Разработка принципов создания имитационных моделей на основе событий технологических процессов Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Машиностроение и машиноведение

УДК 681.3.06

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СОБЫТИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

П.Ю. Гусев, Ю.С. Скрипченко

В статье предлагается принцип создания имитационных моделей на основе событий технологических процессов. В первую очередь рассматривается метод имитационного моделирования применительно к исследованию производственных процессов машиностроительных производств. Рассмотрены 2 основных способа создания имитационных моделей: с использованием универсальных языков программирования и с использованием программных средств имитационного моделирования. Проведено исследование разработки имитационных моделей технологических процессов в программных комплексах имитационного моделирования, которое показало, что существующие программные комплексы недостаточно адаптированы для применения на российских машиностроительных производствах. На основании сделанных выводов сформулированы основные принципы создания имитационных моделей, обеспечивающие адаптацию к российским машиностроительным предприятиям. Первый принцип создания имитационных моделей основан на точном моделировании производственных подразделений с учетом масштаба. Такой подход позволит решать компоновочные и планировочные задачи предприятия. Второй принцип предполагает создание списка событий имитационной модели на основе технологических процессов, используемых в производственном процессе. На основе предложенного принципа разработан алгоритм формирования списка событий на основе технологического процесса. Проведено исследование влияния алгоритма на основные элементы имитационной модели, создаваемой на универсальном языке программирования. В статье также предложена обобщенная структура взаимодействия объектов в имитационной модели, созданной по предложенным принципам

Ключевые слова: имитационное моделирование, события, технологические процессы

Имитационное моделирование представляет собой один из самых востребованных методов исследования в таких областях науки как теория управления, теория массового обслуживания, теория исследования операций. Высокая эффективность имитационного моделирования содействовала развитию его применения в прикладных областях науки. Современная практика применения имитационного моделирования показывает эффективность применения данного метода при исследовании машиностроительных производств. В первую очередь это объясняется тем, что любое реальное производство представляет собой сложную систему. Описание подобной системы аналитическим способом возможно, но зачастую приводит к недостаточно точному результату.

Возможность исследования машиностроительных производств, с применением имитационного моделирования, основывается на представлении производства как системы. Такой подход осуществляется благодаря тому, что каждый структурный уровень предприятия отвечает признакам системы.

Также следует отметить, что каждый структурный уровень предприятия имеет гра-

Гусев Павел Юрьевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: gusevpvl@gmail.com

Скрипченко Юрий Степанович - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, e-mail: skripch@yandex.ru

ничные условия своего существования. Эти условия, прежде всего, позволяют организовать моделирование каждого структурного элемента по отдельности. Такой подход позволяет проводить исследование отдельных подразделений предприятия, ограничиваясь созданием небольших имитационных моделей. Затем, при необходимости, модели структурных элементов можно объединить и создать общую модель предприятия.

В настоящее время применяется 2 наиболее распространенных способа создания имитационных моделей:

1. разработка с применением универсальных языков программирования;

2. разработка с применением программных комплексов имитационного моделирования.

Создание имитационной модели на универсальном языке программирования представляет собой сложную задачу, требующую математической подготовки. Помимо математической подготовки разработчику имитационной модели требуется умение практического применения какого-либо из языков программирования. При этом, чем сложнее моделируемая система, тем сложнее будет разработка имитационной модели. Сложность разработки является не единственным фактором, повышающим трудоемкость создания модели на языке программирования. Зачастую задача создания имитационной модели на универсальном языке

программирования воспринимается как исключительно программистская задача, при этом математическая часть значительно упрощается. В результате имитационная модель не отвечает поставленным требованиям и не корректно работает [2].

Разработка моделей с применением программных комплексов имитационного моделирования в настоящее время является основным способом создания имитационных моделей. В первую очередь это связано с тем, что создание имитационной модели в программном средстве требует значительно меньших затрат трудоемкости по сравнению с созданием аналогичной модели на универсальном языке программирования. В программных комплексах имитационного моделирования математическая часть уже программно заложена разработчиками комплекса. Также все основные функции имитационных моделей имеют свои логические представления в программном комплексе.

