Email: rmaik@cable.netlux.org
В настоящее время имеется достаточно много разработок по теме автоматизации производства. Одной из подсистем автоматизированного производства является подсистема моделирования. Это достаточно сложная система, которая, в принципе, может постоянно пребывать в процессе разработки и улучшения, так как чем больше возможностей моделирования производственного процесса, тем меньше вероятность допущения какой-либо ошибки на стадии планирования производства.
Подсистема моделирования может включать много частей. Для разработки моделей был выбран процесс диспетчирования изготовления и сборки изделий в рамках комплексной задачи разработки подсистемы моделирования производственных процессов в машиностроении. Второй частью этой задачи является моделирование оборудования машиностроительного производства. Этой частью работы занимается магистр ФКИТА Бондаренко Дмитрий. Тема была предложена нашему факультету в рамках государственного заказа. Исходя из этого можно считать ее в достаточной степени актуальной. Также об актуальности темы можно судить по результатам проведенного мной поиска в Интернете, а также из темпов внедрения автоматизированных систем на машиностроительных предприятиях.
В качестве планируемых результатов магистерской работы можно рассматривать модели процессов изготовления и сборки машиностроительных изделий, которые будут построены. Новизна планируемой работы заключается в том, что для построения моделей будет применено объектно-ориентированное моделирование, которое является одним из методов имитационного моделирования. Планируемые практические результаты – модели реальных процессов диспетчирования, на основании которых возможно составление расписания прохождения технологического процесса.
Цель работы – разработка моделей процессов диспетчирования и сборки изделий в машиностроении. К задачам можно отнести изучение предметной области, обоснование выбора научного метода моделирования, разработка моделей на основании изученной предметной области, калибровка моделей и проведение эксперимента, оценка результатов и определение дальнейших перспектив разработки темы.
По результатам проведенного поиска, можно сделать некоторые выводы о состоянии разработок по теме. Собственно такая же тема не разрабатывалась в принципе или же об этом нет сведений в Интернете и изученной литературе. Общее состояние разработок по вопросам автоматизации в машиностроении достаточно велико и постоянно возрастает. Но большая часть этих тем посвящена либо собственно автоматизации какого либо процесса, либо построению моделей каких-либо частных физических процессов, при этом используется прежде всего математическое моделирование.
В рамках ДонНТУ наиболее близкой по теме разработкой можно считать работу магистра Кондрахина А.В. "Разработка моделей и программных средств для оперативного управления производством изделий в машиностроении". Однако у него рассмотрено построение моделей отдельных частей общего процесса изготовления изделия, при этом целью являлось построение моделей для оперативного управления процессом производства, а не для составления расписаний прохождения детале-сборочных единиц через весь процесс производства.
Среди разработок других учебных заведений можно выделить Диалоговую автоматизированную систему имитационнго моделирования Одесского национального университета им. И.И.Мечникова. Однако этот продукт является хоть и некоммерческим, не имеет открытого кода. Нет официального указания какой именно метод имитационного моделирования используется, однако, скорее всего, используются системы массового обслуживания.
Также была найдена информация по нескольким коммерческим комплексам, которые предназначены для автоматизированного управления и производством, включают в себя задачи диспетчирования изготовления изделий, однако для них не определено наличие каких либо встроенных соответствующих моделей. Это комплексы БЭСТ-ПРО и система оперативно-календарного планирования и диспетчерского контроля "Zenith SPPS". Но обе эти системы являются не средствами моделирования а средствами автоматизации самого процесса диспетчирования. Также существует много организаций, занимающихся разработкой программного обеспечения для машиностроения на заказ.
Любое машиностроительное изделие является технической системой, описываемой совокупностью элементов, отношение к которым зависит от того, с каких позиций рассматривать изделие.
Машиностроительное изделие - это структурированное множество сборочных единиц и деталей, монтаж которых в изделии осуществляется посредством соединения деталей с помощью базирующих модулей поверхностей.[2]
Рабочая конструкторская документация на изделие включает: сборочные чертежи изделия и его сборочных единиц, спецификацию, ведомость спецификаций, ведомость покупных изделий, чертежи деталей изделия, программу и методику испытаний, техническое описание и инструкцию по эксплуатации изделия.
