Содержание к диссертации
Стр.
Введение 7
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ, 17
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Анализ структуры автоматизированных производственных 17
систем с точки зрения планирования
1.2 Влияние структурно-компоновочных особенностей 19
автоматизированных производственных систем на
эффективность загрузки оборудования
1.3 Анализ схем обслуживания заявок в расписаниях ГПС. 29
Проблемы управляемости автоматизированных систем при 30 использовании традиционных схем обслуживания заявок в существующих системах ОКП
Особенности обслуживания ГПК складскими системами 34
1.4 Роль и место систем ОКП в автоматизированном производстве 45
1.5 Задачи, решаемые в системах оперативно-календарного 48
планирования современного производства
Структура существующих систем оперативно-календарного 52 планирования в автоматизированном производстве
Обзор существующих моделей и состояния работ в области 59 оперативно-календарного планирования
Выводы. Цели и постановка задачи исследования. 77
2. СИНТЕЗ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНО- 81
КАЛЕНДАРНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ
2.1 Анализ информационного обеспечения системы оперативно- 93 календарного планирования в автоматизированном производстве
2.2. Параметры моделей оперативно-календарного планирования 94
2.3 Алгоритм формирования множества номенклатуры деталей, 99
подлежащих планированию
2.4. Определение состава и длительности переналадок в ГПМ 109
Предварительная модель объемного планирования 117
Модель укрупненного планирования в ГПК 122
Имитационная модель формирования расписания в ГПК 130
Выводы 142
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ РАСПИСАНИЙ 145
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СТРУКТУРЫ И ХАРАКТЕРА
ОБСЛУЖИВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГПС
Задача анализа схем обслуживания заявок в зависимости от 145 структуры элементов ГПС
Схемы обслуживания объектов в ГПС 148
Структурные формулы обслуживания 154
Определение времени обслуживания транспортных средств 170 в транспортно-накопительной системе
Выводы 176
4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ 178
РАСПИСАНИЙ В СИСТЕМЕ ОКП АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Классификация моделей расписаний в АС 178
Комплексная модель ОКП для ГПК механической обработки 180
Обоснование горизонта планирования в задачах ОКП 188
Критерии и ограничения задачи планирования в ГПК 193
Алгоритм формирования расписания работ в ГПК 201 4.2.3.1 Процедура прямого хода в алгоритме формирования 212
оптимального расписания.
Метод проекций при определении количества вспомогательных 213 средств.
Математическая модель ОКП для единичного производства 218
Межцеховые модели ОКП в ГПС 225
4.5.1 Математические модели расписаний с локальными 228
обслуживающими устройствами
4.5.2 Математические модели расписаний с выделенными 229
обслуживающими устройствами
4.5.3 Математические модели расписаний с совместными 231
обслуживающими устройствами
Математическая модель формирования межцеховых 235 расписаний для нескольких ГПК и СОУ с одинаковым составом функционала и ограничений.
Математическая модель формирования межцеховых 239 расписаний для нескольких ГПК и СОУ с различным составом функционала и ограничений.
Особенности алгоритма построения 240 оптимального расписания для многокритериальной задачи.
Решение задач многокритериальной 247 оптимизации при построении расписаний с использованием неопределенных весовых коэффициентов.
