автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение эффективности мелкосерийного и единичного производства путем разработки автоматизированной системы планирования по критерию минимальной мощности грузопотока в цеху

61 -99 -Ь/1261 -X

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

на правах рукописи

Вайсман Григорий Львович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕЛКОСЕРИЙНОГО И ЕДИНИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПУТЕМ РАЗРАБОТКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПЛАНИРОВАНИЯ ПО КРИТЕРИЮ МИНИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ГРУЗОПОТОКА В

ЦЕХУ

Специальность 05.13.07 - «Автоматизация технологических процессов

и производств» (промышленность)

Научный

руководитель д.т.н., профессор Фролов Е. Б.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................................................................................................................4

Глава 1. Концепция построения и классификация систем управления производством и интегрированных систем управления предприятием.

1.1 Современные системы управления предприятием и

их развитие........................................................................................................9

1.2 Иерархические уровни управления предприятием. Структура системы оперативно-диспетчерского контроля................................................................................................................11

1.3 Классификация задач, решаемых системами управления предприятием...........................................................23

1.3.1 Системы SCAD A/DCS............................................................23

1.3.2 Особенности SCADA как процесса управления..........................................................................................31

1.3.3 Системы ERP/MRP II................................................................33

1.3.4 Системы MES..................................................................................39

Глава 2. Организация технико-экономического

планирования производства.

2.1 Планирование производства. Классификация.

Методы планирования производства......................................41

2.2 Упрощение задачи планирования путем ее декомпозиции................................................................................................43

2.3 Трудности, возникающие при разработке производственных расписаний......................................................50

2.4 Критерии составления производственного

расписания........................................................................................................55

2.5 Особенности оперативного планирования для мелкосерийного производства в цехах с

существенной долей массивных деталей..............................57

Глава 3. Основы теории расписаний и особенности

составления производственного расписания по критерию минимальной мощности грузопотока.

3.1 Основные положения теории расписаний..............................60

3.2 Трудно разрешаемые задачи................................................................64

3.3 Задача минимизации мощности грузопотока......................67

3.4 Метод ветвей и границ..............................................................................70

3.5 Применение метода ветвей и границ для составления производственного расписания по

критерию минимальной мощности грузопотока..............79

Глава 4. Программная реализация алгоритма расчета производственного расписания по критерию минимальной мощности грузопотока и его интеграция в систему оперативного управления «Фобос».

4.1 Внутреннее представление данных и работа

алгоритма............................................................................................................84

4.2 Интерфейс пользователя. Интеграция

разработанной программы в систему оперативного

планирования «Фобос»............................................................................89

Заключение................................................................................................................................96

Список литературы............................................................................................................97

ВВЕДЕНИЕ

После наметившихся в конце 1997 года проблем в мировой финансовой системе и, соответственно, в финансовой системе России, а также глобального финансового кризиса во второй половине 1998 года, на первый план в приоритетах развития Российского хозяйства выходит поддержка отечественного производителя. Неминуемо грядет развитие промышленного производства в России. Но необходимо отметить, что при нынешнем уровне развития информационных технологий, рост промышленного производства также невозможен без новых достижений в средствах автоматизации этого производства, учитывающих как существующие в мире разработки, так и особенности организации отечественной промышленности.

Как показывают исследования Международного центра технологии машиностроения, около 70 процентов в мировой промышленности составляет мелкосерийное и серийное производство. В настоящее время автоматизация на предприятиях обусловлена наличием так называемых компьютеризированных интегрированных производств (в зарубежных источниках -Computer Integrated Manufacturing).

Важной частью таких компьютеризированных интегрированных производств являются модули оперативного планирования и управления. Практически все крупные производственные объединения поняли необходимость внедрения у себя таких компьютеризированных систем и с большим или меньшим успехом занимаются этим. Вопросам оперативного планирования и управления посвящены работы многих отечественных ученых: Белянина П.М., Блехермана М.Х., Горнева

В.Г., Емельянова В.В., Колесова И.М., Лищинского Л.Ю., Макарова И.М., Митрофанова В.Г., Первозванского A.A., Соломенцева Ю.М., Сосонкина B.JL, Султан-Заде Н.М., Третьякова Э.А., Фролова Е. Б., Чудакова А.Д. и др.

В МГТУ «Станкин» была разработана и внедрена на крупных машиностроительных предприятиях интегрированная система оперативного управления мелкосерийным и единичным производством «Фобос». Длительный опыт промышленной эксплуатации системы позволил выявить ряд направлений дальнейшего ее развития.

