致变化的生产过程顺序。对于有效的车间控制，过程计划需要在短期的基础上是可靠的且可预测的。因此，存在对与设置和/或拆除活动的调度有关的短期生产计划的管理的需要。

目前，本领域已知的方式通过定义“冻结期（frozen period）”解决生产的短期计划中生产进度表上的短期变化的这个问题。在这个冻结期期间，生产调度器原封未动要使用的资源和生产过程的细节。在过程计划的这个冻结部分中进度表的每个变化需要生产过程计划者的明确授权。由于这种明确性，过程计划者针对计划范围的短期部分中未经请求的变化的任何混乱被极大地减小。此外，在要被分派用于执行的下一生产过程的范围的这个冻结期期间避免生产过程顺序的这些变化导致了留给车间活动足够的时间来收集和准备每个生产过程所需的所有资源（包括部件、原材料工具、人）的好处。对被相当紧密地或者没有任何反应缓冲地传送到车间的进度表的冻结部分的任何变化可能对总体操作具有十足破坏性的影响，包括松散时间、资源的风险以及对一些进度生产过程而言至少局部当前不可行性的可能危险。

在美国专利7,454,260中提出了用于解决由于过程确认而可以在短期计划中改变的顺序相关设置持续时间的这种问题的另一种方法。这里公开的解决方案建议在短期进度表中关断设置持续时间的顺序相关计算。在这种情况下，启发式逻辑被用来为每个资源定义时间间隔，其中该设置持续时间被保持恒定并且因此不再顺序相关。通过使设置持续时间在这样的短期范围中“人为地”顺序无关，可以获得更鲁棒计划的好处。另一方面，这种解决方案无法实现在过程的顺序受到过对程进展的过程确认的延迟或无序通知影响的情况下反应灵活。

发明内容

因此本发明的目标是提供一种用于执行调度生产过程的方法和系统，该调度生产过程具有由制造执行系统执行和控制的生产进度表内的执行持续时间，该制造执行系统能够在短期的基础上管理均匀（even）的过程干扰从而允许灵活地重新调度顺序相关设置和/或拆除过程。

根据本发明，这个目标是通过一种用于执行调度生产过程的方法和系统实现的，该调度生产过程具有由制造执行系统执行和控制的生产进度表内的执行持续时间，该方法包括以下步骤：

a）在该生产过程内定义为执行该生产过程所需的资源；

b）为资源定义具有设置持续时间的顺序相关设置子过程、具有生产持续时间的生产性子过程以及具有拆除持续时间的顺序相关拆除子过程；

c）调度生产过程以便其按生产进度表上的开始时间执行，其中调度的执行持续时间是设置持续时间、生产持续时间和拆除持续时间的总和；

d）在生产过程的开始时间之前的预定时段或在生产过程的开始时间时确认用于分派和后继执行的生产过程；

e）响应于用于分派的生产过程的确认，为顺序相关设置子过程、生产子过程和拆除子过程创建各个生产过程，藉此所创建的各个生产过程通过优先约束被链接在一起，所述优先约束定义所创建的各个生产过程的顺序；

f）通过用所创建的各个生产过程来替代该生产过程来重新调度生产进度表；以及

g）通过以调度的顺序分派所创建的各个生产过程来执行重新调度的生产进度表。

关于该系统，根据本发明，这个目标是通过在权利要求6中给出的特征实现的。

发明步骤因此在于在确认用于分派的调度过程时创建具有顺序相关设置持续时间和/或拆除持续时间的子过程，其到目前为止已被嵌入在原始的生产过程内。这种创建允许重新调度原始的生产过程并且单独地调度这个子过程，这导致在生产计划期间的单独分派和执行。该优点在于这种措施不仅为调度而且甚至为执行生产性和非生产性操作提供更详细的且细粒的控制。事实上，当考虑到设置子过程和/或拆除子过程是非生产性操作时，然而这些子过程要求在车间级上协调活动和资源，比如材料、工具和人员，其结果是具有准备用于所需生产的生产性资源设置和/或拆除。

