Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса. цель и задачи исследования 7
1.1 Актуальность проблемы создания реконфигурируемых производственных систем 7
1.2 Проблемы, встречающиеся при внедрении ГПС 17
1.3 Компьютерное моделирование как средство разрешения проблем при реконфигурации ГПС 26
1.4 Классификация моделей 30
1.5 Обзор существующих систем моделирования 38
1.5.1 Система AnyLogic 38
1.5.2 Система GPSS World 43
1.5.3 Система «Каскад» 46
1.5.4 Анализ методов синтеза 51
1.7 Цель и задачи исследования 54
Глава 2. Модель, описывающая работу ГПС с учетом характеристик оборудования 56
2.1 Недостатки общесистемного подхода к моделированию ГПС 56
2.2 Метод автоматизированного построения циклограмм 57
2.3 Разработка компьютерной модели ГПС, основанной на методе циклограмм 66
2.3.1 Математическое обеспечение модели ГПС 66
2.3.2 Формализация алгоритмов функционирования ГПС 69
2.4 Программная реализация модели и ее тестирование 78
2.4.1 Исходные данные 79
2.4.2 Методика применения программы в исследованиях 81
2.4.2.1 Оценка диспетчерских решений 85
2.4.2.2. Оценка технических параметров 85
2.4.3. Проверка адекватности модели 88
2.5 Определение целевой функции 94
Глава 3 Автоматизированный синтез технических параметров РПС 101
3.1 Понятие параметрического синтеза 101
3.2 Определение критериев оптимизации 104
3.3 Разработка алгоритма автоматизированного синтеза 110
3.3.1. Подготовка вариантов сменного задания 110
3.3.2. Программная реализация расчета критериев эффективности при изменении параметров оборудования 113
3.3.3 Программная реализация изменения параметров оборудования 115
3.3.4 Описание работы генетического алгоритма 120
3.4 Программа «ProSintez» 126
Глава 4 Метод перехода от текцщей производственной программы к техническому предложению на реконфигурацию РПС 136
4.1 Исследование системы «ProSintez» 136
4.1.1 Исследование системы при изменении количества вариантов сменного задания 139
4.1.2. Оценка достоверности результатов 143
4.1.2.1 Исследование системы при изменении трудоемкости ДУ, входящих в состав сменного задания 143
4.1.2.2 Исследование системы при изменении номенклатуры сменного задания 144
4.1.2.3 Исследование системы при изменении количества станков 148
4.2 Описание работы программы 150
4.2.1 Ввод исходных данных для моделирования 150
4.2.2 Задание исходных данных для генерации вариантов СЗ 151
4.2.3 Работа с системой в режиме статистики и анализа 152
Общие выводы 155
список использованных источников
- Актуальность проблемы создания реконфигурируемых производственных систем
- Недостатки общесистемного подхода к моделированию ГПС
- Понятие параметрического синтеза
- Исследование системы «ProSintez»
Введение к работе
В 2004 году уровень роста машиностроения у многих стран мира достиг рекордной отметки в 23 процента, тогда как в России эта отрасль дала только 3 процента увеличения объема продукции.
Одной из причин такого бурного развития за рубежом является переход к так называемой «экономной» автоматизации, характеризуемой внедрением реконфигурируемых производственных систем (РПС), способных работать в «безлюдном» режиме 140 часов в неделю и по 20 часов в сутки.
Термин «реконфигурация» означает способность регулировать производственную мощность и функциональные возможности производственной системы в соответствии с текущими производственными условиями путем изменения компоновки оборудования или компонентов системы.
Современным инструментом для оценки принимаемых в процессе реконфигурации решений служит моделирование. При этом отечественные проблемно-ориентированные программные продукты для моделирования РПС практически отсутствуют. Западные разработки характеризуются высокой стоимостью и поставляются в виде «черного ящика» без гарантии соответствия рекламируемых возможностей реально имеющимся.
Обзор литературных источников и современных систем моделирования позволил установить следующую проблему: процедуры синтеза реконфигурируемых параметров РПС выполняются человеком в интерактивном режиме на основе многовариантного анализа, что увеличивает трудоемкость и снижает качество принимаемых решений.