Сборочный чертеж является графическим изображением изделия, соответствующего техническому заданию.[4]
Спецификация - основной конструкторский документ на изделие, выполненный на отдельном бланке в соответствии со стандартом. Спецификация определяет состав сборочной единицы и необходима для изготовления и комплектования конструкторских документов, а также планирования запуска в производство указанных изделий. Спецификация состоит из отдельных разделов, располагаемых в следующем порядке: документация (сборочный чертеж, монтажный чертеж, габаритный чертеж, схемы, текстовые документы), комплексы, сборочные единицы, детали, стандартные изделия, прочие изделия, материалы, комплекты. Детали, на которые не разрабатывали чертежи, также включают в спецификацию.
После того как конструктор спроектировал изделие, его надо изготовить, и с этого момента его надо рассматривать как объект производства.
Если техническую систему рассматривать как объект производства, то она представляет собой совокупность сборочных единиц и деталей, обезличенных с точки зрения их функционального назначения.
Информацию о структуре изделия, взаимосвязях между деталями, их подчиненности можно получить только на основе анализа сборочного чертежа изделия и спецификации.[2]
На рисунке 1 приведена общая структура машиностроительного изделия.
Рис. 1 Технологическая структура машиностроительных изделий
Следует также отметить, что существует представление изделий с помощью графов модулей поверхностей и модулей соединений. Такое представление дает возможность унификации и формализации представления изделий, что упрощает создание систем САПР и моделирования процессов производства, позволяет технологу в короткие сроки изучить изделие, оценить его технологичность, определить ожидаемую трудоемкость сборки изделия и изготовления его деталей, потребности в средствах технологического оснащения.[4]
Технико-экономические показатели изготовления изделия.
Изготовление изделия связано с затратами труда, материалов, энергии и времени. Поэтому изделие должно не только отвечать требованиям служебного назначения, но и отличаться от ранее выпущенных изделий аналогичного назначения меньшими затратами (изложенное подчеркивает органичную связь технологии и экономики).
К технико-экономическим показателям производства изделия относятся себестоимость, трудоемкость и другие показатели.
Себестоимость изделия выражается в денежной форме и отражает затраты на его изготовление, и тем самым характеризует организационно-технический уровень производства и состояние хозяйственной деятельности предприятия. Различают себестоимость полную и производственную, в которую входит технологическая.
Не менее важным технико-экономическим показателем является трудоемкость изделия, Трудоемкость отражает затраты только живого труда, что находит свое отражение в качестве одного из слагаемых себестоимости. На основе трудоемкости рассчитывается потребное количество рабочих для осуществления технологического процесса по изготовлению данного изделия. Трудоемкость изделия складывается из трудоемкости его сборочных единиц; трудоемкость сборочных единиц равна сумме трудоемкости деталей и сборочных операций; трудоемкость детали равна сумме трудоемкостей операций по ее изготовлению; трудоемкость операции складывается из трудоемкости переходов.
К другим технико-экономическим показателям изделия относятся производственная мощность, выработка рабочих, материалоемкость, энергоемкость, инструментоемкость, а также показатели, выраженные в таких величинах, как выпуск продукции (в штуках или денежном выражении), приходящийся на один участок, на одного производственного рабочего, на 1 м2 площади, на единицу оборудования (в кВт- ч на штуку, в станко-час на штуку и др.).
В оценке технико-экономических показателей изготовления изделия большую помощь оказывает анализ цикла ее изготовления. Например, цикл изготовления детали складывается из затрат времени на операции и пролеживания заготовки между ними.[4]
Технологический процесс изготовления и сборки изделия.
Технологический процесс – это совокупность технологических вспомогательных переходов, объединенных в операции, которые осуществляются в определенной последовательности.
Технологический процесс изготовления изделия в общем случае представляет собой совокупность технологических процессов, его сборки и изготовления деталей.[6]
Количество изделий, намечаемых к выпуску в единицу времени и по неизменяемым чертежам, определяет выбор наиболее экономичного варианта технологического процесса, оборудования, инструмента, технологической оснастки, степени механизации, автоматизации и организационных форм.
Сборка является одним из заключительных этапов изготовления изделия, в котором сходятся результаты всей предшествующей работы, проделанной конструкторами и технологами по созданию изделия. Качество изделия и трудоемкость сборки во многом зависят от того, как понято конструктором и воплощено в конструкции служебное назначение изделия, как установлены нормы точности, насколько эффективны выбранные методы достижения требуемой точности изделия и как отражены эти методы в технологии изготовления изделия.
