© Strojni{ki vestnik 50(2004)5,291-297 © Journal of Mechanical Engineering 50(2004)5,291-297 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 681.621:681.892 UDC 681.621:681.892 Strokovni ~lanek (1.04) Speciality paper (1.04) Sistem za razporejanje in zmanj{evanje stro{kov proizvodnje A Scheduling System for Minimizing the Costs of Production Peter Bubeník Prispevek opisuje uporabo tehnike za razporejanje proizvodnih naročil na ravni delavniske proizvodnje. Možnost dejanskega uvajanja za razporejanje naročil v podjetju je odvisno od posodabljanja plana proizvodnje in podatkov v proizvodni delavnici. © 2004 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: razporejanje, načrtovanje proizvodnje, razporejanje delavniško, simuliranje) This paper discusses the use of simulation techniques for work-order scheduling at the factory-floor level of production. The ability to implement a simulation effectively for factory scheduling is dependent upon the availability of shop-floor data and the response time for the evaluation process. © 2004 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: scheduling, production planning, shop floor scheduling, simulations) 0 UVOD Delavniški razpored ima pomembno vlogo pri upravljanju proizvodnega sistema. Odločati se je treba, ob upoštevanju celotnih ciljev, o rokih dobave, zmanjševanju stroškov, povezanih z zalogami blaga. Upoštevanje vseh spremenljivk, ki vplivajo na zmožnost določenega razporeda, je zelo zahtevno in je praktično nemogoče pri večini proizvodnih opravil. Če se stroški proizvodnje zvečujejo, obstaja možnost za izrazite spremembe, predvsem s sestavljanjem proizvodnih razporedov za učinkovitejše postopke. Kakovostni proizvodni razpored včasih vsebuje veliko spornih ciljev. Če se zmanjša prepustnost proizvodnje, bo idealni razpored imel naslednje lastnosti: - križajo se dobavni roki; - stroški zalog so na sprejemljivi ravni; - naprave, kader in drugi omejeni viri so dobro izkoriščeni in uravnotežijo potek proizvodnje; - prilagajanje je lahko hitro tudi ob nagli spremembi (napake na napravah premalo vstopnega materiala itn. ). Načrtna proizvodnja in razpored imata pomembno vlogo pri doseganju ciljev v današnjem, pogosto se spreminjajočem konkurenčnem okolju. Primarni cilji načrtovanja in razporejanja v modernem proizvodnem okolju so naslednji: 0 INTRODUCTION Shop-floor scheduling is an important task in man-aging a production system. A complex decision must be made, which impacts on global objectives such as meeting delivery due dates and minimizing the inventory of cost. Attempting to consider all of the variables that which determine the effectiveness of a particular schedule is highly interrelated and has not been pos-sible in most manufacturing operations. In the case of manufacturing-cost increases there are major produc-tivity improvements to be realized by making the pro-duction scheduling for the process more effective. The quality of a production schedule involves many – sometimes conflicting – objectives. While maximiz-ing throughput is certainly an important consideration, an ideal schedule will also have the following characteristics: - Delivery due dates are met. - Inventory costs are maintained at acceptable levels. - Equipment, personnel and other limited resources are well utilized and have balanced workloads. - Adaptations can be made quickly in the event of an unexpected change (equipment failure, raw-ma-terial shortage, etc.). Production planning and scheduling play a key role in helping management achieve its goals in this ever-changing and competitive environment. The primary objectives of production planning and scheduling in the modern manufacturing environment are as follows: Bubeník P.: Sistem za razporejanje in zmanj{evanje - A Scheduling System for Minimizing - časovno omejena proizvodnja, če je načrtovana in obljubljena; - zmanjševanje t.i. polproizvodnje (polizdelkov); - zmanjševanje zalog končne proizvodnje; - zmanjševanje izkoriščanja razpoložljivega kapitala in drugih virov; - povečanje zmogljivosti s krajšanjem časa proizvodnje; - zmanjševanje stroškov proizvodnje. 