CC BY
68
УДК 622:679.8 Ю.А. Павлов
СИСТЕМА ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГИБКИМИ ОБЪЕКТАМИ В КОМПЬЮТЕРНО-ИНТЕГРИРОВАННОМ КАМНЕОБРАБАТЫВАЮЩЕМ ПРОИЗВОДСТВЕ
ТГ омпьютерно-интегрированное
-*\ камнеобрабатывающее произ-
водство (КИП) является гибкой системой дискретного типа, управление которой образует многосвязный, иерархический автоматизированный комплекс. На нижнем уровне этого комплекса, реализуемом средствами сетевых компьютерных систем программного управления (ЧПУ класса €N0), решаются задачи реализации операционных процессов посредством непосредственного управления объектами (комплексами оборудования) с возможной оптимизацией технологических режимов. Следующий уровень образуют задачи оперативного управления маршрутными технологическими процессами (АСУТП) с обеспечением требуемого качества продукции и диспетчеризацией материальных потоков в действующем производстве. На верхнем уровне выполняется производ-ственно-экономи-ческое управление
предприятием (АСУП), на котором решаются задачи планирования, реализации продукции и обеспечения производства требуемыми материальными, трудовыми и финансовыми ресурсами. В КИП названные АСУ интегрированы с информационными системами автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства продукции (САПР-АСТПП) [1, 2].
Совместно функционирующие технологические объекты производства, управляемые от АСУТП, образуют со-
временные гибкие производственные системы (ГПС). Независимо от физической природы процессов производства ГПС классифицируют по уровню организационной структуры следующим образом: гибкий производственный модуль (ГПМ); гибкий автоматизированный
участок (ГАУ); гибкая автоматизированная линия (ГАЛ); гибкий автоматизированный цех (ГАЦ); гибкий автоматизированный завод (ГАЗ).
На самом низком уровне организационной структуры производства находится ГПМ, т. е. такая ГПС, которая состоит из единицы технологического оборудования, оснащенного автоматизированным устройством программного управления и средствами автоматизации технологического процесса. ГПМ могут работать автономно, многократно осуществляя гибко переналаживаемые технологические операции, или встраиваться в ГПС более высокого уровня организации. В ГПМ обычно имеются некоторые вспомогательные средства автоматизации технологического процесса - загрузочно-разгрузочные манипуляторы, накопители заготовок и инструментов, системы обслуживания и удаления отходов производства.
Совокупность взаимодействующих по технологическому маршруту ГПМ, объединенных автоматизированной системой управления, в которой предусмотрена возможность изменения очередности использования техноло-гического
оборудования, образует ГПС вида ГАУ. В ГАУ реализуется множество операций. Все они выполняются в требуемой для изготовления продукции и гибко изменяемой технологической последовательности. На базе ГАУ может быть реализована так называемая "безлюдная" технология. В имеющихся примерах ГАУ "безлюдный" режим функционирования, как правило, не превышает по времени третьей части суток (обычно — это ночная смена). Участие человека (оператора) в ГАУ необходимо для коррекции технологических режимов, а также контроля состояния оборудования и систем управления. Операции транспортирования, загрузки и разгрузки заготовок, установки, позиционирования и снятия инструмента, загрузки программного обеспечения, пуска и выключения системы управления могут быть полностью автомати-зированы.
В отличие от ГАУ в ГПС вида ГАЛ технологическое оборудование устанавливается в последовательности использования его в технологическом маршруте изготовления продукции.
Структуры ГАУ и ГАЛ допускают включение их в качестве технологических подсистем в ГПС более высокого уровня организации, а также использование в условиях действующего, комплексно не автоматизированного производства. Совокупность гибких производственных модулей, участков и линий определенного состава, взаимодействие которых и порядок функционирования обеспечиваются распределенной системой компьютерного управления, образует ГПС вида ГАЦ. Гибкий автоматизированный цех способен в течение определенного интервала времени (смена, сутки) выпускать готовые изделия заданной номенклатуры и в установленных объемах. Такой цех может быть переналажен на изготовление другого вида продукции. Объединение нескольких цехов на уровне их систем управления с другими службами предприятия приво-
дит к построению ГПС максимального уровня организации — гибким автоматизированным заводам, являющихся полным воплощением концепции КИП.
