CC BY
140
УДК 681.3.06
ПОДХОДЫ К АЛГОРИТМИЗАЦИИ ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМАХ
В.В. Васецкий, В.М. Питолин
В статье рассмотрены особенности выполнения функций диспетчеризации в децентрализованной системе, которые позволяют определить состав и структуру алгоритмов межмодульной диспетчеризации и организацию их взаимодействия с другими модулями данной системы управления модулями. Описанная функция системы диспетчеризации обеспечивает эффективное взаимодействие всех элементов компьютерно-интегрированного производства в режиме планового и оперативного управления
Ключевые слова: алгоритмы, диспетчерское управление, компьютерно - интегрированное производство
Компьютерно-интегрированное производство (С1М) представляет собой технологическую систему со сложной структурой циркулирующих материальных и информационных потоков. В общей функциональной структуре С1М можно выделить следующие основные локальные производственные модули (ЛПМ): системы входного и финишного контроля, системы концентрации материальных потоков (автоматизированные склады исходной, промежуточной и готовой продукции), транспортные системы, системы обработки и системы сборки, функционирующие под контролем соответствующих локальных систем управления (ЛСУ). Количество данных элементов, их компонентное и функциональное содержание, а также структура технологических связей между ними определяются условиями выполнения конкретной производственной программы и мощностями материальных потоков.
Как отмечено в [1] , в автоматическом и автоматизированном режимах работы С1М для синхронизации взаимодействия всех его элементов необходим обмен информацией между ЛСУ и центральным управляющим устройством (ЦУУ). Элемент С1М нижнего уровня, получив управляющую команду Инь выполняет определенной действие, после чего посылает в систему диспетчеризации сообщение Сн и ждет новой команды на выполнение следующего действия (рис. 1). Ритм работы С1М определяется частотой обмена командами и сообщениями ЛСУ и ЦУУ. Управляющие команды обеспечивают согласованную работу оборудования с целью выполнения планового задания по обработке определенной номенклату-
Васецкий Виктор Витальевич - ВАИУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 243-76-78
Питолин Владимир Михайлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243-76-78
ры изделий. Выработка управляющих команд осуществляется на основе информации о текущем состоянии элементов С1М с использованием алгоритмов диспетчирования и моделей локальных производственных систем. На входе системы диспетчеризации имеется плановое задание иВ из системы планирования (рис. 1), сообщения о выполнении которого СВ система диспетчеризации посылает в систему планирования. Несвоевременная выдача управляющих команд на элементы С1М приводит либо к невозможности их выполнения, либо к простоям по вине системы управления. ЛСУ элементами должны иметь возможность проверки управляющей команды на ее корректность и синтаксическую правильность.
Диспетчеризация в С1М осуществляется на двух уровнях: внутри ЛПМ и между ЛПМ. Такое деление связано с модульным принципом построения С1М. Локальный производственный модуль имеет свою систему управления модулем (СУМ).
Внутримодульная диспетчеризация (ВМД) представляет собой согласование действий элементов С1М, входящих в ЛПМ. Целью ВМД является обеспечение выполнения действия в С1М. Таким образом, система ВМД выполняет функции оператора по управлению производственным процессом.
Межмодульная диспетчеризация (ММД) заключается в распределении планового задания между отдельными ЛПМ, определении и согласовании выполнения во времени действий с учетом их обеспеченности ресурсами. Функции ММД соответствуют функциям руководителя производства. Здесь управление идет с совместным выполнением технологических операций С1М, а не отдельной операции.
Решения при ВМД принимаются на основе текущей информации об элементах ЛПМ, а при ММД используется динамическая инфор-
мационная модель, отражающая текущее состояние СІМ.
Рис. 1. Взаимодействие и структура объектов при диспетчеризации
Выделение при диспетчировании двух уровней позволяет произвести декомпозицию задачи управления на ряд подзадач, что дает возможность упростить задачу диспетчеризации и получить эффективные методы решения. При этом подзадачи решаются СУМ и ЦУУ.
Состав функций системы диспетчеризации может быть определен из анализа действий операторов автоматизированного оборудования и руководителей производства при организации процесса выпуска изделий в условиях случайных возмущений [1]. Укрупненная структура этих функций приведена на рис. 2.
Основная функция системы - выработка управляющих команд на начало выполнения действий элементами С1М с целью обеспечения реализации планового задания или максимальной производительности оборудования. В частных случаях могут быть сформулированы и другие технико- экономические критерии.