4.5.4 Вопросы пересчета межцеховых расписаний в ОКП 251
Автоматизация формирования математических моделей ОКП 257
Выводы 265
5. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В СИСТЕМЕ ОКП ДЛЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ МЕХАНИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ 269
5.1 Обобщенная модель представления разработки ТП во времени. 270
Анализ систем разработки ТП на основе попереходной 272 технологии
Метод формирования операций на базе попереходной 278 технологии в системе ОКП
Анализ условий предшествования выполнения переходов 279
Анализ возможности совмещения выполнения переходов 282 в пределах операции
5.3.3 Анализ возможности оформления группы переходов в 284
отдельные операции
5.3.3.1 Особенности дифференциации операций 285
5.3.3.2 Алгоритм дифференциации операций в системе 299
ОКП
Особенности алгоритма формирования работ в ГПС с учетом 307 дифференциации операций
Выводы. 314
6. ВОПРОСЫ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ РАСПИСАНИЙ 316
В СИСТЕМЕ ОКП АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Метод определения надежности расписаний с учетом 317 стохастичности процессов в ГПС
Оценка расписаний с помощью моделей СМО 328
Поиск оптимальных параметров расписаний на модели СМО 335
Выводы 341
7. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И СОДЕРЖАНИЯ ПРОГРАММНОГО
КОМПЛЕКСА ОКП. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ОКП В
ПРОИЗВОДСТВЕ 343
7.1. Структура и состав программного обеспечения системы 344
оперативно-календарного планирования
Интеграция ОКП с системами САПР ТП 351
Рекомендации по реинжинирингу систем управления классов 355 MRPII/ERP для предприятий машиностроительного комплекса
Исследования, численные эксперименты и внедрение системы 360 ОКП PolyPlan
Анализ и выбор объектов исследования 360
Результаты построения расписаний и их моделирования 364 7.5. Выводы 379
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 381
ЛИТЕРАТУРА 385
ПРИЛОЖЕНИЯ 418
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Современные автоматизированные производства, в частности, гибкие производственные системы (ГПС), как ступень развития производства, претерпев за последние два десятилетия значительные структурные и функциональные изменения от первых опытов их создания и эксплуатации [31, 32, 34, 35 и др.] до современных интегрированных систем (СІМ) не только не утратили своей актуальности в качестве основы современного машиностроения, но и упрочили ее в силу изначально заложенного интегрального принципа гибкости построения и функционирования. Именно этот принцип позволяет развиваться отдельным элементам системы, увеличивать функциональность оборудования и методов управления. Именно этот принцип отвечает современным условиям динамичности рынка товаров, требующим частой смены номенклатуры выпускаемых изделий в рамках средне и мелкосерийного производства и сокращения сроков их выпуска за счет таких свойств системы как универсальность и переналаживаемость оборудования, алгоритмов принятия решений и программ управления.
Задачи исследования и разработки новых средств и методов планирования, управления и подготовки производства в ГПС входят в перечень приоритетных направлений развития науки и техники (Критические технологии федерального уровня, раздел «Производственные технологии», Гибкие производственные системы, код ГРНТИ - 81.19.00). В десятках вузов РФ в рамках различных направлений ведется подготовка специалистов как по специальности 210202 «Гибкие производственные системы», так и по соответствующим профилизациям. В большинстве направлений машиностроительного профиля читаются одноименные дисциплины. Все это говорит об актуальности подготовки инженерных кадров в области разработки и эксплуатации ГПС.
В настоящее время развитие автоматизированных систем (АС) идет как по пути увеличения функциональных свойств и качества единиц основного и вспомогательного оборудования (конструктивные методы), что характеризуется все большими возможностями вновь создаваемого оборудования в плане интеграции в системы верхнего уровня - АС, ГПС, так и по пути создания новых организационных методов управления автоматизированным производством, цель которых - повышение эффективности использования новейших производственных средств и систем.
Динамичные темпы развития вычислительной техники поставили новые задачи перед производством - концепции сквозной компьютеризации жизненного цикла изделий в виде CALS-технологий, компьютерного управления производственными и технологическими процессами с использованием новейших достижений в области информационных технологий и математических методов принятия решений и оптимизации алгоритмов управления, выхода традиционных производственных задач за рамки одного предприятия в виде развития виртуальных производственных систем.
Доминирующий характер управленческих задач в автоматизированной системе технологической подготовки производства (АС ТПП), целью которых является не только повышение гибкости процессов управления, но также сокращение организационных издержек производства, в структуре производственного, технологического циклов изготовления продукции при использовании современных автоматизированных производственных систем [59, 60] накладывает определенные требования по адекватности представления моделей технологического и производственного процессов - точности и полноте представления информации на различных этапах жизненного цикла изделий [1], возможность управления ходом технологического процесса в плане его оптимизации как динамичной задачи управления производством во времени.