Мировой уровень развития камнеобрабатывающих производств позволяет создавать ГПС со структурой ГАУ и ГАЛ на базе специализированных и многоцелевых станков типа "обрабатывающих центров" с ЧПУ, которые обеспечивают уровень ГПМ посредством имеющихся в отрасли манипуляторов и других средств автоматизации технологических процессов. Появились примеры организации Г АЛ для серийного производства изделий типа облицовочных плиток широкой номенклатуры. Поэтому разработка научных принципов организационно-технологического управления маршрутами изготовления сложных изделий является необходимым условием создания структурных компонентов ГПС в составе компьютерно-
интегрированного камнеобрабатывающего производства.
В общем случае гибкое компьютерно-интегрированное камнеобрабатывающее производство включает заготовительные, основные формообразующие и сборочно-монтажные операции. Процессы сборки (монтажа) сложных изделий возможны только в случае поставки производством в строго определенные моменты времени и в требуемых количествах всей необходимой номенклатуры деталей. Невыполнение этого условия может привести к нарушению ритма производства за счет возникновения дефицита деталей, например, на строительной площадке. Для устранения этого недостатка на камнеобрабатывающем предприятии в первую очередь организуется выпуск требуемых деталей для сборочно-монтажных операций, что, как правило, вызывает нарушения нормального ритма работы заготовительных участков и создает предпосылки для но-
вого возникновения дефицита в сборочно-монтажном производстве.
Данное обстоятельство порождает проблемы синхронизации, типичные для дискретного производства. Оборудование заготовительных и основных камнеобрабатывающих участков должно работать в согласованном темпе с монтажными работами. Этим обусловлены переналадки производственных звеньев камнеобрабатывающих предприятий с выпуска одних типов деталей на другие, изготовление деталей партиями, обеспечивающими комплектность их поставки на сборку (монтаж), создание необходимых производственных заделов. Частота переналадок, размеры партий хранения, транспортирования и обработки, объемы заделов деталей на переходах, обусловленные синхронизацией заготовительных, основных формообразующих и сборочных операций в условиях изменяющейся производственной обстановки (изменение объемов выпускаемой конечной продукции), определяются в результате решения задач оперативного управления технологическими процессами.
АСУТП на основании получаемых от соответствующих подсистем АСУП или служб управления предприятием производственных заданий и требуемых для их исполнения ограничений (номенклатура запланированных к выпуску изделий, объем производства, техникоэкономические показатели и т. п.) формирует соответствующие управляющие воздействия на технологические объекты. После этого АСУТП подготавливает и передает вышестоящим системам или службам управления необходимые для их работы данные о состоянии и функционировании управляемых объектов ГПС. При наличии на предприятии системы автоматизированного проектирования технологических процессов (АСТПП) должно быть налажено взаимодействие АСУТП с этой системой. АСУТП получает от АСТПП технологи-
ческую и другую необходимую ей информацию, а затем передает в АСТПП оперативные данные для корректирования технологических решений на последующих интервалах времени.
В качестве характерных особенностей автоматизированного организационно-технологического управления ГПС следует отметить:
- целью создания АСУТП является повышение эффективности функционирования технологического объекта (ГПМ, участка, линии, цеха) в соответствии с принятым критерием качества;
- критериями качества управляемых объектов могут быть, например, экономичность расходования производственных ресурсов (материалов, энергии, времени); повышение качества выпускаемой продукции; снижение трудоемкости производства; достижение оптимальных загрузок оборудования; оптимизацию режимов его работы; обеспечение безопасности функ-ционирования объектов и т.д.
- в АСУТП осуществляется оперативная переработка технической и технико-экономической информации;
- АСУТП вырабатывает управляющие воздействия на технологические объекты в реальном масштабе времени;
- в составе АСУТП используются современные компьютерные средства сбора и переработки информации;
- основные функции человека в АСУТП заключаются в принятии управляющих решений на основе предоставляемой ему информации об объекте управления и данных о возможных альтернативных вариантах решений.
В серийном, мелкосерийном и единичном производствах АСУТП создаются на основе принципа групповой технологии, предусматривающей концентрацию изготовления технологически однородной продукции в специализированных подразделениях производства. Типовые АСУТП ориентированы на замкнутый цикл изготовления изделий внут-
ри каждого технологического передела, обычно связанного с цеховой организацией производства. В связи с этим разработанная система модульных технологий в камнеобрабатывающих производствах становится важным организационным принципом АСУТП. Модульные технологии расширяют возможности компьютерной автоматизации производственных процессов, существенно сокращают протяженность маршрутов, длительность производственных циклов изготовления широкой номенклатуры сложных изделий [3].
