导语：通过充分利用和结合APS系统架构的固有基础版块进一步挖掘 APS系统的扩展功能
APS 系统在当前“中国制造 2025”战略规划中，已呈现为推进和落实我国制造业企业转型升级的主要信息化手段之一。锻件产品工艺路线作为一个集成了温度、时间、空间和资源限制的复杂生产过程，其生产车间具有多材料、多工序、多设备、小批量的特点，传统的锻造企业依旧依靠手工排程生产任务计划，并通过上线使用的 ERP 和 MES进行辅助确认，导致了工作量巨大且复杂，生产计划的可执行与准确性具有很大争议。
所以基于当前锻造企业所存在的难点，专属化和个性化地依据生产工艺流程和行业属性特点搭建的APS 排程优化架构，并实现与 ERP 和 MES 的集成联动，形成一体化业务流程，可解决 ERP 和 MES 在计划层面对于资源限制和资源有效调度的难点，以及对锻件产品生产工艺流程的优化和生产效率的提升，这在锻造企业智能制造工厂建设中起到了承前启后的重要作用，是锻造企业智能制造工厂建设必不可少的一个环节。
ERP 和 MES 的组合为一种集成了诸多功能模块的信息系统，作为锻造企业智能制造工厂建设的前提和基础，重点关注了内部资源的整合与协调，其主要功能模块包含了生产计划与调度、成本和资产管理、财务管理、供应链管理、质量管理等。但对于当前生产任务计划编制和排程功能较为单一，仍旧以人工手动操作 ERP 和 MES，再通过 MRP(Material Requirement Planning，物料需求计划 ) 和 MPS(Master Production Scheduling，主生产计划 ) 进行物料计算、发布和补充，依据工艺流程和 BOM(Bill of Materials，物料清单 ) 需求进行逐级计算。一方面由于未实现原材料备料的联动，另一方面客户销售订单录入系统时不可以冲销 BOM 预测，导致极易出现重复生产及备料现象，所以在此基础得到的生产任务计划是一个在“理想化”状态下生成的“理想化”的生产任务计划。故现阶段锻造企业上线使用的 ERP 和 MES 存在如下问题难点：
⑴评料时效性。分析评料限制因素时，需要在不同的 EXCEL 中的不同 SHEET 进行手动的强关联，信息查询量大，在评料开始到结束时的查询时间占比较大，查询时效很难得到有效保证。
⑵评料准确性。对评料是否合理过于依赖评料人员的工作经验，难以实现产品级预测带动原材料的预测以保证信息对称，无法对评料的合理性作出判断。
⑶计划准确性。制定的月度生产任务计划仅能排程到大的工段级且极大依赖于人工排程，无法同车间执行的日计划进行紧密关联，且月度产值信息估算值无法起到调整月度计划的作用，导致计划无法真正做到指导生产。
⑷计划变更及时性。生产任务计划无法随着销售订单的变更而进行及时更新调整，同时计划信息里体现的计划量与预计完成时间未结合实际产能的信息制定而造成信息孤岛。
⑸锻压车间计划与月度生产计划执行偏差。由于基于 ERP 和 MES 系统制定的生产任务计划无法真正指导前道工序的下料，信息变更难度大，无法体现各工序的衔接、计划进展状态及资源负荷状况。
⑹机加车间计划与月度生产计划无法实现协同。由于机加车间受前段工序的影响较大，对产品到达时间、到达量、理化检测周期等信息比较难掌握，导致机加工车间月度计划的均衡及资源负荷状况很难判断和协调。
基于上述问题难点，传统的 ERP 和 MES 已不能满足锻造企业转型升级或智能制造建设的需求，因此对于 ERP 和 MES 的开发扩展或代替已变得极其重要且必须。
锻件产品工艺过程及特点
锻件产品生产流程主要包括下料、锻造、热处理、机械加工、理化检测、无损检测等多个生产阶段，而其中典型的锻造阶段又包含了加热、镦粗、冲孔、轧环、胀形等多道工序，所以各环节、各工序间所选用的设备类型、工艺约束等均不相同，因此锻件产品生产流程作为一个连续且复杂的过程，具备了连续且离散性质的多阶段混合的生产模式特点，其主要的生产工艺流程如图 1 所示。
图 1 锻件产品主要生产工艺流程图
由前文所述可知，ERP 和 MES 对于当前锻件产品生产任务计划的编制与排程存在诸多限制因素，但在锻件产品生产任务计划的一体化业务管理流程搭建和引入 APS 系统后，ERP 和 MES 也因其在企业整体效益、车间级生产调度等方面具备了 APS 系统暂时无法代替的优势，成为了现阶段实现锻造企业智能制造工厂建设不可或缺的一部分，因此只有充分利用各系统的功能优势，对 ERP、MES 和 APS 系统三者之间进行整合集成及优化，最终实现 A ＋ B ＋ C ＞ D 的协同优势。
APS 系统介绍与限制分析
APS 系统介绍
APS 系统作为弥补 ERP 和 MES 系统在计划排程和调度方面缺陷应运而生的补充，是一种融合了现代新技术与先进的管理思想，基于供应链管理和约束理论且包含了大量数学模型、智能优化和模拟技术等的先进计划排程系统。其接收上游 ERP 系统的生产订单，以及 MES 系统的生产进度和生产状态信息，再基于既定的排程架构对生产订单进行工序级排程和优化，实现在满足生产工艺和资源限制前提下对所有的资源进行同步以及实时监控，不论是在物料方面，还是在机器设备、需求供应等方面，最终得到一个有效精准、可执行性强的生产计划，是智能制造建设的核心系统。
因篇幅限制及现有大量公开资料可查询 APS 系统的发展历程，故笔者对此不进行过多赘述。
APS 系统功能模块需求
图 2 锻造企业 APS 功能模块图
图 2 为锻造企业 APS 功能模块图，具体应用到锻造企业在基于订单生产的生产任务计划排程过程中，APS 系统将生产排程具体细化为以下 8 个模块：
⑴模拟接单：主要功能为基于报价工艺，依据公司当前战略规划、订单需求和 BOM 等确定的指标或计划，对各车间产能进行前期预测与规划，输出“产品预计完成时间”，即产品交期。
⑵需求管理：该功能作为APS系统需求输入功能，其作用是同步 ERP 系统中的销售订单、预测单，是对订单需求预测的编制与管理。
⑶评料平台：该功能为评料计划员进行评料开卡的平台工具，即考虑如何将接收的客户订单同现有资源进行整合及合理匹配，此功能为计划排产源头。
⑷计划订单：该功能是评料开卡后的生产流程记录卡承载，在满足工艺的要求下，将工艺规定的下料、加热、锻压、热处理和机加工等生产工序同生产设备产能约束进行整合。
⑸计划工作平台：该模块作用为生产计划预排，通过预排装炉计划实现正排锻压计划，其关键点为锻压车间的第一火次的计划开始时间 ( 以计划开始时间反推下料时间及顺序 ) 和结束时间 ( 以计划结束时间正排后续的生产计划 )。
⑹锻压车间日计划工作平台：该功能解决了产品在锻压车间中的生产时间和生产顺序问题，同时考虑生产工序之间的衔接问题，并进行动态调度，以确保生产计划的完成。
⑺热处理车间日计划工作平台：该功能解决了产品在热处理车间中的生产时间和生产顺序问题，同时考虑与后续理化检测、机加工等工序的衔接问题，并进行动态调度，以确保生产计划的完成。
⑻装炉日计划工作平台：该模块通过规定锻压车间和热处理车间的产品装炉时间和装炉次序，令其作为整个生产计划的核心链接点，以装炉开始或结束时间反推和正排各工序的生产计划。
其中，加热炉作为锻件产品生产资源约束的最大因素之一，在考量系统需求设计时需将加热炉单独进行约束功能分析。从而实现和得到一个逐步精准细化、上层级有效指导下层级的生产任务计划，其中加热炉作为锻件产品生产资源约束的最大因素，满足锻造企业对于锻件产品生产各方面资源约束的统筹协调需求。
APS 系统限制分析
由前文所述，对于锻造企业而言，因其生产计划排程的复杂性和多样性，非传统机械加工类制造业可比，APS 系统排程也存在一定的限制因素，如图 3 所示。所以如需上线使用 APS 系统，锻造企业应考虑或满足以下限制条件：
图 3 APS 系统排程限制因素
⑴所属企业应充分考虑和继承现有的管理分工方式；
⑵应在此之前上线使用了 ERP 与 MES，且具备丰富的 ERP 与 MES 管理和使用经验；
⑶应考量 APS 系统管理和使用人员自身素质及能力要求，人员应具备一定的计算机和 ERP 系统逻辑基础；
⑷所属企业的基础数据务必完善，如 BOM 结构、产品工艺路线、设备资源、客户优先等级和生产周期等；
⑸企业达成对账的准确性与时效性。
本文将 APS 系统作为弥补 ERP 和 MES 在计划排程和调度方面缺陷的补充。但现阶段公开资料显示，对于 APS、ERP 和 MES 系统的集成研究，当前仍处于APS 系统和 ERP，APS 系统和 MES 两两结合的集成，对于三者进行集成统一整合的研究，尤其是对于锻造企业生产过程的 APS、ERP 和 MES 系统集成研究仍为空白。
出于对企业运营成本及管理成本的考量，现阶段依据企业已上线的系统，引入一个新系统或扩展已有系统的功能模块，并进行系统间的集成应用或适当组合是当前企业信息化建设和智能制造工厂建设的最佳选择。但对于锻造企业来说，由于锻件产品类型多样性和生产方式具有连续且离散性质的多阶段混合的生产特点，导致锻造企业的系统集成和功能整合与其他行业相比有很大差异，更不必谈依据技术特性量身定制的生产工艺路线的开发在各相应行业中独特的生产。
因此，基于锻件产品生产工艺流程和行业属性特点，设计一种锻造企业高度专属化和个性化的的 APS排程优化架构是十分必要的，具体集成架构如图 4 所示。当架构确定后，APS、ERP 和 MES 系统集成的总体功能流程 ( 图 5) 如下：
图 5 锻造企业 APS、ERP 和 MES 系统集成总体功能流程
⑴ ERP 系统中输入的相关客户下达的销售订单；
⑵ APS 系统自动抓取该销售订单并转化为需求订单，包括确定工艺路线、原材料采购计划，并依据主工艺运算给出可参考的月度或季度交付计划时间；
⑶ APS 系统判定是否满足交期，并在评料平台基于订单需求进行评料运算和生成产品流程记录卡；
⑷ APS 系统依据预排装炉计划反拉下料计划，正排锻压、热处理和机加计划等。最终形成生产周计划、日计划，并通过接口发送至 MES 系统端；
⑸ MES 在接收 APS 发送的数据后，则依据既定的算法指令推动生产订单的执行，并对车间生产执行情况进行实时数据采集和调整。
结束语
本文以锻造企业的生产排程解决方案为背景，在制造企业转型升级和锻造行业智能制造工厂建设的战略指引下，探讨了锻造企业实施的 APS、ERP 和MES 系统的集成架构应用。虽然 ERP、APS 和 MES 系统三者各有侧重，但其相互补充，整合集成后为企业生产运营管理和经营决策提供了极大助力。自 APS、ERP 和 MES 系统集成使用后，因为系统给出的是在不同生产瓶颈阶段的最优化生产排程计划，下料、锻压、热处理和机加工等工序间的排程协同合理，已显著提高了整个计划排程工作的效率，生产运营成本显著降低。
在加速达成制造企业转型升级和锻造行业智能制造工厂建设的战略目标的过程中，通过信息化手段助推智能化的达成，形成一条信息化 - 自动化 - 数字化 - 智能化的稳步推进战略目标达成的主线，希望本文提出的 APS、ERP 和 MES 系统集成方案能为制造业转型升级和锻造行业智能制造工厂建设提供一些借鉴和参考。
作者：贵州航宇科技发展股份有限公司 陈昱耀 赵佩轩 张晓秾 龚忠凤
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