К исходным данным для разработки технологического процесса сборки относятся: программа выпуска изделия; описание изделия как объекта производства, включая конструкторскую документацию; объем кооперации и другие данные, входящие в состав рассмотренной выше исходной информации. Для действующих и реконструируемых предприятий к исходным данным также относятся данные об имеющихся сборочном оборудовании и оснастке, производственных площадях и т.п.
Разработка технологического процесса сборки изделия включает изучение служебного назначения изделия, его конструкции, технических требований, выбор вида и организационной формы производственного процесса, методов сборки, определение последовательности соединения деталей и сборочных единиц, выбор методов регулирования и контроля качества сборки, выбор оборудования и средств сборки.[7]
Виды и формы процесса сборки изделий.
На основе изучения назначения изделия, его сборочных и рабочих чертежей, а также намеченного объема выпуска изделия в целом и его сборочных единиц выбирают вид и организационную форму процесса сборки. На рисунке 2 показаны возможные организационные формы производственного процесса сборки.
Рис 2. Виды (поточная и непоточная) и организационные формы производственных процессов сборки изделия
По виду производственного процесса сборка может быть поточной и непоточной, каждую из которых разделяют на стационарную и подвижную. Поточную подвижную сборку осуществляют с периодическим и непрерывным движением собираемого объекта. При большом числе подлежащих изготовлению изделий или их сборочных единиц следует выяснить экономичность использования поточной сборки. Если конструкция изделия обладает достаточной жесткостью базирующей детали и сравнительно небольшой массой, то целесообразно выбрать подвижную сборку с непрерывным перемещением собираемого изделия. В противном случае следует остановиться на подвижной сборке с периодическим перемещением собираемого изделия.
Изделия большой массы при относительно небольшом их числе экономично собирать с использованием поточной сборки с периодически перемешающимися бригадами рабочих от одного собираемого объекта к другому.
С уменьшением числа изделий, подлежащих изготовлению, когда использование поточной сборки становится неэкономичным, следует применять непоточную сборку с перемещающимися объектами. При единичном изготовлении изделий или небольшом их числе используют непоточную стационарную сборку.
Непоточная стационарная сборка характеризуется неизменным положением собираемого объекта на одном рабочем месте, которое оснащают необходимой оснасткой, и сборку выполняет один рабочий или бригада. Цикл сборки увеличивается, так как рабочие в большинстве случаев вынуждены работать последовательно. Неподвижность объекта позволяет свести к минимуму влияние на точность изделия упругих деформаций при недостаточно жесткой базирующей детали.
Основным преимуществом поточной стационарной сборки является работа с установленным тактом выпуска, что позволяет достигнуть высокого ритма выпуска изделий, короткого цикла сборки, высокой производительности труда.
Поточную стационарную сборку экономично использовать в серийном производстве изделий, отличающихся недостаточной жесткостью базирующихся деталей, большими размерами и массой (например, автобусы, тяжелые станки и т.п.). При дальнейшем увеличении объема выпуска изделий и сборочных единиц экономичной становится поточная подвижная сборка.
Поточная подвижная сборка характеризуется тем, что собираемый объект перемещается непрерывно или периодически через равные промежутки времени. Для перемещения собираемых объектов используются различного рода конвейеры: ленточные, цепные, штанговые, рамные и др.
При поточной сборке каждую рабочую позицию или участок, располагаемый вдоль конвейера, оборудуют всеми приспособлениями для сборки, сборочно-монтажным и измерительным инструментом, стеллажами для сборочных единиц и деталей, необходимых по ходу сборки.
Из всего приведенного разнообразия форм организации производственного процесса сборки при разработке технологического процесса сборки надо выбирать наиболее эффективную для конкретных условий производства. Решающим фактором является количество изделий, подлежащих изготовлению с учетом нижеследующих рекомендаций.[7]
Деление изделия на сборочные единицы не является однозначным и зависит от масштаба выпуска и требований процесса сборки может изменяться как по составу сборочных единиц, так и по их содержанию.
На последовательность выполнения сборки оказывают влияние:
Диспетчеризация производства и сборки изделий.
Диспетчеризация – централизация (концентрация) оперативного контроля и координация управления производственными процессами с целью обеспечения согласованной работы отдельных звеньев предприятия или группы предприятий для достижения наивысших технико-экономических показателей, выполнения графиков работ и производственной программы.