Отсюда следует, что разработка проблемно-ориентированной программной среды, позволяющей осуществлять автоматизированную подготовку технических параметров РПС на этапе реконфигурации, является одной из актуальных задач в рамках стратегии и концепции развития машиностроительного комплекса России.
Необходимость разработки практических решений для автоматизации синтеза технических параметров оборудования в процессе проектирования, эксплуатации и реконфигурации РПС определила выбор темы, цель, задачи и структуру диссертации.
Настоящая работа соответствует приоритетному направлению науки и техники «Производственные технологии» (Утверждено Президентом РФ Пр-577 от 30.03.2002), критической технологии «Информационная интеграция и системная поддержка жизненного цикла продукции (CALS-, CAD-, САМ-, САЕ-технологии)» и выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы № 01000000120 «Разработка интеллектуальных систем автоматизированного проектирования и управления» на кафедре систем автоматизации производства ГОУ ОГУ.
Актуальность темы работы подтверждается также ее финансированием в рамках выполнения г/б НИР № 01200607409 «Разработка методологии создания высокоэффективных производственных систем нового поколения с заданными свойствами».
Актуальность проблемы создания реконфигурируемых производственных систем
Информационная интеграция и системная поддержка жизненного цикла продукции (CALS-, CAD-CAM-, САЕ-технологии) отнесена к числу критических технологий. Об этом свидетельствуют документы «Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу» (Пр-576 от 30 марта 2002 г.), а также «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации» (Пр-577 от 30 марта 2002 г.) и «Перечень критических технологий Российской Федерации» (Пр-578 от 30 марта 2002 г.) [48].
CALS - это концепция, объединяющая принципы и технологии информационной поддержки жизненного цикла продукции на всех его стадиях, основанная на использовании интегрированной информационной среды (единого информационного пространства), обеспечивающая единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков продукции (включая государственные учреждения и ведомства), поставщиков (производителей) продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала, реализованная в соответствии с требованиями системы международных стандартов, регламентирующих правила указанного взаимодействия преимущественно посредством электронного обмена данными [31].
Некоторые количественные оценки эффективности внедрения CALS в промышленности США: прямое сокращение затрат на проектирование - от 10% до 30%; сокращение времени вывода новых изделий на рынок - от 25% до 75%; сокращение доли брака и объема конструктивных изменений - от 23% до 73%. сокращение затрат на подготовку технической документации - до 40%; сокращение затрат на разработку эксплуатационной документации -до 30%.
Затраты на разработку реактивного двигателя GE 90 для самолета Боинг 777 составили $2 млрд, а разработка новой модели автомобиля компании Форд стоит от $3 до $6 млрд. Это означает, что экономия от снижения прямых затрат на проектирование только по двум указанным объектам может составить от $500 млн. до $2.2 млрд. [77].
Следует, что внедрение CALS-технологий приводит к существенной экономии и получению дополнительной прибыли. Поэтому эти технологии широко применяются в промышленности развитых стран.
В связи с большими объемами ожидаемой экономии и дополнительных прибылей в эту сферу привлекаются значительные инвестиции, измеряемые миллиардами долларов. По данным зарубежных источников инвестиции правительства США в сферу CALS-технологий составляют $ 1 млрд в год. Затраты других стран меньше, однако, например, правительство Финляндии затратило на национальную программу в этой области свыше $ 20 млн и примерно такую же сумму (около $25 млн) вложили в нее частные компании. Корпорация General Motors в течение 1990 - 1995 г. г. израсходовала на эти цели $ 3 млрд. Средние затраты на один проект, посвященный решению локальной задачи в области CALS-технологий (например, разработка стандарта или программы), составляют $ 1,2... 1.5 млн. при среднем сроке выполнения от 2 до 4 лет [49].
Эти цифры свидетельствуют о том, какое значение придают на Западе проблематике, связанной с CALS-технологиями. На рисунке 1.1 [48] представлена взаимосвязь жизненного цикла изделия и его информационной поддержки.