С этой точки зрения, традиционное решение задач известной цепочки «САПР К - САПР ТП - Планирование - Управление - Диспетчирование» требует пересмотра от их, существующего на сегодняшний день, локального представления к методам интеграции и созданию системных принципов их взаимосвязи в общей структуре компьютеризированного управляемого производственного процесса. В настоящее время к задачам динамического характера можно отнести лишь задачи управления оборудованием и диспетчи-рования. Задачи проектирования технологических процессов (ТП) и планирования не связаны между собой, отличаются составом критериев и ограничений собственных моделей, что вносит определенные проблемы в управляемость и оптимизацию производственного процесса в целом.
Оперативно-календарное планирование (ОКП), по сути, является организующим звеном между структурой ГПС, принятыми на производстве организационными особенностями функционирования элементов ГПС, ТП изготовления номенклатуры деталей и управлением производственного процесса. Тем самым, от точности представления информации, как по номенклатуре изделий, так и по параметрам оперативных планов в ОКП, методов решения задач планирования, от адекватности математических моделей подсистем ОКП зависят точность формируемых плановых заданий и, в последующем, -управления объектами производства, что влияет на эффективность ГПС в целом. Поэтому решение поставленных задач, направленных на повышение эффективности функционирования ГПС является крайне актуальной проблемой.
Цели работы.
Задачам ОКП, начиная от классических работ Л.В. Канторовича [118], СМ. Джонсона [48], К.Г. Татевосова [266], С.А. Думлера [51], В.А. Петрова, С.А. Соколицына [193] и других авторов, было посвящено очень большое количество работ, которые являются фундаментом для дальнейших исследований. Характерно то, что в большинстве работ, посвященным разработке мо-
делей ОКП прослеживаются принципиально разные подходы, как к конкретике моделей, так и методам решения, - задачи рассматривались с позиций экономической теории, теории расписаний, теории управления и задач, посвященных повышению производительности автоматизированных систем. Большое внимание к задачам ОКП со стороны различных научных школ и направлений на протяжении многих лет говорит не только об их непреходящей актуальности, но также о постоянном развитии методов ОКП, неразрывно связанном с развитием производства, уровнем его автоматизации и применяемыми вычислительными методами и ресурсами.
Требования современного компьютеризированного производства обусловливают необходимость дальнейшего развития идей и методов ОКП, создание моделей ОКП, позволяющих учитывать влияние большого числа производственных факторов - компоновочных и структурных особенностей ГПС и ее элементов, организационно-технологических особенностей обслуживания различных заявок в ГПС широким спектром технологического и вспомогательного оборудования, возможность адаптации моделей ОКП в зависимости от структурно-организационных параметров ГПС, состава номенклатуры изделий и критериев функционирования системы в целом.
Требования по сокращению всех непроизводительных потерь времени в структуре расписаний работы ГПС, как основного фактора повышения эффективности их использования, обусловливают необходимость изучения многих, ранее детерминированных, производственных факторов и параметров расписаний с целью определения их влияния и последующего учета в моделях ОКП. Решение возникающих при этом в ОКП задач оптимизации внутренней структуры ТП в рамках формируемых план-графиков работы ГПС позволят связать разнородные по характеру подсистемы САПР ТП и ОКП с собственным составом критериев в единую систему оптимизации выпуска продукции и повысить гибкость системы в целом.
Проблема эффективности использования моделей ОКП тесно связана с оценкой точности расписаний, которые, независимо от способа приближения, имеют номинальный характер. Решением данной проблемы может служить разработка методов оценки надежности и точности формируемых в ОКП расписаний, с целью дальнейшего использования этих методов в системе ОКП.
Еще одной существенной проблемой является проблема универсальности моделей подсистем ОКП, что, в большинстве случаев, и на сегодняшний день, при внедрении систем управления и планирования предприятиями приводит к значительным временным и материальным издержкам предприятий в силу необходимости доработки моделей при учете множества частных производственно-организационных факторов и, соответственно, требований по доработке математического и программного обеспечения.
