Планирование (производственные процессы) - Scheduling (production processes)

Планирование это процесс организации, контроля и оптимизации работы и рабочих нагрузок в производственном процессе или производственном процессе. Планирование используется для распределения производственных и машинных ресурсов, планирования человеческих ресурсов, планирования производственных процессов и закупки материалов.

Это важный инструмент для производство и инженерное дело, где он может существенно повлиять на производительность процесса. В производстве цель составления расписания - минимизировать время и затраты на производство, сообщая производственному предприятию, когда производить, с каким персоналом и на каком оборудовании. Но это академическая цель^{[оспаривается ]}. С точки зрения бизнеса, первоочередной задачей является соблюдение срока платежа для клиента.^{[нужна цитата ]}. Большинство крупных заводов требуют составления графиков для сглаживания потокового производства, выравнивания производства, сохранения страхового запаса, соблюдения времени цикла или продолжения назначения заданий автоматическим машинам или линиям в качестве следующего приоритета.

В некоторых ситуациях планирование может включать случайные атрибуты, такие как случайное время обработки, случайные сроки выполнения, случайные веса и стохастические поломки машины. В этом случае проблемы планирования называются Стохастическое планирование.

Обзор

Планирование - это процесс организации, контроля и оптимизации работы и рабочих нагрузок в производственном процессе. Компании используют обратное и прямое планирование для распределения производственных и машинных ресурсов, планирования человеческих ресурсов, планирования производственных процессов и закупки материалов.

• Форвардное планирование - это планирование задач с момента появления ресурсов для определения даты отгрузки или срока выполнения.
• Обратное планирование - это планирование задач от установленного срока или необходимого срока для определения даты начала и / или любых изменений в мощности.

Преимущества планирования производства включают в себя:

• Снижение переналадки процесса
• Сокращение запасов, выравнивание
• Снижение затрат на планирование
• Повышение эффективности производства
• Выравнивание рабочей нагрузки
• Точные котировки даты доставки
• Информация в реальном времени

Инструменты планирования производства значительно превосходят старые методы планирования вручную. Они предоставляют планировщику производства мощные графические интерфейсы, которые можно использовать для визуальной оптимизации рабочих нагрузок в реальном времени на различных этапах производства, а распознавание образов позволяет программному обеспечению автоматически создавать возможности планирования что могло бы быть неочевидным без этого взгляда на данные. Например, авиакомпания может пожелать свести к минимуму количество выходов на посадку в аэропорту, необходимое для ее самолета, чтобы сократить расходы, а программное обеспечение для составления расписания может позволить планировщикам увидеть, как это можно сделать, путем анализа расписания, использования самолетов или поток пассажиров.

Ключевые концепции в планировании

Ключевым признаком календарного планирования является производительность, соотношение между количеством вводимых ресурсов и количеством выпуска. Ключевые концепции здесь:

• Входы: входы - растения, рабочая сила, материалы, инструменты, энергия и чистая окружающая среда.
• Выходы: Выходы - это продукты, произведенные на заводах либо для других фабрик, либо для конечного покупателя. Объем производства одного продукта на одном заводе регулируется Стоимость сделки.
• Выходные данные на фабрике: выходные данные любой одной рабочей области на фабрике являются входными данными для следующей рабочей зоны на этой фабрике в соответствии с производственным процессом. Например, результат резки - это вход в комнату гибки.
• Продукция для следующей фабрики: В качестве примера, продукция бумажной фабрики - это вход для фабрики печати. Продукция нефтехимического завода - это вход для асфальтобетонного завода, косметического завода и завода по производству пластмасс.
• Продукция для конечного покупателя: Заводская продукция поступает к потребителю через сервисный бизнес, такой как розничный торговец или компанию по укладке асфальта.
• Распределение ресурсов: Распределение ресурсов - это назначение входов для производства выходных данных. Цель состоит в том, чтобы максимизировать выход с заданными входами или минимизировать количество входов для получения требуемого результата.

