автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение эффективности системы управления конвейерным производством на основе оптимизации структуры единой системы управления, состава и маршрута информационных потоков на всем производственном цикле изготовления продукции

/

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УН ИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

КУДРЯВЦЕВА ИРИНА БРОНИСЛАВОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОНВЕЙЕРНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ ЕДИНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, СОСТАВА И

МАРШРУТА ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ НА ВСЕМ ПРОИЗВОДСТВЕННОМ ЦИКЛЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОДУКЦИИ

Специальность: 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Коновал Дмитрий Григорьевич

Научный консультант:

кандидат технических наук, профессор

Схиртладзе Александр Георгиевич

МОСКВА, 1999 г.

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................-.............6

1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЕДИНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ КОНВЕЙЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА.......................................................11

1.1. Анализ публикаций по единой информационной системе предприятия...........................................................................................11

1.2 Составные части единой информационной системы.................18

1.3 Основные этапы проектирования ЕИС........................................19

1.4 Служебное назначение ЕИС конвейерного производства........19

1.5 Организация СУБД ЕИС конвейерного производства...............20

1.6 Требования к режимам работы ЕИС..............................................21

1.7 Обеспечение ЕИС................................ ........................................22

1.7.1 Техническое обеспечение...............................................22

1.7.2 Математическое обеспечение.....................................23

1.7.3 Информационное обеспечение......................................24

1.7.4 Программное обеспечение.............................................25

1.7.5 Лингвистическое обеспечение......................................27

1.7.6 Организационное обеспечение......................................28

1.8 Контроль и диагностирование технологического оборудования средствами ЕИС....................................................................................28

1.9 Требования к возможностям модернизации ЕИС.......................29

1.10 Требования к персоналу ЕИС......................................................29

1.11 Требования к качеству управления.............................................30

1.12 Требования к надежности ЕИС....................................................30

1.13 Требования к стандартизации и унификации.............................31

1.14 Общие выводы по обзору публикаций.........................................31

1.15 Цель данного исследования........................................................32

1.16 Задачи исследования...................................................................32

2.СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОНВЕЙЕРНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ. ОПИСАНИЕ ПРОЕКТИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ.......34

2.1 Обоснование создания системы..................................................34

2.2 Общее описание системы..............................................................35

2.3 Описание объекта модернизации.................................................39

2.4 Перечень автоматизированных рабочих мест и реализуемых на них функций............................................................................................40

2.5 Выводы.............................................................................................49

3. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕЙЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХОЛОДИЛЬНИКОВ..................... 50

3.1 Критерии выбора оптимального технологического

оборудования и аппаратных средств управления для ЕИС.............50

3.2 Функциональные блоки технологического оборудования........53

3.3 Выводы.............................................................................................63

4. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОНВЕЙЕРНЫХ ПРОИЗВОДСТВ.......................................64

4.1 Основные подходы к внедрению единой информационной системы конвейерного производства................................................64

4.2 Основные подходы к разработке единой информационной системы конвейерного производства................................................67

4.3 Реализация основных требований к ЕИС управления конвейерными производствами..........................................................69

4.3.1 Функции ЕИС в части оперативного управления на производстве.....................................................................................69

4.3.2 Реализуемые функции ЕИС в части контроля качества каждого экземпляра продукции.......................................69

4.3.3 Реализация функций ЕИС в части оперативного планирования и диспетчирования производства.........................70

4.3.4 Реализация функций ЕИС в части сервиса диспетчера производства.....................................................................................70

4.3.5 Регистрация производственных ситуаций................72

4.3.6 Обработка аварийных состояний в производстве.... 73

4.3.7 Архивирование данных и анализ производства на участках..............................................................................................74

4.3.8 Состав БД в системе планирования производства... 74

4.3.9 Функционирование БД после останова системы или

рестарта............................................................................................75

4.4 Описание разработанных процедур управления.........................76

4.4.1 Процедура управления материальным потоком........77

4.4.2 Описание поведения системы в случае отказа технологического оборудования.....................................................81

4.5 Выводы.............................................................................................83

5. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ ЕИС.............................................................................................................84

5.1 Методы оптимизации информационной системы.......................84

5.2 Методика расчета быстродействия и производительности ЭВМ подсистем (АРМ операторов) ЕИС.....................................................87

5.3 Выводы.............................................................................................91

6. ОБОБЩЕННАЯ МОДЕЛЬ СТРУКТУРЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ В ЕИС КОНВЕЙЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА. ГРАФОВАЯ МОДЕЛЬ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ ПО СТРУКТУРЕ И СПОСОБУ МОНТАЖА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ....................................................93