В подавляющем большинстве современных программных комплексов имитационного моделирования используется графический интерфейс и графическое представление имитационной модели. Это позволяет визуально оценить функционирование связей между объектами имитационной модели. Помимо этого, визуальный графический интерфейс упрощает работу с комплексом имитационного моделирования, что позволяет даже мало подготовленному человеку разработать имитационную модель. Это особенно важно при создании модели человеком, имеющим большой практический опыт работы с реальной системой, но не имеющим опыта моделирования.

Отдельно следует отметить особенности создания имитационной модели для машиностроительного предприятия или его части. Производство деталей и изделий на любом машиностроительном предприятии осуществляется по технологическим процессам. Сами технологические процессы имеют множество различных типов. В общем случае в машиностроении технологический процесс представляет собой последовательность операций направленных на создание конечного продукта. Поэтому при создании имитационной модели машиностроительного предприятия создаются имитации выполнения технологических процессов. Соответственно представления всех реальных объектов, которые затрагивает технологический процесс на производстве, необходимо представить в имитационной модели.

Для освещения недостатков существующего подхода к моделированию в комплексах имитационного моделирования при исследова-

нии машиностроительных производств необходимо рассмотреть пример создания модели. В качестве примера будет приведена методика создания имитационной модели в программном комплексе имитационного моделирования Tecnomatix Plant Simulation.

Следует отметить, что указанный программный комплекс позиционируется для использования в моделировании производственных систем. Дополнительным преимуществом является возможность использования комплекса в связке с PLM-системой Teamcenter. Основные объекты программного комплекса подходят для имитации оборудования, выполняющего операции по технологическому процессу. Это достигается следующим набором свойств имитирующих объектов:

• время обработки;

• время переналадки;

• вероятность неполадок на объекте

• возможность задания рабочих;

• имя объекта.

Создание имитационной модели в Tecno-matix Plant Simulation начинается с добавления в рабочую область имитаций объектов. Этот этап не представляет трудности даже для неподготовленного человека. Следующий этап создания имитационной модели - соединение добавленных в рабочую область объектов. Данный этап является также простым при условии использования в имитации одного технологического процесса. При исследовании двух и более технологических процессов возникают трудности в определении маршрутов движения детали. Связано это с тем, что реальные технологические процессы, используемые на отечественных предприятиях, невозможно загрузить в программное средство в исходном виде. Решение подобных проблем по выгрузке технологических процессов из PLM-системы рассматривается в работе[3]. Поэтому для загрузки технологических требуется создание таблиц с директивной технологией, которая отображает только название оборудования и время операции. При этом для корректной работы модели название оборудования необходимо преобразовывать в название латинскими буквами. Пример таблицы представлен на рис.1.

После создания таблиц с технологией необходимо создать элементы управления материальными потоками. Соответственно, чем больше номенклатура реального производства - тем больше трудностей возникает при создании и конфигурировании элементов управления материальными потоками. Само поведение

элементов управления задается при помощи встроенного псевдоязыка программирования. Не смотря на простоту конструкций встроенного псевдоязыка, общий программный код модели может оказаться в значительной степени сложным. Дополнительные сложности задает разнесения данного кода по различным методам.

bRAZMPLITAO 20:00.0000

bMC601F12Gl 1:03:30,0000

bVerstM01460 6:18.0000

bRFSll 25:18.0000

bCHPUO 3:28:00.0000

Ьо1А641 1:06:54.0000

Buffer 1 1.0000

Buffer 1 1.0000

bo2622Vl 3:45:18.0000

bolM631 1:00:55.2000

bolM631 1:54:11.4000

bMC601F12Gl 2:13:33.6000

bVerstM01460 6:40.8000

bo6R83Gl 32:00.0000

Рис. 1. Пример таблицы в Tecnomatix Plant Simulation

Созданная имитационная модель в своем первоначальном варианте мало информативна. Для получения интересующих выходных данных необходимо дополнительно создавать таблицы и программные методы для сбора информации. Таким образом, можно сделать вывод о том, что для работника машиностроительного предприятия, который попытается решить производственные задачи при помощи программного комплекса имитационного моделирования Tecnomatix Plant Simulation, не обойтись без дополнительного дорогостоящего обучения.

В связи с этим решено разработать принципы построения имитационных моделей на основе технологических процессов, используемых на отечественных предприятиях. Разработка таких принципов основывалась на решении следующих задач:

1. обеспечение возможности создания объектов имитационных моделей с привязкой к реальному технологическому оборудованию;

2. обеспечение возможности создания имитационных моделей с использованием технологических процессов машиностроительных производств в исходном виде.