Алгоритмы планирования

Основная статья: Планирование работы магазина

Смотрите также: Планирование генетического алгоритма

Планирование производства может потребовать значительных вычислительных мощностей при большом количестве задач. Следовательно, ряд сокращенных алгоритмов (эвристика ) (он же отправка rules) используются:

• Стохастические алгоритмы: Проблема планирования экономических партий и Экономичное количество продукции
• Эвристические алгоритмы: Измененная эвристика планирования сроков и Эвристика смещения узких мест

Планирование серийного производства

Фон

Планирование серийного производства - это практика планирования и составления графиков серийных производственных процессов. Видеть Серийное производство. Хотя планирование может применяться к традиционно непрерывным процессам, таким как очистка,^[1][2] это особенно важно для периодических процессов, например, для фармацевтических активных ингредиентов, биотехнологических процессов и многих специальных химических процессов.^[3][4] Планирование серийного производства разделяет некоторые концепции и методы с планированием конечной мощности, которое применялось для решения многих производственных задач.^[5] Конкретные вопросы планирования процессов серийного производства вызвали значительный промышленный и академический интерес.

Планирование в среде пакетной обработки

Периодический процесс можно описать как рецепт, который включает перечень материалов и инструкции по эксплуатации, в которых описывается, как производить продукт.^[6] Пакет ISA S88 контроль над процессом стандарт ^[7] обеспечивает основу для описания рецепта пакетного процесса. Стандарт обеспечивает процедурную иерархию рецепта. Рецепт может быть разбит на серию отдельных процедур или основных шагов. Единичные процедуры организованы в операции, а операции могут быть далее организованы в фазы.

Следующий рецепт из учебника ^[8] иллюстрирует организацию.

• Загрузите и смешайте материалы A и B в нагретом реакторе, нагрейте до 80 ° C и прореагируйте 4 часа с образованием C.
• Перенести в бак для смешивания, добавить растворитель D, перемешать 1 час. Твердый C выпадает в осадок.
• Центрифуга в течение 2 часов для отделения C.
• Сушить в лотковой сушилке 1 час.

Упрощенная процедурная организация рецепта в стиле S88 может выглядеть следующим образом:

• Блок Процедура 1: Реакция
  • Операция 1: зарядка A и B (0,5 часа)
  • Операция 2: Смешивание / нагрев (1 час)
  • Операция 3: выдерживать при 80 ° C в течение 4 часов.
  • Операция 4: Прокачать раствор через охладитель в бак для смешивания (0,5 часа)
  • Операция 5: Очистка (1 час)
• Блок Процедура 2: Смешивание осадков
  • Операция 1: получение раствора из реактора.
  • Операция 2: Добавить растворитель, D (0,5 часа)
  • Операция 3: смешивать в течение 2 часов.
  • Операция 4: Насос в центрифугу в течение 2 часов.
  • Операция 5: Очистка (1 час)
• Установка Процедура 3: Центрифугирование
  • Операция 1: Центрифугируйте раствор в течение 2 часов.
  • Операция 2: Очистить
• Блок Процедура 4: Сумка
  • Операция 1: получение материала из центрифуги
  • Операция 2: загрузка сушилки (15 мин)
• Установка Процедура 5: Сушка
  • Операция 1: Нагрузка
  • Операция 2: Сушка (1 час)

Обратите внимание, что организация здесь предназначена для того, чтобы фиксировать весь процесс для планирования. Рецепт для целей управления процессом может иметь более узкую область применения.

Большинство ограничений и ограничений, описанных Пинедо^[9] применимы при пакетной обработке. Различные операции в рецепте подчиняются ограничениям по времени или приоритету, которые описывают, когда они начинаются и / или заканчиваются по отношению друг к другу. Кроме того, поскольку материалы могут быть скоропортящимися или нестабильными, ожидание между последовательными операциями может быть ограничено или невозможно. Продолжительность операций может быть фиксированной или зависеть от продолжительности других операций.

В дополнение к технологическому оборудованию для периодического процесса могут потребоваться рабочая сила, материалы, коммунальные услуги и дополнительное оборудование.