6.1 Структура информационных потоков в ЕИС конвейерного производства.........................................................................................93

6.2 Алгоритмы оптимизации на сетях и графах. Алгоритм Дейкстры поиска кратчайшего пути.....................................................................97

6.3 Алгоритм поиска оптимального информационного потока на ориентированном графе информационных потоков ЕИС................99

6.4 Характеристическая формула описания обобщенного графа . 100

6.5 Критерии оптимальности информационного потока проектируемой ЕИС............................................................................101

6.6 Граф информационных потоков ЕИС конвейерного производства.......................................................................................104

6.7 Выводы...........................................................................................106

7. ОПТИМИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ПОТОКА ПРОЕКТИРУЕМОЙ ЕИС КОНВЕЙЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПО

ИЗГОТОВЛЕНИЮ ХОЛОДИЛЬНИКОВ.................................................107

7.1 Наиболее оптимальная модель ЕИС конвейерного производства по изготовлению холодильников.............................108

7.2 Расчет быстродействия и производительности ЭВМ подсистем 112

7.3 Выводы...........................................................................................115

8. РАСЧЕТ ОБЪЕМА БАЗЫ ДАННЫХ ПРОЕКТИРУЕМОЙ ЕИС.......116

8.1 Выводы...........................................................................................122

9. ОБОБЩЕННАЯ МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОНВЕЙЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА...........................123

9.1 Выводы...........................................................................................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................129

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................132

Введение

В условиях становления в нашей стране рыночной экономики особенно остро встают вопросы развития и переоснащения машиностроительных отраслей промышленности, которые являются основой всех остальных отраслей. Переоснащение должно производится с учетом последних разработок с использованием прогрессивных технологий, высокопроизводительного оборудования, оснащения оборудования устройствами числового программного управления, применением робототехники.

В подобном переоснащении на первый план встают вопросы организации производственных процессов и их техническое оснащение. Эти вопросы необходимо решать комплексно. Гибкие автоматизированные системы представляют собой комбинацию из высокоавтоматизированного основного технологического оборудования и таких вспомогательных систем как: автоматизированная транспортно-накопительная система, контрольно-измерительная и диагностическая аппаратура, вычислительная техника, осуществляющая функции управления и контроля процессами изготовления продукции.

Проектирование подобных систем является трудоемким процессом занимающим много времени. Поэтому встает вопрос автоматизации процесса проектирования нового

высокопроизводительного оборудования, формализации процедуры выбора уже существующего оборудования. Выбор существующего оборудования производится, в современном проектировании, из огромного количества уже разработанных образцов и очень трудоемок. В силу того, что разработка современного технологического оборудования стоит очень дорого, а процесс морального устаревания этого оборудования происходит очень быстро, поэтому встает вопрос уменьшения сроков окупаемости проектирования и изготовления автоматизированных систем. Успешное решение этих вопросов зависит от сокращения времени затрачиваемого на проектирование,

изготовление и монтаж этих производственных систем, сокращения циклов проектирования продукции и разработки технологических процессов ее изготовления, запуска в производство. Также в процессе проектирования системы учитывается возможность функционирования в условиях третьей / ночной "безлюдной" рабочей смены.

Процесс проектирования и производства сложных сборочных систем и изготовляемых на них изделиях, с учетом вышеперечисленных требований, возможно осуществить только с применением CAD-CAM (Computer Aided Design - Computer Aided Manufacturing). Эти системы строятся на базе ЭВМ для целей проектирования и изготовления в автоматическом цикле. Системы CAD-CAM позволяют пользователям оперировать графической информацией, автоматически преобразуют проектную информацию в команды управления технологического оборудования с ЧПУ, осуществляют контроль качества выпускаемой продукции с вводом корректив в реализуемый техпроцесс, имеют многотерминальный доступ со стороны пользователя и многочисленные сервисные подсистемы. Каждый компонент разрабатываемой системы должен сообщатся со своим окружением через соответствующие интерфейсы.

Большое место в процессе проектирования автоматизированной системы уделяется вопросу согласования совместной работы отдельно разработанных или закупленных модулей, как на аппаратном уровне, так и на уровне обмена данными. При решении данного вопроса необходимо учитывать взаимодействие, взаимозависимость и взаимосогласованность, особенности тех или иных альтернативных технологических процессов, функций и алгоритмов технологического оборудования, системы управления, транспортных средств.