Информация о текущем состоянии С1М формируется за счет анализа сообщений, поступающих из ЛСУ или с датчиков системы контроля хода производственных процессов.
Динамическая информационная модель позволяет провести идентификацию текущего состояния С1М с целью определения возможности продолжения нормального функционирования. Идентификация текущего состояния как нормального соответствует разрешению продолжать выдачу управляющих команд на СУМ.
Состояние С1М, при котором нормальное продолжение работы невозможно, идентифицируется как аварийная ситуация. В этом случае система диспетчеризации должна выполнять обработку аварийной ситуации с целью
определения дальнейшего поведения С1М: либо продолжение работы, либо выявление аварийного элемента, вывод его из множества доступных ресурсов и выдача управляющей команды в ремонтную службу.
Рис. 2. Структура функций диспетчеризации СІМ
В конце или в течение смены ЦУУ может потребовать от системы диспетчеризации статистическую информацию о работе С1М. Эти данные могут использоваться системой планирования в рамках автоматизированных рабочих мест различных уровней, а также для корректировки алгоритмов самой системы диспетчеризации.
Система диспетчеризации любого уровня должна выполнять указанные функции, однако их реализация может быть различной. В целом выполнение действия в С1М можно представить состоящим из следующих этапов:
1. Определение вида основной операции, реализацией которой является данное действие.
2. Обеспечение действия ресурсами:
2.1. выбор элементов С1М в качестве ресурсов действия;
2.2. диспетчеризация вспомогательных действий, изменяющих состояние выбранных ресурсов от текущего к требуемому для начала выполнения действия.
3. Запуск действия на выполнение:
3.1. проверка возможности начала действия;
3.2. формирование управляющей команды начала действия или вызов программы внут-римодульного управления.
Система диспетчеризации может работать в различных режимах: программная (цикловая) диспетчеризация; диспетчеризация при наличии сменно-суточного задания, составленная на этапе краткосрочного оперативного планирования; динамическая диспетчеризация.
При цикловой диспетчеризации выделяются повторяющиеся последовательности действий элементов - циклы [1]. Для цикла фиксируется состав ресурсов, их состояние и моменты начала каждого действия внутри цикла. Как правило, цикловая диспетчеризация реализуется на внутримодульном уровне. Примером цикла является работа элементов ЛПМ при последовательной обработке деталей из накопителя. В этом случае число последовательно выполняемых циклов равно числу деталей в накопителе. К началу цикла должно быть обеспечено определенное состояние ресурсов ЛПМ. Управление заключается в запуске цикла и контроле его протекания, что позволяет определить момент перехода ЛПМ в аварийное состояние или момент окончания цикла.
Диспетчеризация при наличии сменносуточного задания происходит в условиях, когда последовательность выполнения работ является заданной. Диспетчеризация заключается в выборе очередного действия из имеющейся в сменно-суточном задании последовательности, в проверке возможности его начала, и, если таковая имеется, выдаче управляющей команды на начало действия. В случае невыполнения условий начала действия, например, из-за отсутствия одного из ресурсов, система либо ждет его появления, либо переходит к выполнению следующего по порядку действия.
При динамической диспетчеризации все этапы с 1 по 3 выполняются на основе только текущей информации о состоянии С1М. Система диспетчеризации анализирует возможность выполнения действий над имеющимися в С1М партиями заготовок и полуфабрикатов и по мере возможности выдает управляющие команды на начало выполнения действий. Если имеется ряд действий, то система выбирает одно из них, используя какую-либо эвристическую процедуру.
Для нормального функционирования С1М в реальном масштабе времени необходимо выполнение всех функций диспетчеризации. Как указывалось выше, они реализуются на множестве СУМ и ЦУУ. Распределение функции
диспетчеризации между этими системами определяется выбранной концепцией управления.
Имеют место две концептуальные модели диспетчеризации С1М: централизованная и децентрализованная (распределенная). Необходимо иметь в виду, что рассматривается лишь распределение функций при межмодульном управлении.
Концепция централизованной системы диспетчеризации С1М предполагает наличие мощного ЦУУ, на которое передается большинство функций по управлению С1М в реальном масштабе времени. ЦУУ производит анализ состояния С1М, определяет действия для каждого модуля и планирует их начало, распределяет ресурсы между действиями, выдает управляющие команды, контролирует выполнение сменного задания и его корректировку. ЛПМ осуществляет прием управляющей команды, ее выполнение и выдачу сообщения в ЦУУ об окончании выполнения команды. Кроме того, ЛПМ выдает еще ряд сообщений о приеме команды, сбоях при выполнении действия и т.п.