Диспетчеризация направлена на обеспечение равномерности загрузки всех звеньев предприятия, непрерывности, ритмичности и экономичности выполнения всех процессов основного производственного цикла, бесперебойной работы вспомогательных и обслуживающих участков. Вследствие изменения состава производимой продукции, корректив, вносимых в методы и технологию её изготовления, разного уровня выполнения программы различными рабочими и производственными участками, а также в связи с перебоями из-за ремонта оборудования, нарушения графика поставки материалов и т.п. нарушаются предварительно установленные пропорции и ритм. В задачу диспетчирования входит регулирование процесса производства с целью восстановления действующих или установления новых пропорций и ритма работы предприятия. Диспетчеризация охватывает контроль и управление технологическими процессами, контроль и оперативное распределение материальных и энергетических ресурсов, транспортных средств, учёт работы машин и механизмов, повышает безопасность и точность движения транспорта. Способствуя предотвращению простоев оборудования и потерь рабочего времени и выполнению заказов в срок, диспетчеризация оказывает положительное влияние на экономику производства.
Промышленные предприятия (группы предприятий) с непрерывным производственным процессом, ход которого может быть описан математически, используют логические устройства или управляющие вычислительные машины для автоматической обработки поступающей информации. Несколько иные задачи диспетчеризации предприятий с дискретным производственным процессом, главным образом потому что даже изделие средней сложности содержит десятки, а иногда и тысячи деталей с различной технологией изготовления. Математическое описание таких процессов с целью автоматизации всего производственного цикла очень сложно. В этом случае в задачу диспетчерской службы входит не только контроль работы конвейеров и поточных линий (выпуск конечного продукта), но и обязательно координация деятельности всех участков, цехов, отделов, лабораторий, складов, вплоть до вспомогательных служб, обеспечивающих ритмичную, высокопроизводительную работу главного конвейера.
На анимации (5 кадров, 5 циклов) показан принцип управления диспетчера всеми подпроцессами на производстве.
Диспетчирование производства состоит из следующих основных задач:
К оперативным задачам диспетчерских служб относится выявление проблем, нарушающих плановый производственный процесс: аварии и поломки оборудования, отсутствие необходимой оснастки и инструмента, отсутствие транспорта для межцеховых и внешних перевозок, нерешенность конструкторско-технологических вопросов.
При формировании планового задания, составленного с учетом приведенных выше рекомендаций (и при выполнении графика снабжения и комплектации) задачи диспетчирования должны сводиться исключительно к синхронизации движения ДСЕ между цехами внутри одного календарного периода – то есть, когда цикл изготовления детали укладывается в календарный плановый период (например, месяц), и поэтому для всех цехов – участников технологического маршрута сдача этих ДСЕ включена в плановое задание одного периода. В таком случае есть риск возникновения ситуации, когда первый участник технологического маршрута выполнит свои операции в последний день периода, а все остальные участники не выполнят задание по обязательной номенклатуре. В этом случае диспетчер предприятия должен составить календарный график движения ДСЕ между цехами с учетом длительности цикла обработки в каждом цехе с тем, чтобы обеспечить сдачу ДСЕ в указанном календарном периоде.[6]
Назначением моделирования процессов производства является описание движения предметов труда по всем рабочим местам их обработки или сборки во времени. Формируемая модель должна дать ответ на вопросы: где, когда и в каких количествах должны находиться в процессе производства детали и сборочные единицы любого наименования.
Модель процесса производства является организующим началом для своевременного планирования работ на всех рабочих местах технологических линий, производственных участков, цехов и предприятия в целом.
Наиболее просто задача моделирования решается для однопредметных производственных участков и сводится к синхронизации технологических процессов отработки деталей. Решение задачи моделирования для многопредметных участков осложняется тем, что она может решаться для различных форм организации процессов производства.
Наиболее рациональной и перспективной формой организации процессов производства на многопредметных производственных участках является поточно-групповое производство. В этом случае создаются предпосылки для использования более прогрессивных технологических процессов изготовления деталей и сборки сборочных единиц и изделий, применение поточных принципов организации производства на предприятиях не только массового и крупносерийного производства, но и серийного, и мелкосерийного, а это важно, так как удельный вес предприятий серийного и мелкосерийного производства в машиностроении весьма велик.[8]
Методы моделирования процесса производства, как и методы моделирования сложных систем в целом, не отличаются многообразием. В настоящее время применяются:
Имитационное моделирование — это метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Такую модель можно «проиграть» во времени как для одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику. Имитационное моделирование — это метод исследования, основанный на том, что изучаемая система заменяется имитатором и с ним проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе. Экспериментирование с имитатором называют имитацией (имитация — это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном объекте).