Анализ времени цикла

В некоторых простых случаях анализ рецепта может выявить максимальную производительность и единицу ограничения скорости. В приведенном выше примере процесса, если должно быть произведено несколько партий или партий Продукта C, полезно рассчитать минимальное время между последовательными запусками партии (время цикла). Если партии разрешено начинать до конца предыдущей партии, минимальное время цикла определяется следующим соотношением:^[10]

${\displaystyle CT_{min}={\begin{matrix}max\\j=1,M\end{matrix}}\lbrace \tau _{j}\rbrace }$

Где КТ_мин - минимально возможное время цикла для процесса с M единичными процедурами, а τ_j - общая длительность j-й единичной процедуры. Единичную процедуру с максимальной продолжительностью иногда называют узким местом. Это соотношение применяется, когда каждая единица-процедура имеет единственную выделенную единицу оборудования.

Если резервные единицы оборудования доступны как минимум для одной единичной процедуры, минимальное время цикла становится:

${\displaystyle CT_{min}={\begin{matrix}max\\j=1,M\end{matrix}}\lbrace \tau _{j}/N_{j}\rbrace }$

Где N_j - количество избыточного оборудования для единичной процедуры j.

Если оборудование повторно используется в процессе, минимальное время цикла становится более зависимым от конкретных деталей процесса. Например, если процедура сушки в текущем примере заменяется другой реакцией в реакторе, минимальное время цикла зависит от режима работы и от относительной продолжительности других процедур. В приведенных ниже случаях увеличение времени удержания в сумке может уменьшить среднее минимальное время цикла.

Визуализация

Различные диаграммы используются, чтобы помочь планировщикам визуально управлять расписаниями и ограничениями. Диаграмма Ганта - это экран, который показывает действия на горизонтальной гистограмме, на которой полосы представляют время действия. Ниже приведен пример диаграммы Ганта для процесса, описанного выше.

Другая временная диаграмма, которую также иногда называют диаграммой Ганта^[11] показывает время, в течение которого ключевые ресурсы, например оборудование, заняты. На предыдущих рисунках показана эта диаграмма Ганта в стиле занятости.

Ресурсы, которые потребляются на основе ставки, например электроэнергия, пар или рабочая сила обычно отображаются в виде графиков зависимости скорости потребления от времени.

Алгоритмические методы

Когда ситуации планирования становятся более сложными, например, когда два или более процессов совместно используют ресурсы, может быть трудно найти лучший график. Ряд общих проблем планирования, включая варианты описанного выше примера, попадают в класс проблем, которые становится очень трудно решить по мере роста их размера (количества процедур и операций).^[12]

К планированию пакетных процессов применялись самые разные алгоритмы и подходы. Ранние методы, которые были реализованы в некоторых системах MRP, предполагали бесконечную производительность и зависели только от времени обработки партии. Такие методы не учитывали какие-либо ресурсы и создавали бы невыполнимые графики.^[13]

Математическое программирование Методы включают формулировку задачи планирования как задачи оптимизации, где некоторая цель, например общая продолжительность должна быть минимизирована (или максимизирована) с учетом ряда ограничений, которые обычно формулируются как набор неравенств и равенств. Цель и ограничения могут включать в себя переменные ноль или один (целые числа), а также нелинейные отношения. Соответствующий решатель применяется к результирующей задаче смешанного целочисленного линейного или нелинейного программирования (MILP / MINLP). Теоретически гарантируется, что этот подход найдет оптимальное решение, если оно существует. Недостатком является то, что алгоритм решателя может занять неоправданно много времени. Практики могут использовать упрощения для конкретных задач в формулировках, чтобы получить более быстрые решения без исключения критических компонентов модели планирования.^[14]

Ограниченное программирование похожий подход, за исключением того, что проблема формулируется только как набор ограничений, а цель состоит в том, чтобы быстро прийти к допустимому решению. С помощью этого метода возможно несколько решений.^[15][16]

Агентное моделирование описывает пакетный процесс и строит возможное расписание при различных ограничениях.^[17] Путем комбинирования со смешанно-целочисленным программированием или методами оптимизации на основе моделирования этот подход может обеспечить хороший баланс между эффективностью решения и производительностью расписания.^[18]

Смотрите также

• Расширенное планирование и планирование
• Диаграмма Ганта
• Канбан
• Управление производственным процессом
• Сеть ресурсных задач
• Планирование на одной машине
• График (управление проектом)
• Планирование (вычисление)
• Стохастическое планирование

