Объектно-ориентированная модель автоматизированного технологического комплекса механообработки
С.В. Лаздынь, А. И. Секирин
Донецкий национальный технический университет
Источник:Материалы всеукраинской конференции «Информационные технологии в науке и технике (ITONT-2002)». – Черкассы: ЧГТУ, 2002, стр. 243-246
В настоящее время одной из важных задач развития машиностроения является создание новых и повышение эффективности действующих автоматизированных технологических комплексов механообработки.
Под автоматизированными технологическими комплексами (АТК) будем понимать технологические структуры с законченным производственным циклом (участок, цех) и различной степенью автоматизации. АТК включают в себя автоматизированное технологическое оборудование для механообработки деталей: станки с числовым программным управлением (ЧПУ), гибкие производственные модули (ГПМ), а также - вспомогательное оборудование: автоматизированный транспорт (транспортные роботы, роботизированные тележки), автоматизированную складскую систему. Координацию взаимодействия различного оборудования и функционирование комплекса в целом обеспечивает система управления (СУ АТК) [1, 3].
С точки зрения проектирования и управления АТК представляет собой сложный динамический объект, на функционирование которого оказывают ряд возмущающих факторов, таких как поломки оборудования, отсутствие заготовок и инструмента, директивные производственные задания и др. Поэтому, для создания и эффективной эксплуатации таких объектов одной из главных задач является построение модели АТК, которая обеспечит достаточно точное отображение протекающих в нем процессов функционирования производственного оборудования и движения материальных потоков во времени и пространстве.
В настоящее время для АТК разработаны и используются ряд моделей, которые можно разделить на четыре основных класса: аналитические модели; модели массового обслуживания; модели, основанные на теории сетей и графов и имитационные модели [1]. Для первых двух типов моделей характерным является наличие упрощений и допущений, что неизбежно приводит к неадекватности модели или достаточно большой погрешности получаемых результатов. Проведенный сравнительный анализ моделей показал, что на сегодня наиболее эффективными являются модели третьего и четвертого типов, при этом в ряде случаев предпочтительным является имитационное моделирование.
Учитывая сложность АТК как объекта моделирования, многообразие его модификаций и реализаций для изготовления различных типов деталей и узлов, предложено для построения модели АТК использовать объектно-ориентированный подход (ООП) [2,3]. Преимущества ООП по сравнению с традиционным имитационным моделированием – полнота и наглядность отображения элементов и функций исследуемого объекта, прозрачность процессов моделирования, простота модификации.
К достоинствам объектно-ориентированного подхода следует отнести следующее:
- простота систематизации и структурирования компонентов АТК;
- механизм наследования позволяет реализовать сложные иерархические модели для различных модификаций компонентов АТК;
- при создании объектов можно учесть асинхронность и параллелизм технологических процессов;
- возможность применения для АТК с произвольной компоновочной схемой без дополнительного перепрограммирования.
Учитывая модульный принцип построения АТК, в качестве объектов моделирования выбраны следующие типовые элементы АТК: гибкий производственный модуль, транспортный модуль, автоматизированный склад с локальными системами управления и систему управления АТК. Для указанных элементов были сформированы классы и созданы соответствующие объекты.
Объект GPM отображает параметры, состояние и функции гибкого производственного модуля (параметры - состав оборудова-ния ГПМ и его характеристики; текущее состояние: ожидание, наладка, обработка детали, поломка и восстановление; основные функции – определение времен окончания операций наладки, обработки, завершения восстановления после поломки). Аналогично объекты ТМ и SKD моделируют работу транспортного модуля и автоматизированного склада по перемещению и складированию обрабатываемых на АТК партий деталей. Объект SU моделирует работу системы управления АТК, связанную с синхронизацией работы технологического и транспортно-складского оборудования, с запуском в обработку партий деталей, с учетом их прохождения по всем операциям производственного цикла. Свои функции объект SU выполняет посредством выдачи команд и контроля их выполнения. Для обеспечения взаимодействия между указанными объектами в модель включен еще один объект DS – диспетчер событий, который произв одит прием и распознавание команд СУ АТК и сообщений модулей, хранит в очереди, передает их адресатам. Схема взаимодействия объектов модели приведена на рис.1.
Рис. 1 Схема взаимодействия объектов модели АТК
На начальном этапе моделирования производится инициализация компонентов модели, при которой в объекты загружаются характеристики оборудования АТК, его размещение и другие параметры.
В процессе моделирования система управления (SU) взаимодействует с модулями (GPM, TM, SKD) с помощью диспетчера событий. Исходя из производственной программы АТК, наличия и состояния оборудования система управления формирует команды-задания модулям. Диспетчер событий (DS) получает от объекта SU эти команды, распознает их и передает модулям-адресатам. Получив команду, модуль выполняет соответствующую операцию и посылает объекту DS сообщение о ее завершении. Диспетчер включает это сообщение в очередь событий модели. При наступлении времени совершения очередного события DS извлекает его из очереди и передает для анализа в систему управления. Фиксация всех команд и сообщений производится в выходной таблице событий модели АТК.
Объектно-ориентированная модель АТК программно реализована с помощью языка визуального программирования Delphi 5.5. Для хранения информации о составе, характеристиках и компоновке оборудования, об обрабатываемых деталях, о технологических операциях и др. разработана база данных в формате СУБД Paradox. Программа модели позволяет заносить, корректировать и считывать из нее параметры моделируемого АТК. Этим обеспечивается возможность хранить информацию и проводить модельные эксперименты для нескольких АТК с различной компоновкой и составом оборудования. В результате проведенных экспериментальных исследований с использованием реальных производственных данных для АТК механообработки деталей типа тел вращения определена достаточно высокая степень адекватности модели объекту (погрешность составляет не более 10%).
Полученная объектно-ориентированная модель может применяться как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации АТК. При проектировании с помощью модели можно определять рациональный состав и размещение оборудования. В процессе эксплуатации АТК применение модели позволяет определять загрузку оборудования, выявлять и устранять "узкие места", формировать расписание работы оборудования, используемое системой управления АТК.
Литература
1. Ямпольский Л., Банашак З., Хасегава К. и др. Управление дискретными процессами в ГПС. – Киев: Техника, 1992.
2. Шлеер Салли, Меллор Стефан. Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях. – Киев: Диалектика, 1993.
3. Лаздынь С.В., Секирин А.И. Совершенствование методов управления автоматизированными технологическими комплексами механообработки на основе объектно-ориентированного подхода и генетических алгоритмов. // Научные труды Донецкого национального технического университета. Серия: Вычислительная техника и автоматизация, выпуск 38. – Донецк: ДонНТУ, 2001.