Недостатки общесистемного подхода к моделированию ГПС
Проведенный обзор подходов к моделированию сложных систем (раздел 1.4 -1.5) показывает, что наиболее распространены универсальные системы моделирования. Эти системы в большинстве своем применяются в тех случаях, когда события носят стохастический характер. Например, количество клиентов банка или страховой фирмы не является постоянным. Автоматический процесс функционирования ГПС имеет детерминированный, упорядоченный характер.
Использование системотехнических подходов к моделированию, традиционно рассматривающих ГПС как «черный ящик», весьма ограничено в силу ряда причин [68]. Это оценочный характер моделирования, не гарантирующий получение оптимального результата, необходимость специальной интерпретации вводимых данных и получаемых результатов, абстрагирование от конкретных технических параметров оборудования, ограниченность моделирования уровнем технологической операции из-за высокой размерности моделирования на уровне перехода, и т.д.
Ошибки при подготовке технического предложения на реконфигурацию ГПС ведут к экономическим потерям при их эксплуатации [3].
Ошибочна сама концепция представления ГПС как стохастических систем - автоматический процесс функционирования ГПС имеет не стохастический, а детерминированный, упорядоченный характер.
Случайность есть непознанная закономерность. В [70] описан механизм формирования временных связей автоматизированного производственного процесса, объясняющий причины несоответствия проектных и эксплуатационных характеристик ГПС. Дело в том, что в процессе «безлюдной» работы ГПС возникают простои производственного оборудования, особенности которых в том, что они: а) проявляются лишь в процессе функционирования ГПС, и б) имеют место при гарантированной надежности всех элементов системы.
Внешне, указанные простои, проявляются как результат взаимообусловленной работы модулей и их агрегатов, время выполнения которыми технологических и транспортных операций рассеивается в широких пределах.
Основной причиной рассеивания времени технологических операций является неритмичный характер производственных процессов ГПС, в условиях которых номенклатура, размеры и последовательность партий запуска заготовок в обработку варьируются от смены к смене. Меняющийся состав сменных заданий ведет к варьированию содержания, времени, а, следовательно, и количества выполняемых в смену технологических операций.
Совокупное влияние производственных факторов и предопределяет величину простоев оборудования, не поддающихся учету традиционными методами расчетов и лишь приближенно описываемых общесистемными средствами моделирования.
Решение проблемы комплексного и детального анализа ГПС кроется в природе их функционирования. Цикл безлюдной работы системы представляет собой цепочки взаимосвязанных циклов работы отдельных устройств, агрегатов, производственных модулей и системы в целом. Взаимосвязи циклов работы устройств предопределяются алгоритмами и правилами их взаимодействия, а также логикой эволюции процесса функционирования системы.
В основу разработки алгоритма моделирования примем аксиому о том, что цикл автоматической работы любой технической системы состоит из последовательностей циклов работы составляющих ее элементов. При этом каждый элемент может рассматриваться как система следующего уровня иерархии.
Традиционный язык технических специалистов и средство визуализации взаимодействия оборудования - циклограммы, или временные диаграммы.
Работа ГПС с любой требуемой точностью может быть расписана в виде циклограмм. Возможные погрешности срабатывания устройств можно учитывать вероятностными методами подобно тому, как учитывается рассеивание размеров деталей относительно номинальных значений.
Компьютерное моделирование можно рассматривать как автоматизированное построение циклограмм работы оборудования в соответствии с рисунком 2.1.
Циклограмма - цикловая диаграмма, графическое изображение циклического процесса (термодинамического, технологического и др.), строится на основании опытных или расчётных данных и используется для определения или уточнения элементов цикла. Широко применяется при конструировании исполнительных органов машин-автоматов [9].
Другими словами, циклограмма - это график, показывающий моменты начала и окончания выполнения какого либо действия различными устройствами, продолжительность действия, продолжительность простоев, взаимосвязь между отдельными устройствами.
