автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Обеспечение стабильности автоматизированного производства на основе разработки процедур управления внештатными ситуациями

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Московский государственный технологический университет

«СТАНКИН»

На правах рукописи

хомих

Борис Соломонович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ ПРОЦЕДУР УПРАВЛЕНИЯ ВНЕШТАТНЫМИ

СИТУАЦИЯМИ

Специальность 05.13.07 - «Автоматизация технологических процессов

и производств»

Научный руководитель - член-корреспондент РАН

Ю. М. Соломенцев

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент В. А. Бекмурзаев

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................................................................................................5

Глава 1. Основные задачи производственного планирования и управления на современном машиностроительном предприятии......................................................................................И

1.1 Современные методы организации оперативного планирования и диспетчерского контроля производства........11

1.2 Иерархические уровни управления предприятием. Структура системы управления автоматизированным производством 16

1.3 Обзор основных программных комплексов, разработанных для решения задач планирования и управления производством 24

1.4 Выводы........................................................................................33

Глава 2. Проблема синтеза эффективного оперативного управления при возникновении внештатных ситуаций в автоматизированном производстве...............................................35

2.1 Место задачи составления расписаний в общей задаче планирования производства.......................................................35

2.2 Оптимальная коррекция производственного расписания

при возникновении внештатных ситуаций...............................38

2.3 Выводы..........................................................................................45

ГлаваЗ. Моделирование деятельности промышленных

предприятий на основе метода пространства состояний 46

3.1 Использование материального потока для представления работы производственного участка..................46

3.2 Формальное представление материального потока с помощью уравнений состояния 51

3.3 Уравнения состояния в отклонениях.........................................61

3.4 Построение математической модели обеспечения стабильности автоматизированного производства при возникновении внештатных ситуаций......................................62

3.5 Выводы.......................................................................................66

Глава 4. Синтез алгоритма управления внештатными ситуациями

для обеспечения стабильности автоматизированного

производства.....................................................................................68

4.1 Дискретный принцип максимума. Необходимое условие оптимальности 68

4.2 Задача построения дискретного детерминированного линейного оптимального регулятора........................................72

4.3 Синтез алгоритма обеспечения стабильности автоматизированного производства при возникновении внештатных ситуаций.................................................................75

4.4 Выводы........................................................................................80

Глава5. Автоматизация разработанных процедур управления внештатными ситуациями и их программная реализация.................................................................................82

5.1 Структура подсистемы обеспечения стабильности автоматизированного производства при возникновении внештатных ситуаций 82

5.2 Автоматизация управления процессом производства картеров коробок передач системой автоматических линий модели 1Л429 88

5.3 Результаты моделирования производства картеров коробок передач, обрабатываемых системой автоматических линий модели 1Л429 ......................................91

5.4 Выводы........................................................................................96

Заключение.......................................................................................................97

Литература........................................................................................................98

Приложения

109

-5-ВВЕДЕНИЕ

Эффективное функционирование производства основано на решении двух классов задач. Это задача управления производительностью системы и задача управления качеством выпускаемой продукции. Решение этих задач в автоматизированной системе организационно-технологического управления процессами производства должно обеспечить достижение основной цели функционирования производственной системы: полное, комплексное и равномерное выполнение производственной программы по объемам и номенклатуре изделий и выпуск продукции с требуемым уровнем качества, оставляя незавершенное производство минимально необходимым.

Решение этих задач основано на эффективном использовании рабочего времени. Статистические данные показывают, что затраты, составляющие календарный фонд времени в серийном производстве составляют от 86% до 92% [55], [85]. То есть, эффективное время работы оборудования составляет 814% от годового фонда времени. Эти потери, а также связанное с ними нарушение ритмичности, определяются такими организационными возмущениями, как неопределенность и колебания трудовых ресурсов, изменение спроса на готовые изделия, ограниченная надежность и несогласованность оборудования по производительности, случайный характер поступления партий на обработку. Выделенные факторы являются причинами возрастания длительности технологического цикла, что влечет за собой увеличение себестоимости продукции, замораживание средств в незавершенном производстве и, в конечном итоге, к снижению эффективности производства [21].