Рекомендации

1. Маркус В. Магалхаес и Нилай Шах, «Планирование добычи сырой нефти», Основы автоматизированных операций (FOCAPO) 2003, стр 323-325.
2. Женя Цзя и Марианти Иерапетриту, «Эффективное краткосрочное планирование работы нефтеперерабатывающего завода, основанное на формулировке непрерывного времени», Основы автоматизированных операций (FOCAPO) 2003, стр 327-330
3. Туми, А., Юргенс, К., Юнго, К., Майер, Б.А., Папавасилеу, В., и Петридес, Д., "Проектирование и оптимизация крупномасштабного биофармацевтического предприятия с использованием инструментов моделирования процессов и планирования,” Фармацевтическая инженерия (журнал ISPE) 2010, том 30, номер 2, стр 1-9.
4. Папавасилеу В., Кулурис А., Силетти К. и Петридес Д. "Оптимизация производства фармацевтических продуктов с помощью инструментов моделирования процессов и планирования производства,” Химико-технические исследования и разработки (публикация IChemE) 2007, том 87, стр 1086-1097
5. Майкл Пинедо, Теория расписания, алгоритмы и системы, Прентис Холл, 2002, стр. 1-6.
6. Т.Ф. Эдгар, К.Л. Смит, Ф. Г. Шински, Г. В. Гассман, П. Дж. Шафбух, Т. Дж. МакЭвой, Д. Э. Себорг, Управление технологическим процессом, Справочник инженера-химика Перри, ред. Р. Перри и Д. В. Грина, McGraw Hill, 1997, стр. 8-41.
7. Шарлотта Джонссон, S88 для начинающих, World Batch Forum, 2004.
8. L.T. Биглер, И. Э. Гроссман и А. В. Вестерберг, Систематические методы проектирования химических процессов, Prentice Hall, 1999, стр. 181.
9. М. Пинедо, 2002, стр. 14-22.
10. Biegler et al. 1999, 187 с.
11. М. Пинедо, 2002, с. 430
12. М. Пинедо, 2002, стр.28.
13. G. Plenert и G / Kirchmier, 2000, стр. 38-41.
14. К. Мендес, Дж. Серда, И. Гроссман, И. Харьюнкоски, М. Фаль, Обзор современных методов оптимизации для краткосрочного планирования пакетных процессов, Компьютеры и химическая инженерия, 30 (2006), стр 913-946
15. И. Люстиг, Прогресс в линейном и целочисленном программировании и появление программирования с ограничениями, Основы автоматизированных операций (FOCAPO) 2003, 133-151
16. Л. Зебальос, Г. Хеннинг, Подход программирования с ограничениями к задаче многоэтапного пакетного планирования, Основы автоматизированных операций (FOCAPO), 2003, 343-346
17. Чу, Юньфэй; Ты, Фэнци; Вассик, Джон М. (2014). «Гибридный метод, объединяющий агентное моделирование и эвристический поиск в дереве для планирования сложных пакетных процессов». Компьютеры и химическая инженерия. 60: 277–296. Дои:10.1016 / j.compchemeng.2013.09.004.
18. Чу, Юньфэй; Wassick, John M .; Вы, Fengqi (2013). «Эффективный метод планирования сложных пакетных процессов с общей сетевой структурой посредством агентного моделирования». Журнал Айше. 59 (8): 2884–2906. Дои:10.1002 / aic.14101.

дальнейшее чтение

• Блажевич Дж., Эккер К. Х., Пеш Э., Шмидт Г. и Дж. Вегларц, Компьютерное планирование и производственные процессы, Берлин (Springer) 2001, ISBN  3-540-41931-4
• Херрманн, Джеффри В., редактор, 2006 г., Справочник по календарному планированию производства, Спрингер, Нью-Йорк.
• Маккей, К.Н., и Вайерс, В.С.С., 2004 г., Практический контроль производства: руководство по выживанию для планировщиков и составителей графиков, Издательство Дж. Росс, Бока-Ратон, Флорида. Опубликовано совместно с APICS.
• Пинедо, Майкл Л. 2005. Планирование и составление графиков в производстве и услугах, Спрингер, Нью-Йорк.
• Конвей, Ричард У., Максвелл, Уильям Л., Миллер, Луис У., Теория планирования, Dover Publications, июнь 2003 г., ISBN  978-0486428178

внешняя ссылка