автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение эффективности управления машиностроительным производством за счет разработки системы моделирования его основных структурных подразделений

На правах рукописи

005001387

Черепанов Владимир Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ ЗА СЧЕТ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЕГО ОСНОВНЫХ СТРУКТУРНЫХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

1 О НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2011

005001387

Работа выполнит в ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «Станкин».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Фролов Евгений Борисович

доктор технических наук, профессор Саксонов Евгений Александрович

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Борзенков Владимир Владимирович

ФГУП Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования (НИИАЭ)

Защита диссертации состоится а/З» 2011 г. в /у часов

на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «Станкин» по адресу: 127994, Москва, Вадковский пер., д. За

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного технологического университета «Станкин».

Автореферат разослан «Д/» £#^¿¿¿-£¿^¿./2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.142.03, к.т.н., доц. Е.Г. Сешчкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время одной из главных проблем машиностроительного производства мелкосерийного и единичного типов является низкий коэффициент загрузки оборудования и, как следствие, низкая пропускная способность станочной системы и высокий объем незавершенного производства.

Согласно данным Международной организации инженеров-технологов, средний коэффициент загрузки оборудования в мелкосерийном и единичном машиностроительном производстве составляет 0,45, в то время как в массовом и крупносерийном его величина приближается к 0,9. То есть скорость исполнения производственных заказов в мелкосерийном и единичном производстве примерно в 2 раза ниже, чем в массовом и крупносерийном. В итоге более половины рабочего времени дорогостоящие станки простаивают, не принося никакой прибыли. Такая ситуация возникает из-за позаказного характера работ, при котором производственный заказ, состоящий из детале-сборочных единиц (ДСЕ), не может быть выполнен, пока не будут изготовлены все детали, входящие в его комплект. Если хотя бы одна ДСЕ не готова, все остальные детали, входящие в заказ, ожидают ее изготовления, образуя незавершенное производство. При этом одинаковые детали могут одновременно входить в несколько заказов и изготавливаться в разное время и на разном оборудовании, но согласно требованиям стандарта ISO-9000 они должны быть идентифицируемы и их запрещается группировать при обработке. И если в массовом производстве последовательность изготовления одинаковых деталей не является значимой, в мелкосерийном и единичном она может оказать существенное влияние на скорость выполнения заказов.

Задачу составления оптимального производственного расписания и контроля его дальнейшего выполнения позволяют решить системы управления производством класса MES (Manufacturing Execution System, в переводе с английского - «исполнительная производственная система»), к числу которых относится MES «ФОБОС», автоматизирующая функции основных структурных производственных подразделений (производственного менеджмента) на уровне цеха:

- ПДО (планово-диспетчерский отдел);

- отдел технологической подготовки производства;

- отдел комплектации;

- мастера цеха;

- ОТО (отдел технического контроля);

- дирекция.

MES «ФОБОС» наиболее широко применяется в машиностроении, характерными особенностями которого являются большая сложность изготавливаемой продукции (до 10000 деталей) и разнообразие технологических процессов и материалов.

Оперируя актуальными данными о состоянии производства и начальными условиями планирования заказов, MES «ФОБОС» позволяет рассчитывать производственное расписание исходя из 14 критериев оптимизации. С помощью различных комбинаций критериев можно составить 100 различных вариантов производственных расписаний.

Однако открытым остаётся вопрос, как выбрать наиболее оптимальное производственное расписание из всего множества возможных вариантов. Обычно диспетчер, составляющий производственное расписание, вынужден полагаться на собственный опыт в выборе критериев и определении оптимального варианта выполнения заказов при имеющихся данных. На своём персональном компьютере (ПК) он может запустить только один экземпляр MES «ФОБОС», поэтому для построения и анализа альтернативных вариантов расписаний ему нужно либо перебирать и анализировать их все последовательно (что затрудняет оперативность управления производством), либо использовать дополнительные ПК и работать с ними параллельно (что неудобно и требует дополнительные затраты).

Очевидно, что в сложившихся условиях диспетчеру необходим гибкий инструмент прогнозирующего моделирования, который позволит принимать ему оптимальные решения и повысит эффективность его работы.

Исследование современных технологий программно-аппаратной виртуализации позволило выявить новое эффективное и научно-обоснованное решение задачи выбора оптимального производственного расписания за счет разработки системы моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия с использованием виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ).

С помощью разработанной системы можно одновременно работать с несколькими виртуальными автоматизированными рабочими местами (виртуальными АРМ) и, следовательно, одновременно запускать несколько экземпляров MES «ФОБОС», составляя и анализируя необходимое количество производственных расписаний параллельно.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности оперативного управления мелкосерийным и единичным машиностроительным производством за счет разработки системы моделирования его основных структурных подразделений на базе MES «ФОБОС».

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- исследование функций и задач интегрированных систем оперативного управления производством;

- анализ информационно-управляющей структуры машиностроительного предприятия и роли MES-системы в ней;

- исследование программно-функциональной архитектуры MES-системы «ФОБОС»;

- анализ концепции, методов и средств виртуализации рабочих станций;

- разработка моделей виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ) сотрудников производственного менеджмента основных структурных подразделений цеха машиностроительного предприятия;

- разработка алгоритма использования моделей виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ) для решения задач прогнозирования и оптимизации производственных расписаний;

- разработка и реализация системы моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия;

- анализ требований разработанной системы к аппаратному и программному обеспечению серверного и клиентского оборудования;

- оценка эффективности разработанной системы;

- организация удаленной работы через Интернет в рамках разработанной системы;

- разработка методики применения системы моделирования основных структурных производственных подразделений в учебном процессе.

Методы исследования.

Теоретические исследования выполнены с использованием научных и методологических положений теории управления, теории расписаний, основных положений и принципов системной интеграции, опыта разработки и внедрения исполнительных производственных систем и систем виртуализации.

Научная новизна работы заключается в:

- установлении зависимостей между скоростью прохождения материальных потоков через станочную систему в условиях машиностроительного производства мелкосерийного и единичного типов и предложенными сценариями моделирования производственных процессов, учитывающими различные комбинации критериев при расчете оптимального расписания выполнения работ;

- разработке моделей виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ), позволяющих имитировать различные сценарии выполнения производственного плана;

- разработке алгоритма использования моделей виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ) для решения задач прогнозирования и оптимизации производственных расписаний.

Практическая ценность:

- разработана система моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия, реализующая созданные модели и алгоритм;

- предложена методика применения разработанной системы в учебном процессе.

Реализация работы:

- результаты, полученные в диссертационной работе, использованы на предприятии ООО «ПКФ «Теплодар» (город Новосибирск) для повышения эффективности управления производством в автоматизированных структурных подразделениях на базе МЕБ «ФОБОС»;

- результаты, полученные в диссертационной работе, применяются в учебном процессе по специальности 220301.65 «Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)».

Апробация работы.

Теоретические и практические результаты, полученные автором, неоднократно докладывались на заседаниях кафедры «Информационные технологии и вычислительные системы» ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин». По материалам работы были сделаны доклады на XII научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике, Москва, 2009 г.; Международной научно-практической конференции «Эффективные технологии управления производством» под патронажем РАН и ТГТП РФ, Москва, 2009 г.; Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2010 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизация и управление технологическими и производственными процессами», Уфа, 2011 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 в ведущих рецензируемых научных изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, а также 2 в изданиях по темам международных конференций.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, трех приложений, изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 9 таблиц, список литературы включает в себя 70 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, отмечается её научная новизна и практическая ценность, формулируются основные задачи.

В первой главе исследуются функции, задачи и архитектура интегрированной системы оперативного управления машиностроительным производством, рассматривается решение задачи составления и поиска оптимального производственного расписания.

Основу проведенных исследований составляют результаты работ ведущих ученых и разработчиков российских MES-систем Е.Б. Фролова, P.P. Загидуллина, А.Р. Залыгина и др.

