Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Экономически эффективный уровень надёжности автоматизированных производственных систем и способы его обеспечения 9
1.1. Понятие экономической надёжности функционирования производственных систем 9
1.2. Модель оптимизации надёжности автоматизированных производственных систем 19
1.3. Влияние нерегулярности процессов ремонта на уровень надёжности автоматизированных производственных систем 23
1.4. Оптимизация системы ремонта оборудования 30
1.4.1. Критерий оптимальности и его обоснование 30
1.4.2. Оптимизация временных нормативов системы ремонта 35
1.4.3. Экономическая оценка потерь при смещении сроков ремонта 42
ГЛАВА 2. Оптимизация надёжности автоматизированных производственных систем с помощью приближённых аналитических моделей 52
2.1. Моделирование процесса обслуживания оборудования 53
2.2. Моделирование процесса функционирования подсистем основного производства 70
2.3. Разработка оптимальных алгоритмов управления оборудованием в процессе производства продукции и в процессе его восстановления 92
ГЛАВА 3. Оптимизация надёжности автомтизированных производственных систем с помощью имитационного моделирования 111
3.1. Имитационное моделирование возмущений производства ( на примере прогнозирования числа функционирующих станков ) 112
3.2. Имитационный эксперимент - инструмент оптимизации надёжности автоматизированных производственных систем 121
3.3. Процедура прогнозирования динамики отказов станочных систем в алгоритме
имитации 137
Заключение 155
Приложения 162
Список использованной литературы
- Влияние нерегулярности процессов ремонта на уровень надёжности автоматизированных производственных систем
- Критерий оптимальности и его обоснование
- Моделирование процесса функционирования подсистем основного производства
- Имитационный эксперимент - инструмент оптимизации надёжности автоматизированных производственных систем
Введение к работе
Важнейшая хозяйственно-политическая задача современного этапа экономического развития состоит в том, чтобы "...обеспечить дальнейший экономический прогресс общества ... на основе ускорения научно-технического прогресса, интенсификации общественного производства, повышения его эффективности" [4, с.137].
В условиях интенсификации промышленного производства проблемы совершенствования управления и принятия оптимальных решений являются главными во всех звеньях народного хозяйства. Реализация экономической стратегии партии, определённой ХХУІ съездом КПСС и Пленумами ЦК КПСС, предусматривает главное внимание во всех звеньях планирования и руководства хозяйством сосредоточить на наиболее рациональном использовании всех видов ресурсов и устранении излишних издержек и потерь [2, с.85-86; 4, с.138; 7, с.9; 8, с.14] .
Ближайшей перспективой технического перевооружения в машиностроении являются автоматизированные технологические системы, комплексы оборудования, управляемые с помощью ЭВМ. "Предстоит осуществить автоматизацию производства, обеспечить широчайшее применение компьютеров и роботов, внедрение гибкой технологии, позволяющей быстро и эффективно перестраивать производство на изготовление новой продукции"*.
Широкое внедрение автоматизированных производственных процессов, технологической основой которых являются станки с программным управлением, обрабатывающие центры, комплексы оборудования, обеспечивает высокую манёвренность и быструю перестройку 1 "Правда", 1983, 16 июня. производства при изменении параметров продукции. К настоящему времени решены многие технические вопросы создания автоматизированных производственных систем. Постоянно совершенствуется технический уровень и улучшаются характеристики технической надёжности автоматизированного оборудования.
Однако проблема построения и экономически эффективного, надёжного функционирования таких систем в целом не разработана. В отличие от производственных систем, функционирующих на традиционной технической основе, важнейшим направлением повышения эффективности работы автоматизированных комплексов в условиях "безлюдной" технологии является совершенствование методов управления автоматизированным оборудованием как в процессе изготовления продукции, так и в процессе восстановления его работоспособности.
Поэтому проблема определения экономически эффективного уровня надёжности автоматизированной производственной системы и его обеспечение средствами оперативного управления в условиях динамичности производства и стохастического характера отказов оборудования является весьма важной и актуальной.
Исследование проблемы предполагает дальнейшую разработку концепции экономической надёжности автоматизированных производственных систем и методов её обеспечения.
