Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1. Выбор направления исследования 9
1.2. Анализ требований к критерию эффективности функционирования ПС 16
1.2.1. Анализ существующих критериев эффективного функционирования ПС, используемых в бывшем СССР . 22
1.2.2. Анализ существующих критериев эффективного функционирования ПС используемых в развитых странах 43
1.3. Выбор предмета исследования 50
1.4. Цель и задачи исследования 52
2. Теоретическое решение оптимального функционирования АПС 55
2.1. Разработка нового критерия эффективности функционирования АПС 62
2.2. Оптимизация задачи функционирования АПС 70
2.3. Метод построения АПС 77
2.4. Анализ функционирования модели АПС 83
2.4.1 .Назначение системы 84
2.4.2.Объекты моделирования АПС 85
2.4.3. Моделирование процессов обслуживания АПС 85
2.4.4.Анализируемые показатели функционирования АПС 86
2.4.5. Возможности системы 88
2.4.6. Параметры заявок АПС 89
2.4.7. Подходы к моделированию АПС 90
2.5. Выводы 90
3. Имитационная модель оптимального функционирования АПС 92
3.1. Построение информационной модели АПС 93
3.1.1. Информационное описание модуля 93
3.1.2. Информационное описание АТНС 101
3.1.3. Информационное описание поддона 102
3.2. Информационное описание функционирования АПС 107
3.2.1. Информационное описание станочной системы 107
3.2.2. Информационное описание групп деталей обрабатываемых на АПС 108
3.2.3.Информационное описание определения фронта работы... 110
3.3. Выводы 117
4. Экспериментальное исследование АПС 119
4.1. Задачи экспериментального исследования 119
4.2. Анализ и выбор объектов исследования производственной системы 119
4.3. Определение оптимального варианта маршрута, партий запусков, последовательности запуска отдельных деталей в АПС 126
4.4. Выбора оптимального варианта по минимуму себестоимости комплекта 132
4.5. Выводы 133
Заключение 134
Библиографический список использованной литературы 136
Приложения.. 148
Приложение 1 149
- Анализ существующих критериев эффективного функционирования ПС, используемых в бывшем СССР
- Моделирование процессов обслуживания АПС
- Информационное описание станочной системы
- Определение оптимального варианта маршрута, партий запусков, последовательности запуска отдельных деталей в АПС
Анализ существующих критериев эффективного функционирования ПС, используемых в бывшем СССР
В зависимости от этапа, можно выделить две основные группы критериев. Дальше остановимся на каждом из них, но отметим, что они являются отдельными условно. А. Анализ существующих критериев эффективного функционирования ПС на этапе проектирования
На начальной стадии проектирования, трудно определить какого типа ПС будет наиболее эффективна для рассматриваемых условий. Это может быть, как одна или несколько автоматических линии (АЛ), так и ПС [67]. Известны случаи, когда необоснованное применение дорогостоящего высокопроизводительного оборудования, приводит к ухудшению показателей работы цеха [61]. Оптимизация проектных решений может быть осуществлена только путем применения математических методов оптимизации и современных ЭВМ.
Анализ значительного количество работ [32, 33, 54, 59, 55, 66, 73,] показал, что традиционно оценка проектов капиталовложений осуществляется тремя методами: по окупаемости, по возврату капиталовложений и по наличным средствам. Однако, эти методы довольно успешно оправдывают себя только при оценке выбора отдельного вида оборудования, но не отражают те качественные изменения, которые сопровождаются внедрением и эксплуатацей ПС. Процедура отбора вариантов основана на последовательном попарном сравнении вариантов и выборе лучшего из них (оптимальный вариант может и не попасть).
На этапе проектирования технологического процесса (ТП) при выборе маршрута обработки детали используются такие критерии, как минимизация встречных потоков деталей по станкам цеха [74, 107], минимум ДПЦ изготовления детали [81], а также критерии оптимизации всего—технологического процесса, производительность ПС, загрузки оборудования, технологическая себестоимость [4, 26, 107] и другие. При автоматизации процесса проектирования ТП последовательность выполнения операций определяется путем использования типовых решений [12, 26, 79]. Проектируемый маршрут, выбранный по любому из этих критериев, является лишь условно оптимальным, так как дает наилучшее значение анализируемого показателя, но может при этом ухудшать значения других показателей ПС.
