CC BY
76
ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА
И.В. Лысенко
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ С ВЫЯВЛЕНИЕМ УЗКИХ МЕСТ ПРОЕКТИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ ЗА СЧЕТ МОДЕЛИРОВАНИЯ БУДУЩЕГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА
I. V. Lysenko
MAIN PRINCIPLES OF DESIGNING HI-TECH MECHATRONIC SYSTEMS WITH REVEALING BOTTLENECKS OF DESIGNED SYSTEM BY MODELLING FUTURE PRODUCTION
Ключевые слова: мехатронная система, высокотехнологичная система. Проектирование. Моделирование, системный анализ, синергетический эффект высокотехнологичных систем, контуры управления системой, принципы обратной связи, характеристики меха-тронной системы. Самосовершенствующаяся система.
Key words: mechatronic system, hi-tech system. Designing. Modelling, system analysis, synergic effect of hi-tech systems, system control outlines, principles of a feedback, characteristic mechatronic systems. Self-improved system.
Аннотация
Сформулированы основные принципы проектирования высокотехнологичных мехатрон-ных систем, выявлены их обязательные характеристики, описаны требования к проектированию и моделированию систем и технологических процессов, приведен пример выявления узких мест проектируемой системы за счет моделирования производственного процесса и т.д.
Abstract
Main principles of designing hi-tech mechatronic systems are formulated, their essential characteristics are revealed, requirements to designing and modelling systems and technological processes are described, the example of revealing bottlenecks of designed system by modelling production, etc.
Мехатронная система - это множество взаимосвязанных механических, электронных и компьютерных элементов, интегрированных на основе методов параллельного проектирования (concurrent engineering methods).
Внедрение автоматизированных систем управления в проектирование, управление оборудованием, технологическими процессами, процессы принятия управленческих решений, рассматривается как важнейшее направление научно-технического прогресса в области интенсификации производства. Особенно высока роль вычислительной техники и средств автоматизации при решении задач оперативного управления автоматизированным производством, функционирующем на основе использования промышленных роботов, станков с числовым программным управлением, гибких автоматизированных линий. Широкое распространение получают системы на основе взаимодействия АСУ различных уровней, типизации программного, информационного, организационного обеспечения, построения банков данных .
Большое значение в иерархических мехатронных системах приобретает проблема координации подсистем, означающая такое воздействие, которое заставляет подсистемы действовать согласованно. Это особенно важно для мехатронных систем, в которых составляющие части объединяются таким образом, что образованная система обладает качественно новыми свойствами. Наблюдаемый синергетический эффект высокотехнологичных систем, то есть появление нового качества у сложной системы, которое в явном виде отсутствует у составляющих ее компонентов (элементов и подсистем), характерен именно для мехатронных систем, так как свойства системных компонентов влияют на характеристики синергетического эффекта.
В общем случае сложная мехатронная система представляется как многоуровневая конструкция из взаимодействующих элементов, объединяемых в подсистемы различных уровней. Расчленение системы на элементы в общем случае может быть выполнено неоднозначным образом и является в высшей степени условным.
В сложных системах важную роль играют вопросы управления. Управление представляет собой процесс сбора, передачи и переработки информации, осуществляемый специальными средствами. От элементов системы к управляющим устройствам поступает осведомительная информация, характеризующая состояние элементов системы. Кроме того, средства управления могут получать информацию извне в виде управляющих команд от вышестоящих органов управления или воздействий внешней среды. Управляющие устройства перерабатывают всю поступающую к ним информацию. В результате этой переработки синтезируются управляющие команды, которые изменяют состояния и режимы функционирования элементов системы.
В сложных системах обычно выделяются специфические контуры управления, вдоль которых циркулируют потоки информации, (осведомительной - от элементов системы к управляющим устройствам, и управляющей - от управляющих устройств к элементам системы). Часто контуры управления являются замкнутыми и носят характер обратной связи: фактическое значение регулируемого параметра сравнивается со значением этого параметра, требуемым программой управления; наличие отклонения от программы служит основанием для выработки корректирующих сигналов - управляющей информации. Применение принципа обратной связи позволяет избежать грубых ошибок, если только средства управления работают исправно.
В последние годы в связи с развитием электроники и вычислительной техники в качестве средств управления используются цифровые вычислительные машины, выполняющие функции обработки информации, планирования и оперативного управления процессами, протекающими в сложных системах.
Основные характеристики мехатронных систем, которые необходимо учитывать при их проектировании: вещественно-энергетический баланс (соблюдение законов сохранения); гомеостазис, имеющий ряд особенностей: каждый механизм приспособлен к своей цели. Целью его является поддержание значений основных переменных внутри заданных границ (регулирование освещённости в помещении, устойчивое и оптимальное функционирование системы в изменяющейся социальной среде и т.п.). В основе гомеостазиса лежит механизм обратных связей; самоорганизация на основе выбора и коррекции; преадаптация, т.е. приспособление к возможным и предвидимым изменениям в условиях функционирования системы; рефлексия - вид функционирования, находящий всё большее применение в информационных технологиях, когда происходит взаимодействие искусственного и естественного интеллектов и осуществляется принцип опережающего отражения, способность к управлению и самоуправлению.