为了管理由于资源的连续操作而不需要被调度用于下一生产过程的均匀设置子过程，允许0秒的持续时间被分配给设置持续时间和/或拆除持续时间范围。因此，尽管对于特定生产而言不发生设置子过程和/或拆除子过程，但是可以维持计划生产过程的方案。

为了使得系统和方法能够逐渐地对在先的生产过程和以后的生产过程做出反应，设置持续时间和/或拆除持续时间可以分别根据在先的生产过程和后继的生产过程来确定。对于该确定，可以生成允许容易确定相应持续时间的可选域表（field table）。

为了改进车间级的资源的可用性，该方法还可以包括在子过程内定义对每个子过程特定的且为执行子过程所需的相应资源的步骤。当相应子过程被分派用于执行时，相应资源被指定并且被执行以使它们可用于执行这个子过程。当然，因为由于各种可能的设置和/或拆除操作而可能存在各种各样的不同子过程，所以这些资源可以被有利地分配给子过程，根据在先的生产过程和/或后继的生产过程来定义。

附图说明

在下文中参考以下附图来描述本发明的优选示例，所述附图：

在图1中示意性地描绘根据现有技术的被表示为具有冻结期的甘特（Gantt）图的生产进度表；

在图2中示意性地描绘被表示为甘特图的过程A和B的生产进度表的示例；

在图3中示意性地描绘具有设置子过程的过程A和B的生产进度表的合并（consolidated）示例；

在图4中示意性地描绘包括调度系统、执行系统和生产数据库的解决方案的实施例；以及

在图5中示意性地描绘用于执行调度生产过程的本发明方法的步骤，该调度生产过程具有由制造执行系统执行和控制的生产进度表内的执行持续时间。

具体实施方式

对于本发明的描述，要强调的是Microsoft

Figure 2010105618159100002DEST_PATH_IMAGE001

.NET框架是制造执行系统的基本软件“骨架”。Siemens就MES的解决方案是SIMATIC IT。为了以简短的文字解释SIMATIC

IT的背景，不得不提及ISA-95。ISA-95被越来越多地接受作为客户可以依赖的制造执行系统的世界标准。SIMATIC

IT不仅覆盖ISA-95功能性而且实际上使用ISA-95作为其产品架构的蓝图。Siemens Aktiengesellschaft（SIMATIC

IT的所有人）是为其继续发展作贡献的ISA-95委员会的活跃会员。

SIMATIC IT本身是表示制造执行系统（MES）的西门子提议的软件组件的合集。SIMATIC IT的独特性由其整个架构表示，是使用ISA-95作为用于实施的架构蓝图而设计的。SIMATIC

IT生产建模器（Production Modeler）实现工厂模型以及全图形环境中所有标准操作过程（按照规则）的定义。SIMATIC IT生产建模器实现根据计划生产定义生产进度表。SIMATIC IT组件物理执行在这些规则和进度表中定义的动作。

图1示意性地示出根据现有技术的表示为具有冻结期6的甘特图4的典型生产进度表2。各种设备E1到E13（资源）被调度用于执行甘特图上的生产过程8。生产过程8由以彩色图像显示的矩形框使用表示。过去的生产过程框逐渐消失。冻结期6图解由于被分派用于执行的其短范围而将对重新调度不可访问的那些生产过程。生产中的任何干扰不能被反映在生产进度表2中。

克服短期计划中变化的设置持续时间和/或拆除持续时间的这个问题的方式是把这样的持续时间“合并”为有效生产过程（诸如设置过程和/或拆除过程）的特征，其被链接到生产过程的相应生产性子过程。因此在图2中，与生产过程B相关联的是设置子过程和拆除子过程，其在由在实际生产性过程B之前和之后的阴影区所表示的生产过程B的执行之前。

生产调度器计算关于资源E1到E13的过程顺序以及设置持续时间和/或拆除持续时间的所估计顺序相关值。这个进度表2被转发到将协调车间操作的执行的制造执行系统的执行模块（实例）。接近（短期进度表中的）实际时间被调度的生产过程准备被分派用于执行。“合并”设置和拆除持续时间的思想是在分派调度生产过程的确认时，创建单独的过程（参见图3）。在本示例中，生产性过程B被设置过程10和拆除过程12所包围。这样的单独（子）过程10、12通过优先约束被链接在一起。在这种情况下，这些链接命令过程B在设置过程10结束之后开始。拆除过程12开始得不早于生产过程B结束时。子过程10和12现在可见并且继续对调度器可见，但是现在也服从具有为完成生产过程而分配资源的所有牵连（implication）的、要在车间级执行的过程的分派列表。

