ERP生产计划模块的现状、问题及优化研究

0 引言

    2012年1月到4月期间，在对全国企业(涉及电子、石化、钢铁、飞机和船舶等387家)实施ERP情况的调查数据来看，应用ERP的约占80％(见图1)。ERP系统上线完全失败的案例在调查中发现已不存在，所建立的系统或多或少能使用某几个模块或功能，能够在一段时间内发挥实际效用，最起码能用来处理流水账。在已实施的案例中，有55％的被调查者认为最难实施的模块是生产控制模块，已经应用了生产计划管理的企业不到5.8％，而且应用效果一般。美国先进制造研究机构AMR(Advanced Manufacturing Research)于2011年调查结果显示，53％的客户反映ERP对工厂生产存在负面影响。这些负面影响多体现在为滞后的数据统计和分析所付出的管理和人力成本的增加上。目前实施ERP的企业中，在ERP应用现状方面，调查显示：10％的企业在整个公司中全面应用了信息化，7％的企业已经进入到深化应用阶段，另有20％的企业在核心业务部门进行了广泛应用；但仍然有55％的企业处于局部应用阶段，而且在企业生产管理职能方面，ERP系统的应用仅以基本的物料管理模块为主，核心功能模块的应用并不多；还有8％的企业仍处于信息化的起步阶段，如图2所示。总之，2011年中国制造企业应用最多的，首先是ERP系统中与财务管理、库存管理相关的模块；其次是与生产计划、成本管理相关的模块；应用最少的是车间管理与决策支持系统，而这恰恰是在ERP系统最需发挥其强大效力的领域，却出现了问题。

图1 ERP的区域使用现状

图2 ERP模块应用现状

1 ERP生产计划模块存在的主要问题

    传统的ERP产品实施将主要精力集中于各子系统、子模块的建设，主要针对企业内部各种资源的集成，却忽视了ERP的基础和核心——生产计划和生产调度。如何既满足企业复杂多变的生产计划需求，又能提高生产计划的准确性，是ERP系统中生产计划模块面临的主要问题。目前，ERP生产计划管理模型多采用制造资源计划(Manufacturing Resource Planning，MRPⅡ)，这是在物料需求计划(Material Requirement Planning，MRP)的基础上逐渐优化形成的，但仍存在较大的局限性。

    1.1 ERP生产计划模块难以应对不确定性干扰因素

    ERP生产计划模块是在一定的假设条件下开发设计的：(1)假定生产计划的工件集合是确定的，没有考虑到生产过程中可能会产生突发事件，如：预先确定订单的取消或急件的加入等；(2)假定工件的加工时间是确定的，并且在安排计划时，全部工件都已经到达可用。这是一种很理想化的状态，但是在实际生产中，加工时间的延误和质量异常是经常发生；(3)假定用以加工工件的工装、设备是连续可用的，没有将工装、设备发生故障的可能性加以考虑；(4)假定所有参与生产计划产品的工艺设计描述和约束都不变，然而一个产品的设计描述，是随客户需求及市场需求的变化而变更的；(5)假定在生产计划过程中所需要的知识库与数据库都集中在一个地方，然而在实际生产中，所有这些资源都可能分布在不同的地理位置。

    1.2 无限能力的假设前提过于理想化

    ERP的物料需求计划主要以固定提前期和无限能力为前提，在编制过程中，不能受到企业生产能力及其分布情况的制约。ERP无法识别生产瓶颈，从而造成了生产系统缺乏均衡性和预警性。无限能力计划是在考虑生产计划、采购计划的时候，不考虑企业实际的生产能力，只管物料需求。这样将致使生产计划与能力计算的分离。MRPⅡ能力约束考虑不足，往往造成生产计划无法完成，物料需求不切实际，从而产生额外费用，也正是很多ERP系统实施未能成功的重要原因之一。ERP在进行BOM展开时，以无限能力的假设使生成的生产计划有缺陷，尽管MRPⅡ系统有能力需求计划(Capacity Requirement Planning，CRP)模块的闭环反馈机制，然而物料需求计划和能力需求计划是分开编制的，在发生能力冲突时无法自动平衡冲突，只能由计划人员凭经验调整MPS来平衡能力负荷，它只能被动地校核能力。因为MRPⅡ模式下给出的生产计划是按照订单顺序，即生产优先级给出的计划，在得到了优先级计划以后，无法得知此MRPⅡ计划是否可行或者是否足够合理，还需要运行能力计划来进行确认，再对比结果进行人工调整，使负载与能力尽可能的平衡，来达到计划合理性的确认或者优化生产计划的要求。显然，当系统比较复杂、能力冲突严重时，手工调整只能部分而不能全面解决问题，并且可能造成更大的冲突。显而易见，MRPⅡ逻辑没有优化机制，它的主生产计划(Master Production Schedule，MPS)、MRPⅡ和CRP是顺序执行的，缺乏相互的协调和优化，因此制订出的生产计划往往缺乏可执行的基础。对生产能力相对紧张的复杂生产系统，该逻辑甚至无法产生一个可执行的生产计划。由于ERP的BOM在方法及功能上的不足，企业必须用人工方式或者其他工具才能决定生产数量及时间，或者由ERP系统中的其他部分来进行生产计划，ERP再依据此制定相应的物料需求计划。因此，MRPⅡ-BOM算法得出的物料需求计划无法对生产计划进行细化、补充，而且BOM算法的目标只是生成物料需求计划，而不是生产
作业计划。