1 TEHNIKE RAZPOREDA Ni lahko optimizirati razpored v praksi ob upoštevanju vseh omenjenih ciljev. Izbere se eden od več proizvodnih razporedov za poudarjanje odvisnosti perečih proizvodnih skupin. Na splošno mora biti sprejet kompromis - uravnotežena rešitev posameznih ciljev. Proizvodna razporeditev v praksi poteka na več različnih načinov. Najpogosteje se uporabljajo ročni postopki. V večini primerov vodja delavnice ali operater stroja vnese pripravljeno nalogo v zaporedje in naslednji zagon stroja. Merila, ki se uporabljajo v takšnih okoliščinah, pogosto kažejo ukrepe, ki se vrednotijo, ni pa nujno, da velja za vse cilje podjetja. Pogosto se uporablja načrtna tabla, ki prikazuje stanje dejanskih nalog in vizualno shemo razporeda. Veliko analitičnih načinov postopka razporeditve je razvrščanje v skladu z odpravnimi pravili. Takšne metode uporabljajo pravila, ta dajejo prednost nalogam, ki čakajo na nadaljnjo obdelavo. Učinkovitost razporeda se lahko zelo razlikuje glede na nekatera izbrana pravila, tipe proizvodnih obratov in kombinacije izbranih nalog. Napoved zmogljivosti odpravnih pravil s tradicionalnimi metodami je zapleteno, hkrati pa so pravila od primera do primera omejena in se večinoma zelo težko uvajajo v proizvodni delavnici. Vodje »poklicno« sovražijo analize. Z uporabo analiz in računalnikov ter grafičnih konstrukcij, ki jih imajo dandanes vodje na voljo, lahko zelo hitro dobijo odgovor glede analize razporeda proizvodnih naročil ali naročil za nadaljnjo proizvodnjo, ali pa lahko prejmejo informacijo v preprosti in razumljivi obliki. Glavna prednost izdelanih podatkovnih tehnologij in računalnikov je nadzor proizvodne delavnice sproten. Le-ta omogoča dostop in ravnanje s podatki za proizvodnjo v dejanskem času in v okviru realnih možnosti. Načrtovanje izdelavnih zmogljivosti II (NIZ II -MRP II) je razširilo cilje načrtovanju izdelavnih zmogljivosti (NIZ - MRP) in mu dodalo veliko novih vidikov proizvodnega vodenja. Obenem pa za podjetje izračuna njegovo zmogljivost, kar omogočajo moduli za zmogljivostno načrtovanje in zbiranje delavniških podatkov Sistemi razpolagajo z učinkovitimi tehnikami za določanje dolgoročnega terminskega razporeda in ^BSfiTTMlliC | stran 292 - Produce, on time, what has been planned and prom-ised. - Minimize work in process. - Minimize the inventory of finished goods. - Maximize the utilization of capital assets and other resources. - Increase throughput by reducing the manufactur-ing time. - Minimize the cost of production. 1 SCHEDULING TECHNIQUES It is difficult to optimise a schedule over all these characteristics in practice. From most produc-tion schedules, choose one to focus on, depending on the current production objectives. Generally, a trade off must be made to reach a balance between the objectives. Production scheduling is done in many ways in practice. The most common methods of scheduling are purely manual techniques. In the most straight-forward form, the department foreman, or the machine operator, selects the job to run next from those jobs waiting in front of the machine. The criteria used in this circumstance often reflects the measures by which he is evaluated, and may not reflect overall business objectives. Job status control boards are also used to visually layout schedules. A more analytical approach to scheduling involves sequencing by dispatching rules. This method uses rules that prioritise the jobs waiting for processing. The effectiveness of the schedule may vary widely depending on the particular rule selected, the type of production facility, and the mix of jobs to be produced. It is difficult to predict the performance of dispatching rules by traditional methods. They are also limited in the scope of what they consider and are often hard to implement on the shop floor. Managers have historically disliked having to wait a long time for analysis. With the computing capabilities and graphics constructs that are now available, managers can not only get a quick response for an analysis of work-order scheduling or work-order release, they can also receive the information in an easily understood form. The major advances in database technologies have been made, and the computer is now a common sight on the shop floor. These improvements make the access to and manipulation of data for realtime factory control a real possibility. MRP II (Manufacturing Resource Plan-ning) expanded the scope of MRP to consider many other facets of production-facility management. In addition to sophisticated factory-accounting capa-bilities, modules for capacity planning and shop-floor data collection were also provided. These techniques are effective for longer-term scheduling of order launching, but lack the de- Bubeník P.: Sistem za razporejanje in zmanj{evanje - A Scheduling System for Minimizing Nabava / Purchase Zmogljivostno načrtovanje / Capacity planning Načrtovanje zmogljivostnih zahtev / Capacity requirements' planning Načrtovana naročila / Planned orders Končno zmogljivostno razporejanje / Finite-capacity scheduling Sl.1. Načrtovanje zmogljivosti podjetja Fig.1. Enterprise resource planning izvedbo naročil, vendar pa ne zadostujejo za drobne potrebe in dejanski vsakdanji razpored. Načrtovanje zmogljivosti podjetja (NZP - ERP) se pojavlja kot razširjena oblika NIZ II z zmožnostmi integracije proizvodnih procesov s finančnimi operacijami in končnim zmogljivostnim razporejanjem (KZR - FCS). 