CC BY
80
УДК 658.5
ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ГИБКИМ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ
ПРОИЗВОДСТВОМ
А.Д. Данилов, В.А. Ломакин
В статье рассматриваются проблемы комплексной автоматизации машиностроительного производства, а также создания интегрированной системы управления гибкими автоматизированными производствами. На основе проведенного анализа, чтобы преодолеть функциональный и информационный разрыв между системами технологической подготовки и оперативного управления производством и системами управления гибкими автоматизированными производствами, для повышения гибкости и производительности предприятия предлагается осуществление взаимоинтеграции данных обособленных и независимых друг от друга систем с помощью единого информационного пространства. Ядром созданной структуры будет PDM-система, которая является основой для производственного планирования и управления; она обеспечивает функционирование единой информационной среды на базе электронного архива, организовывает обмен информацией между подразделениями по проектированию и управлению производствами, с одной стороны, и производственными подразделениями - с другой стороны. Однако главной особенностью производства является то, что в процессе работы существует вероятность отказа технологической единицы или же её потребуется остановить на профилактический ремонт, вследствие этого необходимо иметь возможность динамического перераспределения нагрузки между оставшимся оборудованием, чтобы не останавливать все производство. Для улучшения оперативного управления производственными планами предлагается использовать инструментальные особенности муравьиных алгоритмов
Ключевые слова: гибкие автоматизированные производства, интегрированные системы управления, единое информационное пространство, муравьиный алгоритм
1. Введение
Комплексная автоматизация механической обработки обеспечивает значительное повышение производительности труда и снижение себестоимости продукции при одновременном повышении ее качества, высвобождение большого числа рабочих, улучшение условий труда.
До недавнего времени проблема комплексной автоматизации в массовом производстве достаточно полно решалась путем создания автоматических линий с широким применением многошпиндельной и многоинструментной обработки на высокопроизводительных автоматах и полуавтоматах. Однако массовое производство составляет всего около 20 % общего объема машиностроения. Остальные 80 % приходятся на серийное и единичное производство, где требуется частая переналадка оборудования и поэтому обычные автоматические линии неприемлемы. Такое производство называется быстросменным и требует особых методов и средств автоматизации. Вместе с тем в условиях ускоренного технического прогресса, когда модели выпускаемых машин все чаще заменяют новыми, более совершенными, массовое производство меняет свой характер, превращаясь в массовое - быстросменное. Для производств такого характера должны создаваться быстропереналаживаемые автоматизированные комплексы, или так называемые гибкие комплексно-автоматизированные производства (ГАП), состоящие из оборудования с ЧПУ с управлением от центральной ЭВМ [1].
Данилов Александр Дмитриевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: danilov-ad@yandex.ru Ломакин Владислав Андреевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: vldlmkn@rambler.ru
2. Структура ГАП
Организационная структура производства подразделяется на следующие уровни (рис. 1):
Рис. 1. Организационная структура ГАП
- гибкий производственный модуль (ГПМ) -единица технологического оборудования с устройством программного управления и средствами автоматизации технологического процесса, которая функционирует автономно, осуществляет многократные циклы и характеризуется способностью встраивания в систему более высокого уровня;
-гибкий автоматизированный участок (ГАУ), гибкая автоматизированная линия (ГАЛ) - совокупность ГПМ, объединенных автоматизированной системой управления и функционирующих по технологическому маршруту, в котором предусмотрена или не предусмотрена возможность
изменения последовательности использования технологического оборудования;
- гибкий автоматизированный цех (ГАЦ) -совокупность ГАУ и (или) ГАЛ, предназначенная для изготовления изделий заданной номенклатуры. Схема является общей, в реальной системе количество структурных элементов может быть другим.
3. Проблемы взаимоинтеграции систем
В современных условиях быстроперемен-ность становится общей характерной чертой всего машиностроения. Таким образом, основной проблемой в организации мощного и гибкого производства является сложность внедрения средств автоматизации для обеспечения оперативного воздействия на работу оборудования с целью быстрой переналадки для выпуска новой продукции.
Наиболее остро обсуждается вопрос экономичности и эффективности интеграции CAM-элементов в структуру управления гибкими автоматизированными производствами. САМ-система осуществляет автоматизированную подготовку управляющих программ для оборудования с ЧПУ. Данная система снижает вероятность человеческих ошибок, и, благодаря этому, количество конструкторских исправлений и переделок, неправильно спроектированных компонентов уменьшается, по сравнению с предыдущими проектами, более чем на 50 %. Таким образом, внедряя элементы автоматизированной подготовки производства в структуру управления гибкими автоматизированными производствами предприятие переходит на существенно новый уровень гибкости и технологичности производства, а так же получает положительный экономический эффект за счет ускорения производства продукции.