Объектом исследования в работе являются цехи, участки, групповые поточные линии с взаимозаменяемым автоматизированным оборудованием, на котором осуществляются основные механообрабатыва-гощие производственные процессы серийного машиностроения, а также процессы восстановления оборудования в ремонтной системе.
При обосновании методологического подхода к исследованию проблемы надёжности автоматизированных производственных систем использованы труды советских учёных, в которых изложены резуль- таты исследований проблемы повышения эффективности функционирования производственных систем: А.В. Ахумова, В.Н. Андреева, П.А. Ватника, Б.М. Генкина, Б.И. Кузина, В.А. Летенко, Ю.А. Львова, СП. Митрофанова, Ф.И. Парамонова, В.А. Петрова, С.А. Соколицина, К.Г. Татевосова и др. Целью исследования является: дальнейшая разработка методологического подхода к экономической оценке надёжности, обоснование направлений повышения экономической надёжности функционирования автоматизированных производственных систем (цех, участок автоматизированного оборудования) , исходя из системного единства процессов в основном и ремонтном производствах; разработка адекватных экономико-математических моделей функционирования производственной системы в едином комплексе основного и обслуживающего (ремонтного) производств; установление оптимальных параметров и алгоритмов управления функционированием производственных звеньев и ремонтной системы с позиций эффективности работы производственной системы в целом в условиях влияния на динамику процессов возмущающих воздействий.
Научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем: в разработке методологического подхода к оценке экономической надёжности автоматизированных производственных систем, исходя из принципов системной оптимизации функционирования основного и ремонтного производств; в построении модели зависимости затрат на единицу продукции от структуры ремонтного цикла в системе планово-предупредительного ремонта и характеристик технической надёжности станочных систем; модель позволяет оптимизировать продолжительность межремонтного периода и формулировать требования к построению рациональной системы ремонта; в разработке аналитической модели процесса восстановления оборудования с регулируемой производительностью ремонтной системы, позволяющей определять экономически эффективные дисциплины обслуживания оборудования; в разработке аналитической модели процесса обработки партий деталей на группе взаимозаменяемого оборудования (подсистеме). Определена стратегия управления группами оборудования, заключающаяся в определении типа управления и динамическом изменении производительности группы в зависимости от числа партий деталей в очереди; предложен методический подход при проведении имитационного эксперимента по обеспечению надёжности производственной системы, особенность которого заключается в выделении из всего допустимого разнообразия управляющих воздействий существенно меньшего множества, содержащего их оптимальные значения. На основе моделей подсистем разработана аналитическая модель функционирования производственной системы. Исходя из установленной средней продолжительности пребывания партии в производственной системе выбор эффективных алгоритмов оперативного управления функционированием групп взаимозаменяемого оборудования и работой ремонтной системы осуществляется на основе экономически эффективной работы исследуемой системы в целом. Существенно, что модели подсистем учитывают их нагруженность потоком требований на ремонт оборудования в подсистемах и отражают продолжительность его восстановления в ремонтной системе в соответствии с установленными дисциплинами обслуживания; проведено обобщение моделей теории массового обслуживания для многоканальных систем с различными типами управления при условии, когда каналы обслуживания (станочные системы) не являются абсолютно надёжными; разработаны блоки имитационной модели, реализующие процесс прогнозирования случайных возмущений и учитывающие автокорреляцию числа функционирующих станков в группе во времени; модель обеспечивает учёт динамически изменяющихся коэффициентов сменности в зависимости от алгоритмов оперативного управления функционированием групп оборудования.
Влияние нерегулярности процессов ремонта на уровень надёжности автоматизированных производственных систем
Производственные процессы, протекающие на машиностроительных предприятиях и рассматриваемые в качестве регулярных, изучены экономической наукой глубоко и разносторонне [23, 50, 63, 67, 78, 85, 86, 93, 101, 112 и дрJ. Вместе с тем с ростом требований к качеству оперативного управления и оптимальности принимаемых решений возникает необходимость повышения точности анализа производственных процессов [18, 29, 37, 47, 65, 89, 92, 114] . Данное обстоятельство предопределяет возрастание числа производственных процессов, при практической реализации которых будет наблюдаться колеблемость результирующих показателей, с точки зрения требования точности.