Таким образом, перечисленные выше требования к современным задачам в области планирования работы ГПС обусловливают необходимость создания комплексной системы ОКП с возможностями учета большинства структурно-организационных параметров ГПС, номенклатуры изделий, с возможностями структурной оптимизации ТП, адаптацией и оценки точности моделей ОКП в зависимости от конкретных производственных условий, а также минимальными издержками при внедрении в производство. Создание такой системы ОКП позволило бы значительно повысить информативность, гибкость и управляемость ТП, сократить непроизводительные затраты времени в структуре производственного процесса, издержки при внедрении системы ОКП, повысить эффективность использования ГПС.
На основании вышеизложенного, целью работы является решение важной научно-технической проблемы, состоящей в создании системы оперативно-календарного планирования на основе комплексных моделей для автоматизированных механообрабатывающих мелкосерийных и единичных производств, обеспечивающих повышение их эффективности.
Областью применения разработанных комплексных и частных математических моделей оперативно-календарного планирования, методик и алгоритмов является мелкосерийное и единичное производство с различным уровнем автоматизации производственных процессов.
Методы исследования.
При разработке структуры системы ОКП задача рассматривалась с точки зрения системного подхода к классификации входной и управляющей информации в ОКП, а также синтезу системы ОКП. При разработке метода определения состава и длительности процесса переналадок использовались основы теории автоматов и теории множеств. При разработке предварительных методов планирования использовались методы математического программирования, аппарат сетей Петри. При определении зависимостей между множеством временных параметров расписаний и структурных особенностей элементов АС, а также при разработке комплексной модели планирования, при разработке межцеховых моделей планирования использовались теория графов и сетей, аппарат теории расписаний, методы многокритериальной оптимизации. При разработке технологических основ проектирования альтернативных ТП в системе ОКП использовались основы технологии машиностроения, теория размерных цепей и теория графов. При разработке комплексного метода оценки надежности расписаний использовались теория вероятностей, теория массового обслуживания и методы дискретной оптимизации.
Структура работы.
Работа состоит из введения, семи глав, списка литературы и приложений.
Первая глава посвящена анализу адекватности существующих подходов в ОКП требованиям производства с различным уровнем автоматизации, анализу методов повышения эффективности производственных систем с точки зрения минимизации непроизводительных затрат времени и оптимизации
расписаний в подсистеме ОКП, а также выработке требований к подсистемам ОКП для автоматизированного производства.
Во второй главе предложены методы интеграции синтеза структуры системы ОКП, классификация параметров в моделях ОКП, алгоритм формирования множества номенклатуры деталей, подлежащего планированию, метод определения состава и длительности процесса переналадок в ГПС, метод объемного планирования с учетом нескольких классов обслуживающих устройств, метод укрупненного планирования, имитационная модель формирования расписания в ГПС в виде многополюсной сети Петри.
В третьей главе представлены анализ временных параметров расписаний в зависимости от структуры элементов ГПС и организационных особенностей обслуживания заявок, предложена формализация данных параметров и база данных структурных формул обслуживания и их временных зависимостей для моделей ОКП, предложена методика определения времени обслуживания заявок транспортными средствами в ГПС.
В четвертой главе представлена разработанная классификация моделей расписаний в системе ОКП, разработаны комплексная модель ОКП и алгоритм формирования расписаний, разработан метод определения количества вспомогательных средств в ГПС (транспортных средств и складских систем), предложена модель для единичного производства с нерегулярным составом номенклатуры запуска, разработана классификация межцеховых расписаний и предложены многокритериальные методы их построения, разработана методика автоматизированного формирования частных математических моделей в системе ОКП в зависимости от конкретных условий производства.
В пятой главе, посвященной вопросам синтеза подсистем САПР ТП и ОКП, представлены технологические основы проектирования альтернативных ТП, используемых в системе ОКП, предложен разработанный впервые метод анализа и синтеза альтернативных ТП с использованием дифференциа-
ции и синтеза операций, а также алгоритм формирования расписаний с использованием данного метода.