При разработке основных требований к системе управления автоматизированной системы, её функций и алгоритмов должно учитываться управление технологическим оборудованием автоматизированной системы, обеспечивающих полную реализацию

функций. Эффективность и гибкость системы управления во многом определяется выбором интерфейса между отдельными модулями автоматизированной системы. Исследование взаимоотношений между элементами автоматизированной системы возможно только при исследовании интегрированной системы проектирования, способной оценить реальные взаимосвязи в системе. Поэтому для оптимизации процесса производства необходимо провести исследования и разработку методов определения структур и компоновок основного и вспомогательного технологического оборудования и инструментальной оснастки с учетом технологического назначения системы и ее технико-экономической эффективности.

В последнее время технические возможности персональных ЭВМ сильно возросли, а стоимость постоянно снижается, это позволило сориентировать работу на применение инструментальных средств на базе ПЭВМ. В процессе проектирования проектные работы по трудоемкости составляют в ряде случав около трети всех затрат. Широкое применение ПЭВМ в процессе разработки автоматизированных систем позволяет, при минимальных затратах на оборудование (ПЭВМ), повысить качество проектных решений за счет повышения рассматриваемых рабочих вариантов решений. Быстродействие современных ПЭВМ позволяет решать достаточно сложные проектные задачи в заданных временных рамках.

Из вышеизложенного одной из наиболее важных задач стоящих перед разработчиками является задача повышения эффективности и резкого сокращения сроков окупаемости сложных сборочных комплексов. Кроме того система должна быть по необходимости гибкой.

Очень часто перед разработчиками встает задача не разработки автоматизированной системы с чистого листа, а модернизации уже существующей системы или задача связать в единую систему уже существующие модули. Иногда для решения этой проблемы достаточно связать существующие модули (участки системы) единой

информационной, складской и транспортной системами. Этот метод, не требующий значительных вложений на перестройку предприятия, может значительно повысить качество выпускаемой продукции, снизить количество обслуживаемого персонала, снизить сроки, необходимые на переход на новые виды продукции, регулировать экономические факторы.

Данная диссертационная работа посвящена разработке подобной системы модернизации объекта, на примере сборочной линии завода холодильников.

Основной предпосылкой настоящей работы является разработка обобщенной методики проектирования информационной системы управления конвейерным производством.

Второй предпосылкой работы является исследование и анализ объекта модернизации с целью определения оптимального техпроцесса и повышения управляемости оперативного сбора информации. Эти исследования были проведены на основе разработанных моделей:

• модели управления техпроцессом конвейерного производства, в виде функциональной модели.

• информационной модели системы управления объектом.

• математической модели структуры информационных потоков в АСУТП цеха конвейерного производства.

Эффективность работы АСУТП во многом определяется рациональным выбором компонентов программно-аппаратного обеспечения АСУТП конвейерного производства. Обеспечение производственных отношений между отдельными элементами производства возможно только при использовании интегрированной системы проектирования способной модернизировать и обеспечивать реальные взаимосвязи между автоматизированными системами: складской, транспортной, контроля качества, оперативного сбора информации по всем постам и на всех испытаниях и т.д. Поэтому

необходимость исследования и разработки методов определения структур и компоновок конвейерного производства с учетом технологического назначения системы и ее технико-экономической эффективности, определила третью предпосылку работы.

Диссертационная работа представлена в виде теоретического обобщения решения проблемы, имеющей научное и практическое значение. Разработанные технологические основы методики проектирования информационной системы управления конвейерного производства позволяют разрабатывать и внедрять рациональные производственно - технические структуры конвейерных цехов на сложных автоматизированных производствах.

Научная новизна исследования заключается в разработке функциональной модели конвейерного производства и в постановке и решении задачи оптимизации структуры системы управления, состава и маршрута информационных потоков на всем производственном цикле изготовления продукции.

Практическая ценность настоящего исследования заключается в:

• разработке конкретной методики проектирования единой информационной системы конвейерного производства, что позволяет обеспечить повышение эффективности системы управления;

• разработке методики определения структуры и состава Базы Данных для системы управления и сервисного обслуживания.

1. Общие требования к единой информационной системе конвейерного производства

Современное конвейерное производство в условиях рыночной экономики перешло от выпуска продукции крупными партиями к серийному производству. Серийное предприятие с использованием конвейерного производства - сложная система, эффективность которой зависит от слаженной работы всех структурных подразделений и функциональных служб.

При переходе предприятий на работу в условиях рыночной экономики неизбежно возрастает значение управления производством, в частности автоматизации системы управления производственными процессами. В настоящей главе представляется целесообразным рассмотреть, прежде всего, общие требования к единой информационной системе управления (ЕИС) конвейерным производством и состав ее функций.

1.1. Анализ публикаций по единой информационной системе предприятия

В настоящее время выходит большое количество технической литературы направленной на то, чтобы разрешить проблемы возникающие на предпр