Особую роль вопросы оперативного планирования и управления приобретают в нынешних условиях, обусловленных недостатком необходимых ресурсов, наличием перебоев в снабжении электроэнергией, комплектующими изделиями и т. д. При составлении производственных расписаний по большому числу критериев, выбираемых пользователями, могут быть получены значительные резервы мощностей и эффективнее использованы ресурсы.

Одним из важных аспектов при планировании и расчете производственных расписаний, является максимальное разнообразие критериев оценки сменно-суточных заданий и оперативных маршрутов деталей. Таким образом, возникает важная научная и практическая проблема по формированию новых функционально значимых критериев и включению соответствующих оптимизирующих алгоритмов в систему оперативного управления и планирования производства.

Практика показала, что одним из таких критериев является критерий минимизации мощности грузопотока.

Целью работы является повышение эффективности производства путем составления алгоритма расчета производственного расписания для транспортируемых деталей по критерию минимизации затрат на транспортировку наиболее тяжелых деталесборочных единиц а также создания на основе этого алгоритма программы, встроенной в систему составления расписаний на уровне цеха.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• Рассмотрена классификация существующих на сегодняшний момент систем управления предприятием и их составных частей

• исследованы методы и средства оперативного планирования производства

• Проанализированы существующие критерии составления производственного расписания

• Разработана методика составления производственного расписания по критерию минимальной мощности грузопотока

• Создан соответствующий алгоритм и проведена его программная реализация

Методы исследований, примененные для достижения поставленных в работе целей, базировались на теоретических результатах теории расписаний и численных методов.

К новым результатам, полученным в процессе проведения исследования по диссертационной работе, можно отнести следующее:

1. Выявлены особенности оперативного планирования для мелкосерийных и единичных производств с существенной долей массивных деталесборочных единиц.

2. Модифицирован метод ветвей и границ для расчета производственного расписания с учетом физических расстояний между станками.

3. На его основе разработан математический метод расчета производственного расписания по критерию минимальной мощности грузопотока.

Практическая ценность работы состоит в том, что на основании проведенных теоретических исследований, создана и внедрена в промышленную эксплуатацию (в составе интегрированной системы оперативного управления мелкосерийным и единичным производством «Фобос») программа расчета и коррекции производственного расписания для транспортируемых деталей по критерию минимизации затрат на транспортировку наиболее тяжелых деталесборочных единиц.

В результате применения разработанной подсистемы планирования на крупных машиностроительных предприятиях AMO «ЗИЛ», АО «Москвич», удалось существенно снизить энергозатраты на транспортировку тяжелых деталей в цеху. Эффективный учет указанных затрат на этапе составления производственного расписания снижает себестоимость изготовляемой продукции в среднем на 7-8%.

В первой главе рассматриваются имеющиеся на рынке системы управления производством, а также интегрированные системы управления предприятием. Также осуществляется попытка классификации таких систем.

Во второй главе производится анализ организации технико-экономического планирования производства. Кроме того, излагаются основные теоретические аспекты оперативного календарного планирования. Также указывается на особенности оперативного планирования в цехах с существенной долей обрабатываемых массивных деталей.

В третьей главе содержится обзор методов составления производственных расписаний по различным критериям, сущность метода ветвей и границ, а также теоретические основы составления расписания по критерию минимальной мощности грузопотока.

Четвертая глава посвящена практической реализации полученного алгоритма. Также рассматриваются проблемы интерфейса пользователя и интегрирование программы в систему оперативного управления мелкосерийным и единичным производством «Фобос».

1. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ И ИНТЕГРИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ

1.1 СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ПРЕДПРИЯТИЕМ И ИХ РАЗВИТИЕ

В современном автоматизированном производстве работа всех компонентов (технологического оборудования, автоматизированной транспортно-складской системой, автоматизированной системы инструментального обеспечения, системы автоматизированного контроля, автоматизированной системы удаления отходов и др.) координируется как единое целое интегрированной автоматизированной системой управления, обеспечивающей планирование и быстрое изменение программ функционирования отдельных компонентов при освоении выпуска новой продукции.

Началом современного этапа развития технологий управления предприятием можно считать методологический прорыв кибернетики и появление электронных вычислительных машин. Уже тогда в значительной степени благодаря работам Бира [1] сформировалось представление о "кибернетическом предприятии" будущего, основанном на аналогии с живым организмом. Однако от возможности до реального воплощения потребовалось как всегда значительно больше времени, чем предполагалось. Так, например, до сих пор еще не реализована в полной мере пятиуровневая модель управления Бира, а методология новой Теории Ограничений является дальнейшей конкретизацией и переводом на язык практики "технологии " выживания предприятия с точки зрения кибернетики, принципиально сформулированной еще в работе [1].