Случайные воздействия (возмущения), природа которых может быть самой разнообразной, в разной мере действуют на любой производственный процесс, обусловливая колеблемость показателей и определяя тем самым такую его важную характеристику как степень регулярности течения. Нерегулярными считаются такие процессы, в реализациях которых при принятой степени точности наблюдаются отклонения в объёмах, сроках начала или окончания, а также колеблемость других параметров, вызванная действием возмущений. Это значит, что количественная связь между входом и выходом любого производственного процесса носит в большей или меньшей степени случайный характер [13, 21, 29, 71, 88, 89, 107 и др.].
В научной литературе изучение влияния случайных воздействий на основной производственный процесс и тех экономических последствий, которые при этом имеют место, представляет самостоятельный объект исследования. Последнее обусловлено также и тем, что учёт неравномерности течения производственных процессов является целесообразным с точки зрения конечных результатов в производственных системах.
Степень регулярности производственных процессов оказывает непосредственное влияние на согласование взаимодействия подразделений производства, всех стадий производственного процесса во времени и в пространстве, на формы и методы соединения всех компонент производства (личного и вещественного факторов).
К числу осуществляемых на машиностроительных предприятиях производственных процессов, для которых характерным является то, что случайные воздействия существенны, относятся вспомогательные процессы,а среди них,прежде всего, процессы ремонтного производства. "Действительный расход на рабочую силу и средства труда для ремонтных работ случаен, как случайны и самые обстоятельства, которые вызывают необходимость в этом ремонте" [I, с. 171]. Далее К. Маркс отмечает, что "...соответствующие затраты имеют нерегулярный характер" 1, с. 197].
В практике работы машиностроительных предприятий планируемые объемы работ по составу и трудоемкости устанавливаюься на основе прогноза технического состояния объектов ремонта с помощью методов технической диагностики и графиков системы планово-предупредительного ремонта [15, 23, 46, 94] . Действительные объемы уточняются по мере выполнения ремонта. Обязательным следствием являются значительные колебания в загрузке оборудования от периода к периоду как в подразделениях завода, где осуществляются основные производственные процессы, так и в ремонтных службах. Колеблемость объемов ремонта предопределяет неравномерность выпуска продукции, загрузки ремонтного персонала; затрудняется синхронизация действий подразделений основного и ремонтного производства. Этими обстоятельствами объясняется большой объем работы по оперативному перераспределению ресурсов, характерный для существующей ремонтной практики. Поэтому вполне обоснованными выглядят повышенные требования, предъявляемые к координации и согласованности взаимодействия между подразделениями основного производства и ремонта.
Организационно-технологическая связь между элементами производственной системы приводит к тому, что нерегулярный характер течения процесса в одном из элементов (в частности в подсистеме ремонтного производства) усиливает собственную колеблемость параметров в другом. Следуя работе [29] , эти возмущения являются вторичными. Неожиданные отказы в работе оборудования (первичные возмущения) , флуктуация времени ожидания ремонта и времени восстановления (вторичные возмущения) наблюдаются на поточных линиях, конвейерных системах и других участках основного производства, которые традиционно считаются работающими регулярно. Особенно важной является проблема обеспечения надежного функционирования оборудования в автоматизированном производстве [15, 33, 34, III и др.]
Критерий оптимальности и его обоснование
Научный подход к определению вида, содержания и компонент критерия, лежащего в основе определения рациональных сроков службы оборудования и системы его ремонта, можно сформулировать на основе теории дифференциальных затрат В.В. Новожилова.
В условиях социалистического воспроизводства для нахождения минимума затрат на тот или иной продукт недостаточно исчислить затраты его производства по различным вариантам и сравнить итоги, так как "вместо задачи на минимум труда производства каждого отдельного продукта возникает задача нахождения общего минимума затрат. Она возникла не только в силу сознательного предпочтения общих интересов частным... каждый частный минимум в отдельности может быть и осуществим, но совместно они не осуществимы" [83, с. 118] .