2 KAJ JE KZR ? Tradicionalni sistemi NIZ II predpostavljajo brezkončne zmogljivosti in preprosto sporočanje o preobremenjenih virih. Ročno je treba uravnotežiti načrte z uporabo povratne informacije iz funkcije načrtovanja zmogljivosti. KZR pa nasprotno rešuje dejanske omejitve za glavno planiranje. Ta način sestavljanja razporeda je optimiziran za končno dosegljive proizvodne zmogljivosti. Programska oprema za KZR je učinkovita zbirka programov, ki se na tem načelu uporabljajo za proizvodno podjetje. Znajo identificirati kritične in nekritične vire za optimizacijo razporeda proizvodnje. Optimizirajo osnovne faktorje proizvodnje preko končnih vnaprejšnjih razporeditev kritičnih virov po načelih OPT (Optimizacija proizvodne tehnologije) in menedžerski prednostni politiki. KZR usklajuje proizvodnjo na osnovi povratnega razporeda neomejujočih sestavnih delov proizvodnega okolja. To zagotavlja odpravljanje materiala v delavnico ob primernem času, da izpolnimo zahteve razporeda za kritična omejujoča področja, ko ohranjamo majhne zaloge. Z uvajanjem KZR-a v obratih bomo hitro spoznali naslednje dejanske izmerljive prednosti (preglednica 1). tail necessary for effective day-to-day production scheduling. ERP (Enterprise Resource Planning) emerged as an extension of MRPII, with the ability to integrate a company’s manufacturing processes with financial transactions and FCS (Finite Capacity Scheduling). 2 WHAT IS FCS ? Traditional MRPII assumes infinity capac-ity and simply notifies you when resources are over-utilized. You must then manually balance plans using feedback from the capacity-planning function. FCS technology, on the other hand, pro-vides true constrained privatisation for master plan-ning. This means schedules recommended by the FCS are optimised the finite capacity available. The FCS software is a powerful suite of programs that apply these principles to any manu-facturing business. FCS identifies the critical and non-critical resources for optimised scheduling. FCS provides the optimised pacing of production by fi-nitely forward-scheduling the critical resources ac-cording to the OPT (Optimalization Production Technology ) principles and the management prioritisation policy. FCS synchronises production by backward-scheduling the non-constraining parts of the manu-facturing environment. It ensures the release of materials to the floor at the proper time to meet the needs of the schedule for critical constraining areas while maintaining a lean inventory. By implementing the FCS system in plants, we will quickly realize the following quantifiable real benefits (Tab.1). gfin^OtJJIMISCSD 04-5 stran 293 |^BSSITIMIGC Bubeník P.: Sistem za razporejanje in zmanj{evanje - A Scheduling System for Minimizing Priprava razporeda / Work to schedule Posodabljanje podatkov / Update shop status Nastajanje razporeda / Generate schedules Porazdelitev razporeda / Distribute schedules Preglednica pričakovanih parametrov / Review expected performance Ustvarjanje alternativ / Create alternative scenario Sprememba zmogljivosti ali naročila / Change capacity or demand Sl. 2. Postopek načrtovanja na osnovi KZR Fig.2. The FCP Planning Process Preglednica 1. Table 1. Prednosti Benefit Potencial izboljšave Improvement potentional zmožnost dobave delivery performance 10 - 20 % začeta proizvodnja work in process reduction 20 - 25 % skrajšanje časa uvrščanja setup time reduction 50 % izraba strojev machine utilization 15 - 25 % zmanjšanje čakalnih dob reduction in idleness 15 - 20 % izkoristek vzdrževanja maintenance crew utilization 10 - 15 % 3 PREDLOG IN DELO S SISTEMOM RAZPOREJANJA Na zahtevo podjetja Matador, Dopravne päsy, a. s. je bil izdelan osnutek elektronske načrtne table “PlanDP”. Podatki o naročilu / stranka, številka naročila, količina, datum dobave/ se naložijo iz sistema NIZ II v PlanDP in vsi podatki o proizvodnih opravilih (operativni časi, čas uvrščanja) se shranijo v podatkovno bazo PlanDP. Postopek načrtne proizvodnje ima dve ravni. Zgornja raven je dolgoročni razpored in tradicionalna načrtna proizvodnja. Ta raven napoveduje oceno zmogljivosti in potrebnih virov na podlagi podatkov o prodaji ali pridobljenih naročil strank za sorazmerno velik časovni horizont (informacije se nalagajo iz sistema NIZ II.). 