При использовании концепции децентрализованной диспетчеризации большинство функций передаётся на выполнение в СУМ. Основным отличием является возможность ЛПМ в процессе функционирования С1М общаться между собой минуя при этом ЦУУ, которого в системе может и не быть. За ЦУУ остается лишь передача сменно-суточного задания ЛПМ, контроль за его выполнением и при необходимости корректировка. Все остальные функции диспетчеризации выполняются самими ЛПМ. Модуль анализирует свое состояние, выдает заявки другим модулям на требуемые ему ресурсы, анализирует заявки или принимает заявки на выполнение, выдав при этом сообщение другим модулям. Таким образом, в децентрализованной системе циркулируют заявки и сообщения.
Централизованная система диспетчеризации требует сложного ЦУУ и сравнительно простых СУМ. Наличие всей информации о состоянии С1М в ЦУУ позволяет искать оптимальное взаимодействие ЛПМ, применяя сложные методы и алгоритмы. Однако в этом случае требуется много времени на принятие решения, а при выходе из строя ЦУУ С1М перестает функционировать. Чем меньше операционная гибкость ЛПМ, тем больше функций по управлению выполняет ЦУУ и тем больше потребность в централизованной системе диспетчеризации. При ЛПМ большой гибкости про-
исходит их адаптация к текущему состоянию СІМ и в любой момент времени состав выполняемых действий можно легко изменить. Поэтому для сравнительно простых в структурном отношении СІМ децентрализованная система диспетчеризации обеспечивает хорошую пропускную способность.
В централизованной системе диспетчеризации ЦУУ выдает управляющие команды на ЛПМ и принимает сообщения. Информационное содержание типовой управляющей команды состоит из номера команды, ее кода, кода операции, кода ЛПМ, на который передается команда, списка ресурсов, участвующих в выполнении действия, значений их параметров и служебной информации.
В децентрализованной системе диспетчеризации ЛПМ обмениваются друг с другом заявками на ресурсы и сообщениями. Команды на выполнение того или иного действия в системе не циркулируют. Типовая заявка на ресурс содержит следующую информацию: код ЛПМ, выдавшего заявку; код ЛПМ (если он известен), которому передается заявка; тип заявки (получение или выдача ресурса); тип и параметры ресурса; приоритет заявки; служебная информация.
При приеме ЛПМ заявки на ресурс к исполнению выдается сообщение, содержащее: код ЛПМ, принявшего заявку; код ЛПМ, пославшего заявку; тип ответа; код элемента СІМ; параметры текущего состояния элемента.
В децентрализованной системе диспетчеризации ЛПМ не имеет информации об общих целях, преследуемых всей системой. ЛПМ знает только собственные локальные цели, критерии, алгоритмы диспетчеризации. Целенаправленное взаимодействие в рамках всего СІМ организуется путем формирования таких условий, при которых выполнение локальных целей ЛПМ приводит к удовлетворению общих целей СІМ.
Децентрализованная система диспетчеризации обладает более высокой надежностью, чем централизованная, так как при выходе из строя одного из ЛПМ остальные продолжают функционировать.
Остановимся подробнее на содержательном аспекте работы рассматриваемых систем диспетчеризации [1].
Централизованная система диспетчеризации
При диспетчеризации множество основных действий, являющихся реализацией технологических операций обработки, как правило, известно. Оно определяется номенклатурой
выпускаемых изделий и их маршрутной технологией. В свою очередь, множество вспомогательных действий заранее не известно и зависит от ряда факторов, связанных с выполняемыми основными действиями и ресурсами С1М.
Особенностью решения задачи диспетчеризации С1М является необходимость определения следующего выполняемого действия непосредственно сразу после окончания предыдущего, т.е. в режиме реального масштаба времени. Эта особенность объясняется двумя причинами: во-первых, ограниченным количеством ресурсов С1М, требующихся для выполнения основных и вспомогательных действий, что исключает возможность их заблаговременного распределения между действиями на этапе планирования, и, во-вторых, тем, что в связи с большим разбросом операционных времен не представляется возможным строго определить последовательность основных и вспо-
могательных действий.
В теории расписаний рассматриваются два возможных подхода к решению задач диспетчеризации [2, 3]:
организация очередей работ к каждому элементу С1М или группе идентичных элементов и последующий приоритетный выбор из этих очередей работ на выполнение;
организация общей очереди работ, готовых к выполнению, выбор из которых осуществляется по приоритетному правилу при освобождении одного из ресурсов системы.