Осуществление принципа экономии труда при социализме возможно лишь как принципа общего минимума затрат народного хозяйства на всю произведенную продукцию. Реализация общего минимума затрат по народному хозяйству выступает в качестве объективной невозможности руководствоваться частными минимумами затрат. Поэтому рассмотрение вопросов экономики ремонта и определения сроков службы основных фондов должно рассматриваться во взаимосвязи с задачами воспроизводства, с принципом экономии труда при социализме.
Рассматривая множество видов орудий труда в качестве воспроизводимых средств производства, отметим, что все они по направлениям капитальных вложений заменимы, характеризуются различной эффективностью и воспроизводство их ограничено объемом накопления народного хозяйства. Ограниченность производства новых, эффективных средств производства объемом накопления народного хозяйства означает, что число направлений их эффективного использования всегда существенно меньше возможностей для их удовлетворения. Именно в силу ограниченности воспроизводимых более эффективных средств производства и возникают затраты обратной связи. "Все отрасли охватываются этой связью, ибо во всех отраслях применяются воспроизводимые средства производства и везде затраты этих средств упираются в одну общую границу - в пределы накопления народного хозяйства" [83, с. 125].
Недостаток более эффективных средств производства для покрытия потребности заставляет применять наряду с ними менее эффективные средства (менее совершенное оборудование, станки с увеличенными сроками службы путём осуществления их ремонта).
Поэтому экономия труда, достигаемая путём применения лучших, но количественно ограниченных средств производства, всегда связана с приращением затрат труда на какие-то другие назначения: экономии труда в одном месте противостоят добавочные затраты труда в другом. Так поддержание станочного парка на требуемом количественном уровне требует осуществления затрат для поддержания их и на соответствующем качественном уровне. Применение ресурсов всех видов на ремонт средств производства исключает другие эффективные направления их использования, а, следовательно, повышает затраты в других производствах, где их применение эффективно, но несовместимо одновременно с применением в ремонтной системе. При этом достигнутый прирост затрат от увеличения срока службы оборудования путём ремонта может быть либо больше, либо меньше той суммарной экономии, которая образуется в другом месте.
Затраты обратной связи должны быть учтены при расчёте эффективности производства с помощью как старых, так и новых орудий производства. Без учёта затрат обратной связи невозможно определить какие варианты сроков службы и соответствующие им системы ремонта при использовании являются наиболее эффективными,т.е.соответствуют общему минимуму затрат труда на производство конечной продукции. Так как определение срока службы и соответствующей ему
- 33 системы ремонта данными вариантами связано с приращением затрат на другие продукты, то наиболее эффективной системой поддержания оборудования в работоспособном состоянии является не та, которая требует наименьших затрат, связанных с уходом и эксплуатацией именно этого оборудования, а такой вариант системы, который требует наименьшего приращения затрат производства всей конечной продукции. "Поэтому затраты по производству отдельного продукта, как правило, не равны затратам его производства" [83, с. 120] . Затраты по производству В.В. Новожилов называет дифференциальными затратами.
Следовательно, задача заключается в умении определять затраты по осуществлению системы поддержания оборудования в работоспособном состоянии в течение заданного срока его службы в каждом конкретном случае таким образом, чтобы их минимальная величина соответствовала минимальному приращению затрат производства всей конечной продукции. Использование нормативов эффективности ресурсов позволяет преодолеть несовместимость частных минимумов затрат. В.В. Новожилов пишет: "...частные минимумы дифференциальных затрат совместимы и падают на варианты, соответствующие общему минимуму затрат производства" [86, с. 142].
Если формула приведенных затрат предназначена для достижения наиболее эффективного варианта использования капитальных вложений, то формула дифференциальных затрат предназначена для достижения наиболее эффективного использования всех ресурсов народного хозяйства.