Если по экономическим причинам комплексная автоматизация всех технологических процессов производства оказывается недостижимой, то АСУТП создается как элемент некоторого производственного подразделения (линии или участка), имеющего более низкий уровень организации, но единую систему управления. Тем самым обеспечивается замкнутый цикл производства и подготовляется возможность поэтапного объединения отдельных подсистем опера-тивно-тех-нологического управления автоматическими линиями, участками, цехами в единую автоматизированную систему - АСУТП гибкого компьютерно-интег-рированного производства.
АСУТП, в свою очередь, также имеет многоуровневую, иерархическую структуру, подсистемы которой и обеспечивает управление ГПС, автономными технологическими объектами, вспомогательными процессами (транспортированием, складированием, обслуживанием и т.п.) в составе компьютерно-
интегрированного производства.
Рассмотрим задачи оперативного технологического управления производством в пределах одного цеха предприятия. АСУТП обеспечивает выполнение месячных объемных и номенклатурных планов выпуска изделий и загрузки оборудования, осуществляет контроль над ходом технологического процесса. Оперативное уп-равление на внутрицеховом
уровне реализуется посредством автоматизированного расчета календарных планов с точностью до суток (СП) запуска-выпуска изделий и комплектации складов. АСУТП должна выдавать сменносуточные задания (ССЗ) каждому ГПМ, а также координировать оперативные календарные планы (ОКП) взаимодействия всех видов оборудования на текущие сутки и смену. В состав основного и вспомогательного технологического оборудования ГАЦ входят станки с ЧПУ, за-грузочно -разгрузочные манипуляторы,
средства контроля и автоматизированная транспортно-складская система (АТСС). АСУТП выполняет, таким образом, функции организационного управления, связанные с формированием СП и ССЗ, контроля и технологического управления основным и вспомогательным оборудованием путем непосредственного воздействия на их локальные системы программного управления.
Функционирование АСУТП обеспечивается информационными потоками. Управление ГПС состоит из последовательно выполняющихся фаз планирования, диспетчеризации, измерения и учета, контроля и анализа, регулирования хода технологического процесса.
В фазе планирования осуществляется расчет и прогнозирование оп-тимальных графиков производственных показателей на установленный период для определенного организационного уровня ГПС. Задача планирования заключается в составлении суточных СП, т. е. в распределении долгосрочной производственной программы цеха (номенклатурного плана на месяц) по суткам (сменам) и составлении ССЗ для каждого участка и рабочего места (ГПМ).
Фаза диспетчеризации обеспечивает функционирование оборудования в соответствии с ОКП. Оперативное управление осуществляется посредством выдачи синхронизированных сигналов-заданий и пересылки соответствующих
программ на локальные системы управления технологическим оборудованием.
Фаза измерения и учета связана с получением информации о состоянии управляемой системы.
В фазе контроля и анализа проводится сравнение показателей работы цеха с установленными нормативами, чтобы выявить факты и причины отклонений производственных показателей, определить амплитуды таких отклонений. На основе этой диагностической информации принимаются решения о возможности или невозможности устранения последствий сбоев в ходе диспетчеризации посредством коррекции ОКП (без перерасчета ССЗ), регулирования ССЗ или перерасчета СП.
Регулирование (коррекция планов) направлено на устранение отклонений производства от нормативного графика. Эта фаза необходима, если возмущение не удается скомпенсировать в процессе оперативного управления.
На рисунке показан типовой алгоритм системы оперативного управления гибким автоматизированным цехом [4].
Алгоритм функционирует в дискретном времени. Моменты запуска задач определяются характерными для ГПС дискретными временными масштабами процесса управления. Длительность планового периода (квартал, месяц, декада, пятидневка) принята равной [0, Т]. Фаза оперативного планирования и диспетчерского управления активируется с периодом, равным смене или суткам. Соответствующие задачи запускаются в моменты времени (1 = 0,
2А1Ь ...,Т. Задачи, решаемые на под-
чиненных уровнях алгоритма, имеют период планирования, равный [0, Лґ1], т.е. они включаются в моменты ґ2 =0, Лґ2, 2Лґ2, ..., Л^, где [0, Л/2] — интервал управления технологическим оборудованием. Этот интервал определяется аппаратной реализацией локальных управляющих устройств и обычно кратен такту вычислений в процессоре системы ЧПУ.
Двузначная нумерация блоков алгоритма указывает на их принадлежность к определенным уровням управления (первая цифра) и на порядковые номера блоков (вторая цифра) в перечне решаемых на данном уровне задач. При описании алгоритма использованы следующие вещественные переменные: Зі - отклонение фактического состояния объекта управления от запланированного; Л і - область устранимых на і-м уровне управления возмущений (і =1, 2, 3).