По определению международной некоммерческой ассоциации разработчиков, системных интеграторов, экспертов и пользователей MESA (Manufacturing Enterprise Solutions Association) International MES - это система, состоящая из программных и аппаратных средств, обеспечивающих управление производством от начала формирования заказа до выпуска готовой продукции. MES-система планирует, оптимизирует, контролирует и документирует производственные процессы в режиме реального времени.

В работе подробно исследована программно-функциональная архитектура интегрированной системы оперативного управления

мелкосерийным и единичным производством MES «ФОБОС» (рисунок 1), автоматизирующая функции основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия с помощью специализированных АРМ (автоматизированных рабочих мест):

- АРМ технолога;

- АРМ диспетчера;

- АРМ мастера производственного участка;

- АРМ комплектовщика;

- АРМ директора;

- АРМ сотрудника отдела технического контроля (ОТК).

АРМ директора

АРМ технолога

Рис. 1. Архитектура MES «ФОБОС»

Диспетчер в МЕв-системе «ФОБОС» может рассчитывать производственное расписание исходя из 14 критериев оптимизации, разбитых на 3 группы (рисунок 2).

С помощью различных комбинаций критериев можно составить 100 вариантов производственных расписаний. Однако перед диспетчером часто возникает вопрос, какие именно критерии выбрать, чтобы получить наиболее оптимальное производственное расписание. Многие критерии, улучшая тот или иной показатель, могут ухудшить остальные. В то же время, даже один дополнительно учтённый критерий способен существенно изменить весь план выполнения работ. На практике получается довольно большое количество решений, оптимальных по выбранным критериям. Возникает вопрос, какое решение выбрать диспетчеру-планировщику в итоге.

I

Рис.2. Критерии расчета производственного расписания в MES «ФОБОС»

Поэтому разработка такой системы, которая позволит одновременно составлять и анализировать необходимое количество производственных расписаний и выбирать из них наиболее оптимальное, является важной практической задачей оперативного управления машиностроительным производством с использованием MES-систем. Диспетчеру необходим гибкий и удобный инструмент прогнозирующего моделирования, используя который, он мог бы принимать эффективные решения при планировании производственных процессов. А эффективные решения диспетчера - это и эффективность управления производством, ведь следствием выбора наиболее оптимального производственного расписания будет сокращение цикла изготовления изделий и увеличение пропускной способности станочной системы.

Широкое развитие технологий программно-аппаратной виртуализации за последние годы сделало возможной разработку требуемой системы моделирования, используя виртуальные автоматизированные рабочие места (систему виртуализации рабочих станций). Разработка такой системы - это новое эффективное и научно-обоснованное решение задачи поиска наиболее оптимального производственного расписания из множества вариантов, составленных с помощью различных комбинаций критериев.

Во второй главе проведен анализ общей концепции технологий, методов и средств виртуализации рабочих станций.

Под виртуализацией подразумевается такой способ организации работы, при котором вычисления происходят в отдельной программной среде, полностью эмулирующей существующие программные или аппаратные объекты.

Так, виртуальная рабочая станция представляет собой программный контейнер, полностью эмулирующий работу персонального компьютера (ПК). Операционная система, приложения и другие компьютеры в сети не способны отличить виртуальную рабочую станцию от физической. Тем не менее, она

,•--— Горизонт планирования Прио ритет партий запуска —ч

С 7:15 05.12:2005 по 23:45 28.12.2005 • Директивный приоритет

......................................................^ \ ♦ Ближ Ш11ШЙ срок готовности

; ü-^-^riV'-- ; 44 Мах длительность обработки

f Критерии загрузки оборудования ••••• Мах коэффициент -загрузки Min число использов. станков Равномерная аагруака станков * Min коямчето переналадок ' Min мощность грузопотока ' " Win д титеяьность обработки

^ FlpaBv "1 Обрас * Опера ла выбора из очереди отка е порядке очереди «ия • из конца очереди

♦ Maxji ¡лигельность операций

• ^ Min д дельность операции

i - <, > " 'V Махн -завершенных операции

...... ■

Максимальный приоритет имеет партий с ближайшем плановым сроков готовности Минимум перемещений деталей на взаимозаменяемом оборудовании цеха На станок поступает деталь с наиболее длительной технологической операцией

состоит исключительно из программного обеспечения и абсолютно не содержит аппаратных компонентов.

Можно выделить 2 вида виртуализации рабочих станций (рисунок 3):

1. Виртуализация на пользовательском ПК;

2. Виртуализация на удаленном сервере.

Виртуализация на пользовательском ПК Виртуализация на удаленном сервере

Гипервизор 1-го типа Аппаратный уровень Гипервизор 1-го типа

Виртуальные рабочие станции с собственными (гостевыми) ОС Виртуальные рабочие станции с собственными (гостевыми) ОС

Гипервизор 2-го типа Программный уровень (лостовзя ОС) В Удаленный доступ Пользовательский 1м1 1 ПК или другое / клиентское устройство

Виртуальные рабочие станции с собственными (гостевыми) ОС

Рис. 3. Виды виртуализации рабочих станций

В случае виртуализации на пользовательском ПК с помощью специального программного обеспечения (так называемого «гипервизора») аппаратные ресурсы компьютера распределяются на несколько изолированных частей, каждая из которых образует виртуальную рабочую станцию с собственной операционной системой, приложениями и настройками. При этом гипервизор может быть установлен как поверх уже существующей операционной системы (гипервизор 2-го типа), так и непосредственно на «железо» компьютера (гипервизор 1-го типа). Гипервизор 2-го типа выполняется на программном уровне, как приложение в используемой операционной системе (хостовой ОС), и позволяет запускать виртуальные рабочие станции со своими собственными операционными системами (гостевыми ОС). Гипервизор 1-го типа выполняется на аппаратном уровне и сам, по сути, является своего рода минимальной операционной системой.

В случае виртуализации на удаленном сервере виртуальные рабочие станции с помощью гипервизора 1 -го типа создаются и запускаются на отдельном сервере (или нескольких серверах), к которому удаленно подключаются пользователи. В этой реализации ПК (или любое другое клиентское устройство) выполняет роль терминала ввода-вывода данных, практически не используя локальные ресурсы, так как все вычисления

осуществляются на сервере. Такой способ организации рабочей вычислительной среды актуален для любых организаций, стремящихся максимально эффективно использовать современные информационные технологии, в том числе и для машиностроительных предприятий с высокой степенью автоматизации прошводства.

Виртуализация с помощью гипервизора 1-го типа (на аппаратном уровне) позволяет добиться более высокой производительности и обеспечить полную изоляцию виртуальных рабочих станций, в то время как при виртуализации с гипервизором 2-го типа (на программном уровне) виртуальные рабочие станции будут находиться в прямой зависимости от работы хостовой ОС. Такая зависимость увеличивает вероятность отказа виртуальных рабочих станций при сбоях в работе хостовой ОС. Кроме того, в этом случае виртуальные рабочие станции имеют лишь косвенный доступ к аппаратным ресурсам и все входящие и исходящие запросы осуществляются через хостовую ОС, тем самым ещё больше увеличивая вероятность сбоя. Поэтому виртуализация на аппаратном уровне лучше подходит для эксплуатации в производственных средах, обеспечивая поддержку важнейших приложений и сервисов. И речь, в первую очередь, о виртуализации с гипервизором 1-го типа на удаленном сервере, так как виртуализация на аппаратном уровне в пользовательских ПК имеет ряд существенных ограничений (меньшая производительность, сильно ограниченная совместимость с аппаратным обеспечением и др.).

Виртуализация рабочих станций на удаленном сервере является фактически развитием технологии серверной виртуализации, при которой на одном физическом сервере может выполняться сразу несколько виртуальных серверов, совместно использующих его общие ресурсы. Но если основные преимущества серверной виртуализации проявляются в гибкости информационно-технологической инфраструктуры и в экономии на оборудовании, виртуализация рабочих станций приносит преимущества как информационно-технологическим службам, так и самим пользователям:

1. Совместимость - виртуальные рабочие станции полностью совместимы со всеми стандартными операционными системами, приложениями и драйверами устройств.

2. Изолированность - виртуальные рабочие станции используют общие ресурсы, но остаются полностью изолированными друг от друга, поэтому сбой в работе одной рабочей станции не влияет на работу остальных.

