钢铁企业无缝钢管生产中ERP和APS整合系统设计研究

王 雷，李铁克

(1.北京科技大学 东凌经济管理学院，北京 100083；2.钢铁生产制造执行系统技术教育部 工程研究中心，北京 100083)

0 引言

钢铁企业生产是离散与连续同时存在的多阶段混合式生产方式，在生产中既要考虑工序和资源材料方面的限制，同时也要考虑钢铁生产中高温、高压和特殊因素[1]。在如此动态复杂的生产工艺下，ERP系统无法对复杂的生产过程实现细致、准确的管理。由于ERP系统无法实时获取生产现场的数据，也不能进行实时的生产调度，所以管理人员只能根据粗略产能计划安排生产，无法执行生产计划。生产计划得不到准确的安排和执行，导致现有资源得不到充分利用、造成过多库存量、客户交货期发生延迟[2]。因此，在钢铁企业ERP系统中融合高级计划与排程（APS）系统的功能能够在一定程度上解决上述问题。

1 无缝钢管生产流程及其生产中ERP的限制

1.1 无缝钢管生产工艺流程介绍

钢管有多种分类方法，从加工制造的角度可分为焊接钢管和无缝钢管。本文以无缝钢管生产中的计划与调度问题作为研究对象。由于无缝钢管的生产计划与调度与其生产工艺紧密相关，因此，熟悉其生产工艺流程能够便于准确实施生产计划与调度。

无缝钢管生产工艺通常由热变形处理和冷处理构成。热变形处理是钢坯在高温条件下持续进行加工形成毛管，用到的设备包括穿孔机、连铸机和张力减径机。冷处理过程也称为精整过程，是指在正常条件下毛管加工为成品钢管的过程，工艺过程包括冷却、矫直、切割、探伤等。无缝钢管的加工方法有很多种，分为热轧、冷轧、冷拔，但多数客户订单要求热轧工艺。无缝钢管的热轧工艺流程如图1所示，依次经过管坯切割（折料）、加热炉加热、实心管坯穿孔、延伸机轧薄管壁、热轧工序、加热炉再次加热、精轧环节，最后加工为成品无缝钢管[3]。

图1 无缝钢管生产工艺流程图

上述无缝钢管热轧工艺流程的管理与控制在现实中都是通过信息系统来实现。钢铁企业的信息系统主要包括公司级系统（ERP）、车间级系统（MES）和生产线控制系统(PCS)。而钢铁企业的各级生产系统并不是孤立存在的，系统之间要完成信息的交互。因此，有必要把各系统作为一个集成系统看待，而集成系统的表现形式为系统间功能的分担和数据信息交互。

1.2 无缝钢管生产过程中ERP系统的限制

钢铁企业的无缝钢管生产是面向订单的生产方式，这种生产方式要求企业能够实现最少库存量和履行客户交货期。为了完成库存和交货期的要求，需要详细的生产计划与调度方案。但钢铁企业的ERP系统主要包括订单管理、销售和运作计划、主生产计划、产品管理等模块，对于详细的生产计划与调度方案不能提供很好的支持。

钢铁企业ERP系统中主生产计划模块只能完成粗略产能计划，粗略产能计划只能了解关键资源的能力需求，比较关键资源的可用性，总体掌握关键资源的情况，并没有细分出关键资源如何利用。除了粗略产能计划ERP系统中还有其他能力计划工具，如能力需求计划和物料需求计划。能力需求计划可以确定更详细的劳力和机器数量来满足主生产计划的要求，但是如何完成主生产计划的坯料设计、生产组批、作业调度等功能，却不能给出详细的描述[4]。钢铁企业ERP系统中计划工具的使用依赖于资源无限能力假设，如果某一资源被负荷使用，那么原计划将无法合理执行。

以上所述的详细生产计划和调度能够通过高级计划与调度系统(APS)实现，因此，有必要将APS系统引入钢铁企业。但是现有ERP系统功能与APS系统的部分功能有重合之处， 如何使ERP系统和APS系统进行融合，形成一个整合系统，是无缝钢管生产计划与调度得以精确实施的关键。

2 APS系统介绍及其与ERP系统的关系

APS即高级计划与调度系统，美国运营管理协会 (APICS)对APS的定义是：任何能够利用高级算法完成有限能力调度、资源计划、预测、需求管理的优化和仿真的计算机程序。这些技术在一系列约束和业务规则要求下，提供实时计划与调度、决策支持、可承诺交货量和可承诺交货能力[4]。APS系统是一套面向企业的具有高级计划与优化调度功能的软件解决方案，重点解决企业生产管理中的生产计划与调度问题。

APS系统与ERP系统在功能上有根本差别：APS系统根据现有实际资源和生产能力，安排与协调顾客要求的各项活动，形成符合实际情况的计划时间表。APS系统基于优化算法和规划算法在短时间内计算物料需求情况，随时答复客户询问的“可否生产”或“多久生产”等问题。而ERP系统是根据假设的无限资源能力来安排生产计划，当生产计划在执行过程中产生问题时，再通过有限资源能力作适当调整，这样无法保证初始生产计划的准确性。可见，APS系统和ERP系统具有不同的计划方式，而无缝钢管生产模式是根据订单进行排产，在复杂约束条件下达到最小库存和交货期履行，因而，APS系统能够完成无缝钢管生产 “客户需求与企业运作同步”的要求。

APS系统应用到无缝钢管生产中并不是要取代ERP系统的功能。APS系统是在ERP系统基础上，通过ERP系统存储的基础数据完善需求、供给及产能规划，进一步强化ERP系统中以传统MRP规划逻辑为主的生产计划与调度功能，协助计划人员做出同步的、最有效益的生产计划，进而作为接收订单的依据。