Степень детализации циклограмм зависит от решаемых задач. При анализе работы транспортно-накопительной системы достаточно рассмотреть работу ГПС как взаимодействие технологических и транспортных модулей (уровень технологической операции). При анализе работы автоматизиро ванной системы инструментообеспечения необходимо рассматривать работу ГПС на уровне технологического перехода.
Понятие параметрического синтеза
С особой остротой проблема эффективности высокоавтоматизированных производств стоит в нашей стране в связи с назревшим перевооружением машиностроительного парка. Ее решению будет способствовать общее оздоровление экономики и в том числе: - обеспечение экономической заинтересованности промышленных предприятий в росте эффективности производства и, следовательно, в повышении его технического уровня и организации; - совершенствование инфраструктуры машиностроительного производства, т. е. внедрение специализации и концентрации производства, отраслевой и межотраслевой кооперации и развитие их до современных форм и масштабов.
В указанном аспекте важное значение приобретает разработка методов структурного и параметрического синтеза РПС, способствующих обеспечению оптимальности принимаемых на стадии проектирования решений и получению существенного экономического эффекта [38]. Все этапы синтеза в конечном итоге преследуют цель достижения экстремума целевой функции оптимизации. На нижних уровнях функционирования больших технических систем, к которым относятся РПС (отдельные элементы, узлы и механизмы), действуют разнообразные технические критерии, а задачи оптимизации конструкций имеют явно выраженный многокритериальный характер. По мере подъема по ступеням структурной иерархии в РПС ситуация, как правило, изменяется и технические критерии уступают место экономическому. Таким образом, с ростом ранга системы неизбежно растет и ранг целевой функции ее оптимизации. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев в задачах оценки эффективности РПС используют однокритериальный экономический подход.
На этапе предпроектных исследований в соответствии с анализом конструктивно-геометрических и технологических характеристик обрабатываемых деталей, входящих в производственную программу, устанавливается технологический генотип системы, определяемый показателями назначения и, в первую очередь, ее производственно-технологическим потенциалом.
Этап реконфигурации делится на два уровня, каждый из которых состоит из нескольких рабочих фаз. На первом уровне, на основании выходной информации предпроектных исследований и извлекаемых из банка данных сведений о возможных технологических маршрутах, парке станков и их характеристиках, нормативных данных и экономических показателях осуществляется структурный и параметрический синтез производственно-технологических структур, состоящий из двух рабочих фаз (соответственно структурного и параметрического синтеза). В фазе структурного синтеза выбирается производственно-технологическая структура, а в фазе параметрического синтеза на основе комплекса локальных решающих процедур определяются параметры работы основного технологического оборудования, ориентированные на повышение его технико-экономических показателей. На втором уровне проводится структурный и параметрический синтез организационно-технических структур. В его первой фазе осуществляется синтез компоновочной структуры. Во второй рабочей фазе осуществляется параметрический синтез, т. е. определяются число и типы обслуживающих транспортных устройств, их основные параметры, дисциплины обслуживания, оцениваются простои основного оборудования в ожидании обслуживания.
Этап имитационного моделирования включает концепцию, предусматривающую выполнение следующих взаимосвязанных шагов [104]: формулирование целевой функции создания РПС; определение номенклатуры обрабатываемых деталей и производственных программ выпуска; определение технических характеристик физических элементов РПС; составление расписаний работы; разработка системы динамического контроля (оперативного управления производством) на ЭВМ; разработка обобщенной модели системы и ее исследование на ЭВМ.
Расчет оптимальных параметров, в том числе параметров функционирования станочных систем (например, режимов резания, скоростей вспомогательных перемещений узлов станков, вместимости централизованного межоперационного склада-накопителя, скоростей перемещений обслуживающих транспортных устройств и т. д.) при заданной структуре с позиций удовлетворения экстремуму определенной локальной, а в ряде случаев глобальной целевой функции, принято называть параметрической оптимизацией, или параметрическим синтезом [38].