3. Аппаратная независимость - виртуальные рабочие станции полностью независимы от клиентского оборудования (например, для виртуальной рабочей станции можно задать виртуальный процессор, объем виртуальной памяти и объем виртуального жесткого диска, значительно превышающие аналогичные характеристики физического устройства, с которого к ним подключаются).

4. Уменьшение затрат на рабочее место пользователя:

- увеличивается срок эксплуатации клиентского оборудования за счет меньшего использования локальных ресурсов;

- в качестве клиентских устройств можно использовать устаревшие маломощные ПК, тонкие клиенты (аппаратные терминалы), ноутбуки, различные мобильные устройства;

- экономия электроэнергии (при использовании тонких клиентов);

- снижение издержек на обслуживание рабочих мест за счёт централизованного хранения и возможности удаленного администрирования.

5. Простота миграции - переход на новые версии ОС и ПО, а также обновления системы, осуществляется быстро и централизованно.

6. Безопасность данных:

- централизованное резервное копирование всех данных;

- возможность обеспечения централизованной системы антивирусной защиты.

7. Оптимальное использование аппаратных мощностей оборудования -потребление ресурсов для каждой виртуальной рабочей станции регулируется динамически.

8. Мобильность - пользователь может получить доступ к своей виртуальной рабочей станции с любого подходящего клиентского устройства, а в случае выхода этого устройства из строя - оперативно возобновить свою работу, подключившись с любого другого.

9. Возможность работы с несколькими рабочими станциями одновременно -пользователь может работать на одном устройстве сразу с несколькими виртуальными рабочими станциями для выполнения разных задач. Согласно проведенному исследованию методов виртуализации, наиболее

оптимальным для использования в разрабатываемой системе моделирования (виртуализации) основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия является метод виртуализации рабочих станций на базе виртуальных машин VDI (Virtual Desktop Infrastructure, дословно - «виртуальная инфраструктура рабочего стола»), так как с его помощью можно создать индивидуальные виртуальные автоматизированные рабочие места для каждого сотрудника производственного менеджмента путем ассоциации учетной записи в домене Active Directory с образом виртуальной рабочей станции.

Исследование и анализ состава, характеристик и технико-экономических показателей программных средств виртуализации рабочих станций также выявило наиболее эффективное решение для разработки системы моделирования (виртуализации) основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия - программные средства компании Citrix (ПО XenDesktop 4). Бесплатная редакция XenDesktop Express (включая бесплатный гипервизор XenServer) позволяет реализовать систему виртуальных рабочих станций для 10 пользователей. Несмотря на некоторые ограничения, функционала этой версии вполне достаточно для виртуализации автоматизированных рабочих мест сотрудников производственного менеджмента машиностроительного цеха средних размеров.

В третьей главе описывается разработка моделей виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ) сотрудников производственного менеджмента основных структурных подразделений цеха машиностроительного предприятия, алгоритм использования моделей виртуальных АРМ для решения задач прогнозирования и оптимизации производственных расписаний и система моделирования, реализующая созданные модели и алгоритм.

Согласно проведенным в главе 2 исследованиям технологий виртуализации рабочих станций, ПК сотрудников производственного менеджмента основных структурных подразделений цеха можно заменить на более гибкие и удобные в настройке виртуальные рабочие станции. Это решение позволит обеспечить ряд преимуществ для информационно-технологической инфраструктуры предприятия и, что самое главное, решение важной практической задачи поиска наиболее оптимального сценария выполнения текущего производственного плана. Задача решается созданием нескольких виртуальных АРМ диспетчера для решения задач имитационного моделирования производственных процессов и одновременного расчета нескольких вариантов производственных расписаний по разным критериям . В большинстве случаев достаточным будет наличие двух-трех таких вспомогательных АРМ, в минимальной конфигурации разрабатываемой системы моделирования - нужно хотя бы одно.

Несмотря на то, что для решения поставленной задачи имитационного моделирования производственных процессов и поиска наиболее оптимального сценария выполнения плана используются только АРМ диспетчера (совмещённые с АРМ комплектовщика и АРМ сотрудника ОТК), в рамках системы моделирования (виртуализации) основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия целесообразно разработать модели виртуальных АРМ и всех остальных сотрудников производственного менеджмента.

Такое решение позволит получить единый централизованный комплекс управления производством на базе MES «ФОБОС», объединяющий преимущества MES-систем с преимуществами систем виртуализации. Тем самым, помимо производственной задачи имитационного моделирования, решается и ряд других актуальных для современных предприятий задач, таких, как повышение эффективности использования компьютерного и серверного оборудования и снижение затрат на эксплуатацию, модернизацию и сопровождение программно-аппаратных средств, используемых для автоматизации производственной деятельности.

Характеристики разработанных моделей виртуальных АРМ описаны в таблице 1. Количество виртуальных АРМ каждого типа берётся с учетом потребностей цеха средних размеров (около 10 сотрудников производственного менеджмента), что как раз укладывается в выбранную стратегию виртуализации с использованием ПО Citrix Xendesktop 4, бесплатная редакция Express которого имеет ограничение на 10 пользователей.

Таблица 1. Модели виртуальных АРМ

Кол-во Виртуальный жесткий диск(Гб) Виртуальная видеокарта

Структурное подразделение Тип АРМ Кол-во АРМ на цех Используемый модуль ФОБОС ОС виртуа льных процес соров Виртуальная оперативная память (Гб) Максимальное разрешение (пикселей) Глубина цвета (бит) Память (Мб)

Планово-диспетчерский отдел Объединенное АРМ 1 основное (рабочее)

Отдел технического контроля диспетчера, АРМ сотрудника О ТК и АРМ 1 и более вспомогательных (для Fobos Planning Windows XP 2 2 20 1280 хЮ24 32 512

Отдел комплектации комплектовщика моделирования)

Мастера цеха АРМ мастера 3 Fobos Master Windows XP 1 1 5 1024 х768 16 128

Отдел технологической подготовки производства АРМ технолога 4 Fobos Technobgy Windows XP 1 1 20 1024 х768 32 256

Дирекция АРМ директора 2 Fobos Director W indows XP 1 2 20 1280 хЮ24 32 256

Алгоритм использования разработанных моделей виртуальных АРМ для решения задач прогнозирования и оптимизации производственных расписаний следующий:

1. Для каждого сотрудника производственного менеджмента основных структурных подразделений цеха машиностроительного предприятия создается своя учетная запись в домене Active Directory.

2. Виртуальные АРМ закрепляются за соответствующими учетными записями сотрудников. За диспетчером, помимо основного рабочего виртуального АРМ, совмещенного с АРМ комплектовщика и АРМ сотрудника ОТК, закрепляются вспомогательные виртуальные АРМ для решения задач имитационного моделирования производственных процессов и расчета альтернативных вариантов расписаний.

3. Диспетчер на своём клиентском устройстве инициирует удаленное соединение с его основным рабочим виртуальным АРМ. После того, как интерфейс (рабочий стол) основного виртуального АРМ открывается в отдельном окне, диспетчер запускает в рабочем окне основного виртуального АРМ модуль производственного планирования Fobos Planning. Модуль синхронизируется с БД «ФОБОС» и загружает свежие данные, необходимые для расчета производственного расписания.

4. Диспетчер анализирует текущее состояние производства, а также указания, полученные с более высоких уровней производственного планирования, и составляет наиболее подходящие для имеющейся ситуации комбинации критериев, с помощью которых можно получить оптимальные расписания.

5. После составления выборки комбинаций критериев диспетчер запускает расчет производственного расписания с первой комбинацией критериев в своем основном виртуальном АРМ.