Моделирование процесса функционирования подсистем основного производства
Производственные системы являются хорошо структуризованными организационно и пространственно и состоят из отдельных относительно самостоятельных звеньев (цехов, участков, групп рабочих мест), на которых осуществляется обработка партий деталей в соответствии с заданными технологическими маршрутами. Важной предпосылкой для планирования и обеспечения сроков изготовления партий деталей является знание длительности производственного цикла. Априорный расчёт этого важного календарно-планового норматива весьма сложен, поскольку одна из существенннхікомпонент длительности производственного цикла - величина пролёживания - может быть определена лишь статистически в зависимости от характеристик всего множества проходящих обработку партий, а также от управляющих параметров, задающих режимы функционирования каждой группы автоматизированного оборудования. Кроме того, величина пролёживания весьма чувствительна к изменениям исходных данных (степени загрузки, случайным возмущениям, управляющим воздействиям) .
Поскольку в результате управляющих воздействий, направленных на компенсацию действия случайных возмущений и на повышение эффективности работы подсистем, продолжительность и срок выполнения отдельных позиций плана отличается от плановых, определяемых системой оперативно-производственного планирования, то как длительность производственного цикла, так и моменты готовности партий деталей имеют характер ожидаемых значений (характеризуются соответствующими распределениями). Это означает, что вследствие флуктуации параметров производственного процесса точное согласование отдельных операций во времени невозможно.
Следовательно, из самой природы производственного процесса вытекает необходимость разработки вероятностной концепции реализации плана как стохастического аналога детерминированного метода оперативного планирования. При таком подходе всякая реализация плана в производственных условиях рассматривается как одна из множества возможных. Вероятностная концепция планирования предопределяет, с одной стороны, использование в качестве исходных данных для разработки календарно-плановых нормативов средних значений (времени пролёживания, времени пребывания партии в подсистеме или в системе в целом); а, с другой стороны, предполагает использование соответствующих математических моделей и аппарата. При этом использование моделей должно рассматриваться как часть управления и планирования производственного процесса, поскольку традиционные методы не могут дать удовлетворительного решения возникающих управленческих задач.
Весьма перспективным подходом к исследованию производственных систем является рассмотрение их в виде сети систем массового обслуживания. Представление технологического процесса в виде многофазной системы массового обслуживания, в терминах которой заявки отождествляются с партиями деталей различного наименования, и обоснование такого подхода к решению подобных задач содержится в работах [21, 26, 29, 36, 52, 55, 57, 68, 75, 84, 88, 121 и дрЛ.
Заметим, что число подобных работ в связи с практической необходимостью все время увеличивается и перечислять их все нет ни возможности ни, пожалуй, необходимости. Вместе с тем, как отмечается в работе [51] , общие аналитические методы расчета характеристик таких систем еще не разработаны.
Отметим также, что литература по оптимизации СМО не очень обширна, а решение задач синтеза оптимальной динамики сетей связано со значительными трудностями. Исследований, где рассматривается оптимизация производственных систем в виде сети подсистем как управляемых СМО в условиях действия случайных возмущений, автору не известно.
Применение гибких аналитических методов теории массового обслуживания к исследованию автоматизированных производственных систем предполагает и определенную точность получаемых результатов (они имеют характер ожидаемых значений). Допустимость приближенного решения предопределяется вероятностным описанием производственного процесса. Использование математических моделей, по возможности более адекватно описывающих реальные процессы в системе, но требующих некоторых общих допущений, не обеспечивает выполнения предусмотренных соотношений в каждом конкретном случае; однако для совокупности рассматриваемых ситуаций они оказываются верными и при этом отклонения в каждом случае лежат в допустимых пределах [52J. Это позволяет рассчитывать на получение в некоторых случаях непосредственных выводов о зависимости экономических характеристик функционирования производственной системы от параметров системы календарного планирования: коэффициентов загрузки групп рабочих мест, от управляющих параметров и режимов работы звеньев, от планово-учетных периодов, размеров партий деталей и т.д.