Здесь автор, по большей части, в качестве параметрического синтеза РПС понимает синтез режимов обработки. Отчасти это верно, но если станок с высокими техническими характеристиками и современными режущими инструментами вынужден простаивать из-за отсутствия заготовки, режущего инструмента или длительной смены деталеустановки, то смысл синтеза оптимальных режимов резания в этом случае теряется. Описанные простои возникают только при функционировании системы, выявить их возможно при использовании компьютерного моделирования. В работе [46] автор говорит: «РПС - это сложная система, технико-экономические характеристики которой весьма чувствительны к малым изменениям структуры и технических параметров... Поэтому несущественные на первый взгляд различия между проектируемой РПС и ее хорошо зарекомендовавшим себя аналогом могут вызвать значительные несовпадения их экономической эффективности».
Исследование системы «ProSintez»
Метод включает следующие этапы: 1) Ввод исходных данных. 2) Моделирование - предназначено для оперативного определения по задаваемым ограничениям состава рекомендуемых вариантов сменно-суточного задания; задания правил выбора заявок на обслуживание, оценки целесообразности внедрения в РПС с устоявшейся номенклатурой изделий, технологии изготовления новой детали; оценивать эффективность работы РПС при заданной производственной программе. 3) Генерация СЗ - подготовка выборки СЗ для оценки технических параметров оборудования 4) Статистика - обработка результатов моделирования единичной выборки СЗ. 5) Анализ - производится для того, чтобы принять решение какой из параметров можно ужесточить с наименьшими экономическими затратами. 6) Синтез - Автоматический подбор параметров системы, которые могут быть проверены с помощью этапа моделирования.
К особенностям данного метода можно отнести следующее: 1) основывается на применении модели, учитывающей конкретные характеристики РПС; 2) для каждого изменения состояния моделируемой системы учитывается широкая номенклатура СЗ; 3) расчет целевой функции осуществляется по результатам моделирования; 4) использование на этапе синтеза перспективного научного направления с применением генетических алгоритмов позволяет отбрасывать неэффективные решения, что дает возможность оперировать большим количеством варьируемых параметров и снижает количество вычислений целевой функции.
Для составления методики необходимо произвести тестирование и исследование системы «ProSintez». Следует исследовать работу системы при изменении количества вариантов СЗ, трудоемкости ДУ, входящих в состав сменного задания, номенклатуры СЗ, количества оборудования. Схему экспериментов можно представить в соответствии с рисунком 4.3.
Из таблицы 4.1 видно, что кривая центра группирования коэффициента загрузки оборудования в диапазоне 10.. 100 вариантов располагается ниже кривой минимального значения загрузки оборудования. Это значит, что не хватает данных для корректного построения статистической кривой. В диапазоне 150..300 вариантов СЗ статистическая зависимость располагается, как и положено, между минимальными и максимальными значениями.
На основании изложенного можно сделать заключение, что для качественной оценки критериев эффективности необходимо подобрать количество вариантов СЗ равное 150 и более, в некоторых случаях можно ограничиться 100 вариантами СЗИз графиков видно, что значения показателей эффективности стабилизируются после 100 вариантов СЗ. Колебание производительности объясняется различным соотношением в СЗ деталей малой и большой трудоемкости.
Исследование при изменении трудоемкости ДУ и номенклатуры ДУ объединим в один этап. Трудоемкость ДУ, в соответствии с рисунком 4.1 разделим на 2 группы: 1) изделия с малым временем обработки; 1) изделия с большим временем обработки. В каждой группе будем изменять номенклатуру СЗ от 2 до 6 наименований. Это позволит выявит закономерность изменения критериев эффективности.
Гибкие производственные системы относятся к широкономенклатурному производству, позволяющему быстро реагировать на изменения спроса рынка. Отсюда следует, что необходимо исследовать работу системы «ProS-intez» при изменении состава сменного задания. Все эксперименты условимся проводить при количестве вариантов сменного задания равным 100±5 вариантов. Такое решение принято потому, что с одной стороны это позволит собрать статистику изменения СЗ, с другой стороны позволит провести опыты в реальные сроки.
На каждом шаге результаты расчетов сохраняются для дальнейшей оценки. Результаты всех проведенных испытаний по первой группе трудоемкости сведены в таблицу 4.3, по которой построены соответствующие графики (рисунок 4.3).