制造执行系统将像往常一样执行每个生产过程（设置过程、生产性过程、拆除过程），考虑到这些链接所说明的相关性（例如在设置结束后开始生产）。这种措施将确保如计划的那样以正确的顺序正确地执行。在干扰导致延迟的过程确认的情况下，由于该干扰可能违反某个链接。生产调度器可以通过针对这种违反而信号通知警告进行响应，但是这种警告可以用来或不用来触发新调度顺序的计算。在这种意义上瞬时干扰将仅产生瞬时警告。这样做的原因在于重新调度不应过早停（re-scheduling shall be down not earlier），直到在车间级通过进一步检查而确认了违反为止。这种策略使每个生产过程确认所需的进度表调整的数量保持最小，从而尤其是最小化关于现有技术提及的问题。

图4示出包括调度系统和执行系统的这种解决方案的典型实施例，所述调度系统和执行系统借助于存储调度过程顺序的生产数据库以及来自车间的实际过程确认而共享关于生产过程的信息。

再次，必须强调的是在调度期间最常用的方法是在关于如2所示的资源所排序的生产过程中嵌入设置持续时间和/或拆除持续时间。不幸的是，这仅是简化的现实模型，其可以好得足以在考虑到调度范围可能是涉及要排序的巨量生产过程的数天、数周或数月时降低整个进度表的复杂度和细节水平。但是在短期范围上，推荐增加的细节水平以获得对实际分派和执行的生产过程的细粒控制。这种措施也将简化在车间操作（与其所有牵连，比如要做好准备和使用的人员、工具和材料）的实际执行期间收集关于过程确认的数据的任务。把设置例程和/或拆除例程合并为被分派和执行的实际生产过程（甚至它们根本不是生产性的）并且重新调度这些过程给生产计划者提供改进的控制、稳定性以及混乱反馈的较少可能情形。例如，如果过程确认发生晚得超出计划的顺序，则非生产性设置过程和生产性过程可以维持为调度的并且正好关于这两个生产过程（设置过程和生产性过程）之间的链路的可能违反的警告通知生产计划者。但是设置持续时间和过程顺序可以保持不变直到这个警告被证实并确认。许多中断可能只有瞬时性质并且可以稍后在来自车间的更多数据可用时进行解决（resolve）。只有在这种警告被确认的情况下，设置过程可以被无效并且重新计算的新设置持续时间最终改变过程顺序。在任何情况下，这种方法将进度表变化的有效数量保持最低，仅考虑到就车间设施的生产力而言实际所需的那些变化。

因此，根据本发明的基本步骤如下（参见图5）：

步骤1：在用于执行调度生产过程的方法中，该调度生产过程具有由制造执行系统执行和控制的生产进度表内的执行持续时间，要求在生产过程内定义为执行生产过程所需的资源。这个任务必须由生产建模者或生产计划者完成。这种定义把为完成生产过程所需的资源链接成生产过程（也是从把相应记录保存在生产数据库上的意义上来说）。

步骤2：然后，必要的是为资源定义具有设置持续时间的顺序相关设置子过程、具有生产持续时间的生产性子过程以及具有拆除持续时间的顺序相关拆除子过程，藉此不同的数据集可以依赖在先的和/后继的生产过程而存在。必须要注意，在当前的生产过程环境中不要求设置过程和/或拆除的情况下，可以把设置持续时间和/或拆除持续时间设定为零。

步骤3：接下来，生产过程被调度以便其按生产进度表上的开始时间执行，其中执行持续时间是设置持续时间、生产持续时间和拆除持续时间（其例如也被描绘在图2中）的总和。

步骤4：当现在更接近调度生产过程的执行时，在生产过程的开始时间之前的预定时段或在生产过程的开始时间时，确认用于分派和后继执行的生产过程。

步骤5：现在，进行合并的过程，其中响应于用于分派的生产过程的确认，为顺序相关设置子过程、生产子过程和拆除子过程创建各个生产过程，藉此所创建的各个生产过程通过优先约束被链接在一起，所述优先约束定义所创建的各个生产过程的顺序，其被示于图3中。