    1.3 生产计划与控制相分离

    MRPⅡ制定计划时不考虑控制，而通过事后反馈进行生产控制，这相对于生产实际来说存在着无法避免的滞后。生产计划与控制的分离，使得生产订单的生产计划信息不能及时反馈到工作中心负荷能力上来。另外，MRPⅡ为每道工序都编排计划，每道工序都严格按照既定的计划进行生产，而工序间又无协调机制，无法动态保证每道工序间的关联，造成工序间产量的不平衡、制品库存增加以及需求与生产不一致等问题。由于ERP生产管理系统中，生产决策层与车间执行层、计划层、生产计划层与控制层是独立分开的，车间生产信息反馈周期长，实际的加工结果大多要等待人机交互录入后才能进入计算机以及数据库管理系统，往往是因为计划管理层系统不能够从生产层及时地获取充足的第一手现场数据，使生产和管理无法紧密结合，产生断层，无法对企业生产过程的主体——生产现场进行有效管理，缺乏必要的现场信息，不能及时根据实际生产情况的变化(如：机床出现故障、订单变化等)，进行重新制定生产计划或修订生产计划，从而导致管理信息系统的应用效果不够理想，甚至失败。实际生产进度滞后于计划进度时也不能及时发现问题并加以解决，有可能导致交货期被迫延误。由于ERP本身的限制、工厂层的动态变化性及生产过程的大量不确定性使得生产计划常常和工厂层的实际情况相脱节，使整个企业的信息不能得到很好的集成。

    1.4 缺失企业用户最需要的决策支持数据

    我国现行的ERP系统的决策支持能力匮乏，令很多高层不满，虽然对这些缺陷也在进行不断改进。虽然ERP系统在做生产计划时，对能力资源进行了约束，但仍旧是一种罗列的校验处理，始终没有实质性改变。很多情况下，企业希望软件能够给出建议，也就是能够提供决策支持功能。如：一个企业管理者应掌握当前的库存；何时完成且是否满足客户的交期和产量及负荷情况；需要的原材料；何车间完成；需要的人员和设备；利润等等，类似的问题都有一个共同点，就是企业还没有决定要干什么，只是企业主管需要了解“如果这样将会如何?”有了这个了解以后才能做出合理决策，所以这个功能主要就是给决策提供依据。企业为此设了专职人员用手工方法计算上述数据，但是问题很多，第一是没有理论依据，要不断根据不同情况和工艺流程随机应变；第二是没有考虑全部约束条件，只是凭经验选取关键设备进行估算；第三是计算过程不严格，计算结果只能是一个估计值，不是严密的结论，企业要承担决策风险。这样的不足必然在实际工作中造成很多问题。

    而大多数企业一直使用的ERP软件只能用BOM方法制定物料需求计划，没有完善地决策支持功能，无法满足用户的要求。

    1.5 缺乏供应链生产计划的协调

    ERP生产计划模块是适合于中长期的MPS，对于产销协调、产能规划很有优越性，但也存在诸多局限。在细化管理和沟通的环节，如：设备能力差异、原材料辅料供给、临时变化等，计划人员的作用不可替代。ERP生产计划模块只注重企业内部资源的优化，却忽视了整个供应链的生产计划和控制，没能给企业提供周密的供应链计划，难以为供应链管理(Supply Chain Management，SCM)系统的运作提供支持，因而缺乏供应链生产计划的协调。如何实现供应链的集成？如何更有效地协调和控制企业间的价值流、物流、信息流、资金流和作业流？这就需要在供应链上的企业之间进行有效地协调，然而ERP主要是面向企业内部事务协调处理的系统集成软件，无论在计划调度技术或功能方面都不具备协调多个企业资源的能力，其自身的不足严重限制了企业制订准确而又切合实际的生产计划，也是很多ERP系统实施失败的重要原因。