Алгоритм носит человеко-машинный характер. Отдельные его блоки выполняются в интерактивном режиме при непосредственном участии операторов. Целесообразно передавать операторам ГПС функции управления или контроля при выполнении блоков 1.3, 1.7, 1.8, 2.3, 2.6, 3.1, 3.5, 3.7.
Одной из основных функций АСУТП является разработка внутрицехового ОКП и, в частности, той части задач ОКП, которая связана с составлением календарного план-графика (КПГ) загрузки оборудования ГПС на коротких интервалах времени (сутки, смена). КПГ используется при обеспечении двух основных целевых
Типовой алгоритм оперативного управления гибким автоматизированным цехом
функций АСУТП: увеличения загрузки высокопроизводительного оборудования; обеспечения согласованной, синхронной работы исполнительных подсистем и отдельных элементов ГПС.
На этапе эскизного проектирования ГПС можно предположить, что расчеты КПГ, выполняемые АСУТП, удастся реализовать на базе известных алгоритмов теории расписаний, достаточно хорошо освоенных при календарном планировании традиционного производства. В частности, составление расписаний для производственных систем с п технологическими объектами выполняется
методом имитационного моделирования на основе точных алгоритмов линейного или динамического программирования, либо приближенно методом поиска оптимальных решений в локальной области, используя различные правила предпочтений и эвристические алгоритмы принятия решений.
Имитационное моделирование динамических дискретных систем, содержащих преимущественно асинхронные па-раллельно-последователь-ные процессы, обычно основано на теории массового обслуживания и математическом аппарате сетей Петри [2, 4].
Учет особенностей гибкого производства приводит к существенным изменениям постановок задач календарного планирования, сформулированных ранее для производственных систем с традиционной организацией. С целью максимального использования разработанных в теории расписаний алгоритмов календарного планирования следует реализовать расчеты КПГ конкретного вида ГПС поэтапно. Сначала необходимо получить КПГ для гибкого участка (ГАУ), затем в отдельности составить КПГ для каждого входящего в него ГПМ, а также для автоматизированной транспортной и складской системы (АТСС). Только после выполнения этих этапов на основе полученных план-графиков можно рассчитать КПГ для гибкого автоматизированного цеха.
Массив входных данных при вычислении КПГ условно разделен на три потока: планируемые показатели, календарно-плановые нормативы, производственные характеристики элементов ГПС. Планируемые показатели изменяются каждый месяц. Они входят в месячный план запуска деталей в цехе (рассчитывается на этапе межцехового планирования в АСУП). Нормативные величины являются относительно постоянными. К ним относятся нормы расхода времени на 1-м оборудовании при проведении ]-й операции над к-й партией деталей. Производственные характеристики ГПМ, АТСС, а также ГАУ в целом являются основными входными величинами имитационных моделей материальных потоков на участке. Ввод этих данных может быть осуществлен при формировании файлов исходных данных имитационных моделей исполнительных подсистем цеха.
Выходной массив информации, возникающий в результате решения задачи, образует два потока: данные, передаваемые диспетчеру для контроля процесса функционирования ГПС; данные, поступающих в автоматизированную систему
оперативного уп-равления оборудованием. В результате решения задачи расчета КПГ создается файл управления, в котором содержатся данные о необходимых сроках запуска операций, их видах и сроках окончания, шифрах обрабатываемых деталей, размерах партий, нормативных значениях времени обработки. Все эти данные используются при оперативном управлении гибким автоматизированным участком и в целом цехом. Записи в файлах управления упорядочиваются по моментам времени включения оборудования, что обеспечивает системе оперативного управления возможность непосредственного использования этих записей при формировании команд прямого управления в реальном времени.
Рассмотренный в схематичном варианте расчет КПГ для автоматизированного цеха предприятия позволяет составить первоначальное представление о необходимой подготовительной работе (создание информационного, алгоритмического и программного обеспечения решения задач и верификация решений методами имитационного моделирования), которую выполняют разработчики АСУТП гибких компьютерно-
интегрированных производств. В полном объеме и с наибольшей эффективностью эти задачи могут решать специализированные компьютерные проектные и моделирующие системы.
Программное обеспечение АСУТП представлено операционными системами реального времени, программами диспетчерского управления и диагностики технологических процесс-сов -Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA), совместно с драйверами и прикладными программами промышленных логических контроллеров.
