0 引言

    鋼鐵企業生產是離散與連續同時存在的多階段混合式生產方式，在生產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中高溫、高壓和特殊因素。在如此動態復雜的生產工藝下，ERP系統無法對復雜的生產過程實現細致、準確的管理。由于ERP系統無法實時獲取生產現場的數據，也不能進行實時的生產調度，所以管理人員只能根據粗略產能計劃安排生產，無法執行生產計劃。生產計劃得不到準確的安排和執行，導致現有資源得不到充分利用、造成過多庫存量、客戶交貨期發生延遲。因此，在鋼鐵企業ERP系統中融合高級計劃與排程(APS)系統的功能能夠在一定程度上解決上述問題。

1 無縫鋼管生產流程及其生產中ERP的限制

    1.1無縫鋼管生產工藝流程介紹

    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中的計劃與調度問題作為研究對象。由于無縫鋼管的生產計劃與調度與其生產工藝緊密相關，因此，熟悉其生產工藝流程能夠便于準確實施生產計劃與調度。

    無縫鋼管生產工藝通常由熱變形處理和冷處理構成。熱變形處理是鋼坯在高溫條件下持續進行加工形成毛管，用到的設備包括穿孔機、連鑄機和張力減徑機。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，依次經過管坯切割(折料)、加熱爐加熱、實心管坯穿孔、延伸機軋薄管壁、熱軋工序、加熱爐再次加熱、精軋環節，最后加工為成品無縫鋼管。

圖1 無縫鋼管生產工藝流程圖

    上述無縫鋼管熱軋工藝流程的管理與控制在現實中都是通過信息系統來實現。鋼鐵企業的信息系統主要包括公司級系統(ERP)、車間級系統(MES)和生產線控制系統(PCS)。而鋼鐵企業的各級生產系統并不是孤立存在的，系統之間要完成信息的交互。因此，有必要把各系統作為一個集成系統看待，而集成系統的表現形式為系統間功能的分擔和數據信息交互。

    1.2無縫鋼管生產過程中ERP系統的限制

    鋼鐵企業的無縫鋼管生產是面向訂單的生產方式，這種生產方式要求企業能夠實現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，需要詳細的生產計劃與調度方案。但鋼鐵企業的ERP系統主要包括訂單管理、銷售和運作計劃、主生產計劃、產品管理等模塊，對于詳細的生產計劃與調度方案不能提供很好的支持。

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

    以上所述的詳細生產計劃和調度能夠通過高級計劃與調度系統(APS)實現，因此，有必要將APS系統引入鋼鐵企業。但是現有ERP系統功能與APS系統的部分功能有重合之處，如何使ERP系統和APS系統進行融合，形成一個整合系統，是無縫鋼管生產計劃與調度得以精確實施的關鍵。

2 APS系統介紹及其與ERP系統的關系

    APS即高級計劃與調度系統，美國運營管理協會(APICS)對APS的定義是：任何能夠利用高級算法完成有限能力調度、資源計劃、預測、需求管理的優化和仿真的計算機程序。這些技術在一系列約束和業務規則要求下，提供實時計劃與調度、決策支持、可承諾交貨量和可承諾交貨能力。APS系統是一套面向企業的具有高級計劃與優化調度功能的軟件解決方案，重點解決企業生產管理中的生產計劃與調度問題。

    APS系統與ERP系統在功能上有根本差別：APS系統根據現有實際資源和生產能力，安排與協調顧客要求的各項活動，形成符合實際情況的計劃時間表。APS系統基于優化算法和規劃算法在短時間內計算物料需求情況，隨時答復客戶詢問的“可否生產”或“多久生產”等問題。而ERP系統是根據假設的無限資源能力來安排生產計劃，當生產計劃在執行過程中產生問題時，再通過有限資源能力作適當調整，這樣無法保證初始生產計劃的準確性。可見，APS系統和ERP系統具有不同的計劃方式，而無縫鋼管生產模式是根據訂單進行排產，在復雜約束條件下達到最小庫存和交貨期履行，因而，APS系統能夠完成無縫鋼管生產“客戶需求與企業運作同步”的要求。

    APS系統應用到無縫鋼管生產中并不是要取代ERP系統的功能。APS系統是在ERP系統基礎上，通過ERP系統存儲的基礎數據完善需求、供給及產能規劃，進一步強化ERP系統中以傳統MRP規劃邏輯為主的生產計劃與調度功能，協助計劃人員做出同步的、最有效益的生產計劃，進而作為接收訂單的依據。

    APS系統考慮潛在瓶頸資源試圖找到可行的近似最優解，但是最終決策是靠有經驗的計劃人員做出。APS系統的目的是為復雜生產過程和實時生產決策搭建一座橋梁，APS系統的目標是通過仿真和優化自動計算出可行解。可見，APS系統在實施過程中需要與企業內部供應鏈的各環節發生信息傳遞和交互，所以，APS系統與ERP系統之間的銜接與融合至關重要。APS系統與鋼鐵企業現有的ERP、MES、PCS等系統實現集成，連接管理層、計劃層和執行層，共同構成鋼鐵企業信息化管理體系，實現鋼鐵企業生產過程的總體控制。信息化管理體系如圖2所示。