2 优化ERP生产计划模块的对策

    上述的生产计划与控制都只是为运行层内物料的流动做出计划，即使在规划时，期望系统能运行在最优(或次优)状态，但实际系统运行中总会出现各种随机的扰动，从而使系统的实际状态与目标状态之间产生偏差。所以，生产活动控制的目标就是应用反馈控制原理校正这种系统的偏差，使物料流动和系统资源利用等，尽可能与生产计划和调度计划所期望状况吻合。作业计划必须满足生产工艺，不能有半点差错。首先，工序之间必须满足特定的逻辑关系，以及要求某些工序必须连续或者间隔进行等，这是对作业计划最基本的要求；其次，作业计划必须满足资源能力限制，一个资源在一个时间内只干一件事情，生产作业计划中不能有资源冲突；最后，作业计划必须满足物料供应的限制，没有原材料不能开始生产。而高级计划与调度(Advanced Planning and Scheduling，APS)技术和制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)的出现为企业生产计划与控制带来了新契机，它实现了生产计划与作业生产计划的融合，解决了ERP的计划缺乏柔性的问题。

    2.1 引入APS

    计划就是排序，就是先做什么，后做什么的问题。可以想象，上百台各种设备、数千人同时要完成各种任务，如何才能在各种约束(设备能力、人员、时间、场地、物料等)条件下以及随时可能发生变化(动态)的，实现多个目标最优化的选择(交货期、设备有效使用率、最低成本等)。APS被誉为供应链优化引擎。其对所有资源具有同步的、实时的、具有约束能力的模拟能力，对物料、机器设备、人员、供应、客户需求和运输等影响计划因素，还是长期的或短期的计划都具有可优化、可对比和可执行性。当每一次改变出现时，APS就会同时检查能力约束、原料约束、需求约束、运输约束和资金约束等，这就保证了供应链计划在任何时候都有效。APS是一种基于SCM和约束理论的先进计划与调度系统，包含大量数学模型、优化及模拟技术。对制造业而言，APS能及时响应客户要求，快速同步计划，提供较精确的交货日期，减少在制品与成品库存，并自发考虑供应链的所有约束，自动识别潜在瓶颈，提高资源利用率，从而改善企业的管理水平。

    美国AMR研究中心经调查认为，那些已经采用APS模式的企业产生的投资收益率约为300％，并称APS是日益复杂的商务环境下具有革命性进步的企业计划工具。APS在决策过程中考虑到包括客户以及供应商在内的整个供应链，其计划范围扩展到了单个企业之外，并且APS系统采用智能优化算法等决策技术，帮助企业对整个供应链的约束进行模拟分析，并找出最佳计划或解决方案。因而，APS成为支持企业协同计划最主要的手段。ERP与APS的结合是ERP未来发展的必然方向，与当前BOM-MRPⅡ的简单运算和进销存财务功能相比，APS占据了ERP的核心功能，APS系统处于整个企业信息系统架构的核心地位，起到一个决策支持的作用，同时也是整个系统业务数据流必经的核心部分，整合所有模块的功能。有极深的技术含量，更是SCM集成系统的基础功能。这个核心部分的存在，直接影响了所有模块的工作流程，改变了一些部门的业务驱动方法。

    2.2 实施ERP与MES系统集成

    MES是根据APS的排序计划去执行并实时反馈，其对每个人员、每台设备、每件物料的生产资源的工作计划。MES系统集成实现生产任务监控、限额发料和生产过程执行的信息流在双方系统之间的传递。MES对生产过程进行实时监视、诊断和控制，完成生产单元整合和系统优化，在生产过程层中进行物料平衡、制订生产计划、实时排产和优化生产计划，进而对生产过程物料、能源、质量、设备、资金，甚至人力资源统一进行监测、分析、控制和优化，实现了从订单下达到产品交付整个生产过程的优化管理。当工厂里面有实时事件发生时，MES能及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使得MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力、提高物料的流通性，又能提高生产回报率，使整个企业有了一个自上而下无缝连接的信息平台，自动执行计划层制定的生产计划，从收集的实时数据中提取ERP系统所需的正确信息，使企业中需要相互联系的各信息系统和以产品生产为纽带的各部门紧密联系、协作，使企业获得最大的效益，从而解决了生产与计划之间的“断层”问题。ERP与MES系统的集成解决了生产计划的适应性，增加了底层生产过程的信息流动，并提高了生产管理的实时性和灵活性，从而使企业内部的信息传递顺畅，能够对瞬息万变的市场变化做出快速响应随。

    MES与过程控制系统(Process Control System，PCS)之间通过实时有效的信息交互来保证产销之间信息的沟通与衔接，而由ERP的计划系统和MES的作业调度模块共同构成的产销一体化计划系统可保证ERP与MES之间计划的衔接与协调。因此，ERP与MES的集成首先是信息的集成，其次才是功能的集成。MES还向底层控制系统发布生产指令控制及有关的生产线运行的各种参数等，即MES与PCS集成之后，MES即时在线监控车间各设备的运作情况。生产工艺管理也可以通过MES的产品产出和质量数据进行优化。