Наиболее полным критерием, учитывающим тенденции изменения различных показателей, является технологическая себестоимость или общая сумма затрат на обработку партии деталей [12, 91, 97]. Однако и такой оптимум является лишь локальным, полученным на изолированной стадии проектирования ТП, и обеспечивает минимум затрат на обработку, но не эффективность функционирования всех ПС, состоящих из различных подсистем в режиме эксплуатации.
В [86] критерии оптимизации ТП, себестоимость ТП - включает себестоимость операции и приведенную себестоимость автоматизированного проектирования ТП и в этом критерии не учтены связи технологического процесса с системой управления.
Поскольку на проектном этапе определение эффективности связано с выбором станка, то и существуют два принципиальных подхода к решению задачи выбора станка [3, 52, 61]. Первый из них основан на анализе соответствия технических характеристик типовых станков условиям различных производств, второй - на основе совокупности экономических факторов.
К первому можно отнести подход, когда требуемое соответствие выдвинутых условий оценивается по характеристике станка, представляющий собой диаграмму с границами областей возможностей изучаемого станка [77]. Для соответствия между станками и требованиями производства исследуют статистические закономерности распределения характеристик размеров деталей, обрабатываемых на станках различных групп. С учетом изучения условий эксплуатации станков с точки зрения использования мощности, диапазонов скорости резания и подачи, позволило установить их соответствие наиболее часто обрабатываемым заготовкам.
Моделирование процессов обслуживания АПС
Система предназначена для анализа производственных объектов многономенклатурного автоматизированного производства. Основным элементом является основное технологическое оборудование, объединяемое в группы по признаку взаимозаменяемости в отношении закрепленных за ними операций и ТНС.
При моделировании различных структур АПС данная система позволяет варьировать в достаточно широких пределах планово-технологические параметры деталей, размеры передаточных партий, а также параметры АТНС (емкости накопителей, скорости движения транспортных устройств), технологию (маршруты, нормативы), оборудование (надежность, гибкость, взаимозаменяемость, алгоритму дисспетчирования загрузки оборудования и транспортных устройств).
Формально работуГ А1ТТТ ра1хматривае1\ГТса некоторой сложной многоуровневой многономенклатурной системы. При этом в качестве средств обслуживания нижнего (первого) уровня рассматривается основное технологическое оборудование и транспортные
устройства (ТУ), а в качестве средств обслуживания второго уровня - все остальные подсистемы.
На первом уровне АПС описываем функционирование ТО, в структуру которой входят ТУ.
Возможности и ограничения в отношении моделирования различных процессов обслуживания, физически протекающих в АПС, реализуются при генерации модели и заключаются в следующем:
- АПС позволяет совместно моделировать как систему обслуживания заявок на выполнение основных технологических операций, так и систему обслуживания заявок на выполнение транспортных и вспомогательных операций.
- Развернутое моделирование обслуживания заявок на выполнение основных технологических операций с явным включением длительности наладки оборудования позволяет анализировать различные варианты многономенклатурной обработки с использованием переналаживаемого оснащения, при котором загрузка оборудования и длительность его наладки зависит от последовательности обслуживания заявок-деталей, их партионности и периодичности запуска.
- Процесс обслуживания заявок на транспортировку моделируется путем задания средней скорости движения ТУ и вычисления необходимого транспортного пути;
- Остальные вспомогательные процессы, протекающие в АПС (погрузка-выгрузка, подача инструмента, штабелирование и т.д.)