Сложность интеграции заключается в том, что три типичных уровня автоматизации
промышленных предприятий АСУ, САПР и АСУТП чаще всего на производстве развиваются обособленно и независимо друг от друга[1].
Все они проектировались и создавались, исходя из требований разных подразделений предприятия, и автономно обслуживали разные процессы, происходящие на производстве. Несмотря на то, что эффективное функционирование всякого предприятия требует взаимоувязанной работы всех его частей, изначально перед ними не ставились единые цели, они были слабо связанными физически и информационно, а чаще не связанными вовсе.
Кроме этого, каждая система традиционно создавалась по своим корпоративным правилам и законам. Поэтому они практически не могли обмениваться информацией между собой, так как системы не были унифицированными. К тому же, каждая из систем часто строилась на основе различных аппаратных, программных и информационных стандартов, что существенно осложняло сложившуюся ситуацию. На данный момент существует функциональный и информационный разрыв между системами (рис. 2).
Таким образом, если на предприятии не осуществлена взаимоинтеграция САПР в автоматизированную систему управления ГАП, либо выполнена частично, то увеличиваются затраты на производство продукции: конструкторские бюро и технологические отделы тратят много времени на создание конструкторской документации и исправление ошибок в ней, при запуске изделия в производство, может быть испорченно большое количество заготовок, прежде чем управляющая программа для станка с ЧПУ будет отлажена, также возможен дисбаланс со стороны планирования ресурсов предприятия, - всё это косвенные экономические потери [5].
=
<я
<и
И =
о X
н <и
о U ч 4 S са s « 2
о е CL. ° м н С и
К ^
а « О
о и
U я н Е Н я °
<и Т
S н а
U о Ч о я и « и а <и в о
<и
Н
CAD/CAE
<-►
САМ
<-►
FRP
MRP
MES
4-►
Рч
W m
Рч
w о
Рч
w m
Рч
w о
HCM/HRM
SCM
ЕRP
FRP
ЕАМ
BI
Рис. 2. Функциональный и информационный разрыв
4. Взаимоинтеграция на основе ЕИП
Таким образом, для повышения гибкости и производительности предприятия, для ликвидации функционального разрыва между системами технологической подготовки и системами управления гибкими автоматизированными производствами предлагается создание единого информационного пространства.
Основой ЕИП будет система управления данными об изделии. PDM (Product Data Management) - является основой для производственного планирования и управления; обеспечивает функционирование единой информационной среды на базе электронного архива, организовывает обмен информацией между подразделениями по проектированию и управлению производствами, с одной стороны, и производственными подразделениями - с другой стороны. Ядром PDM является нормативно-справочная база, отражающая структуру и специфику работы конкретного предприятия. Для управления производством требуются номенклатурные базы данных, поэтому автоматизируются все справочники и нормативные данные, упорядочиваются исходные данные, вводится система кодирования для комплектующих и покупных изделий, наполняется база данных PDM[2].
В конечном итоге, формируется электронный архив конструкторской и технологической документации. При использовании единого информационного пространства появляется возможность интеграции САМ-элементов в структуру управления гибкими автоматизированными производствами[6]. Ниже изображена схема интеграции САМ-элементов в структуру систем управления ГАП (рис.3).
5. Оптимизация производственных планов ГАП
Взаимоинтеграция систем, бесспорно,
повышает технологический уровень предприятия, экономической эффективности, а так же качества продукции.
Однако главной особенностью производства является то, что в процессе работы существует вероятность отказа технологической единицы или же её потребуется остановить на профилактический ремонт, вследствие этого необходимо иметь возможность динамического перераспределения нагрузки между оставшимся оборудованием, чтобы не останавливать все производство.
Практика показывает, что задачи подобного рода эффективно решаются эволюционными методами, например, с помощью муравьиного алгоритма.
Для того чтобы справиться с неравномерной загрузкой производственных модулей, для оптимального подбора технологического оборудования, для перераспределения нагрузки на производственные единицы в случае непредвиденного выхода оборудования из строя, предлагается внедрить в систему управления ГАП имитационный алгоритм моделирования производственного процесса [7].
Применение инструментальных возможностей муравьиных алгоритмов для оперативного управления производственными планами ГАП предполагает распределение оборудования по технологическим операциям согласно плану выпуска продукции, а также позволяет проводить ремонт ГПМ и профилактические работы, без простоев производства. Также, благодаря применению муравьиных алгоритмов достигается оптимизация складской логистики.