Имитационное моделирование — это частный случай математического моделирования. Существует класс объектов, для которых по различным причинам не разработаны аналитические модели, либо не разработаны методы решения полученной модели. В этом случае математическая модель заменяется имитатором или имитационной моделью.
Имитационная модель — логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.
Имитация, как метод решения нетривиальных задач, получила начальное развитие в связи с созданием ЭВМ в 1950х — 1960х годах. Можно выделить две разновидности имитации:
Аналитические модели, их использование для моделирования процесса производства изделий в машиностроении.
Задача оптимизации при моделировании производственных процессов возникает в связи с тем, что принимаемая очередность обработки деталей существенно влияет на совокупный цикл обработки. Поэтому за критерий решения задачи оптимизации принимается минимизация длительности совокупного цикла обработки деталей.
Довольно часто задача оптимизации производственных процессов сводится именно к выбору оптимальной очередности обработки деталей. В связи с этим разработано достаточно много методов математического моделирования, исключающих необходимость оценки всех возможных вариантов и позволяющих автоматизировать процесс выбора, так как реализация задачи моделирования вручную и особенно задачи моделирования групповых поточных линий сопряжена с большими затратами труда и времени. Это объясняется тем, что такие линии допускают обработку на них деталей большой номенклатуры. Часто в реальных условиях производства номенклатура обрабатываемых каждой линией деталей исчисляется не только десятками, сотнями и даже тысячами наименований, что предполагает обработку огромных объемов информации.
Анализ показывает, что наиболее удачными методами поиска оптимальной очередности запуска деталей в обработку являются: матричный метод, предложенный В.А. Петровым; метод оптимизации по правилам приоритета, разработанный А.А. Колобовым, и аналитический метод, предложенный Ф.И. Парамоновым.
Матричный алгоритм оптимизации порядка запуска деталей на многономенклатурном производственном участке основан на дискретном программировании, все исходные и промежуточные данные представляются в виде наборов матриц, и на основе нескольких расчетных параметров формируются правила оптимального поиска решения. Однако этот метод не учитывает влияния пооперационных трудоемкостей и позволяет искать лишь случайную очередность обработки, т.е. метод является весьма субъективным, так как в его основу положен сугубо эмпирический поход. Суть метода, основанного на правилах приоритета, состоит в том, что в случаях конфликтных ситуаций, когда на один станок претендуют одновременно несколько деталей, то предпочтение отдается по какому-либо приоритету. Поскольку выбор такого приоритета субъективен и не дает гарантии поиска математического оптимума, то к настоящему времени предложено большое множество приоритетов. Оценивая этот метод, необходимо отметить, что при некоторой упорядоченности он имеет следующие недостатки: допускаются перерывы в процессе обработки деталей, а также в основу решения задачи принимается последовательная форма организации процесса во времени, что удлиняет длительность совокупного цикла.[3]
Сетевое моделирование. Сети Петри — математический аппарат для моделирования динамических дискретных систем. Впервые описаны Карлом Петри в 1962 году.
Сеть Петри представляет собой двудольный ориентированный граф, состоящий из вершин двух типов — позиций и переходов, соединённых между собой дугами, вершины одного типа не могут быть соединены непосредственно. В позициях могут размещаться метки (маркеры), способные перемещаться по сети.
Событием называют срабатывание перехода, при котором метки из входных позиций этого перехода перемещаются в выходные позиции. События происходят мгновенно, разновременно при выполнении некоторых условий.[5]
Для построения модели процесса диспетчирования изготовления и сборки изделий необходимо дальнейшее детальное изучение предмета. На основе изученных данных методом объектно-ориентированного имитационного моделирования будет построена соответствующая модель.
Традиционно, создавая информационные системы компаний, разработчики отталкивались от данных. В результате, используемые ими подходы к моделированию систем были ориентированы на описание данных о сущностях реального мира и их взаимосвязей, но не на поведение этих сущностей. Объектно-ориентированный подход является единственным пока подходом, позволяющим описывать как данные о сущностях, так и их поведение. Кроме того, он обеспечивает создание прозрачных, легко модифицируемых моделей бизнеса и информационных систем, допускающих повторное использование отдельных компонентов.
Целесообразность применения имитационного моделирования можно определить по наличию любого из следующих условий:
К недостаткам имитационного моделирования можно отнести следующие факторы:
В перспективе на основе построенных моделей возможно определение оптимального расписания запуска отдельных технологических подпроцессов, составляющих общий процесс изготовления и сборки с помощью какого-либо метода оптимизации.