3 DESIGN AND WORKING WITH THE SCHEDULING SYSTEM At the request of the division Dopravne päsy, MATADOR, a.s. we designed the electronic planning board “PlanDP”. Data of order (customer, order number, batch size, due date) are downloaded from the MRPII system into PlanDP and all the information of product operations (processing times, setup time) are held in the Plan DP database. The production-planning process has two layers. The top layer represents long-range scheduling or traditional production-planning and control. This layer forecast the capacity and resources needed, based on estimated sales or orders for a relatively large time horizon (information loaded from the MRP II system). VBgfFMK gnn^süiMiB&sii I stran 294 Bubeník P.: Sistem za razporejanje in zmanj{evanje - A Scheduling System for Minimizing Zmogljivostno načrtovanje, Capacity planning, horizont: 1 mesec do 1 leto 1 month to 1 year Razporejanje Sequencing and scheduling horizont: 1 ura do 1 mesec 1 hour to 1 month NIZ II MRPII PLAN DP Podatki o izdelkih in napravah / Product data management Sl.3. Postopek načrtovanja proizvodnje Fig.3. Production-Planning Process Druga raven prikazuje podrobnosti razporeda opravil, predstavlja jo časovno okno naročila za nekaj ur in dni. Natančno uvrščanje je ugotovljeno za vsako napravo posebej. Načrtni mojster - razpošiljavec se najbolj osredotoči na to raven. PlanDP se lahko uporabi kot grafični MPS (Glavno načrtovanje), kjer se naročila nalagajo z informacijami o izdelku v PlanDP, ki dokončno razporedi proizvodnjo. Ta korak se ponavlja, če proizvodni razpored ni v nasprotju s predpisanim ciljem. Cilj lahko določi vodstvo npr. najmanjše stroške proizvodnje itn. »Srce in duša« predloženega KZR je zaporedje. Zaporedje je pravzaprav elektronska načrtna tabla, kjer so prikazani proizvodni viri in opravila. V spodnji polovici slike, so prikazani vsi proizvodni viri in razporejena opravila, preprosto berljivi v obliki gantograma. Zunaj pogleda zaporedja so individualna okna virov z barvnimi ikonami, ki se uporabljajo za prikaz vnesenih opravil. Postopek zaporedja: 1. Sistem naloži naročila in podatke o izdelku (številko naročilo, količino, kosovnik, termin dobave, tehnološki postopek). 2. Sistem uredi naročila glede na tip proizvodnega postopka in roka dobave. 3. Odmerja blago iz naročil, zmanjšuještevilo naprav - spremembe izbire. 4. Pošilja delo vseh kompletov, pravočasno za vsak stroj posebej, če stroj ne dela in je pripravljen za delo. 5. Sistem analizira cilje (rok dobave, najmanjše količine zamenjave začeto proizvodnjo, predpostavljeni čas proizvodnje). 6. Če razpored ni v nasprotju s predpisanimi cilji, je mogoče preklicati naloge in spremeniti zaporedje, operater spremeni količine, varianto tehnologije in vstop dejanskega časa naloge. The second layer represents detailed or operational scheduling, here the time frame is of the order of hours to several days. The exact sequencing is determined for each machine. The scheduler con-centrates most of his effort on this layer. PlanDP can be used as a graphical MPS (Master Production Schedule) where orders are loaded with product information to PlanDP, which provides a finite schedule. This step is performed repeatedly until the schedule meets a prescription objective. This objec-tive may be handed down from management, such as minimizing production costs, short lead times, etc. The heart and soul of the design of FCS is the sequencer. The sequencer is essentially an electronic planning board where resources and the op-erations scheduled for processing on each resource are displayed. In the bottom half of the screen the se-quence overview displays each resource and the operations scheduled on them in an easy-to-read Gant format. Above the sequence overview are the indi-vidual resource windows with colourful icons used to represent the loaded operations. Sequencer process: 1. System loading orders with product information (number of orders, quantity, bill of materials, due date, technologies). 2. System sequencing orders by type of production technologies, due date. 3. Making batches from orders by minimizing the amount of set-up time. 4. Forwarding jobs for all batches on the time line for each machine, when the machine is not busy, jobs waiting. 