Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и перспективы решения задач оперативного управления основным механообрабатыващим производ ственным процессом серийного машиностроения 7
1.1. Характеристика производственных процессов исследуемого класса 7
1.2. Анализ существующих систем оперативного управления
1.3. Характеристика принятого подхода к совершенствованию системы оперативного управления 28
Выводы 33
2. Моделирование динамики производственного процесса для целей управления 34
2.1.Основные требования к модели и характеристика подхода к её построению 34
2.2. Описание динамической стохастической имитационной модели объекта управления . 40
2.2.1. Общая характеритика схемы формализации объекта 40
2.2.2. Асинхронный конечный автомат, как средство формализации динамики объекта управления 49
2.2.3. Программная реализация имитационной модели на языке моделирования GPSS 58
В ы в о д ы 67
3. Исследование производственного процесса как объекта управления с помощью имитационной модели 68
3.1. Постановка задачи исследования производственного процесса 68
3.2. Анализ чувствительности к действию возмущений и управляемости производственного процесса 73
3.3. Анализ устойчивости объекта в адаптивной СОУ 109
3.4. Байесовский подход к параметрической идентификации в темпе реального процесса 119
Выводы 125
4. Адаптивная система оперативного управлений 127
4.1. Постановка задачи оперативного управления 127
4.2. Алгоритм адаптивного управления 129
4.3. Методика применения имитационногоо имитационного комплекса для совершенствования оперативного управления 140
4.4. Составляющие экономического эффекта оспользования имитационного комплекса моделирования системы оперативного управления 143
Выводы 153
Заключение 155
Литература
- Анализ существующих систем оперативного управления
- Описание динамической стохастической имитационной модели объекта управления
- Анализ чувствительности к действию возмущений и управляемости производственного процесса
- Методика применения имитационногоо имитационного комплекса для совершенствования оперативного управления
Анализ существующих систем оперативного управления
Из всей совокупности производственных процессов в машиностроении можно выделить объекты управления, к которым относится класс механообрабатываюших производственных процессов. Они очень распространены в машиностроении, так как почти все изделия этой отрасли в процессе изготовления подвергаются механической обработке, на которую, как известно, приходится наибольшая доля трудоемкости. Дадим краткую организационно-технологическую характеристику выбранных производственных процессов.
В работе рассматривается широкий класс основных механообрабатываюших производственных процессов машиностроительных предприятий серийного типа, реализуемый в рамках групповых поточных линий и предметно-замкнутых участков, укомплектованных типичным металлорежущим оборудованием, распределенным по группам взаимозаменяемых единиц оборудования. Основные рабочие в соответствии с квалификацией закреплены за выделенными группами оборудования. Номенклатурные позиции производственной программы жестко закрепляются за выделенными группами оборудования согласно заданной технологии их обработки. Структура производственного процесса, описываемая через отношения между технологическими операциями в виде технологической схемы, относится к широкому классу типовых структур с реверсом [48]. Учет других возможных особенностей механообрабатыващих производственных процессов возможен в рамках выделенного класса производственных процессов, для которого характерна наиболее типичная организапионно-техноло гическая структура.
Особенность выбранного класса производственных процессов, как объектов управления, заключается в их согласующей роли между заготовительным и сборочным этапами и в направленности на обеспечение комплектности сборочного процесса на основе удовлетворения директивных сроков выпуска обрабатываемых изделий. Достижимость этого в условиях динамичного реального производства затруднена многообразием непредсказуемых изменений во времени существующих сложных зависимостей между отдельными звеньями - структурными элементами производственного процесса [41]. При этом возможно появление таких совокупностей значений входных параметров производственного процесса, что он теряет управляемость в рамках имеющихся производственных ресурсов и попадает в ситуации срыва выполнения планового задания в директивно установленные сроки.
Причинами возникновения таких ситуаций могут быть любые случайные воздействия внешней среды, а также внутренние возмущения, влияющие на величину располагаемых производственных ресурсов и носящие объективный непредсказуемый характер.