6. Пока на основном рабочем виртуальном АРМ выполняется расчет (либо корректировка) производственного расписания (обьино этот процесс занимает несколько минут, в зависимости от размерности расписания и производительности системы), диспетчер на своём клиентском устройстве (окно рабочего виртуального АРМ при необходимости можно свернуть) инициирует удаленное соединение к одному из вспомогательных виртуальных АРМ. После того, как интерфейс (рабочий стол) вспомогательного виртуального АРМ открывается в отдельном окне, диспетчер запускает в нем модуль производственного планирования Fobos Planning. Модуль синхронизируется с БД «ФОБОС» и загружает данные, необходимые для расчета производственного расписания. Диспетчер выбирает вторую комбинацию критериев из ранее составленной выборки и начинает расчет производственного расписания во вспомогательном виртуальном АРМ.

7. Если есть ещё одно вспомогательное виртуальное АРМ, диспетчер инициирует удаленное подключение к нему параллельно расчетам в

основном и первом вспомогательном виртуальных АРМ. Далее его действия аналогичны описанным в п.6. со следующей по порядку комбинацией критериев.

8. Если вспомогательных виртуальных АРМ больше нет, но необходимо построить ещё несколько производственных расписаний, то оставшиеся комбинации критериев нужно будет последовательно проверить после сравнения составленных расписаний в основном и вспомогательном виртуальных АРМ. Проверка проводится на том виртуальном АРМ, расписание в котором оказалось наименее оптимальным.

9. При наличии у диспетчера ещё дополнительных вспомогательных виртуальных АРМ, он аналогичным образом запускает в них расчет производственных расписаний с оставшимися комбинациями критериев. Если вспомогательных виртуальных АРМ больше нет, то расчеты с оставшимися комбинациями критериев из составленной выборки необходимо будет последовательно выполнить и сравнить на тех виртуальных АРМ, расписания на которых получились наименее оптимальными. Последовательной проверки можно избежать только в том случае, если количество виртуальных АРМ совпадает с количеством комбинаций критериев в выборке.

Ю.После того, как расчет производственных расписаний будет завершен на всех виртуальных АРМ, проводится их сравнительный анализ и выявляется наиболее оптимальный вариант. Сравнения также проводятся параллельно расчетам в тех виртуальных АРМ, производственные расписания в которых уже построились.

11.Исходя из результатов сравнительного анализа, на основном рабочем виртуальном АРМ диспетчер проводит корректировку производственного расписания с комбинацией критериев, соответствующей наиболее оптимальному из полученных вариантов (если этот вариант не был получен на основном виртуальном АРМ в результате последних вычислений).

Таким образом, применяя разработанный алгоритм, можно одновременно рассчитывать несколько оптимальных производственных расписаний на основе различных комбинаций критериев и выбирать из них наиболее эффективный сценарий выполнения текущего плана. Другое направление применения алгоритма - это моделирование производственных процессов, не затрагивая текущее расписание работ. Можно имитировать различные события на вспомогательных виртуальных АРМ (незапланированный выход станков из строя, задержка выполнения операций) и прогнозировать дальнейший ход выполнения производственных заказов в этих случаях.

Представим разработанный алгоритм в виде схемы.

Пусть к - количество комбинаций критериев (размер выборки), а п -максимальное количество виртуальных АРМ диспетчера (с учетом основного рабочего виртуального АРМ), которое он может использовать для решения

задачи имитационного моделирования, то есть расчета к комбинаций производственных расписанй.

Если количество комбинаций критериев (размер выборки) совпадает с количеством виртуальных АРМ диспетчера, то в каждом виртуальном АРМ будет построено по одному расписанию с одной комбинацией критериев (рисунок 4). Сравниваем получившиеся расписания и выбираем наиболее оптимальное расписание.

Виртуальное АРМ 1

Виртуальное АРМ 2

Выбираем » наиболее

оптимальное . расписание

Виртуальное АРМ к

Рис.4. Алгоритм использования виртуальных АРМ в количестве, совпадающем с размером выборки критериев

Если количество комбинаций критериев (размер выборки) больше количества виртуальных АРМ диспетчера, то алгоритм их использования будет соответствовать изображенному на рисунке 5. В этом случае в виртуальных АРМ производственные расписания будут строиться по циклам, где под циклом подразумевается параллельный расчет п количества расписаний. В каждом цикле выбирается наиболее оптимальное производственное расписание из всех получившихся. Виртуальное АРМ, которому оно соответствует, в расчетах на следующем цикле не участвует. Наиболее оптимальное расписание нового цикла сравнивается с наиболее оптимальным предыдущего и виртуальное АРМ с лучшим из них (на рисунке 5 выделено курсивом) аналогичным образом исключается из следующего цикла расчетов для последующего сравнения его оптимального расписания с новым полученным оптимальным расписанием. Расчеты продолжаются до тех пор, пока не будут проверены все комбинации из выборки критериев.

Примечание: на рисунках 4 и 5 под виртуальными АРМ подразумеваются виртуальные АРМ диспетчера (Виртуальное АРМ 1 - основное, все остальные - вспомогательные). Схема работы алгоритма на рисунке 5 приведена для первых трех циклов (далее действия выполняются по аналогии).

п

Расчет по 1-му циклу

Расчет по 2-му циклу

Расчет по 3-му циклу

Виртуальное АРМ 1

Виртуальное АРМ 2

Виртуальное АРМ 3

Наиболее оптимальное расписание

Выбираем наиболее оптимальное расписание

Виртуальное АРМ п

J

Виртуальное ( АРМ 1

Виртуальное АРМ 2

Л

Выбираем наиболее оптимальное расписание

Виртуальное

АРМ 3 Выбираем

наиболее оптимальное расписание

Виртуальное АРМ 1

Виртуальное АРМ 2

Виртуальное, АРМ п

Выбираем наиболее оптимальное расписание

Наиболее оптимальное расписание

I

Выбираем наиболее оптимальное расписание

Рис.5. Алгоритм использования виртуальных АРМ в количестве, меньшем размера выборки критериев

На основе созданных моделей виртуальных АРМ и алгоритма их использования разработана система моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия, использующего в своей автоматизации MES-систему «ФОБОС».

Система разработана с учетом среднего количества виртуальных АРМ каждого типа на цех машиностроительного предприятия (см. таблицу 1) и использования метода виртуализации VDI.

Архитектура разработанной системы приведена на рисунке 6.

Разработанную систему условно можно разделить на две части:

1) Клиентская часть;

2) Серверная часть (ЦОД, Центр Обработки Данных).

Серверная часть состоит из серверов виртуализации и ПК/сервера управления с установленными программными компонентами, обеспечивающими функционирование всей виртуальной инфраструктуры.

Количество серверов виртуализации зависит от количества используемых виртуальных АРМ и от того, какие компоненты будут реализованы на базе виртуальных серверов. Минимальная конфигурация предполагает наличие одного физического сервера для виртуальной инфраструктуры (с установленным гипервизором), а также одного управляющего ПК/сервера.

Клиентская часть включает в себя клиентские устройства сотрудников производственного менеджмента основных структурных подразделений, с которых они подключаются к своим виртуальным АРМ. Для работы с виртуальными АРМ на клиенте устанавливается ПО Citrix Receiver.

При реализации разработанной системы моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия необходимо учесть основные требования, предъявляемые системами виртуализации к аппаратному обеспечению серверного оборудования:

- Многоядерный процессор, поддерживающий возможность аппаратной виртуализации (технологии Intel VT или AMD-V). Также поддержка виртуализации должна быть включена в BIOS. Количество ядер определяет количество логических процессоров, а на одном логическом процессоре можно создать порядка 8 виртуальных (в зависимости от используемого гипервизора и гостевой ОС);

- Объём оперативной памяти рассчитывается исходя из суммарных требований всех виртуальных рабочих станций и виртуальных серверов, планируемых к использованию, а также запаса для гипервизора;

- Жесткие диски - несколько накопителей, объединенных в RAID (англ. Redundant Array of Independent Disks - избыточный массив независимых жёстких дисков) - массив из нескольких дисков, взаимосвязанных скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое целое. Объединение в RAID позволяет обеспечить более высокую производительность и надежность.