Задачей создания оптимального плана работы ГАП является составление расписания технологических маршрутов обработки деталей для
CAD
Чертеж Спецификация
О
изменения
О
\7
PDM
Сборка Чертеж Спецификация Маршрутный техпроцесс
изменения
Система управления ГАП
CAM
Маршрут Техпроцесс Нормы
<о
о
документы
АСУтП
Бухгалтерия
Информационные технологии
Рис. 3. Схема интеграции САМ-элементов в структуру систем управления ГАП
производственных участков, удовлетворяющего сформулированным условиям, которое представляется в виде графа.
Для решения задач оптимизации производственных маршрутов, удовлетворяющих соответствующим критериям, существует огромное количество графов.
Задача представляется в виде графа:
G=(V,D,P), (1)
где V - вершины, которые описывают этапы обработки деталей;
D - дуги графа, описывают время перехода между технологическими операциями;
Р - матрица правил перехода, для каждой дуги (у) е D присваивается вес Ру.
Изначально формируется граф, который состоит из стартовой и конечной вершины, а также из промежуточных вершин, которым присваиваются этапы технологических операций (ТО) над определенными изделиями. В стартовой вершине задаются начальные параметры алгоритма, которые соответствуют плану производственной программы. На следующем этапе создается матрица указателей на ряды вершин, при этом количество рядов равно числу наименований изготавливаемых изделий.
Количество технологических операций над деталями определяет число вершин в каждом ряду. Данные параметры задаются в соответствии с технологической картой и хранятся в массивах.
Следующим этапом формирования графа является инициализация ребер, результат записывается в виде динамического списка.
Далее создается массив муравьёв, элементами данного массива является количество технологических машин, а так же транспорт, который участвует в производстве. К параметрам муравьев относятся объемы лотков, в которые помещаются заготовки, готовые изделия и инструмент.
Множество муравьев к=1,.. ,,пк помещается в стартовую вершину. Затем каждый муравей осуществляет переход в вершину I уровня на основании алгоритма моделирования полной группы событий (2).
к
Р = , IР =!,
I к
где К - рассчитывается по формуле (3) к Т° * * ¥
(2)
(3)
где То^ - время, затраченное на технологическую операцию О^ над партией деталей 1-того типа (4);
И" - коэффициент, характеризующий возможность перехода (ИГ = 1);
Ts1 - срок изготовления партии деталей 1-того типа (5).
Т°У=1Тпц+ Туу*пу,
Н
(4)
ческую операцию Оу над деталью 1-того типа;
пу - количество деталей, ожидающих обработку di (партия запуска);
Тпу - время, затраченное на наладку ГПМ для выполнения технологической операции Оу.
Ts1 = к1*а1 (5)
где к1 - количество дней на выполнение заказа;
dl - длительность рабочего дня, ч.;
При переходе межу вершинами пересчитыва-ются следующие параметры:
- в вершине, в которую перешёл муравьиный агент, количество запланированных деталей уменьшится, а число выпущенных деталей увеличится на величину предметов, содержащихся в лотке для заготовок;
- для муравьиного агента определяется время, за которое он освободится по формуле: (6).
Т™ * = Тп * + ТпР * + п* * ^, (6)
Затем определяются вероятности перехода из начала графа в вершины I уровня, учитывая тот факт, что некоторое количество заготовок ушло на обработку. По формуле (7) определяется время выполнения технологической операции:
ТУ = I Тп + ТУ * (п — п )
У ¿^ 1] 1] "1 1 пл 1] /
(7)
где пц - количество обрабатываемых деталей на данный момент времени d1 (партия деталей).
В итоге, осуществляется переход всех агентов в вершины I уровня.
Затем, определив муравья, у которого время выполнения технологической операции минимально, рассчитываются вероятности перехода в доступные вершины.
При расчетах вероятностей необходимо учитывать, что в качестве п1пл необходимо брать параметр вершины, в которую нужно осуществить переход. Для определения времени, которое затрачивается на выполнение плана изготовления 1-й детали, применяют формулу (8).
Тз 1 = Тз 1 — Тс^
У
(8)
где Тущ - время, затраченное на технологи-
Когда завершается последняя операция над 1-тым типом выпускаемых изделий, что соответствует нахождению муравья в конечной вершине, количество фактически изготовленных деталей увеличивается на количество готовых. Данный маршрут проходят все муравьи, когда будет произведен расчет вероятностей возможных переходов между вершинами. Элементы массива оборудования в вершине, из которой осуществляется переход, обнуляются, а в вершине перехода становятся равными 1.
В итоге, алгоритм создания маршрута по графоаналитической модели распределения загрузки технологических модулей одной популяцией муравьев продолжается, пока количество выпущенных и запланированных деталей не сравняется. Таким образом, время выполнения плана по изготовлению продукции равно времени освобождения последнего муравья, выполняющего обработку 1-того типа детали [7].