Учёт вышеприведенных свойств системы при проектировании мехатронных систем должен способствовать созданию эффективных информационных моделей мехатронных систем. Системный подход к анализу проблем управления рассмотрим ниже.
Анализ литературных источников показал, что для эффективного функционирования, сохранения и развития производственная система должна обладать свойствами: эквифиналь-ности, устойчивости, самосовершенствования, надежности, эмергентности.
Самосовершенствующаяся система управления способна автоматически изменять способ функционирования управляющей части системы при изменении непредвиденным образом характеристик внешней среды. При выработке путей достижения конечной цели или подцелей принцип обратной связи служит достижению этих промежуточных целей, которые проектируются или формируются заново в зависимости от конкретной ситуации в реальной действительности и отражаются в моделях, описывающих технологию и организацию производства, а также потребность в ресурсах всех видов.
Функционирующая производственная система должна обладать достаточным уровнем надежности.
Надежность системы - это ее свойство, складывающееся из безотказности, долговечности и способности к восстановлению, которое обеспечивает нормальное выполнение заданных функций при определенных условиях.
Для исследования принципов управления, построения и анализа соответствующих информационных систем, количественной оценки устойчивости и качества управления, а также его влияния на эффективность функционирования системы необходимо использовать принципы и элементы системного подхода.
При проектировании высокотехнологичных мхатронных систем необходимо провести предварительное моделирование системы, которое будет включать следующие этапы: разработка концептуальной модели; разработка и программная реализация имитационной модели; проверка правильности имитационной модели; достоверность модели и оценка точности результатов моделирования; планирование и проведение эксперимента; принятие решений.
Предположим, что при моделировании производственного процесса на проектируемой мехатронной системе были зафиксированы относительные времена работы и простоев элементов оборудования в динамике его функционирования. Посмотрим, как эти данные могут быть использованы для получения практических рекомендаций, связанных с усовершенствованием производственного процесса.
Как известно, в некоторых случаях износ инструмента и разладка станков и другого оборудования находятся в прямой зависимости от времени фактической их загрузки. Кроме того, иногда качество продукции определяется длительностью интервалов времени между периодическими заменами инструмента и наладками станков и оборудования. Длительность наладки (замены инструментов) - это интервал времени, в течение которого данное устройство не работает. Располагая сведениями об относительном времени работы и простоя всех устройств и оборудования, мы можем поставить задачу об оптимальном планировании режимов наладки и замены инструмента.
В простейшем случае рассматриваемая задача может иметь следующий вид. С увеличением интервалов работы растут потери, связанные с ухудшением качества продукции. Наоборот, когда эти интервалы уменьшаются, упомянутые потери снижаются; однако увеличиваются потери, связанные с затратами на наладку и замену инструмента, а также потери в выпуске продукции за интервалы наладки. Необходимо выбрать такой регламент наладки оборудования, чтобы суммарные потери оказались минимальными. Естественно, что на практике могут иметь место и другие подходы к решению этой задачи. Кроме планирования периодических наладок, сведения о величинах относительного времени работы и простоя элементов оборудования могут быть использованы и для других целей. Сопоставление этих величин для различных устройств зачастую позволяет вскрыть причины, порождающие завышенные простои отдельных станков или их групп, получить рекомендации, связанные с более равномерной загрузкой оборудования. Например, могут быть случаи, когда какое-нибудь устройство имеет относительное время простоев, близкое к нулю, а другие элементы оборудования загружены значительно слабее. В связи с этим возникает подозрение: не является ли упомянутое устройство своеобразным «узким местом», тормозящим работу других элементов оборудования? Часто узким местом оказываются средства внутризаводского транспорта, доставляющие полуфабрикаты к соответствующим рабочим местам. Ликвидация такого узкого места может быть осуществлена двумя путями: увеличением пропускной способности транспортных средств и увеличением «заделов» (запасов полуфабрикатов), находящихся на рабочих местах. И первый и второй подходы к этой задаче связаны с дополнительными затратами. Возникает вопрос: какое соотношение между пропускной способностью транспортных средств и размерами заделов оказывается оптимальным?
Если же узким местом оказываются не транспортные средства, а один из станков, выполняющих обработку полуфабриката, то представляет интерес другой вопрос: будет ли экономически оправданным существенное увеличение производительности этого станка (например, замена более мощным станком или установка дополнительного станка-дублера)?
Таким образом, при проектировании высокотехнологичных мехатронных систем необходимо четко осознать структуру и все уровни иерархии будущей системы, определиться с оборудованием и характеристиками каждого уровня так, чтобы они соответствовали требованиям управляемости и управления, качества и надежности, функциональности, вещественно-энргетического баланса, гомеостазиса, переадаптации и рефлексии и т.д.; моделировать не только саму систему, но и технологические процессы, реализуемые на базе системы с дальнейшим анализом и выявлением узких мест; планировать все этапы жизненного цикла мехатронной системы с учетом ее будущей эксплуатации с переналадками, расчетом экономической эффективности всей системы и ее каждого узла, оптимизацией графика эксплуатации и т.д.