Система моделирования основных структурных производственных подразделений цеха

машиностроительного предприятия

Клиентская Часть

Клиентские устройства с установленным ПО Citrix Receiver / Online Plugin

АРМ Директора

(Руководителя

производства)

АРМ Директора (Начальника цеха)

АРМ Диспетчера АРМ Сотрудника ОТК АРМ Комплектовщика О (совмещенное рабочее место)

АРМ Технолога (3 места)

АРМ Мастера i(4 места)

Серверная Часть (ЦОД)

Сервер(ы) виртуализации

Виртуальные АРМ

Виртуальное АРМ Директора (Руководителя производства)

Виртуальное АРМ Директора (Начальника цеха)

Виртуальные АРМ Диспетчера / Сотрудника ОТК / Комплектовщика (одно основное рабочее + одно н более вспомогательных)

Виртуальные АРМ Технолога (3 экземпляра)

Виртуальные АРМ Мастера (4 экземпляра)

Виртуальные Серверы

Desktop Delivery Controller

License Server Web Interface Management Management Consoles

Provisic >«rvic«s

Виртуальный с«рв*р баз данных

Контроллер Домена

Управляющий ПК / сервер

ПО

Citrix XenCenter /

VMware vCenter

Рис.6. Архитектура разработанной системы моделирования основных структурных производственных подразделений

цеха машиностроительного предприятия

В четвертой главе рассмотрены вопросы применения разработанной системы моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия и проведена оценка её эффективности в управлении производством.

Разработанная система моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия базируется на программных компонентах (АРМ сотрудников производственного менеджмента) MES-системы «ФОБОС», а значит, интегрирует в себя и все преимущества, которые обеспечивает внедрение MES-систем в производстве:

- увеличение скорости прохождения заказов через станочную систему в среднем на 40-50%;

- повышение коэффициента загрузки оборудования в среднем на 3050%;

- снижение объемов незавершенного производства в среднем на 30% ;

- повышение точности исполнения сроков производственных заказов в среднем на 60%.

Разработанная система моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия позволяет решить в MES «ФОБОС» задачу прогнозирующего моделирования производственных расписаний на основе различных комбинаций критериев и в несколько раз сократить время, затрачиваемое диспетчером на поиск наиболее оптимального сценария выполнения плана.

Для количественной оценки получаемой эффективности Е можно использовать следующую формулу (I):

г Р

(1)

где Т - время, затрачиваемое на поиск оптимального сценария выполнения плана с использованием разработанной системы, а Р — время поискав обычных условиях наодном физическом ПК - АРМ диспетчера.

Для расчета времени поиска Т и Р вводятся следующие переменные:

к - количество комбинаций критериев (размер выборки), составленных диспетчером для расчета производственных расписаний, исходя из текущего состояния производства и указаний, полученных с более высоких уровней планирования.

I - среднее время расчета производственного расписания в программном модуле Fobos Planning.

п - максимальное количество виртуальных АРМ диспетчера (с учетом основного рабочего виртуального АРМ), которое он может использовать для решения задачи имитационного моделирования, то есть расчета к комбинаций производственных расписанй. При этом п<к, так как для расчета, допустим, 5 расписаний нет необходимости использовать более 5 виртуальных АРМ.

/ - среднее время запуска одного виртуального АРМ, суммированное с временем запуска на нем программного модуля Fobos Planning.

Время поиска наиболее оптимального сценария выполнения плана Р в обычных условиях, то есть на одном физическом ПК с установленным программным модулем Fobos Planning рассчитывается по формуле 2: P = kxt (2)

Это время, которое потратит диспетчер на последовательный перебор на своём АРМ всех комбинаций критериев из созданной ранее выборки.

Время поиска наиболее оптимального сценария выполнения плана Т определяется как итоговое время расчета производственных расписаний на всех виртуальных АРМ (в количестве п) согласно разработанному алгоритму с учетом параллельности выполняемых расчетов и времени /', затрачиваемого на запуск каждого нового виртуального АРМ и программного модуля Fobos Planning в нём. Рассчитывается по формуле 3:

Г к'

Т = {п- 1)х/ + - х/ (3)

Проведем расчет на примере: и = ЗД = 7, / = 3 мин., i = 0,5 мин.

Время поиска наиболее оптимального сценария выполнения производственного плана при использовании обычного физического ПК в этом случае составит (4):

Р = kxt-1 хЗ = 21лшн (4)

Время поиска наиболее оптимального сценария выполнения производственного плана при использовании разработанной системы моделирования будет равным (5):

Т = (и - 1) х / +

х í = (3 — 1) х 0,5 +

хЗ =

(5)

= 1 + 9 = Южн.

Теперь рассчитаем эффективность Е (6):

£ = -=21 Т 10

= 2.1

(6)

Это значит, что с использованием разработанной системы моделирования основных структурных производственных подразделений найти наиболее эффективный сценарий выполнения производственного плана (при данных условиях) можно в 2 раза быстрее, чем при обычном использовании MES-системы «ФОБОС» с АРМ диспетчера на базе одного физического ПК.

Выбор наиболее эффективного производственного плана позволяет, в свою очередь, сократить цикл изготовления изделий и увеличить скорость прохождения материальных потоков через станочную систему цеха машиностроительного предприятия. Кроме того, разработанная система позволяет обеспечить выполнение требований международного стандарта ISO 9000, повышая прозрачность производства.

Пример работы системы моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия приведен на рисунке 7.

В рамках разработанной системы моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия также решается задача организации удаленной работы сотрудников производственного менеджмента с использованием глобальной сети, что позволяет обеспечить сотрудникам доступ к своим АРМ из любого места с выходом в Интернет.

Всё, что нужно для доступа к виртуальному АРМ через Интернет на клиентском устройстве сотрудника - наличие установленного web-браузера (Internet Explorer, Mozilla Fire fox, Opera и др.).

Основное отличие решения для работы с виртуальными АРМ через Интернет от обычного решения виртуализации заключается в наличии программного шлюза Access Gateway VPX (рисунок 8), встраиваемого в виртуальную инфраструктуру системы в виде виртуального сервера (возможно также использование аппаратного шлюза Access Gateway).

Рис.8. Удаленная работа с виртуальными АРМ через Интернет

Разработанная система моделирования основных структурных производственных подразделений на базе MES «ФОБОС» имеет широкие возможности применения в учебном процессе.

При этом можно использовать как виртуальные рабочие станции, полностью эмулирующие работу АРМ сотрудников производственного менеджмента, так и виртуальные рабочие станции со всеми установленными программными модулями MES «ФОБОС» для обучения общим принципам работы с MES-системой, а не отдельным управляющим ролям.

Для применения системы моделирования основных структурных производственных подразделений в учебном процессе разработано три метода, зависящих от типа обучения:

1. Метод на основе классического группового обучения - обучение происходит группами в аудитории (помещении) в заданный промежуток времени и с заданной продолжительностью (семинары, лекции, лабораторные работы, курсы и т.д.).

2. Метод на основе дистанционного обучения в режиме реального времени («онлайн») - обучение происходит удаленно, с использованием сети Интернет.

3. Метод на основе самообучения - основывается на форме дистанционного обучения, но в этом случае пользователь уже сам, без участия преподавателя, получает необходимые ему навыки и знания, используя различные обучающие материалы, установленные в виртуальном рабочем месте.

Все методы основываются на том, что процесс обучения происходит с использованием соответствующим образом настроенных виртуальных рабочих станций.

Программно-аппаратная реализация разработанных методов обучения с использованием системы моделирования основных структурных производственных подразделений представлена на рисунке 9.

КЛИЕНТСКАЯ ИНФРАСТРУКТУРА

СЕРВЕРНАЯ ИНФРАСТРУКТУРА (ЦОД)

ПК на базе С Endows 7, Vista I ХР

ПК ;

Ноутбук

Классическое групповое обучение

Удаленная работа с виртуальными рабочими станциями

L

Веб-браузер (Internet Explorer, Firefox, Opera и.др.)