Начало практической реализации технологической базы ИСУ (единое информационное пространство, однократный ввод и многократное использование информации, уменьшение количества бумажных документов и дублирования информации в них, автоматические бухгалтерские проводки и т. п), уменьшающей трудозатраты на управление, стало возможным только с появлением компьютеров третьего поколения с такими базовыми элементами, как средства хранения информации большого объема с "прямым доступом" и средства интерактивного доступа к хранимой информации.

Все это появилось в конце 60-х - начале 70-х гг., и связано было прежде всего с выходом на рынок системы IBM/360 и монитора CICS. Поскольку эти средства стоили дорого, реализацию ИСУ могли позволить себе только крупные предприятия. Например, в 70-х гг. ИСУ были созданы в United States Steel Corporation (USX) и British Steel, при этом штаб-квартира и заводы последней были расположены в нескольких городах, количество интерактивных терминалов - составляло около 2000, общий объем дисковой памяти - около 750 Гбайт.

В ИСУ первого поколения практически все программное обеспечение было создано на самих предприятиях - "натуральное хозяйство". Оно было приспособлено либо к конкретному предприятию, либо к узкому кругу родственных компаний и требовало значительных трудозатрат на поддержку силами высококлассных программистов. Так, например, компания British Steel на конец 80-х гг. для развития и эксплуатации своей ИСУ содержала около 800 специалистов, 350 из которых - в отделе разработки.

Дальнейшая эволюция ИСУ была связана прежде всего с совершенствованием инструмента, обеспечивающего уменьшение трудозатрат на создание и сопровождение ИСУ путем углубления специализации, стандартизации и кооперации, а также с появлением новых средств хранения, переработки и передачи информации (при этом, конечно, функциональные возможности ИСУ также расширялись).

1.2 ИЕРАРХИЧЕСКИЕ УРОВНИ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ. СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНО-ДИСПЕТЧЕРСКОГО КОНТРОЛЯ.

В настоящее время на многих предприятиях в областях, подлежащих охвату действия ИСУ, разрабатываются многочисленные системы аппаратного и программного обеспечения.

По функционально-целевому назначению каждая система управления реализует набор функций, свойственный этой системе. Она определяет набор подсистем и в общем случае включает функции технологической подготовки производства, прямого управления оборудованием, информационно-диагностические, оперативного управления производством (планирования и диспетчирования), автоматизированного проектирования;

По типам элементов и связей между ними ГОСТ 24.103-84 различает функциональные, технические, организационные, алгоритмические, программные и информационные структуры. Подобный подход позволяет описать практически любую систему управления в самом общем виде [32].

Состав функциональных подсистем, их назначение, содержание и взаимосвязь в системе управлений подробно описан в литературе [15], [17], [19]. Достаточно полный перечень таких подсистем определен согласно ГОСТ 245250-80:

- перспективное и текущее технико-экономическое планирование;

- организация работ по стандартизации;

- управление технической подготовкой производства;

- организация производства;

- управление технологическими процессами;

- оперативное управление производством;

- организация метрологического обеспечения;

- технический контроль и испытания изделий;

- организация труда и заработной платы;

- материально-техническое снабжение;

- сбыт продукции;

- организация финансовой деятельности.

Вопросам построения иерархических систем управления посвящено большое количество зарубежных публикаций [104], [105].

В сообщении, опубликованном Международным комитетом по вопросам планирования технических усовершенствований САМ-1 (г. Арлингтон, США), приводятся обобщения современных подходов к созданию интегрированных автоматизированных машиностроительных производств (описаны основные компоненты С1М: структура системы управления, функциональная структура, схема информационных потоков и связей, архитектура компьютерных систем, структура физических производственных

компонентов). Большинство методик по моделированию интегрированного производства использует иерархические структуры для анализа деятельности предприятия на различных уровнях. Одной из наиболее известных является методика ГОЕБ-О, разработанная фирмой БОРЬЕС (США) в рамках программы САМ. На рисунке 1.1 приводится укрупненная схема информационных связей в С1М (структура информационных потоков в интегрированной АСУП согласно классификации САМ-1).

На данной схеме представлены основные аспекты деятельности предприятия, включая вспомогательные средства технического обеспечения. На всех видах производственной деятельности

^ т»

сказывается воздействие интегрированнои системы. В схеме, представленной на рис. 1.1, использован метод разложения структуры системы управления до уровня целевых функций, выполняемых на самом низком уровне.

шшннманв

: I

Рис. 1.1. Структура иерархической системы управления

предприятием.

Верхний уровень системы управления предприятием с внедрением интегрированного производства в целом не изменяется. Трансформируются при этом уровни, расположенные ниже. Для создания рациональной архитектуры С1М н