Анализ литературы, отражающий результаты практических и теоретических исследований производственных процессов [70, 3 показал, что к наиболее распространенным возмущениям, имеющим место на производстве, можно отнести следующие: 1) брак деталей, появляющийся либо в процессе обработки, либо на последующих стадиях; 2) директивное задание, внеплановых дополнительных работ вышестоящей системой управления; 3) изменение состава рабочей силы (прием, увольнения); 4) невыходы на работу (болезни, общественные работы и т.д.); 5) поломки оборудования; 6) задержки выхода оборудования из ремонта и ввода нового оборудования; 7) поломки инструмента, оснастки, приспособлений; 8) недопоставка заготовок на производственную программу или поставка их с опозданием из заготовительных цехов; 9) брак поставляемых заготовок; 10) конструкторские и технологические изменения и другие. Прежде, чем рассматривать существующие подходы к построению систем оперативного управления (СОУ) производственными процессами, отметим сложность производственных процессов класса, выделенного как объектов управления, которая проявляется в следующих особенностях [15, 30, 44, 48, 55] : 1. Большая размерность объектов, обусловленная большим количеством разнородных взаимосвязанных структурных элементов и приводящая к необходимости учета широкого множества параметров. 2. Сложность взаимосвязей между параметрами, характеризующими объект. 3. Нестационарность объектов управления вследствие из менения во времени параметров процесса под влиянием возмущений. 4. Стохастический характер поведения, не позволяющий однозначно определять будущие значения выходных показателей на основе информации об их предыстории и значениях входных параметров.
Описание динамической стохастической имитационной модели объекта управления
Для моделирования управляемого производственного процесса исследуемого класса с целью синтеза адаптивного оперативного управления в работе предлагается схема формализации объекта, особенности которой рассмотрим в следующем порядке: 1) характеристика способа задания структуры объекта управления; 2) перечень параметров, используемых для описания объекта; 3) обобщенное описание предлагаемой схемы моделирования динамики объекта; 4) перечень расчетных процедур, используемых для формирования значений параметров состояния, а также выходных параметров;1
Структура производственного процесса в имитационной модели представлена в виде графа технологической связности между М группами взаимозаменяемого оборудования в соответствии с технологическими маршрутами - G- обработки деталей, составляющих номенклатуру - Ц производственной программы. Согласно известным способам описания структуры систем [25], это можно описать в виде G--Q (М ), что соответствует заданию множества векторов && по каждой номен клатурной позиции d , T.ev где: Q - упорядоченная последовательность номеров групп оборудования m є М , описывающая технологический маршрут обработки детали ci v
На структурном уровне описания производственного процесса с помощью разработанной имитационной модели не выделен третий его основной структурный элемент - рабочие, которые в соответствии с квалификацией закреплены за группами оборудования Такой подход обусловлен стремлением избежать излишних усложнений модели, которые могут затруднить ее выполнимость, а также анализ результатов моделирования и потребовать больших машинных ресурсов для проведения имитационных экспериментов [l5j. Кроме того, принятый в работе адаптивный подход к управлению не требует детального моделирования объекта управления, важно описать то, что необходимо для построения управления. Для решаемой задачи оперативного управления на основе прогнозирования существенной является информация об изменении во времени имеющихся производственных ресурсові В разработанной имитационной модели влишше такого структурного элемента производственного процесса, как рабочий, на динамику ресурсов учитывается на основе косвенного задания его в модели, что будет описано далее. Возможность же достижения цели СОУ за счет перераспределения работ между рабочими в соответствии с уровнем их квалификации в полной мере может быть учтена на этапе сменного планирования. Процесс обработки в модели описывается как результат взаимодействия между К станками (где K={Km)т-ГР\ Km - количество единиц оборудования в m -ой группе) и I партиями деталей производственной программы (где I = \ -&\ L-Vf) 1 d количество партий деталей но -.. менклатурной позиции), которая характеризуется плановым объемом товарного выпуска N = (\ld } - рп Производственный процесс в имитационной модели рассматривается на плановом интервале Ч0 , т] длительностью Т = "fcT - t0 «На начало планового периода в момент Ь0 объект характеризуется вектором задаваемых значений входных параметров X : X=fD,I,M,K,&,N,T,R,?), где: R - сменность работы подразделения; ф - используемый алгоритм решения задачи календарного планирования,
К входным параметрам отнесены также операционные нормы трудоемкости обработки и календарно-плановые нормативы (ШШ), такие как нормальный размер партий и периодичность их запуска, а также длительность производственного цикла обработки, опережения запуска и выпуска партий деталей, нормальный уровень заделов и величины незавершенного производства. Кроме того, задается вектор значений плановых сроков выпуска f "t } # 1 = -/,1 партий деталей производственной программы, рассчитанных на основе ШШ с учетом опережений» В конце планового периода, соответствующего моменту tT , работа производственного объекта управления оценивается множеством векторов полученных значений выходных параметров У : y = ,Tn,.3,W,C,H,Q), где: Тц = {Tu,d"L . , Tu,d - средняя длительность производственного цикла обработки партий деталей d ; Tnn.3. ={TnA3.fl(}dsif , Tu,d -СреДНЯЯ продолжительность выполнения планового задания по d -ой номенклатурной позиции; Q = (Q i} 9 Q -- товарный выпуск d -х деталей в нормо-часах; Ит - средняя величина незавершенного производства (до текущей операции) для ГЛ -ой группы оборудования; С-{Ст] Сю - среднее значение суммарной текущей трудоемкости предстоящей работы в нормо-часах для m -ой группы оборудования; а также параметром 8 -оценкой достижения цели СОУ.