Наибольшее распространение получил первый из подходов. Одна из возможных реализаций базируется на методе локальных целей, представляющем собой модификацию метода эвристических приоритетов [4].
В работе [5] для ряда условий рассмотрены алгоритмы, реализующие второй из подходов к решению задачи диспетчеризации. Здесь имеет место общая очередь работ с различными ограничениями на последовательность их выполнения, причем предполагается, что множество работ заранее известно.
В работе [1] в рамках концепции централизованных систем диспетчеризации предлагается использовать так называемый РДО -метод. Система диспетчеризации, использующая РДО-метод, представляет собой интеллектуальную систему продукционного типа.
Диспетчеризация организуется как интеллектуальная система, состоящая из системы принятия решений (вывода), базы данных, описывающей цель функционирования С1М и текущее состояние его элементов, а также базы
знаний, содержащей описания операций в форме правил продукций и организованной как система фреймов [6, 7].
РДО -метод позволяет использовать два способа построения сети. Первый способ - алгоритмический, когда последовательность действий в каждой ветви сети определяется заранее составленным алгоритмом в зависимости от состояния ресурсов С1М. Второй способ -построение плана изменения состояния системы методами искусственного интеллекта.
Аварийные ситуации могут распознаваться системой диспетчеризации по следующим событиям: приход сообщения от элемента С1М о возмущении; аварийное завершение действия или невозможность его продолжения; обнаружение невозможности продолжать выполнение какой-либо ветви сети действий; определение состояния С1М, не предусмотренного графом действия.
Децентрализованная система диспетчеризации
Децентрализованная система диспетчеризации состоит из самостоятельных подсистем, каждая из которых независимо определяет средства воздействия на объект управления [8, 9]. Взаимосвязь подсистем достигается за счет согласования их работы через среду, в которой они функционируют. Это позволяет системе достичь поставленную перед ней цель в результате работы локальных подсистем.
Децентрализованные системы имеют ряд преимуществ, определяющих их перспективность в С1 М: высокая оперативность за счет меньших объемов обрабатываемой информации; повышенная надежность как результат самостоятельности СУМ; инвариантность алгоритмов диспетчеризации к конкретным условиям С1М; невысокие требования к мощности вычислительных средств; отсутствие общего критерия функционирования. Вместе с тем, как показано в работе [8], за счет подбора алгоритмов управления в децентрализованной системе можно достичь сколь угодно хорошего приближения критерия к глобальному оптимуму.
Децентрализованные системы обладают и рядом недостатков, одним из которых является большое время адаптации системы при изменениях внешней среды. Другим недостатком является требование информационной пол-носвязности сети СУМ, тогда как в централизованной системе требуются лишь информационные связи между ЦУУ и СУМ.
В децентрализованной системе все функции по диспетчеризации как ВМД, так и ММД,
реализуются на множестве СУМ. Все СУМ функционируют самостоятельно, поэтому для каждой конкретной СУМ в качестве внешней среды выступают, с одной стороны, производственный процесс, реализуемый в С1М, а с другой - совокупность СУМ.
Если в централизованной системе диспетчеризации ЦУУ имеет информацию о состоянии всех элементов С1М и осуществляет ММД, то в децентрализованной системе СУМ использует весьма ограниченную информацию, на основе которой необходимо принять обоснованное решение. Эта информация касается собственных элементов модуля и используется для ВМД. Для реализации функций ММД СУМ должна помимо этой информации использовать дополнительные данные об объектах С1М. получаемые в результате взаимообмена заявками и сообщениями с другими модулями.
Основу информационного обеспечения ММД составляют два информационных массива: очередь основных действий (ООД) и очередь вспомогательных действий (ОВД) [1]. ООД заполняется при выполнении этапа диспетчеризации, заключающегося в выборе основного действия для ЛПМ, и используется для определения действия, которое ЛПМ будет выполнять после окончания текущего действия. ОВД аналогична ООД, но в ней информация о ресурсах заносится и удаляется при выполнении основных и вспомогательных действий.
Для организации движения объектов производства С1М используется нормативносправочная информация о технологических маршрутах обработки. Она включает данные о последовательности основных операций для конкретного изделия и множестве ресурсов, необходимых для их выполнения. Для каждого ресурса задаются необходимые значения параметров. Эта информация поступает в СУМ вместе с заявкой.