Решение первой поставленной задачи основывается на реализации возможности зада-

ния таких свойств объекта в модели, которые имеет реальный объект. В первую очередь требуется возможность задание названия имитации технологического оборудования кириллицей. Это необходимо для того, чтобы название имитации объекта совпадало с название реального оборудования в технологическом процессе. Аналогичное решение требуется и для названий используемого инструмента.

Для создания имитационных моделей на основе технологических процессов требуется возможность создания модели с привязкой к реальному масштабу предприятия. В таком случае созданная имитационная модель позволить решать не только производственные задачи по расчету характеристик производства, но и задачи связанные с компоновочными и планировочными решениями производства. Решение этих задач напрямую связано с оптимизацией материальных потоков и поиском «узких» мест на машиностроительных предприятиях.

Исходные данные для создания имитаций объектов реального производства представляют собой текущие компоновочные и планировочные планы, состав технологического оборудования производства, применяемую транспортную систему. Для повышения адекватности имитационной модели может потребоваться корректировка исходных данных с учетом реальной производственной ситуации.

Решение второй задачи основывается на применении дискретно-событийного моделирования. Ввиду того, что технологический процесс можно представить как последовательность действий с определенным временным интервалом, то каждая операция технологического процесса может быть выделена в самостоятельно событие. При моделировании реальный технологический процесс необходимо выполнять по отдельным операциям. Во время выполнения имитации технологического процесса требуемое оборудование уже будет смоделировано по принципам, описанным выше. При этом постоянные связи между имитациями оборудования будут отсутствовать.

Ввиду того, что технологические процессы могут быть разных типов, следует выделить основные операции:

• подготовительные операции;

• основные операции (обработка, сборка и т.д.);

• вспомогательные операции;

• приемочный контроль и проверка качества.

Для того чтобы реализовать предложенный вариант выбора событий для имитационной мо-

дели, разработан алгоритм, описывающий этап создания списка событий на основе технологического процесса машиностроительного предприятия. При разработке алгоритма учитывалось, что предложенные принципы создания имитационных моделей в дальнейшем будут реализованы в программном комплексе имитационного моделирования технологических процессов машиностроительных предприятий.

п] от 1 до опзрз] 1-го ТП

Д О Э НП£ „¡-ГО

собьлп^ 1-го ТП ь

:лз1: до л~1ш 1

Требуется доработы м-зд г.тн

Запус! модг.тнроьзнк'Е

1

Г

Рис. 2. Алгоритм создания списка событий в момент инициализации имитационной модели

Ввиду того, что предложенный алгоритм необходимо включить в работу программного средства имитационного моделирования на этапе разработки самого программного средства, то применение алгоритма предполагает разработку нового программного комплекса имитационного моделирования или создание моделей на универсальных языках программирования. При создании имитационной модели на универсальном языке программирования выделяют следующие структурные элементы:

• часы модельного времени;

• список событий;

• статистические счетчики;

• программа инициализации;

• синхронизирующая программа;

• программа обработки событий;

• библиотечные программы;

• генератор отчетов;

• основная программа [1].

Необходимо рассмотреть влияние предложенных принципов создания имитационных моделей на структурные элементы. Ввиду того, что список событий формируется на основе событий технологических процессов, то этот список можно заполнить на этапе запуска программы инициализации. Можно определить 2 способа заполнения списка событий: с учетом стохастических переменных и без их учета. Для упрощения первой версии алгоритма предлагается создание списка событий без учета стохастических переменных.

Учитывая, что список событий может быть сформирован в программе инициализации, в программе обработки событий не требуется генерировать время наступления будущих событий. Однако следует отметить, что для повышения адекватности модели в программе обработки событий все же следует оставить возможность генерации случайных событий. Учитывая специфику конкретного машиностроительного предприятия случайные события можно формировать на основе статистики поломок технологического оборудования.

Для реализации алгоритма в программном комплексе имитационного моделирования разработана обобщенная структура функционирования программного средства. При разработке структуры учитывались особенности предложенного подхода формирования событий имитационной модели.