Основные резервы повышения эффективности полезного труда (а тем самым и снижение себестоимости продукции) содержатся в сокращении простоев по организационным причинам, регулировании межоперационными заделами до оптимальной величины и в полном использовании второй и третьей смен (работа в безлюдном режиме). Использование названных резервов основано на повышении гибкости (технологической и

организационной) производственных систем. Под технологической гибкостью понимается способность производственной системы перестраиваться на выпуск различных типов изделий. Организационная гибкость означает пересчет или перераспределение материальных потоков в случае отклонений от плановых показателей. Отклонения от плана обусловлены многими объективными причинами, такими как: отказы оборудования, наладка, переналадка, смена инструмента, запуск в производство приоритетной партии и пр. [17], [54], [110] и может привести к срыву выполнения производственного задания

Задачи обеспечения надежности автоматизированных систем, в том числе расчета межоперационных заделов, а так же эффективного управления производством решались в работах многих отечественных ученых: Бекмурзаева В.А., Блехермана М.Х., Горнева В.Ф., Горшкова А.Ф., Калинина В. В., Коршунова В.А., Митрофанова В.Г., Первозванского A.A., Соломенцева Ю.М., Сосонкина B.J1., Султан-Заде Н. М., Третьякова Э.А., Фролова Е.Б. и др. Основным результатом работ этих ученых явилось создание методологических основ расчета надежности автоматизированных систем и построения современных иерархических систем управления, соответствующих различным требованиям отечественных машиностроительных производств.

В соответствии с ГОСТ Р ИСО 9001-96 "Системы качества. Модель обеспечения качества при проектировании, разработке, производстве, монтаже и обслуживании." [32] предприятие должно определить и спланировать процессы производства, монтажа и обслуживания, непосредственно влияющие на качество продукции, а также обеспечить выполнение их в управляемых условиях. Управляемые условия должны включать в том числе контроль и управление соответствующими параметрами процессов и характеристиками продукции, что обеспечивается производственным расписанием. В то же время, процесс перерасчета производственного расписания является весьма трудоемким с вычислительной точки зрения, причем даже малые отклонения в производственной программе могут вызвать ощутимые изменения расписания, т.е. переформировать сменно-суточное задание, а также изменить объем

незавершенного производства, сроки выполнения работ по кооперации с другими цехами. Такие резкие изменения крайне нежелательны в условиях действующего производства. Необходимо добавить, что реакция на изменения должна последовать незамедлительно (в реальном масштабе времени), чего можно добиться только автоматизированным путем.

Таким образом, налицо важная практическая задача регулирования хода технологического процесса в целях соблюдения производственного расписания.

Решение этой задачи возлагается на систему оперативно-производственного планирования и связано с сокращением времени на выработку и принятие решения. Применять в подобных ситуациях методы теории расписаний при серийном и многономенклатурном характере производства не желательно из-за большой размерности. Поэтому возникает актуальная задача разработки эффективных математических методов и алгоритмов для управления автоматизированным производством.

Необходимость решения указанных задач определила создание настоящей работы.

Целью работы ставится повышение эффективности системы управления автоматизированным производством при возникновении внештатных ситуаций.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- построена математическая модель технологического процесса;

- разработана процедура анализа хода производственного процесса;

- разработан алгоритм управления материальным потоком;

- определены параметры регулирования материальным потоком в случае отклонения его от производственного расписания, позволяющие обеспечить оптимальный межоперационный задел;

- выработаны рекомендации к созданию нового оборудования.

Методы исследований, использованные в работе для достижения

поставленных целей и задач, базировались на теоретических результатах

полученных в математической теории систем, теории управления, численных методах и исследовании операций.

В работе решена задача обеспечения стабильности автоматизированного производства в реальном масштабе времени при малых отклонениях от исходного оперативного плана за счет регулирования параметров обработки в пределах качества выпускаемой продукции и доставления оптимальной величины межоперационным заделам.

Научная новизна работы состоит в следующих, выносимых на защиту положениях:

- анализе технологического процесса на основе исследования динамики материального потока;

- использовании методов теории управления для определения параметров регулирования автоматизированным участком с целью обеспечения стабильности его функционирования при возникновении внештатных ситуаций;

- разработке алгоритма своевременной коррекции производственных показателей с целью сокращения объемов незавершенного производства на основе матричного уравнения Риккати.

Практическая ценность результатов работы состоит в эффективной организации регулирования технологического процесса в автоматизированном производстве. Оперативно-диспетчерское управление материальными потоками позволило обеспечить соблюдение сроков изготовления, сократить объемы незавершенного производства, повысить качество обрабатываемого изделия, уменьшить простои обрабатывающего оборудования и выработать рекомендации к созданию нового оборудования.