5. System analysing objective (meeting of due date, minimum amount of set-up time, work in process, lead time). 6. If schedule does not meet a prescription objec-tive, it has the possibility to unload jobs and change a sequence, operators can change a batch, vary technologies and enter actual operation times. Bubeník P.: Sistem za razporejanje in zmanj{evanje - A Scheduling System for Minimizing Naročila, prednosti, rok dobave -> Orders, priorities, due dates - > Naročilo / Loading -> Vnos glede na rok dobave izdelka in glede na prihod vstopnega materiala - > Orders in terms of raw ________materials_________ Zaporedje / Sequencing ->Uvrščanje glede na proste zmogljivosti - > Orders by finite capacity _________________ Oblikovanje količine / Batching -> Ustvarjanje proizvodnih kompletov - > Orders into batches Posredovanje naprej / Forwarding Analiza / Analyzing ----------------------------- -> Razpored glede na termin dobave - > Orders by due dates -> Primerjava ... - > Compare prescription objectives Izpustitev / Released Sl.4. Model „PlanDP“ Fig.4. Model PLANDP Sl.5. Načrtna tabla “ PlanDP“ Fig.5. Planning board PLAN DP 7. Če je razpored pripravljen za naročilo v proizvodnjo, KZR ponudi osnovne alternative razporeda, ki so dostopne za tisk. 8. Vnesi novo naročilo in se vrni na korak št. 1. Sistem je programiran s pomočjo ”Visual Basic for Application“ v okolju MS Excel. 7. When a schedule is ready to be released, FCS offers you basic alternatives of the printed reports available. New orders added, back to step 1. The system has been written in the Visual Basic Application for the MS Excel environment. 8. VH^tTPsDDIK stran 296 Bubeník P.: Sistem za razporejanje in zmanj{evanje - A Scheduling System for Minimizing 4 SKLEP 4 CONCLUSION Interaktivni sistem za razporejanje, ki je bil zasnovan za nastajanje sprejemljivega razporeda in spremembo sedanjega razporeda, sestavlja razpored zelo hitro in z razpoznavanjem kritičnih in nekritičnih virov. Razporejevalnik ima interaktivno orodje za učinkovito in pravočasno načrtovanje sprememb v proizvodnem obratu. Učinkovitost predlaganega osnutka se testira v dejanskem proizvodnem postopku. Proizvodnja se je zadnjih deset dni občutno spremenila in se bo v najbližji prihodnosti spreminjala še naprej. Izvedene spremembe: - Sistem zmanjša število zamud naročil in krajša čas proizvodnje z boljšo proizvodno kombinacijo naročil. - Več možnosti proizvodnega razporeda omogoča pravočasno izvedbo naročila. - Čas proizvodnje se zmanjšuje zaradi krajšega časa, potrebnega za spreminjanje izbire. - Zahteva za pravočasno dostavo naročila zmanjšuje začeto proizvodnjo in stroške. Ta prispevek je podprla znanstvena ustanove slovaške vlade - št. 1/7212/20. The interactive scheduling systems that have been presented to generate a feasible schedule and to revise the existing schedule make a schedule very quickly by identifying the critical and non-critical resources. The dispatcher has interactive tools for ef-fective planning changes on the shop floor in time. The effectiveness of the proposed concept has been tested in a real manufacturing process. Manufacturing has been undergoing a significant change in the last decade and will continue to change for the foreseeable future. Some of the changes are as follows: - The system reduces the number of delay orders and introduces shorter leadtimes by a better mix of orders. - Many variants of sequencing make it possible to meet due dates. - Lead times are minimized by decreasing the amount of set-up time. - Demands to deliver just-in-time minimize work-in-process and reduce costs. This paper was supported by the Scientific Grant Agency of Slovak Government – Grant No. 1/ 7212/20. 5 LITERATURA 5 REFERENCES [1] Grant, H.: Production scheduling using simulation technology, Factor Inc., USA. [2] Gregor, M., J. Košturiak, B. Mičieta, P. Bubenik, J. Ružička (2000) Dynamicke plänovanie vyroby, EDIS, Žilina, (ISBN 80-7100-607-6). [3] Bubenik, P. (2002) Finalne kapacitne plänovanie vyroby v podmienkach zäkazkovej vyroby - Dopravne päsy MATADOR, a.s., Produktivita 3/2002 (ISSN 1335-5961). Avtorjev naslov: dr. Peter Bubenik Univerza vŽilini Oddelek za industrijsko tehniko Moyzesova 20 010 01 Žilina, Slovaška bubenik@kpi.utc.sk Authors Address: Dr. Peter Bubenik University of Žilina Dept. of Industrial Engineering Moyzesova 20 010 01 Žilina, Slovak Republic bubenik@kpi.utc.sk Prejeto: Received: 20.5.2003 Sprejeto: Accepted: 8.4.2004 Odprto za diskusijo: 1 leto Open for discussion: 1 year