Анализ чувствительности к действию возмущений и управляемости производственного процесса
Проведенные исследования производственных объектов рассматриваемого класса с помощью разработанной имитационной м модели,согласно предлагаемой методике, включали: 1) оценку влияния учитываемых возмущений С і ) на выходные параметры У ; 2) сравнительный анализ влияния на выходные параметры используемых управляющих воздействий U (t)
При этом анализировалось движение объекта с точки зрения обеспечения его устойчивости.
Исследование выделенного класса производственных процессов с помощью разрабатываемой имитационной модели было осуществлено на примере конкретного механообрабатывающего процесса основного производства, который описывается следующими параметрами: 1) Б = 9 номенклатурных позиций; = (3000, 8200, 12600, 1000, 800, 20000, 4000, 7000) в натуральном выражении; I { djrj.fg - 6» 5» 15 22» 20, 5, 7) партий деталей; (значения используемых ШШ и операционных норм трудоемкости, а также способ их задания в модели смотри в программе, помещенной в приложении I); 2) М = 5 (I группа оборудования); К ={ K f — - (15, 6, 6, 10, 4) станков; 3) Т =24 рабочих дня; R =2 смены продолжительно стью 8 часов.
Имитационные эксперименты первого типа были связаны с анализом чувствительности диапазона изменения выходных параметров к действию как отдельных учитываемых возмущений (t), выделенных ранее, так и их совокупности. В серии других экспериментов этого типа анализировалось влияние вида используемой вероятностной модели (закона распределения вероятностей) для описания таких возмущений, как неритмичный характер поступления партий заготовок на обработку .,( i- ) и отклонение от операционных норм трудоемкости jL( і ) на вектор выходных параметров У
В качестве вероятностной модели ( ) и ?(0 были использованы: нормальный, равномерный и экспоненциальный законы распределения вероятности.
В имитационной модели получение реализации соответствующих случайных величин осуществляется на основе метода Монте-Карло.
Программное описание использованных способов введения в модель возмущений (t) і 2() рассматриваемых типов приведено в приложении I. Рассмотрим условия проведения и основные результаты имитационных экспериментов, связанных с анализом чувствительности выходных параметров объекта У к действию учитываемых возмущений ( )
Первая серия экспериментов была связана с исследованием начальных возмущений, в результате которых были получены зависимости параметров У от увеличения: I) планового объема выпуска товарной продукции У(лН) (см. рис, 3.2); 2) Km - количество единиц оборудования в отдельных группах У (д Km), изменение которого в обратном порядке можно рассматривать как возмущение (см. рис. 3.3).