Реализация первых этапов диспетчеризации (1 и 2.1) в подсистеме ММД может осуществляться как при наличии планового задания, так и в режиме динамической диспетчеризации. В первом случае для выбора очередного основного действия ЛПМ необходимо прочитать очередную строку плана. Во втором случае следующее действие выбирают исходя из состояния ЛПМ и заявок, принятых им от других в процессе предшествующего функционирования. Последовательность действий, выполняемых ЛПМ, заранее не определена, поэтому сначала выполняется этап 2.1, а затем
уже вся последовательность начиная с этапа 1 и кончая этапом 3.2.
Основной вид информационного обмена в децентрализованной системе диспетчеризации - обмен заявками между ЛПМ на поставку или прием ресурсов и сообщениями о приеме заявки или отказе от нее.
В зависимости от организации ММД ЛПМ-источник может: передать заявку любому другому ЛПМ с требованием выделения единицы переменного ресурса некоторого типа; передать заявку с предложением собственной единицы переменного ресурса. В зависимости от наличия требуемого ресурса или необходимости в нем ЛПМ-приемник, получив и проанализировав заявку, отсылает ЛПМ-источнику одно из сообщений: заявка принята или заявка отклонена.
В отличие от систем массового обслуживания, в децентрализованной системе диспетчеризации заявка не может быть активной. Активным элементом выступает ЛПМ, имеющий требуемый ресурс или нуждающийся в нем. Следуя [1], выделим два вида систем: с активным владельцем и с активным потребителем ресурса.
В системе с активным владельцем ЛПМ-источник после освобождения ресурсов выдает заявку в другие ЛПМ на прием данного ресурса в соответствии с маршрутом обработки. Приняв заявку, ЛПМ-приемник ставит ее в свою очередь и затем по мере продвижения очереди формирует заявку к транспортному ЛПМ на доставку ресурса. Момент постановки ресурса в очередь определяется временем появления ресурса - концом реализации технологической операции или временем освобождения ресурса.
Система с активным потребителем организует поиск ресурса, необходимого ЛПМ-
приемнику заявки. Для этого СУМ ЛПМ-приемника посылает заявки СУМ других ЛПМ до тех пор, пока не получит положительного сообщения. СУМ владельца ресурса, приняв заявку, формирует заявку транспортному ЛПМ не перемещение ресурса.
Рассмотренные особенности выполнения функций диспетчеризации в децентрализованной системе позволяют определить состав и структуру алгоритмов ММД СУМ и организацию их взаимодействия с другими ЛПМ CIM и с ВМД данной СУМ.
Описанное содержание функций системы диспетчеризации обеспечивает эффективное взаимодействие всех элементов CIM в режиме планового и оперативного управления.
Литература
1. Горнев Ф.Ф., Емельянов В В., Овсянников М.В. Оперативное управление в ГПС. М.: Машиностроение, 1990. 256 с.
2. Первозванский А.А. Математические модели в управлении производством. М.: Наука, 1975. 616 с.
3. Конвей Р.В., Максвелл В.Л., Миллер Л.В. Теория расписаний. М.: Наука, 1975. 216 с.
4. Павлов В.А. Комплекс программ диспетчирования ГПС// Механизация и автоматизация производства. 1987. N 7. С. 30-32.
5. Теория расписаний и вычислительные машины/ Под ред. Э.Кофмана. М.: Финансы и статистика, 1984. 334 с.
6. Элти Дж., Кумбс М. Экспертные системы: концепции и примеры. М.: Финансы и статистика, 1987. 191 с.
7. Sheldon S., Yih-Long С. An AI approach to schedule generation in a FMS// Operations Research Models and Applications: Proc. of the Second ORSA/TIMS Conf. on FMS. Amsterdam, 1986. P. 581-592.
8. Варшавский В.И. Коллективное поведение автоматов. М.: Наука, 1973. 407 с.
9. Варшавский В.И., Поспелов Д.А. Оркестр играет без дирижера: размышления об эволюции некоторых технических систем и управлении ими. М.: Наука, 1984. 208 с.
Воронежский государственный технический университет Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж)
APPROACHES TO ALGORITHMIZATION SUPERVISORY CONTROL IN PRODUCTION
SYSTEMS
V.V. Vaseckiy, V.M. Pitolin
In the article the features of the functions of scheduling a decentralized system can determine the composition and structure of СУМ algorithms ММД and the organization of their interaction with other CIM ЛПМ and ВМД of the СУМ. The described function dispatch system provides effective interaction of all elements of the CIM in the planning mode and operational management
Key words: algorithms, supervisory control, computer - integrated manufacturing