В шестой главе предложены метод определения надежности расписаний в ОКП с учетом стохастичности процессов в ГПС, метод оценки расписаний с помощью моделей систем массового обслуживания (СМО) и метод оптимизации структуры ГПС в виде методики поиска оптимальных параметров расписаний на моделях СМО.
В седьмой главе представлены структура программного комплекса, как реализация предложенных выше методов по разработке комплексной системы ОКП, результаты численных экспериментов и внедрения системы ОКП, рекомендации по использованию разработанных методов планирования и программного обеспечения.
Результаты работы опубликованы в центральной печати (более 70 публикаций), основные положения и результаты работы представлены на 27 научно-технических конференциях, обсуждались на выездных заседаниях головного совета «Машиностроение», научных семинарах кафедры АТС УГАТУ и получили положительную оценку.
Научная новизна.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем.
Новизна предложенной структуры системы ОКП для АС состоит в том, что разработанная система ОКП обладает возможностями оперативного синтеза модели планирования в зависимости от условий производства, является интегрированной с системами САПР ТП, диспетчирования и управления. Данный подход позволяет унифицировать структуру ОКП в составе различных систем управления предприятиями и сократить затраты на ее адаптацию на предприятиях.
Новизна разработанного метода имитационного моделирования расписаний работы АС заключается в разработанном динамическом методе син-
теза сетей Петри, который отличается от существующих тем, что объектом моделирования является множество ТП номенклатуры деталей, и на основе предложенных макропроцедур, терминальных подсетей и функции перехода появляется возможность формирования многополюсных сетей Петри различной размерности и сложности как функции от времени и номенклатуры деталей.
Новизна разработанных методов формализации таких параметров расписаний, как длительность операций переналадок оборудования и операций обслуживания заявок складскими и транспортными средствами заключается в том, что данные параметры представлены в аналитическом виде с учетом технологических, структурно-компоновочных и организационных особенностей автоматизированного производства.
Новизна разработанной комплексной математической модели ОКП заключается в том, что ее синтез основан на принципе рекурсии с параметром количества классов обслуживающих устройств, что позволяет использовать блочно-модульную организацию модели и соответствующего ПО, создавать, в зависимости от конкретных условий, различные по адекватности частные модели, в том числе, модели межцехового планирования и единичного производства, а также использовать алгоритм автоматизации синтеза математических моделей.
Новизна разработанного метода дифференциации и последующего синтеза операционной технологии изготовления деталей состоит в том, что данный метод позволяет на базе исходного ТП получить множество равнозначных по точности изготовления альтернативных ТП, которые могут быть выбраны на последующем этапе планирования, что позволяет получать оптимальные расписания для АС в целом, а также обусловливает возможность адаптации ТП с точки зрения его переносимости и интерпретируемости, в за-
висимости от конкретного состава оборудования и технологического оснащения, на другие производства.
6. Новизна предлагаемых методов оценки надежности расписаний в системе ОКП заключается в том, что для различных моделей планирования оценивается выполнимость и напряженность расписаний с учетом стохастич-ности процессов в АС, что позволяет определять конкретные мероприятия для устранения причин невыполнения расписаний в установленные сроки, а также выбирать оптимальный состав оборудования АС с точки зрения выполнения заказов.
На защиту выносятся:
Структура системы ОКП для автоматизированных производств.
Комплексный метод формирования множества номенклатуры деталей как совокупность методов предварительного планирования и имитационного моделирования расписаний в автоматизированных системах.
Методы формализации временных параметров расписаний различных обслуживающих устройств в АС.
Комплексная модель ОКП и рекурсивный метод синтеза моделей планирования. Модель межцехового планирования, модель планирования для единичного производства с нерегулярным представлением состава номенклатуры деталей.
Метод получения множества альтернативных ТП на основе дифференциации и синтеза операционной технологии.
Методы оценки надежности расписаний в зависимости от стохас-тичного характера процессов, протекающих в АС, а также методы и модели оптимизации состава оборудования производственной системы с точки зрения задач ОКП.
Автоматизированная система оперативно-календарного планирования класса MES - PolyPlan в виде комплекса программного обеспечения.