В первом случае параметр N={Nd} н — увели чивался на 25$ с шагом по 5%. На рис. 3.2 приведены данные для номенклатурной позиции d = 3, а также группы оборудования гп = 2. Полученные зависимости отражают значительное увеличение выходных параметров Тцс » Wm » Lm » Рт под влиянием начальных возумщений 4 ( )» ь 5 (t )
На основе экспериментальных данных можно сказать, что значения параметров У увеличиваются под влиянием начальных возмущений. Степень такого увеличения зависит от: 1) структурной связности элементов производственного процесса, на которые непосредственно влияют возмущения с остальными элементами производственного процесса; 2) режима работы производственного объекта управления, характеризующегося значениями коэффициентов загрузки групп оборудования.-
Следующая серия экспериментов показала, что одновременное влияние возмущений f ( ) и 2 ( } увеличивает длительность производственного цикла обработки партий деталей d = 3 на 20-30$ (см. рис. 3.6-г) по сравнению с детерминированным описанием объекта (см. рис. 3.6-г,е). Это объясняется известным положением - чем больше деталеопера-ций, которые предстоит выполнить, закреплено за группой оборудования m , тем больше время пролеживания партий деталей в пределах этой группы (см. рис. 3.10, З.П^, а, значит, и Tu,d [29]. При учете только ( ) Tu,d увеличивается в пределах от 10 до 15% (см. рис. 3.6-а). Аналогичное воздействие (т.е. увеличение Tu,d ) оказывают и возмущения 5 ( ), 4 ( ), 5 ( ) (см. рис. 3.6).
Методика применения имитационногоо имитационного комплекса для совершенствования оперативного управления
Разработанный имитационный комплекс позволяет осуществлять как исследование производственных процессов рассматриваемого класса, так и адаптивное управление на основе прогнозирования. Он является типовым, так как применим к любому объекту исследуемого класса после предварительной настройки. Он позволяет: 1) производить необходимые объемные расчеты на исследуемом плановом периоде; 2) уточнять КПН с учетом динамических особенностей конкретного управляемого производственного процесса; 3) решать задачу календарного планирования с помощью выбранного алгоритма из набора предусмотренных в имитационном комплексе, исхоодя из выбранного критерия оптимальности; 4) автоматизировать исследования производственных процессов рассматриваемого класса как объектов управления; 5) осуществлять управление на основе прогнозирования будущего поведения производственного процесса с у четом неопределенности и действия возмущений на основе активного накопления информации об управляемом процессе в реальном времени;
6) снизить требования к системе учета или отслеживания за ходом производственного процесса для целей оперативного управления, так как позволяет настраиваться на любое текущее состояние объекта и с учетом действия возмущений в течение рассматриваемого планового периода строить прогноз конечных состояний обрабатываемых партий деталей, что снимает необходимость регулярного пооперационного учета и контроля за ходом производственного процесса;
7) сократить объем регулярно формируемых документальных форм, служащих для целей управлениям организовать управление в режиме диалога на основе получения необходимой прогнозной информации в моменты возникновения неопределенных ситуаций на объекте с целью обеспечения движения производственного процесса согласно плану;
8) снизить требования к емкости информационной базы, в связи с тем, что- определенную информацию нормативную не нужно хранить в памяти, так как в моменты необходимости она может быть вычислена с помощью разработанных процедур.
Рассмотрим методику работы с имитационным комплексом Е предусматриваемых режимах исследования и управлениям
При исследовании конкретного производственного процесса предварительно должны быть сформулированы множества учитываемых возмущений , (t)t установлением их вероятностной модели и типов используемых управляющих воздействий. После чего на основе задания вектора входных параметров может быть осуществлен анализ устойчивости исследуемого производственного процесса.
Для подготовки к рвживду управления необходимо построить семейство экспериментальных зависимостей: /(рт)\
/С ( Рт)}і m = ЛМ При решении задачи оперативного управления можно выделить следующие этапы:
1. В момент возникновения возмущений на объекте, влияние которых на достижимость цели в будущем неопределенно, осуществляется настройка имитационной модели на текущее состояние производственного процесса на основе задания вектора входных параметров, множ єства учитываемых возмущений.
2. Расчет вектора выходных параметров объекта на плановом интервале. В случае достижении цели СОУ расчеты могут быть закончены, в противном случае - переход к следующему этапу.
3. Идентификация в реальном времени значений целевой функции u(il=((j ft)) m=J с целью прогнозирования будущих моментов нарушения целевого ограничения с выделением "узких мест".
4. Расчет величины необходимого дополнительного ресурса.
5. Построение нового календарного плана-графика на предстоящем интервале времени с учетом дополнительных ресурсов.
Предлагаемый шлитационный комплекс моделирования СОУ был разработан и испытан на вычислительном центре завода-ВТУЗ а при ПО турбостроения "Ленинградский металлический завод" в рамках договора о творческом сотрудничестве при участии к.э.н. доцента Л.А.Осипова.