N У

Дистанционное обучение в режиме реального времени («онлайн») и самообучение

Сервер или серверы с: 1) ПО виртуализации

2) Управляющими виртуальными

серверами

3) Виртуальными рабочими станциями

Рис. 9. Программно-аппаратная реализация разработанных методов обучения с использованием системы моделирования основных структурных производственных подразделений

Используя разработанную методику применения системы моделирования в учебном процессе можно развернуть гибкий и эффективный обучающий комплекс, направленный на изучение основ оперативного управления производством и обучение дисциплинам по специальности 220301.65 «Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. В диссертации решена задача, имеющая существенное значение для машиностроения, и заключающаяся в повышении эффективности управления машиностроительным производством за счет разработки системы моделирования его основных структурных подразделений.

2. Установлены зависимости между скоростью прохождения материальных потоков через станочную систему в условиях мелкосерийного и единичного машиностроительного производства и предложенными сценариями моделирования производственных процессов, отличительной особенностью которых является то, что они учитывают различные комбинации критериев при расчете оптимального расписания выполнения работ.

3. На основе установленных связей разработаны модели виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ), позволяющие имитировать различные сценарии выполнения производственного плана.

4. Разработан алгоритм использования моделей виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ) для решения задач прогнозирования и оптимизации производственных расписаний.

5. Разработана система моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия на базе исполнительной производственной системы «ФОБОС» с использованием технологий программно-аппаратной виртуализации, реализующая созданные модели и алгоритм.

6. Использование результатов работы на предприятии ООО «ПКФ «Теплодар» (город Новосибирск) позволило повысить эффективность управления машиностроительным производством в автоматизированных структурных подразделениях на базе исполнительной производственной системы «ФОБОС» за счет сокращения цикла изготовления изделий и увеличения пропускной способности станочной системы.

7. Результаты, полученные в диссертационной работе, используются в учебном процессе по специальности 220301.65 «Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)».

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Публикации в журналах, входящих в перечть ведущих периодических изданий ВАК РФ:

1. Черепанов В.В. Виртуализация автоматизированного рабочего места технолога// Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин», №3(11), 2010 г. -с. 120-123;

2. Черепанов В.В. Организация удаленной работы с интегрированной системой оперативного управления производством в сети Интернет // Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин», №3(15), 2011 г. - с. 170-172;

3. Черепанов В.В. Использование разработанной системы виртуализации автоматизированного структурного производственного подразделения в учебном процессе // «Дистанционное и виртуальное обучение». Научный журнал М.: Издательство СГУ, №4 (46), 2011 г. - с. 87-93;

Другие публикации:

4. Черепанов В.В. Использование интерактивного интерфейса (системы) для решения задач оперативного управления производством // Материалы XII научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике: Программа. Сборник докладов. М.: ИЦ ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2009 г. - с. 179-181;

5. Черепанов В.В. Интерактивный интерфейс для решения задач оперативного управления производством // Тез. Докл. международной научно-практической конференции «Эффективные технологии управления производством» под патронажем РАН и ТПП РФ, Москва, 2009 г.-с. 31;

6. Черепанов В.В. Разработка обучающей системы для работы с автоматизированной системой управления производством на основе технологии виртуализации рабочих станций // Тез. Докл. XIV международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2010 г. - с. 369-372;

7. Черепанов В.В. Повышение эффективности управления производством за счет разработки системы виртуализации автоматизированного структурного производственного подразделения, использующего в своей работе интегрированную МЕЗ-систему «ФОБОС» // Тез. Докл. Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизация и управление технологическими и производственными процессами», Уфа, 2011 г.-с.85-88.

Подписано в печать:

21.10.2011

Заказ № 6086 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 vvwvv.autoreferat.ru

ВВЕДЕНИЕ.^.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИЙ, ЗАДАЧ И АРХИТЕКТУРЫ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ' МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ.

1.1 Решение задачи целевой автоматизации и оперативного управления машиностроительным производством с помощью исполнительных производственных систем.

1.2 Анализ информационно-управляющей структуры машиностроительного производственного предприятия.

1.3 Исследование программно-функциональной архитектуры интегрированной системы оперативного управления мелкосерийным и единичным производством MES «ФОБОС».;.

4.4 Решение задачи составления и поиска оптимального производственного расписания.

Выводы.

ГЛАВА 2. ПОДХОДЬГК ВИРТУАЛИЗАЦИИ,РАБОЧИК СТАНЦИЙ.

2.1 Анализ общей концепции технологий виртуализации рабочих станций.

2.2 Методы виртуализации рабочих станций.

2.3 Исследование и анализ состава, характеристик и стоимости программных средств виртуализации рабочих станций.

Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ СТРУКТУРНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ ЦЕХА МАШИНОСТРОРПЪЛЬНОГОПРЕДПРИЯТИЯ.

3.1 Разработка моделей виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ) сотрудников производственного менеджмента основных структурных подразделений цеха машиностроительного предприятия.

3.2 Алгоритм использования моделей виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ) для решения задач прогнозирования и оптимизации производственных расписаний.

3.3 Архитектура и принципы работы системы моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия.

3.4 Анализ требований разработанной системы моделирования к аппаратному и программному обеспечению серверного и клиентского оборудования.

Выводы.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ СТРУКТУРНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ ЦЕХА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ.

4.1 Оценка эффективности разработанной системы моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия.

4.2 Пример работы системы моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия.

4.3 Решение задачи организации удаленной работы через Интернет сотрудников производственного менеджмента основных структурных подразделений в рамках разработанной системы моделирования.

4.4 Методика применения разработанной системы моделирования основных структурных производственных подразделений в учебном процессе.

Выводы.

Актуальность работы.

В настоящее время одной из главных проблем машиностроительного производства мелкосерийного и единичного типов является низкий коэффициент загрузки оборудования и, как следствие, низкая пропускная способность, станочной системы, и высокий объем незавершенного производства. . '

Согласно данным Международной организации инженеров-технологов, , средний коэффициент загрузки; оборудования?в!мелкосерийном и единичном машиностроительном производстве составляет 0,45, в то время как в массовом и. крупносерийном; его величина- приближается к 0,9; То есть скорость исполнения производственных заказов в мелкосерийном и единичном производстве примерно в 2 раза ниже, чем в массовом и крупносерийном; В итоге более половины; рабочего времени, дорогостоящие станки простаивают, не принося никакой прибыли. Такая ситуация возникает из-за позаказного характерам работ, при котором; производственный заказ, состоящий; из детале-сборочных. единиц (ДСЕ), не может быть выполнен, пока .не' будут изготовлены все детали, входящие в .его комплект. Если: хотя бы одна ДСЕ не готова, все остальные, детали, входящие в заказ, ожидают ее изготовления, образуя незавершенное производство: При этом' одинаковые детали могут одновременно входить в несколько заказов и изготавливаться в разное время ина разном оборудовании, но согласно требованиям стандарта 180-9000 они. должны быть идентифицируемы и их запрещается группировать; при обработке. И если; в массовом производстве последовательность изготовления; одинаковых деталей не является;значимой, в мелкосерийном и единичном она может оказать существенное влияние на скорость выполнения заказов.

Задачу составления оптимального производственного расписания и контроля его дальнейшего выполнения позволяют решить системы управления производством класса MES (Manufacturing Execution System, в переводе с английского - «исполнительная производственная система»), к числу которых относится MES «ФОБОС», автоматизирующая функции основных структурных производственных подразделений производственного менеджмента) на уровне цеха:

ПДО (планово-диспетчерский отдел); отдел технологической подготовки производства; отдел комплектации; мастера цеха;

ОТК (отдел технического контроля); дирекция.

MES «ФОБОС» наиболее широко применяется в машиностроении, характерными особенностями которого являются большая сложность изготавливаемой продукции (до- 10000 деталей) и разнообразие технологических процессов и материалов.

Оперируя актуальными1 данными о. состоянии производства и начальными, условиями планирования заказов, MES «ФОБОС» позволяет рассчитывать производственное расписание исходя из 14 критериев оптимизации. С помощью различных комбинаций критериев можно» составить 100 различных вариантов производственных расписаний.