Представленная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Во введении обосновывается актуальность работы, поставлены цель и задачи исследования, определена научная новизна, дана ее общая характеристика.

-9В первой главе рассматриваются вопросы функционирования и организации системы оперативно-производственного планирования и управления современным автоматизированным производством, приводятся основные задачи, решаемые этой системой, а также проведен анализ программных реализаций таких систем. На сегодняшний день большинство из этих систем основано на использовании экспертных систем. Из отечественных программных продуктов, ориентированных на задачи оперативного управления, почти все реализованы на языках Pascal и Fortran для ЕС ЭВМ.

Во второй главе рассмотрена проблема синтеза эффективного оперативного управления при возникновении внештатных ситуаций в автоматизированном производстве. Выявлено, что перерасчет производственного расписания не всегда экономически оправдан. Вычисление границ отклонений от исходного расписания, выйдя за которые требуется осуществлять перерасчет последнего, позволяет синтезировать эффективную стратегию оперативного управления. Исследования различных школ в области оперативного планирования позволили выделить области эффективного использования режимов адаптивного управления, реально применяемых в производстве.

Третья глава посвящена формальному описанию материальных потоков и построению математической модели для обеспечения стабилизации автоматизированного производства при возникновении внештатных ситуаций. Технологический процесс представляется как материальный поток. Математическая модель материального потока представлена системой линейных конечно-разностных уравнений первого порядка в фазовом пространстве относительно переменных состояния. Оптимизируемая целевая функция представляется квадратичным функционалом.

Четвертая глава посвящена решению сформулированной задачи. Производится уточнение математической модели, в зависимости от состояния производственной системы. На основе методов теории управления строится последовательность управляющих воздействий, которая, если это возможно,

позволяет ликвидировать отклонения от оперативного расписания, возникшие в ходе производственного процесса.

Пятая глава посвящена разработке соответствующих алгоритмов и их программной реализации в среде Windows 95/NT.

В приложении приведен акт о внедрении результатов диссертации. Приложения содержат 26 страниц. Основной текст изложен на 108 страницах, содержит 21 рисунок, 5 таблиц и список литературы из 132 наименований.

Работа выполнена в Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» на кафедре «Информационных технологий и вычислительных систем».

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПЛАНИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ НА СОВРЕМЕННОМ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОМ

ПРЕДПРИЯТИИ

1.1. Современные методы организации оперативного планирования и диспетчерского контроля производства

Переход к рыночным отношениям диктует промышленным предприятиям необходимость повышения гибкости производства для удовлетворения быстро меняющегося и растущего спроса, что ведет, в конечном итоге, к стабильности финансового положения предприятия.

Как известно, экономическая эффективность от автоматизации задач оперативного управления производством обычно существенно более значительна, чем от автоматизации работы отдельных рабочих мест (гибких производственных модулей) либо от автоматизации отдельных задач планирования. В отечественном машино- и приборостроении распространено более двух десятков систем краткосрочного (оперативного) планирования [6], [10], [24], [66], [75], [83], [98], [116].

Моделирование информационных и материальных потоков позволяет структурировать весь производственный процесс в виде критических и некритических сетей [75], [89]. Первые из них содержат узкие места и должны контролироваться постоянно, в то время как некритические сети следует контролировать только время от времени. Такая концепция управления производством обеспечивает снижение затрат и упрощение замкнутого управления посредством структурирования производственных мощностей.

При планировании и диспетчерском контроле машиностроительного производства в основном выполняются два типа заданий [19]: задания, сроки которых четко определены, и задания, сроки выполнения которых не заданы, но должны быть завершены в разумные сроки. Эти задания классифицируются как задания, выполняемые в срок, и задания, выполняемые в запас,

соответственно. Эти два важных типа заданий требуют и предполагают совершенно разные способы их планирования, выполнения и контроля.

Имея в виду, что фактические потребности в производственных заделах зачастую изменяются в течение времени, которое проходит от момента постановки задачи до начала ее выполнения, размеры партий обрабатываемых деталей рассматриваются как переменные, изменяющиеся в пределах между фактической потребностью и экономическим оптимумом.

Таким образом, все многообразие рассматриваемых систем можно разбить на две группы: планирования по опережениям и планирования по заделам (запасам).

Планирование по заделам применяется в тех случаях, когда потребность в изготовляемых изделиях равномерна в течение большого интервала времени (квартала, года). Запуск партий деталей производится тогда, когда их запас на складе уменьшается до некоторого расчетного уровня (точки заказа) [82], [8