2.4.4.Анализируемые показатели функционирования АПС
Модель функционирования АПС дает возможность сбора и анализа последующей результирующей информации о работе АПС, которую закладываем в историю системы и которая является основой для анализа системы и для формирования управляющих, обратных (регулирующих) действий всех подсистем и самой системы в целом:
1. Статистики о временных объектах модели характеризуют важнейшие показатели АПС, связанные с прохождением деталей-заявок по системе. Система обеспечивает сбор и вывод следующих статистик о временных объектах:
- статистика о времени между последовательными выходами партий готовых изделий из АПС (величина, обратная производительности АПС);
- статистика о длительности производственного цикла партий изделий, изготавливаемых в данной АПС;
- статистика незавершенного производства;
- статистика о времени пролеживания партий полуфабрикатов в ожидания ремонта (восстановления) оборудования;
- статистика о времени пролеживания партий полуфабрикатов в ожидания переналадки (полналадки) оборудования;
- статистика о времени транспортировки партий;
- статистика о стоимости незавершенного производства, связанного с изготовлением партии изделий, переналадок, всех подсистемах;
Информационное описание станочной системы
На основе этого информационного описания разработан алгоритм общего назначения (АОН), включающий в себя:
- Алгоритм начального обнуления;
- Алгоритм формирования матрицы требуемого количества поддонов PD1( ) и матрицы деталей в последнем поддоне DT1;
- Алгоритм формирования матриц ММ2 ( , ) и ТТ2( , );
- Алгоритм формирования матриц маршрутов движения поддонов для обработки деталей М1( , ) и времен для обработки всех деталей.
- Алгоритм обработки признака полной обработки і-го поддона;
- Алгоритм определения текущего существенного момента по информации поддонов;
- Алгоритм определения количество поддонов, которые требуют транспортирования к модулям;
- Алгоритм определения количества поддонов, которое требуется для транспортировки к складам;
- Алгоритм определения количества свободных тележек, а так же алгоритм оптимального функционирования ПС с радиальным движением грузопотоков, включающий в себе:
- Наличие работы в ПС, когда нет очереди к транспортной системе:
Алгоритм назначения работы в ПС в случае когда, имеем только выгрузку
Алгоритм назначения работы в ПС в случае когда, имеем только загрузку;
Алгоритм назначения работы в ПС в случае когда, имеется и загрузка и выгрузку;
Алгоритм изменения состояние поддона тележки, модуля в случае, когда нету очереди к транспортной системе и модули имеют различные функциональные возможности;
- Алгоритм назначения работы в случае, когда есть очереди к
транспортной системе:
Алгоритм назначения работы в случае, когда есть очередь к транспортной системе только на загрузки;
Алгоритм назначения работы в случае, когда есть очереди к транспортной системе только на выгрузку;
Алгоритм изменения состояния AAl(j2,l) -го поддона и свободной тележки при наличии очереди к транспортной системе.
Алгоритмы управления ПС построены так, что бы получали и накапливали данных, необходимых для анализа и прогнозирования системы.
Разработано программное обеспечение (см. Приложение 1).
Модель должна посгояшю____ошшсов ш между собой" производственные мощности и время прохождения изделий в производственной системе. Полученная целевая функция используется при решении задачи оптимизации процесса функционирования АПС в основе, которой лежит эвристический алгоритм составления расписания. Пользуясь этим алгоритмом, можем формулировать требования к технологическому процессу, партия запуска, необходимое количество поддонов транспортно-накопительной системы и организовать эксплуатацию АПС, увязывая расписание её работы с себестоимостью обработки.
Математическая модель автоматизированной производственной системы разработана для имитационного моделирования, которые осуществляется по мере возрастания существенных моментов системы. Под существенным моментом в диссертации понимается моменты изменения состояния всей системы. Для принятия решения для каждого существенного момента времени необходимо оценить имеющиеся ресурсы и в зависимости от ресурсов принимать решение о реализируемом действии, т.е. ресурсы распределяются между запросами производственной системы
1. Разработано информационное описание технологического модуля, позволяющее характеризовать состояние технологического оборудования.
2. Дано информационное описание АТНС, характеризующего состояние тележки и представлена графическая интерпретация этого состояния.
3. Граф состояний поддона рассматривает характерные случаи для различных функциональных возможностей модулей!