步骤6：当创建各个生产过程时，通过用所创建的各个生产过程来替代原始的生产过程来重新调度（重新计算）生产进度表，其结果示于图3中。从而，生产过程（标为过程B的方框）的生产性部分保持不变但是现在被为设置和拆除操作所创建的子过程所包围。

步骤7：最后，通过以调度的顺序分派所创建的各个生产过程来执行重新调度的生产进度表。

图4所示的实施例因此表示一种用于执行调度生产过程的系统，该调度生产过程具有由制造执行系统执行和控制的生产进度表内的执行持续时间。这个系统包括：

a）要由计划用户使用的生产计划者模块，被启用以在生产过程内定义为执行生产过程所需的资源；

b）生产计划者模块还被启用以为资源定义具有设置持续时间的顺序相关设置子过程、具有生产持续时间的生产性子过程以及具有拆除持续时间的顺序相关拆除子过程；

c）生产调度器模块（调度系统），被启用以调度生产过程以便其按生产进度表上的开始时间执行，其中执行持续时间是设置持续时间、生产持续时间和拆除持续时间的总和；

d）生产执行模块，被启用以在生产过程的开始时间之前的预定时段或在生产过程的开始时间时确认用于分派和后继执行的生产过程；

e）生产计划者模块还被启用以响应于用于分派的生产过程的确认，为顺序相关设置子过程、生产子过程和拆除子过程创建各个生产过程，藉此所创建的各个生产过程通过优先约束被链接在一起，所述优先约束定义所创建的各个生产过程的顺序；

f）生产调度器模块还被启用以通过用所创建的各个生产过程来替代该生产过程来重新调度生产进度表；以及

g）生产执行模块还被启用以通过以调度的顺序分派所创建的各个生产过程来执行重新调度的生产进度表。

尽管图4中的调度系统具有与用于制造执行系统（MES）的方框分开的单独方框，但是调度系统形成MES的鲜明（vivid）部分，如同例如以该方式在SIMATIC

IT软件中实现的那样。

Claims

1. 一种用于执行调度生产过程的方法，其中该调度生产过程具有由制造执行系统执行和控制的生产进度表内的执行持续时间；该方法包括以下步骤：

a）在该生产过程内定义为执行该生产过程所需的资源；

c）调度生产过程以便其按生产进度表上的开始时间执行，其中执行持续时间是设置持续时间、生产持续时间和拆除持续时间的总和；

2. 根据权利要求1的方法，其中允许0秒的持续时间被分配给设置持续时间和/或拆除持续时间范围。

3. 根据权利要求1或2的方法，其中设置持续时间和/或拆除持续时间分别根据在先的生产过程和后继的生产过程来确定。

4. 根据前面权利要求中任一项的方法，还包括在子过程内定义对每个子过程特定的且为执行子过程所需的相应资源的步骤。

5. 根据权利要求4的方法，其中分配给子过程的资源根据在先的生产过程和/或后继的生产过程来定义。

6. 一种用于执行调度生产过程的系统，该调度生产过程具有由制造执行系统执行和控制的生产进度表内的执行持续时间，该系统包括：

a）生产计划者模块，被启用以在该生产过程内定义为执行该生产过程所需的资源；

c）生产调度器模块，被启用以调度生产过程以便其按生产进度表上的开始时间执行，其中执行持续时间是设置持续时间、生产持续时间和拆除持续时间的总和；

7. 根据权利要求6的系统，其中允许0秒的持续时间被分配给设置持续时间和/或拆除持续时间范围。

8. 根据权利要求6或7的系统，其中设置持续时间和/或拆除持续时间分别根据在先的生产过程和后继的生产过程来确定。

9. 根据权利要求6到8中任一项的系统，还使生产计划者模块能够在子过程内定义对每个子过程特定的且为执行子过程所需的相应资源。

10. 根据权利要求9的系统，其中分配给子过程的资源根据在先的生产过程和/或后继的生产过程来定义。