Имитационный эксперимент - инструмент оптимизации надёжности автоматизированных производственных систем
Рассмотрим несколько подробнее динамику затрат в I и П подсистемах при фиксированных типах управления и изменением дисциплины обслуживания станков из разных групп. При управлении типа (І.І) в первой подсистеме и изменении X = I, 2, 3 вследствие увеличения времени пребывания станков в ремонтной системе Т [4,64,зе = I; 5,20, эе = 2; 6,80, эе = 3] растет время пролежива-ния партий 0L [ 1,05, эс = I; 1,Ю,зг = 2; 1,52, аг = 3] , см. рис. 2.12. Увеличение Т приводит к тому, что происходит более частое накопление порогового уровня партий в подсистеме, при котором вводится форсированный режим: использование сверхурочных. Так, период времени в течение которого подсистема функционирует с дополнительным ресурсом по вариантам равен 6,7(см), эе = I; 7,30(см),#= 2; 9,0(см),ае= 3. Следствием является уменьшение времени обработки партииХ1 [0,976, аг = I; 0,966, зе= 2; 0,935, аг,= з]. Увеличение времени работы с дополнительным ресурсом в 1-й подсистеме приводит к росту С [73,7,зе= I; 80,30, #= 2; 99,0, ае. = 3] ; рост 6І , хотя %і и уменьшается, увеличивает компоненту С0[ 6,65,«= I; 6,74, = 2; 7,72,- = 3]- и, следовательно, приведенные затраты в 1-й подсистеме возрастают[80,35,ас = I; 87,04,ж = 2; 106,72, = 3] . При управлении (2.1) во П-й подсистеме с ростом ж. динамика затрат обратная. С уменьшением Tg [ 4,80, эе= I; 4,5, эе= 2; 3,65,зе= 3] улучшается пропускная способность системы, что выражается в уменьшении времени пролеживания 6 [3,85,э& = I; 3,2, х = 2; 2,35,ае= з] , см. рис. 2.13. Уменьшение Т2 есть причина уменьшения времени работы подсистемы с дополнительным ресурсом І5(см), ге = І; І4(см),зє = 2; 12,5(см),as = 3, а значит увеличения %г [0,91, #= I; 0,92, зе= 2; 0,96( см), эе= 3J. Динамика затрат такова: Сг [166,43, зс= I; 157,28,at= 2; 136,74,эе= 3] , Св [31,51, зе= I; 27,67, ж = 2; 22,9, = 33 ; средние приведенные затраяы во второй подсистеме[197,94, ас = I; 184,90, эе= 2; 159,64, = 3].
Таким образом, если затраты в одной подсистеме растут, то в другой они уменьшаются (конечно, при прочих равных условиях). Системная оптимизация позволяет сделать вывод: при ограниченных ресурсах улучшение работы одной подсистемы приводит к ухудшению характеристик функционирования другой.
Анализ результатов, полученных с помощью аналитических моделей исследования эффективности функционирования производственных систем, позволяет сделать ряд выводов, полезных как для текущего, так и оперативного планирования.
Прежде всего следует отметить высокую эффективность введения управления в производственной системе именно тогда, когда в этом действительно существует потребность. Анализ функционирования системы с помощью аналитических моделей обеспечивает возможность классификации состояний и выявление ситуаций, требующих переключения на форсированный режим. Характер влияния факторов на выходные показатели производственной системы при наличии аналитических зависимостей (П.2.2) может быть изучен дифференцированием по аргументам и экономически содержательно интерпретирован.
Изучить влияние непосредственно отказов оборудования на динамику изменения (I.I) можно, представив поток отказов как результат применения к общему потоку требований на ремонт операции однократного разрежения [41] : разрежение общего потока осуществляется с постоянной вероятностью.
Исследование зависимостей, приведенных на рисунках, убедительно доказывает справедливость вывода о сильном влиянии возмущающих факторов (отказов станков) на параметры производственного процесса.
В связи с этим важной является количественная оценка нормативов загрузки групп рабочих мест, дифференцированных в зависимости от "степени стохастичности" процессов [29] : чем больше вариация возмущений, тем меньше должна быть загрузка рабочих мест. Б этом случае будет обеспечено повышение способности системы, как производственной так и ремонтной, реагировать на. флуктуации входных парметров.
Аналитические модели исследования эффективности функционирования производственных систем, включающие формальное описание ремонтной системы, позволяют количественно изучить комплексное влияние целой совокупности экономически интерпретируемых и управляемых параметров на величину затрат при реализации плана, на средние времена пребывания партий, которые могут рассматриваться как показатели гибкости производственного процесса.
Похожие диссертации на Оптимизация надежности автоматизированных производственных систем на основе методов оперативного управления