4. Дано описание всех элементов и фронта работ, на основе которых разработаны алгоритмы функционирования всей АПС.
5. Решена задача оптимального функционирования АПС на базе постоянного приближения к требуемому варианту с учетом вероятностного состояния всех составляющих АПС.
6. Пользуясь алгоритмом общего назначения (АОН), можем формулировать требования к технологическому процессу, партия запуска, необходимое количество поддонов транспортно-накопительной системы и организовать эксплуатацию АПС, увязывая расписание её работы с себестоимостью обработки.
Определение оптимального варианта маршрута, партий запусков, последовательности запуска отдельных деталей в АПС
Для того, чтобы определить оптимальный вариант по себестоимости комплекта деталей рассмотрим пять вариантов обработки деталей, различаемые по оптимальности, по теории расписания [40] партий запуска и их последовательности. В АПС будем обрабатывать три наименования пт=3 по пять штук. Для конкретного варианта описаны партии запуска, используемое оборудование, временные диаграммы работы станков, а также результаты расписания и расчеты по себестоимости, как для конкретной детали, так и для комплекта деталей.
1.вариант- количество деталей т=3; порядок деталей {1,2,3}, запуск деталей сразу по пять штук.
2.вариант- порядок деталей {1,2,3}, запуск деталей сразу по пять штук только для второй и третьей наименований деталей для первой операции ТОЇ, для второй операции Т04 и третьей ТОЗ. Для первой детали запуск на черновую обработку произведен на Т02 - четыре штук и на Т04 - одну штуку, а чистовая обработка на ТОЗ.
3.вариант-количество деталей т=3; порядок деталей {3,2,1}, запуск деталей запуск деталей сразу по пять штук.
4. вариант- порядок деталей {3,2,1}, запуск деталей сразу по пять штук только для второй и третьей наименований деталей для первой операции ТОЇ, для второй операции Т04 и третьей ТОЗ. Для первой детали запуск на черновую обработку произведен на Т02 - четыре штуки и на Т04 - одну штуку, а чистовая обработка на ТОЗ.
5.вариант- порядок деталей {3,2,1}, запуск деталей сразу по пять штук только для второй и третьей наименования деталей для первой операции ТОЇ, для второй операции Т04 и третьей ТОЗ. Для первой детали запуск на черновую обработку произведено на Т02 - три штук и на Т04 - две штук, а чистовая обработка на ТОЗ. а
Для того, чтобы окончательно выбрать оптимальный вариант АПС необходимо сделать сравнительный анализ вариантов различных маршрутов, расписания, партии деталей эксперимента по себестоимости комплекта (2.5). По данным и результатам эксперимента сделаны расчёты, которые показаны в таблицах 4.4-4.8.
Сравнивая результаты различных вариантов численного эксперимента, установлено многообразие вариантов запуска деталей, при котором достигалась минимизация затрат на обработку заготовок. Вариантность происходила также из-за того, что было рассмотрено разнообразное число модулей в автоматизированной производственной системе. При этом длительность производственного цикла варьировалась порядка 60%. Себестоимость комплекта заготовок (деталей) значительно зависела от порядка запуска деталей. Приведены результаты расчетов и временная диаграмма запуска заготовок для не оптимизированного варианта, при котором суммарное время простоя технологического оборудования составляет 661,1 мин и как следствие, коэффициент использования системы составляет 54%. Суммарная себестоимость изготовления всех деталей составляет 14179,3 руб.
Приведены результаты расчетов и временная диаграмма запуска заготовок для оптимизированного варианта, полученного в результате моделирования. Как следует, из этих данных в оптимальном расписании простоя технологического оборудования уменьшилось на 66 % и как следствие коэффициент использования системы повысилось на 84,9%, а суммарная себестоимость изготовления всех деталей составляет 10853,9 руб., что на 24 % меньше по сравнению с неоптимальным вариантом.
Результаты моделирования показывают, что предложенный критерий оптимальности является достаточно чувствительным к изменениям оптимизируемых параметров.