6. Заключение
Таким образом, благодаря интеграции и усовершенствованию системы управления гибкие автоматизированные производства будут в себе сочетать гибкие технологии, позволяющие быстро и с минимальными затратами перестроить производство при выходе из строя технологического оборудования или оперативно наладить выпуск нового вида продукции.
Также высокий уровень автоматизации взаимосвязанных технологических операций и процесса управления ими, позволяет исключить необходимость непосредственного участия людей в производственном процессе.
Литература
1. Маслобоев, А.В. Интегрированные системы управления [Текст] / А.В. Маслобоев, - Апатиты: КФ ПетрГУ, 2009. - 157 с.
2. Данилов, А.Д. Цифровые системы управления [Текст] / А.Д. Данилов, В.Н. Головнев,- Воронеж: ВГЛТА, 2007.- 235 с.
Воронежский государственный технический университет
3. Данилов, А.Д. GTD, коллаборация и автоматизация документооборота на крупных предприятиях с распределенной структурой [Текст] /А.Д.Данилов, А.Н. Бо-ровцов //Вестник Воронежского государственного технического университета.- 2011.- Т. 7.- № 1.- С. 69-73.
4. Данилов, А.Д. Модели для автоматизированного проектирования поточных производств [Текст] /А.Д. Данилов // Вестник Воронежского государственного технического университета.- 2009.- Т.5.- № 6.- С. 163-166.
5. Данилов, А.Д. Технические средства автоматизации [Текст] / А.Д. Данилов. - Воронеж: ВГЛТА, 2007.- 340 с.
6. Погонин, В.А. Интегрированные системы проектирования и управления. Корпоративные информационные системы [Текст] / В.А.Погонин, А.Г. Схиртладзе ,-Тамбов : Тамб. гос. техн. ун-т, 2006. - 144 с.
7. Ченгарь, О.В. Оптимизация работы производственного участка машиностроительного предприятия на основе метода муравьиных колоний [Текст] / Ю.А. Скоб-цов, О.В. Ченгарь // Вестник Национального технического университета. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2010. №31. - С. 177-183.
INTEGRATION CAM-ELEMENTS IN STRUCTURE OF CONTROL BY THE FLEXIBLE
MANUFACTURING SYSTEM
A.D. Danilov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: danilov-ad@yandex.ru
V.A. Lomakin, Postgraduate, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: vldlmkn@rambler. ru
In article it are consider problems of complex automation of machine-building production and problems of creation of the integrate control system by the flexible manufacturing systems. To overcome the functional and information gap between CAD/CAE/CAM and control systems for flexible automated production, to improve the flexibility and performance of the company is proposed that the integration of isolated systems through a single information space. The PDM system is provides production planning and management, functioning of the single information environment based on electronic archive, organizes exchange of information between divisions on designing and management of productions and production divisions. On production there is a probability of refusal of technological unit or a stop on preventive repair. Dynamic redistribution of loading between the equipment is necessary not to stop production. It is proposed to use instrumental characteristics of ant algorithm to optimize the operational control of production plans
Key words: flexible manufacturing system, integrate control systems, uniform information field, ant algorithm
References
1. Masloboev A. V. Integrirovannye sistemy upravlenija [Integrated control systems] / - Apatity: KF PSU, 2009. - 157 p.
2. Danilov A. D. Cifrovye sistemy upravlenija [Digital control systems] / Voronezh. - Voronezh State University of Forestry and Technologies, 2007. - 235 p.
3. Danilov A. D. GTD, kollaboracija i avtomatizacija dokumentooborota na krupnyh predprijatijah s raspredelennoj strukturoj [ GTD, collaboration and document circulation automation on the large enterprises with the distributed] / Messenger Voronezh State Technical University. - 2011. - T. 7. - №1.-69-73 p.
4. Danilov A. D. Modeli dlja avtomatizirovannogo proektirovanija potochnyh proizvodstv [Models for the automated designing of line productions] / Messenger Voronezh State Technical University. - 2009. - T. 5. - №6.-163-166 p.
5. Danilov A. D. Tehnicheskie sredstva avtomatizacii [Technical means of automation] / Voronezh. - Voronezh State University of Forestry and Technologies, 2007. - 340 p.
6. Pogonin V. A. Integrirovannye sistemy proektirovanija i upravlenija. Korporativnye informacionnye sistemy [The integrated systems of design and management. Corporate information systems ] / Tambov State Technical University. - 2006, - 144 p.
7. Chengar O. V. Optimizacija raboty proizvodstvennogo uchastka mashinostroitel'nogo predprijatija na osnove metoda mu-rav'inyh kolonij [Imitating algorithm of modeling of organizational technological processes in a flexible production systems] / Messenger of National technical university. - 2010. № 31. - 177-183 p.