圖2 ERP、APS與MES\PCS的信息關系圖

3 無縫鋼管生產計劃與控制功能模塊介紹及APS系統ERP系統整合

    3.1 無縫鋼管生產計劃與控制功能模塊介紹

    鋼鐵企業無縫鋼管生產計劃與控制是按層次進行的，最高層次計劃即公司級計劃，通過長期計劃、總體計劃進行描述，低層次計劃即車間、生產線級計劃，用短期計劃、詳細計劃描述。各層次的要求都對應于企業系統的模塊，無縫鋼管生產計劃和控制是通過系統模塊的功能實現的，因此，描述出無縫鋼管生產計劃與控制模塊關系圖有助于理解APS系統和ERP系統的整合過程。

    圖3所示的關系圖是依據國內某大型鋼鐵企業無縫鋼管廠的實際生產過程構建而成，該圖中主要描述了五個模塊，分別是銷售與運作計劃、訂單管理、需求管理、主生產計劃和作業調度。銷售與運作計劃模塊和訂單管理模塊的信息主要在ERP系統中存儲和進行運算，而其他三個模塊的信息都在APS系統中處理。下面詳細介紹五個模塊的主要功能。

圖3鋼管生產計劃與控制功能模塊關系圖

    1)銷售與運作計劃模塊

    銷售與運作計劃模塊(Sales and operations planning)基于策略計劃平衡客戶需求與可供應能力，主要包括5個活動：(1)銷售部根據計劃周期產生預測的期望需求；（2）銷售部制定初步需求計劃；（3）根據需求計劃，生產部制定生產計劃，同時要求采購部采購生產材料；（4）市場部、生產部、采購部、財務部和物流部召開生產協調會，制定計劃期內的生產計劃和交貨計劃；（5）將協調會沒有解決的問題交到上層進行決策，確定初步的生產計劃和交貨計劃。

    活動（1）和活動（2）可以利用APS系統中的統計預測方法和需求計劃工具，創建可預測的初步交貨計劃，大大提高了決策準確性。活動（3）的目的是創建初步生產計劃，APS系統能夠提供找到可行解的優化模型，得到實時和精確的信息活動（4）是調整交貨計劃和生產計劃，活動（5）是確定交貨計劃和生產計劃，APS系統能夠確保信息可用性和情景分析，提高計劃可行度。

    2)訂單管理模塊

    訂單管理模塊主要包括依據產品規范的質量設計和訂單評審。訂單管理模塊的功能主要是協調客戶多種規格、多種樣式的產品要求，分析出每個訂單的制造路徑和能力匹配，按照規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計是根據工藝規范，把訂單管理模塊中的銷售訂單和S&OP模塊中的預測、預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，根據現實中的能力計劃需求，把訂單安排到生產工藝上，形成正式的生產訂單，生產訂單的交貨期數據被保存到數據庫中，同時把交貨期的準確時間安排反饋到上層系統。

    4)主生產計劃模塊

    坯料設計是根據生產訂單的成品規格和用戶要求，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，在達到現場工藝、設備安全要求的基礎上，確定坯料的長度、重量等參數。坯料設計完成后，根據鋼管主要參數(品種、鋼種、外徑、壁厚等)和用戶時間要求，把幾個參數相同或相近的生產訂單組合到一起生產，這個過程叫做生產組批。最后，根據訂單之間的參數關系和交貨期的時間，把生產組批后的訂單進行排程。

    5)作業調度模塊

    作業調度是根據主生產計劃模塊產生的生產計劃，合理安排物料和熱工具，保證生產計劃按時進行。鋼管的作業調度問題實際就是更新生產計劃中的軋制批次的組合和排序。由于生產現場有很多指導規則，這就需要系統和調度人員對計劃期的生產訂單進行排序。

     3.2無縫鋼管生產中APS系統與ERP系統整合

    ERP系統在無縫鋼管的生產過程中主要支持銷售與運作計劃和訂單管理，其他模塊的功能主要由APS系統提供，這樣APS系統功能就彌補了ERP系統功能上的不足。雖然有些企業已經研究ERP系統和APS系統某些功能上進行整合，但是還很少有針對無縫鋼管生產過程進行整合研究。

    由鋼管生產流程的計劃與調度功能模塊關系圖可知，圖4是ERP系統和APS系統整合后的系統設計圖，圖中的各個接口分別連接著ERP系統，這樣的系統設計就把無縫鋼管生產計劃與控制流程與APS系統、IDB系統有機的整合到一起，使ERP系統原來不能實現的功能轉移到APS系統上，同時在ERP系統中保留一個副本。表1是圖4接口傳遞信息的詳細說明。

圖4 ERP和APS整合后的系統及其之間的接口圖(IDB代表ERP、APS一體化數據庫)

表1 ERP和APS之間的接口描述

4 結論

    本文以熱軋無縫鋼管的生產計劃與控制為背景，設計出生產計劃與控制功能的ERP系統和APS系統的整合系統，通過整合系統把原有兩個系統涉及的相關問題進行分析整合。雖然這種特殊生產流程的系統設計不能完全復制到其他行業，但是對ERP系統和APS系統在現實中的整合問題提供了解決方法。
 

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本文標題：鋼鐵企業無縫鋼管生產中ERP和APS整合系統設計研究

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