    2.3 ERP、APS、MES、PCS的一体化集成模式

    ERP、APS、MES、PCS(见图3)的集成模式，并给企业带来经济效益。使企业认识到只有将数据信息从产品级(基础自动化级)取出，穿过操作控制级，送达管理级，通过连续信息流实现了企业信息全集成，才能提高企业整体效益。

图3 基于ERP、APS、MES、PCS系统集成的生产计划控制一体化

    (1)更适应精益生产的需求。APS、MES能提供全面计划资源约束及生产能力限制，并可根据需要及时调整约束条件，产生动态的目标计划。APS的生产计划技术以能力约束为计算依据，不再以大规模生产模式下的无限能力模型作为计算依据，更能够适应精益生产模式的需要。通过各种规则及需求约束自动产生现在与将来的、可视的详细计划。APS的生产计划能对延迟订单进行控制及行动，管理控制能力及各种约束，其约束包括资源工时、物料、加工顺序及自定义约束条件。

    (2)能够实现灵活改变生产工序前提下的计划编排。APS的生产计划技术可以实时、动态的进行再调度。实现计划的反复运算或对可选方案进行评估，直至得到可行的或基本上可获利的计划或进度表。由于这些系统通常不存在数据库查询和存取的问题，APS的反复运算可以很快完成。相对于传统ERP系统的BOM模式下重新修改MPS、重新产生优先级计划与能力计划再进行调整的方法，在灵活性和时间性上具有很大的优势。

    (3)能够实现对中间品的细致管理。正因为ERP、APS、MES技术可以为企业建立一种动态的生产工艺流程模型，这个模型把工序与资源与物料紧密连接在一起，中间产品能够找到自己的位置，因此用户可以对中间产品进行有效管理。

    (4)能够提高管理者最需要的决策支持数据。正因为APS生产计划调度基于企业实际的能力约束，以及调度方法的动态性和及时性，因此APS技术可以快速、准确地回答诸如：已经下达的生产计划如果发生某种变化，会造成什么结果？一个计划如果取消，另外一个计划能不能提前完成，能提前多长时间？从什么地方入手，增加哪些资源，可以提高企业的生产能力？某个用户发过来的紧急订单是否有可能插入现有的生产计划？最早什么时候能完成？这样的问题，能够为用户提供最需要的决策支持数据。

    (5)具有计划优化能力。APS、MES的生产计划技术通过优化算法，自动给出最优生产计划，然后产生对应的物料需求计划，不需要像传统的MRPⅡ-BOM模式在优先级计划与能力计划之间做手工调整，然后人工选出相对较优的计划。降低了计划对于人工确认、调整的依赖程度，降低了计划员的能力对于计划质量的影响程度。它可以通过生产的工艺路径、订单和能力等复杂情况自动生成一个优化的、符合实际的详细生产计划。而且能自主评估计划的优劣程度。

    (6)能够满足企业管控需求。ERP、MES、APS、PCS系统之间数据即时交互，使得管理和控制人员能够即时准确地发现采购、销售、生产过程中的成本异常问题，能够有效地给予指导和管控。

3 结论

    利用APS和MES等先进的企业生产计划管理模式和信息管理系统，充分利用企业的制造资源，优化企业车间生产计划和调度算法。通过改变企业传统的生产计划模式来提高生产效率、降低库存、提高交货速度，进而快速响应市场需求，是提高企业竞争力的理想方法。在按订单生产(Make To Order，MTO)制造企业内，车间订单的计划与执行情况决定了生产物流的速度和效率，从而影响到整个供应链运行的速度和质量。生产计划和集成系统架构，可以在业务优化流程基础上，通过ERP、APS、MES、PCS四者的集成，实现对生产计划的同步化和执行管理的优化，最终提高供应链的敏捷性。

    在当今客户驱动的环境下，制造商必须具有在面对不确定性的事件中不断修改计划的能力，要做到这一点，企业的制造加工过程、数据模型、信息系统和通信基础设施必须无缝地连接且实时运作，因而供应链同步化是企业最终实现敏捷SCM的必然选择。智能、协同、全局和集成四方面必然是先进生产计划所应具备的特点。现代制造企业中，ERP已经成为必备的业务和数据平台，无论是APS，还是MES，都需要与ERP系统进行数据交互和信息共享，获得系统自身运行必需的相关数据。鉴于ERP、APS、MES、PCS集成的时候必须的数据交换，所以在企业IT整体规划的时候必须全面考虑，因为不是所有的ERP都可以和APS与MES等系统无缝集成，企业必须前期调研各个品牌的ERP产品的特性、APS与MES系统的特性，然后结合自身的行业特性及企业管理目标做出合理选择。

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