Первый этап разработки имитационной модели по предложенным принципам - создание статической модели производственной системы. В связи с этим в программном комплексе имитационного моделирования требуется наличие объектов, которые могут в полной мере описать существующее технологическое оборудование. При этом следует учитывать особенности оборудования, применяемого на отечественных предприятиях.

Ввиду того, что согласно предложенному принципу имитирующие объекты не связны между собой, предложена структура перемещение имитации детали по модели. Для этого каждому событию в списке событий сопоставляется объект, имитирующий реальное оборудование. Параллельно с этим у каждого имитирующего объекта создается свой список событий, определяющий поступление деталей. В таком случае каждый объект, имитирующий технологическое

оборудование может быть представлен в виде системы массового обслуживания с одним устройством обслуживания. Очередь поступающих деталей хранится в объекте, имитирующим межоперационное хранение.

Таким образом, добавление нового технологического процесса в имитационную модель будет заключаться в сопоставлении операций исследуемого процесса оборудованию, как показано на рис. 3. При таком подходе возрастает важность точного моделирования всего оборудования, используемого технологическим процессом.

Следует отметить, что в рамках конкретного технологического процесса весь список оборудования в модели может не использоваться.

Предложенные принципы создания имитационных моделей на основе событий технологических процессов предполагается использовать для анализа и оптимизации производственных процессов ПАО «ВАСО». Реализация предложенных принципов позволит разработать программное средство имитационного моделирования, которое будет отвечать современным требованиям российских предприятий.

Рис. 3. Сопоставление операций технологического процесса оборудованию

Литература

1. Аверилл М.Л. Имитационное моделирование [Текст] / М.Л. Аверилл, В.Д. Кельтон. - Спб.: Питер, 2004. - 847 с.

2. Гусев К.Ю. Моделирование динамики нелинейных объектов на основе нечёткой нейронной сети [Текст] / К.Ю. Гусев, В.Л. Бурковский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. -№ 3-1. - С. 13-17.

3. Чижов М. И. Разработка подхода к автоматизации технологической подготовки производства в PLM системе Teamcenter [Текст] / М.И. Чижов, А.В. Бредихин //Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - №. 12-1. - С. 24-26.

Воронежский государственный технический университет

DEVELOPMENT OF PRINCIPLES OF SIMULATION MODEL BASED ON THE EVENT OF TECHNOLOGICAL PROCESSES

P.Yu. Gusev, Candidate of Technical Sciences, Docent, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: gusevpvl@gmail.com

Yu.S. Skripchenko, Candidate of Technical Sciences, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: skripch@yandex.ru

Article suggests the principle of creating simulation models based on the events of technological processes. Primarily we considered simulation method as applied to the study of production process engineering industries. We consider two basic ways to create simulation models using the universal programming languages and using simulation software. A study of the development of simulation models of technological processes in software systems simulation, which showed that existing software have not been adapted for use in the Russian machine-building industries. Based on the findings formulated the basic principles of the creation of simulation models to ensure adaptation to the Russian machine-building enterprises. The first principle of creating simulation models based on accurate simulation of production units, taking into account the scale. Such an approach would solve the layout and planning of the enterprise objectives. The second principle involves creating a list of model based on the technological processes used in the production process. On the basis of the principle of the proposed list of events designed forming algorithm based on process. The effect of the algorithm on the basic elements of a simulation model created on university-greasy programming language. The article also provides a generalized structure of the interaction of objects in the simulation model created by the proposed principles Key words: simulation, events, processes

References

1. Averill M. Low, Kelton V.D. Simulation. - Spb.: Piter, 2004. - 847 с.

2. Gusev K.Y., Burkovskii V.L. Modelirovanie dinamiki nelinejnyh obektov na osnove nechjotkoj nejronnoj seti [Modeling the dynamics of nonlinear objects based on fuzzy neural network] // Science Journal of Voronezh State Technical University. - 2014. - vol. 10. - № 3-1. - 13-17 p.

3. Chizhov M.I., Bredikhin A.V. Razrabotka podhoda k avtomatizacii tehnologicheskoj podgotovki proizvodstva v PLM sisteme Teamcenter [Developing approach to the automation of technological preparation of production in the PDM Teamcenter system] // Science Journal of Voronezh State Technical University. - 2011. - vol. 7. - №. 12-1. - 2426 p.