Однако открытым остаётся вопрос, как выбрать наиболее оптимальное производственное расписание из всего множества возможных вариантов. Обычно диспетчер, составляющий производственное расписание, вынужден полагаться на собственный опыт в выборе критериев и определении оптимального варианта выполнения заказов при имеющихся, данных. На своём персональном компьютере (ПК) он может запустить только один экземпляр MES «ФОБОС», поэтому для построения и анализа альтернативных вариантов расписаний ему нужно либо перебирать и анализировать их все последовательно- (что затрудняет оперативность управления производством), либо использовать дополнительные ПК и работать с ними параллельно (что неудобно и требует дополнительные затраты).

Очевидно, что в сложившихся условиях диспетчеру необходим гибкий инструмент прогнозирующего моделирования, который позволит принимать ему оптимальные решения и повысит эффективность его работы.

Исследование современных технологий программно-аппаратной виртуализации позволило выявить новое эффективное и научно-обоснованное решение задачи выбора оптимального производственного расписания за счет разработки системы моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия с использованием виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ).

С помощью разработанной системы можно одновременно работать с несколькими виртуальными автоматизированными рабочими местами (виртуальными АРМ) и, следовательно, одновременно запускать несколько экземпляров MES «ФОБОС», составляя и анализируя необходимое количество производственных расписаний параллельно.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности оперативного управления мелкосерийным и единичным машиностроительным производством за счет разработки системы моделирования его основных структурных подразделений на базе MES «ФОБОС».

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: исследование функций и задач интегрированных систем оперативного управления производством; анализ информационно-управляющей структуры машиностроительного предприятия и роли MES-системы в ней; исследование программно-функциональной архитектуры MES-системы «ФОБОС»; анализ концепции, методов и средств виртуализации рабочих станций; разработка моделей виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ) сотрудников производственного менеджмента основных структурных подразделений цеха машиностроительного предприятия; разработка алгоритма использования моделей виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ) для решения задач прогнозирования и оптимизации производственных расписаний; разработка и реализация системы моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия; анализ требований разработанной системы к аппаратному и программному- обеспечению серверного и клиентского оборудования; оценка эффективности разработанной системы; организация удаленной работы через Интернет в рамках разработанной системы; разработка методики применения' системы моделирования-основных структурных производственных подразделений в учебном процессе.

Методы исследования.

Теоретические исследования выполнены с использованием научных и методологических положений теории управления, теории расписаний, основных положений и принципов системной интеграции, опыта разработки и внедрения исполнительных производственных систем и систем виртуализации.

Научная новизна работы заключается в: установлении зависимостей между скоростью прохождения материальных потоков через станочную систему в условиях машиностроительного производства мелкосерийного и единичного типов и предложенными сценариями моделирования производственных процессов, учитывающими различные комбинации критериев при расчете оптимального расписания выполнения работ; разработке моделей виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ), позволяющих имитировать различные сценарии выполнения производственного плана; разработке алгоритма использования моделей виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ) для решения задач прогнозирования и оптимизации производственных расписаний.

Практическая ценность: разработана система моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия, реализующая созданные модели и алгоритм; предложена методика применения разработанной системы в учебном процессе.

Реализация работы: результаты, полученные в диссертационной работе, использованы на предприятии ООО «ПКФ «Теплодар» (город Новосибирск) для повышения эффективности управления производством в автоматизированных структурных подразделениях на базе МЕ8 «ФОБОС»; результаты, полученные в диссертационной работе, применяются в учебном процессе по специальности 220301.65 «Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)».

Апробация работы.

Теоретические и практические результаты, полученные автором, неоднократно докладывались на заседаниях кафедры «Информационные технологии и вычислительные системы» ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин». По материалам работы были сделаны доклады на XII научной конференции

МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике, Москва, 2009 г.; Международной научно-практической конференции «Эффективные технологии управления производством» под патронажем РАН и ТПП РФ, Москва, 2009 г.; Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2010 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизация и управление технологическими и производственными процессами», Уфа, 2011 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 в ведущих рецензируемых научных изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, а также 2 в изданиях по темам международных конференций.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, трех приложений, изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 9 таблиц, список литературы включает в себя 70 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1) В диссертации решена задача, имеющая существенное значение для машиностроения, и заключающаяся в повышении эффективности управления машиностроительным производством за счет разработки системы моделирования его основных структурных подразделений.

2) Установлены зависимости между скоростью прохождения материальных потоков через станочную систему в условиях мелкосерийного и единичного машиностроительного производства и предложенными сценариями моделирования' производственных процессов, отличительной особенностью которых является то, что они учитывают различные комбинации критериев при расчете оптимального расписания выполнения работ.

3) На основе установленных связей разработаны» модели виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ), позволяющие имитировать различные сценарии выполнения производственного плана.

4) Разработан алгоритм использования • моделей виртуальных автоматизированных рабочих мест (АРМ)- для решения задач прогнозирования и оптимизации производственных расписаний.

5) Разработана. система моделирования основных структурных производственных подразделений цеха машиностроительного предприятия на базе исполнительной производственной ' системы «ФОБОС» с использованием технологий программно-аппаратной виртуализации, реализующая созданные модели и алгоритм.

6) Использование результатов работы на производственном предприятии ООО «ПКФ «Теплодар» (город Новосибирск) позволило повысить эффективность управления машиностроительным производством в автоматизированных структурных подразделениях на базе исполнительной производственной системы «ФОБОС» за счет сокращения цикла изготовления изделий и увеличения пропускной способности станочной системы.

7) Результаты, полученные в диссертационной работе, используются в учебном процессе по специальности 220301.65 «Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)».

1. Трубицын А. «На стыке экономики и технологии», PC WEEK, №4,2005;

2. Интернет-сайт международной некоммерческой ассоциации MESA International Электронный ресурс., — Режим доступа: http://www.mesa.org;;

3. Залыгин А.Р., «MES-системы с точки зрения организации производства», публикация в интернет-издании 12NEWS (ERPNEWS), 2007 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://12news.ru/doc2749.html:

4. Нестерова А. «MES-системы управления производством. Воспользуйтесь очевидными преимуществами», Мир компьютерной автоматизации, №1-2, 2002, с. 77-81;

5. Будник P.A., Куминов В.В. «MES-системы в дискретном производстве», PC WEEK, №46, 2003;

6. Гладкова И., Фролов Е.Б. «"Ларчик" национальных технологических традиций открывает MES-система», публикация на интернет-портале MESA.ru, 2007 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://old.mesa.ru/?p=600006;

7. Фролов Е.Б., Лили Чанг, Высочин C.B. «Интегрированная система оперативного планирования и диспетчерского контроля цехом механообработки», Автоматизация проектирования, №9, 1998, с. 18-22;

8. Фролов Е.Б. «Характеристика и функции MES-системы ФОБОС», публикация на интернет-сайте MES «ФОБОС» Электронный ресурс., — Режим доступа: http://www.fobos-mes.ru/fobos-system/MES-system-characteristic-and-functions.html;

9. Борисов В.Л., Максимов В.Е. «Система управления базами данных», Мир ПК, №5, 2007;

10. Фролов Е.Б. «MES в производственной логистике: метод вычисляемых приоритетов», публикация в интернет-издании 12NEWS (ERPNEWS), 2010 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://12news.ru/doc5135.html:

11. Мазурин А. «ФОБОС: Эффективное управление производством на уровне цеха», САПР и Графика, № 3, 2001, с. 73-78;

12. Материалы Российского интернет-форума MES-систем Электронный ресурс., — Режим доступа: http://www.mesforum.ru:

13. Фролов Е.Б. «MES-системы: оперативный функционально-стоимостной анализ для нужд производственного предприятия», Генеральный директор, № 8,2008, с.76-79;

14. Тимковский В.Г. «Дискретная математика в мире станков и деталей», -Наука, М.: 1992, 144 е.;

15. Будник P.A. «MES системы: задачи и решения», Мир компьютерной автоматизации, №4, 2003;

16. Гаврилов Д.А. «Управление производством на базе стандарта MRP II» — СПб.: Питер, 2003, 352с.;

17. Фролов Е.Б., Загидуллин P.P. «MES-системы как они есть или Эволюция систем планирования производства», Генеральный директор, № 4, 2008, с. 84-91;