APS系统考虑潜在瓶颈资源试图找到可行的近似最优解，但是最终决策是靠有经验的计划人员做出。APS系统的目的是为复杂生产过程和实时生产决策搭建一座桥梁，APS系统的目标是通过仿真和优化自动计算出可行解。可见，APS系统在实施过程中需要与企业内部供应链的各环节发生信息传递和交互，所以，APS系统与ERP系统之间的衔接与融合至关重要。APS系统与钢铁企业现有的ERP、MES、PCS等系统实现集成，连接管理层、计划层和执行层，共同构成钢铁企业信息化管理体系，实现钢铁企业生产过程的总体控制。信息化管理体系如图2所示。

图2 ERP、APS与MESPCS的信息关系图

3 无缝钢管生产计划与控制功能模块介绍及APS系统和ERP系统整合

3.1 无缝钢管生产计划与控制功能模块介绍

钢铁企业无缝钢管生产计划与控制是按层次进行的，最高层次计划即公司级计划，通过长期计划、总体计划进行描述，低层次计划即车间、生产线级计划，用短期计划、详细计划描述。各个层次的要求都对应于企业系统的模块，无缝钢管生产计划和控制是通过系统模块的功能实现的，因此，描述出无缝钢管生产计划与控制模块关系图有助于理解APS系统和ERP系统的整合过程。

图3 钢管生产计划与控制功能模块关系图

图3所示的关系图是依据国内某大型钢铁企业无缝钢管厂的实际生产过程构建而成，该图中主要描述了五个模块，分别是销售与运作计划、订单管理、需求管理、主生产计划和作业调度。销售与运作计划模块和订单管理模块的信息主要在ERP系统中存储和进行运算，而其他三个模块的信息都在APS系统中处理。下面详细介绍五个模块的主要功能。

1）销售与运作计划模块

销售与运作计划模块（Sales and operations planning）基于策略计划平衡客户需求与可供应能力，主要包括5个活动：（1）销售部根据计划周期产生预测的期望需求；（2）销售部制定初步需求计划；（3）根据需求计划，生产部制定生产计划，同时要求采购部采购生产材料；（4）市场部、生产部、采购部、财务部和物流部召开生产协调会，制定计划期内的生产计划和交货计划；（5）将协调会没有解决的问题交到上层进行决策，确定初步的生产计划和交货计划[5]。

活动（1）和活动（2）可以利用APS系统中的统计预测方法和需求计划工具，创建可预测的初步交货计划，大大提高了决策准确性。活动（3）的目的是创建初步生产计划，APS系统能够提供找到可行解的优化模型，得到实时和精确的信息。活动（4）是调整交货计划和生产计划，活动（5）是确定交货计划和生产计划，APS系统能够确保信息可用性和情景分析，提高计划的可信度。

2）订单管理模块

订单管理模块主要包括依据产品规范的质量设计和订单评审。订单管理模块的功能主要是协调客户多种规格、多种样式的产品要求，分析出每个订单的制造路径和能力匹配，按照规则筛选出可行的销售订单。

3）需求管理模块

需求管理模块中的工单设计是根据工艺规范，把订单管理模块中的销售订单和S&OP模块中的预测、预订订单分解成能够被加工车间识别的订单。订单排程是在订单分解后，根据现实中的能力计划需求，把订单安排到生产工艺上，形成正式的生产订单，生产订单的交货期数据被保存到数据库中，同时把交货期的准确时间安排反馈到上层系统。

4）主生产计划模块

坯料设计是根据生产订单的成品规格和用户要求，选择钢管的轧制方式，满足钢管的尺寸、长度、壁厚、钢种、交货期等要求，在达到现场工艺、设备安全要求的基础上，确定坯料的长度、重量等参数[6]。坯料设计完成后，根据钢管主要参数（品种、钢种、外径、壁厚等）和用户时间要求，把几个参数相同或相近的生产订单组合到一起生产，这个过程叫做生产组批。最后，根据订单之间的参数关系和交货期的时间，把生产组批后的订单进行排程。

5）作业调度模块

作业调度是根据主生产计划模块产生的生产计划，合理安排物料和热工具，保证生产计划按时进行。钢管的作业调度问题实际就是更新生产计划中的轧制批次的组合和排序。由于生产现场有很多指导规则，这就需要系统和调度人员对计划期的生产订单进行排序。

3.2 无缝钢管生产中APS系统与ERP系统整合

ERP系统在无缝钢管的生产过程中主要支持销售与运作计划和订单管理，其他模块的功能主要由APS系统提供，这样APS系统功能就弥补了ERP系统功能上的不足。虽然有些企业已经研究ERP系统和APS系统某些功能上进行整合，但是还很少有针对无缝钢管生产过程进行整合研究。

图4 ERP和APS整合后的系统及其之间的接口图（IDB代表ERP、APS一体化数据库）

由钢管生产流程的计划与调度功能模块关系图可知，图4是ERP系统和APS系统整合后的系统设计图，图中的各个接口分别连接着ERP系统，这样的系统设计就把无缝钢管生产计划与控制流程与APS系统、IDB系统有机的整合到一起，使ERP系统原来不能实现的功能转移到APS系统上，同时在ERP系统中保留一个副本。表1是图4接口传递信息的详细说明。

表1 ERP和APS之间的接口描述

4 结论

本文以热轧无缝钢管的生产计划与控制为背景，设计出生产计划与控制功能的ERP系统和APS系统的整合系统，通过整合系统把原有两个系统涉及的相关问题进行分析整合。虽然这种特殊生产流程的系统设计不能完全复制到其他行业，但是对ERP系统和APS系统在现实中的整合问题提供了解决方法。

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