Основными требованиями, предъявляемыми к операционным системам реального времени, являются высокая скорость реакции на запросы внешних устройств, устойчивость системы (т.е. спо-
собность работы без зависаний) и экономное использование имеющихся в наличии системных ресурсов. В АСУТП находят применение варианты операционной системы UNIX или расширенная средой RTX ОС Windows NT, а также специальные операционные системы реального времени - OS-9, QNX или версия операционной системы Windows NT для встроенных приложений, названная Windows NT Embedded.
SCADA-системы различаются назначением проектируемых АСУТП, операционной средой, числом трендов (тенденций в состоянии контролируемого процесса) и способом их вывода, типами оповещений о состоянии объектов (alarm), особенностями человекомашинного интерфейса пользователей, типами применяемых программируемых контроллеров и другими параметрами.
Современная объектно-ориентиро-
ванная Master SCADA-система, работающая в среде Windows, поставляется в России компанией "Интеллектуальные системы автоматизации технологии" (InSAT Co.). Система состоит из инструментальной части и исполнительных модулей. Предусмотрены функции управления технологическими процессами, процедуры разработки автоматизированных рабочих мест руководителей цехов и участков, диспетчеров и операторов.
Объектами в SCAD A-системе являются модели технологических, контролирующих и управляющих элементов АСУТП, которые, в свою очередь, могут быть стандартными либо специализированными, пользовательскими. К технологическим объектам относятся также переменные - значения (показания датчиков, приборов), команды (кнопки, регуляторы), параметры расчетов и внутренние и внешние текущие события.
Инструментальная среда Master SCADA включает в себя следующие средства: дерево проекта для описания организационной структуры технологи-
ческого объекта (завод, цех участок, оборудование, группы технологических параметров и т.д.); дерево системы для описания технической структуры АСУТП (промышленные компьютеры, контроллеры, сервер и клиенты базы данных, контрольно-измерительные устройства); меню свойств, необходимых для настройки переменных и документов (окна объекта и системы управления, тренды процессов, расписания, протоколы и т.п.); процедуры действий при создании сценария вместе с документами и переменными; библиотеки типовых алгоритмов, вычислений, динамических закономерностей, исполнительных устройств и готовых решений.
Методология разработки проекта и имитационного моделирования АСУТП средствами 8СЛЭЛ-системы основывается на следующих принципах:
- применение объектно-ориентированного метода проектирования и программирования сложной системы как совокупности взаимодействующих объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса;
- использование метода декомпозиции сложной системы на основе принципов абстрагирования, модульности, иерархичности, наследования свойств, безопасности функционирования и ограничения доступа к подсистемам;
- применение процедуры раздельной, параллельной разработки технологических объектов и автоматизированной системы их управления;
- использование метода интерактивной разработки сценариев проектных процедур без необходимости выполнения операций программирования;
- применение метода визуального представления всех выполняемых действий с графическим сопровождением принимаемых решений;
- создание интуитивно понятного интерфейса пользователей;
- типизация и тиражирование разработанных проектных решений;
- использование библиотек технологических объектов (свыше 150 типовых элементов).
Разработка АСУТП для камнеобрабатывающих производств на предварительном этапе требует выполнения системного анализа и структурирования всей технологической среды конкретного предприятия
1. Норенков И.П., Кузьмик П.К. Информационная поддержка наукоемких изделий. САЬ8-технологии. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.- 320 с.
2. Павлов Ю.А. Компьютерные системы проектирования и подготовки производства промышленных изделий из камня: Учеб. пособие в 3-х частях. Ч.3 Технологическая подготовка произ-
с одновременным созданием его единого информационного пространства посредством интеграции компьютерных систем проектирования и технологической подготовки производства для широкой номенклатуры сложной продукции.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
водства и управление данными об изделиях. - М.: МГГУ, 2003. - 96 с.
3. Павлов Ю.А. Модульная система технологического обеспечения производства сложных изделий из камня. // ГИАБ, №6. - М.: Изд-во МГГУ, 2005, с. 297-303
4. Управление ГПС: Модели и алгоритмы / Кол. авторов, под общ. ред. акад. С.В. Емельянова. - М.: Машиностроение, 1987. - 368 с.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------
Павлов Ю.А. — профессор, кафедра «Технология художественной обработки материалов», Московский государственный горный университет.
ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИИ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОС УДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕ РСИТЕТ
ГРИГОРЬЕВ
Александр
Сергеевич
Обоснование и выбор параметров продавливающих установок для бестраншейной технологии строительства подземных инженерных коммуникаций
-А
к.т.н