18. Фролов Е.Б., Загидуллин P.P. «MES-системы: вид сверху, взгляд изнутри», Генеральный директор, № 5, 2008, с. 88-91;

19. Загидуллин P.P. «Оперативно-календарное планирование в гибких производственных системах», под. ред. В.Ц. Зориктуева. — М.: Изд-во МАИ, 2004. 208 е.;

20. Ногин В.Д. «Принятие решений в многокритериальной среде: количественный подход», М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002, 144 е.;

21. Горшков А.Ф., Евтеев Б.В., Коршунов В.А. Титов В.А., Фролов Е.Б. «Компьютерное моделирование менеджмента: Учебное пособие», Под общ. ред. Тихомирова Н.П., М.: Издательство «Экзамен», 2004, 622 е.;

22. Бизнес-книга «Лабораторные информационные системы и системы управления производством», LIMS&MES, 2008, 255 е.;

23. Учебник для вузов «Производственный менеджмент», под ред. Ильенковой С.Д., М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000, 583 е.;

24. Фролов Е.Б., Загидуллин P.P. «MES-системы. Критерии, которые мы выбираем», публикация в интернет-издании 12NEWS (ERPNEWS), 2007 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://12news.ru/doc2690.html;

25. Питеркин C.B., Оладов H.A., Исаев Д.В. «Точно вовремя для России», Под. ред. И.Н.Букреева — М.: Альпина Бизнес Букс, 2005, 365 е.;

26. Фролов Е.Б., Загидуллин P.P. «Если у вас проблемы с планированием, значит, вы планируете себе проблемы. (часть 1-я)», публикация на интернет-портале Школа СЮ, 2010 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://old.cio-world.ru/it-expert/506040/;

27. Фролов Е.Б., Загидуллин P.P. «Если у вас проблемы с планированием, значит, вы планируете себе проблемы. (часть 2-я)», публикация на интернет-портале Школа СЮ, 2010 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://old.cio-world.ru/it-expert/506286/;

28. Фролов Е.Б., Загидуллин P.P. «Если у вас проблемы с планированием, значит, вы планируете себе проблемы. (часть 3-я)», публикация на интернет-портале Школа СЮ, 2010 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://old.cio-world.ru/it-expert/506305/;

29. Фролов Е.Б., Загидуллин P.P. «Оперативно-календарное планирование и диспетчирование в MES-системах», Станочный парк, № 11, 2008, с. 22-27;

30. Загидуллин P.P. «MES-система для машиностроения PolyPlan», публикация на интернет-сайте MES «ФОБОС» Электронный ресурс., — Режим доступа: http://www.fobos-mes.ru/sistema-polyplan/mes-sistema-dlya-mashinostroeniya-polyplan.html ;

31. Голдратт Э. «Цель. Цель-2». М.: Баланс Бизнес Букс, 2005, 776 е.;

32. Самойленко А. «Виртуальные машины на платформе Microsoft Virtual PC 2007», публикация на интернет-портале WindowsFAQ, 2007 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://www.windowsfaq.ru/content/view/566;

33. Румянцев В.Е. «Виртуальная машина», публикация в научно-энциклопедическом интернет-портале Russika.Ru Электронный ресурс., — Режим доступа: http://www.russika.ru/t.php?t=4220;

34. Богданов A.B., Станкова E.H., Мареев В.В. «Виртуализация: новые возможности известной технологии», Всероссийский конкурсный отбор обзорно-аналитических статей по приоритетному направлению «Информационно-телекоммуникационные системы», 2008, 31 е.;

35. Колесов А. «Вернемся к нашим гипервизорам», PC Week/RE Xsl6 — 17, 2009;

36. Самойленко А. «Технические особенности клиентского гипервизора Citrix XenClient», публикация на интернет-портале VM Guru, 2010 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://www.vmgu.ru/articles/citrix-xenclient-technical;

37. Дериев И. «Клиентские гипервизоры», Компьютерное обозрение №44, 2010;

38. Самойленко А. «Технологии аппаратной виртуализации», публикация на интернет-портале iXBT.com, 2007 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://www.ixbt.com/cm/virtualization-h.shtml;

39. Озеров1 С., Карабуто А. «Технологии виртуализации: вчера, сегодня, завтра», Экспресс Электроника, 2006;

40. Кочуглу Т., Бергер Т. «Каждому пользователю свой рабочий стол», Журнал сетевых решений LAN, № 08, 2008;

41. Грайнер В. «Новый дом для настольных систем», Журнал сетевых решений/LAN, № 03, 2010;

42. Клементьев И.П., Устинов В.А. «Введение в облачные вычисления», курс на сайте Интернет-Университета Информационных Технологий Электронный ресурс., — Режим доступа: http://www.intuit.ru/department/se/incloudc/;

43. Орлов С. «Виртуализация «от и до»», Журнал сетевых решений/LAN, №02,2010;

44. Жилкина Н.С. «Путь к рабочему столу», СЮ 10 (88), 2009, с.34-40;

45. Колесов А. «Основные поставщики рынка платформ виртуализации», публикация в интернет-издании BYTE Россия, 2009Электронный ресурс., Режим доступа: http://www.bytemag;.ru/articles/detail.php?ID:=14936:

46. Гореткина Е. «Серверная виртуализация в «Магическом квадранте»», PC Week/RE №20 (770), 201-1;

47. Самойленко А. «Виртуализация настольных ПК: готового решения нет?», публикация на интернет-портале CNews Аналитика, 2010 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://www.cnews.ru/reviews/mdex.shtml72010/ 09/14/408618 3;

48. Spruijt R. «VDI Smackdown!», аналитический обзор, 2010 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://www.pqr.com/images/stories/Downloads/ whitepapers/vdi%20smackdown.pdf;

49. Coleman M. «Desktop Competition Overview.— Technical», презентация с конференции по технологиям виртуализации Электронный ресурс., 2010;

50. Елисеев В. «Обзор решений виртуализации», презентация с конференции по технологиям виртуализации Электронный ресурс., 2010;

51. ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Термины и определения;

52. Ульянов М. «Виртуализация с XenServer 5.5.0», публикация в виртуальной энциклопедии «Linux по-русски», 2009 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://rus-linux.net/nlib.php?name=/MvLDP/ms/ XEN/xen.html:

53. Фролов Е.Б. «FOBOS — интегрированная система технологической подготовки, оперативного планирования и управления производством (Руководство пользователя)», 300 е.;

54. Коновалов А. «Установка и настройка Citrix XenDesktop 4.0 FP1», публикация в блоге технологий виртуализации VM Press, 2010 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://vmpress.blogspot.com/2010/04/citrix-xendesktop-40-fp 1 .html;

55. Самойленко А. «Создание резервных копий виртуальных машин», публикация на интернет-портале iXBT.com, 2007 Электронный ресурс., — Режим* доступа: http://www.ixbt.com/cm/virtualization-backup. shtml;

56. Коннор-Д. «Резервное копирование виртуальных машин», Computerworld Россия , № 35,2007;

57. Прилепский А. «Сравнение решений для backup виртуальных машин от Veeam, Acronis и Symantec», публикация на интернет-портале «Виртуализация VMware», 2007 Электронный ресурс., — Режим доступа: http://vmware.progm.ru/doku.php7id—technical-info:backup;

58. Бутаков А. «Сколько стоит VDI?», публикация на интернет-портале «Licensing & SAM. Лицензирование и управление программным* обеспечением», 2010 Электронный ресурс., — Режим; доступа: http://www.knigaprosoft.ru/2010/05/31/skolko-stoit-vdi/:

59. РИА ERPNEWS «Дорогу MES-CHCTEMAM!», публикация в интернет-издании. 12NEWS (ERPNEWS), 2007 Электронный ресурс., Режим доступа: http://12news.ru/doc2739.html:

60. Фролов Е.Б., Высочин С.В. «Управление цеховым складом как элементом системы; ресурсосберегающей? организации производства»; САПР и Графика, №11,2000;

61. Циммер Д. «Citrix Xen Desktop против VMware. VDM»,. Журнал: сетевых решений LAN, № 04, 2009: