14.ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ
14.1. Потоки информации в автоматическом производственном процессе
Под интегрированной автоматизированной системой управления (ИАСУ) производством будем понимать интегрированную систему, состоящую из трех основных компонент:
1)автоматизированной системы технологической подготовки производства (АСТПП),
2)системы планирования,
3)автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).
Внутренние и внешние связи в ИАСУ гибкого производственного процесса (ГПС) можно представить в виде довольно сложных сетей физических, информационных и управляющих потоков.
Физические потоки отражают, например, движение материальных, трудовых и энергетических ресурсов, информационные — передачу данных различного рода между производственными подразделениями, управляющие характеризуют связи между точками, где принимаются решения и где эти решения выполняются.
В самом общем виде производственная система является взаимосвязанной совокупностью трех систем: физической (станки, склады, транспорт), информационной и решающей.
В физической системе осуществляется собственно производство изделий, а решающая система, пользуясь информационной системой, обеспечивает управление производством. На рис.14.1 показана структурная схема ИАСУ ГПС машиностроительного производства и взаимосвязь протекающих в ней процессов. Однако на рисунке не отражены организационная структура, соподчинение и роль компонентов, их физическая рассредоточенность, что очень важно для разработки конкретной проблемно-ориентированной ГПС.
Гибкая производственная система — это производственная единица или совокупность технологического оборудования, автоматически переналаживаемого при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах их характеристик. Организационная структура производства подразделяется на четыре уровня (рис.14.2 ).
Первый уровень — гибкий производственный модуль (ГПМ) — единица технологического оборудования с устройством программного управления и средствами автоматизации технологического процесса (накопителями, спутниками, устройствами загрузки и выгрузки, замены технологической оснастки, удаления отходов, контроля, переналадки и т.д.).ГПМ функционирует автономно, осуществляет многократные циклы и должен характеризоваться способностью встраивания в систему более высокого уровня.
Второй уровень — гибкий автоматизированный участок (ГАУ), гибкая автоматизированная линия (ГАЛ) — совокупность ГПМ, объединенных автоматизированной системой управления и функционирующих по технологическому маршруту, в котором предусмотрена или не предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.
Третий уровень — гибкий автоматизированный цех (ГАЦ) — совокупность ГАУ и (или) ГАЛ, предназначенная для изготовления изделий заданной номенклатуры.
Четвертый уровень — гибкий автоматизированный завод (ГАЗ) — совокупность ГАЦ, предназначенная для выпуска готовых изделий в соответствии с планом основного производства.
Основная функциональная система ГПС — система обеспечения функционирования технологического оборудования (СОФТО) ГПС — представляет собой совокупность взаимосвязанных автоматизированных систем: автоматизированной системы научных исследований (АСНИ), САПР, АСТПП; системы управления предприятием (АСУП); транспортно-складской системы (АТСС); системы инструментального обеспечения (АСИО); системы автоматизированного контроля (САК); системы удаления отходов (АСУО) и т.д.
Система автоматизированного управления транспортно-складским хозяйством (АТСС) представляет собой транспортные и складские устройства для укладки, хранения, временного накопления, разгрузки и доставки предметов труда, технологической оснастки и удаления отходов.
Система автоматизированного обеспечения инструментом (АСИО) включает контроля его качества, обеспечивающие хранение, автоматическую установку и замену инструмента.
Методологической основой ИАСУ ГПС в рамках единой процедуры управления являются:
а)согласование и адаптация составляющих компонентов ИАСУ ГПС путем выбора принципов и схем комплексно-автоматизированной технологии;
б)выбор состава и режимов работ автоматического и роботизированного технологического оборудования, функциональной, организационно-экономической, организационно-технологической, информационной структур;
в)разработка общей алгоритмической модели функционирования в составе компонент (САПР, АСНИ, АСТПП, автоматизированной системы организационно-экономического управления (АСОЭУ), АСУ и др.
Рис.14.1 Структурная схема ИАСУ ГПС.
Рис.14.2 Организационная структура ГПС
В результате системного проектирования и реализации единой процедуры управления в концептуальной модели ГПС все программно-управляемое оборудование, входящее в состав ГПМ и оснащенное встроенными микроЭВМ (станки с ЧПУ, автоматические транспортно-складские системы, автоматические контрольно-измерительные системы и т.д.), работает во взаимосвязанных и взаимообусловленных режимах.
ИАСУ ГПС на заводе предназначена для автоматизированного управления производственными процессами конструирования изделий, технологической подготовки производства и изготовления изделий в соответствии с техническим заданием (ТЗ) на изделие с обеспечением технологической гибкости производства, высокой производительности, бесперебойности работы технологического программно-управляемого оборудования.
В ИАСУ гибкого автоматизированного завода (ГАЗ) входят подсистемы (рис.14.3 ):
САПР,с помощью которой конструируют изделия, узлы, детали, разрабатывают требования к ним;
Рис 14.3 Структурная схема ИАСУ гибкого автоматизированного завода.
АСУП, планирующая и координирующая работу всех подсистем ИАСУ ГАЗ;
АСНИ, исследующая готовые образцы изделий на соответствие требованиям технического задания (ТЗ) и разрабатывающая перспективные изделия;
АСТПП, проектирующая технологические процессы и управляющие программы для станков с ЧПУ, технологическую оснастку, инструмент;
автоматизированная система организационно-экономического управления (АСОЭУ), осуществляющая текущее и оперативное планирование и учет хода производственных процессов;
автоматизированная система организационно-технологического управления (АСОТУ), управляющая технологическим объектом управления, состоящим из комплекса гибких производственных модулей (ГПМ), снабженных локальными информационно-управляющими системами управления;
распределенная автоматизированная система контроля (САК), контролирующая качество функционирования ГПС и качество изготовления изделий.
Практически подсистемы САПР, АСУП, АСНИ объединяют в комплекс верхнего уровня иерархии ГПС, на котором вырабатывается стратегия организационно-экономического управления, планируется загрузка ГПС, осуществляется подготовка производства для функционирования ГПС, автоматизировано проектируются изделия. Таким образом, компоненты АСУП — САПР—АСНИ образуют информационную среду для ГПС, реализованную в виде верхнего уровня общего распределенного банка данных ИАСУ гибкого автоматизированного завода (ГАЗ).
Компоненты автоматизированных систем технической подготовки производства (АСТПП),организационно-экономического управления (АСОЭУ),контроля (САК), организационно-технологического (АСОТУ) объединяют в комплекс иерархии нижнего уровня ГПС, на котором решаются тактические задачи организационно-технологического планирования и управления, автоматизировано подготовляются технологические управляющие программы и осуществляется непосредственное цифровое управление технологическим объектом управления в режиме реального времени.
Эти подсистемы нижнего уровня иерархии (рис.14.2) генерируют внутреннюю информационную среду, реализованную в виде нижнего уровня распределенного банка данных ИАСУ гибкого автоматизированного завода (ГАЗ-банка) данных ИАСУ гибких автоматизированных цехов (ГАЦ) со своими системами управления базами данных (СУБД).
В свою очередь, каждая подсистема ИАСУ ГПС, например автоматизированная система организационно-технологическая (АСУОТ) ГПС, — очень сложная система, обладающая сложными информационной, организационно-экономической, организационно-технологической и функциональной структурами.
Поэтому теоретической базой создания ИАСУ ГПС служит теория иерархических систем. Методологической базой создания ИАСУ ГПС. служит системный подход. Известные принципы и приемы декомпозиции и интеграции, используемые соответственно для системного анализа и синтеза, при системном проектировании ИАСУ ГПС микроэлектронной и машиностроительной отраслей, должны рассматриваться комплексно. Принципы декомпозиции позволяют представить сложные функциональную, организационно-экономическую, организационно-технологическую и информационную структуры, а также общую алгоритмическую модель функционирования ИАСУ ГПС в виде совокупности иерархически подчиненных функциональных компонентов, каждый из которых имеет определенные границы (система, подсистема, управляющий блок, комплекс задач, задача, процедура и т.д.).
Имитационные модели и многоуровневая иерархическая концепция являются основными средствами интеграции этих компонентов. В многоуровневой иерархии каждый уровень управления должен поддерживать значения переменных, задаваемых вышестоящим блоком, и, в свою очередь, должен устанавливать ограничения, критерии для подчиненных уровней управления.
Эти процедуры многоуровневой координации носят итеративный характер. Основные трудности в реализации концепции многоуровневой координации в ИАСУ ГПС связаны с широким диапазоном временных масштабов выполнения функций планирования и управления; интервал изменяется от года при планировании на уровне ГАЗ до нескольких секунд при управлении технологическими процессами на уровне ГПМ.
Главное научное направление в решении возникающих здесь проблем — концепция многослойной временной иерархии, согласно которой задачи планирования и управления на любом уровне разбивают на несколько подзадач с различными временными горизонтами и моделями, различающимися степенью детализации. Аналогично задачи оптимального управления технологическим объектом управления (ТОУ) решают в реальном масштабе времени с применением концепции многослойной функциональной иерархии, позволяющей находить компромисс между стоимостью и точностью решения. В соответствии с этой концепцией выделяют четыре слоя каждой функции управления: самоорганизацию, адаптацию, оптимизацию, регулирование.
В ИАСУ ГПС горизонтальное объединение необходимых функций и ресурсов, гарантирующее минимум связей с другими подсистемами, сочетается с вертикальной интеграцией уровней планирования и управления. Поэтому необходимо создание многоуровневой ИАСУ ГПС с единой информационной базой и целью управления.
Организационно-технологическое управление(ТОУ) ГПС.
Комплексно-автоматизированные технологические процессы и роботизированное программно-управляемое технологическое оборудование составляют в комплексе организационно-технологическое управление (ТОУ), которым управляет АСУ организационно-технологического класса.
На уровне ГПМ ТОУ является исполнительной частью ИАСУ ГПС и в него входят :
ГПМ(гибкие производственные модули), состоящие из станков с ЧПУ;
автоматизированные средства загрузки-выгрузки ГПМ;
средства складирования;
транспортные средства;
контрольно-измерительные модули;
организационные посты.
На уровне гибких автоматизированных участков (ГАУ) и линий (ГАЛ) в организационно-технологическое управление (ТОУ) входит несколько гибких производственных модулей (ГПМ),автоматических технологических модулей
( АТМ),автоматических системных модулей (АСМ), объединенных единой автоматизированной технологически-системной системой (АТСС) и единой интегрированной АСУ (соответственно ИАСУ, ГАУ и ИАСУ ГАЛ).
На уровне гибкого автоматизированного цеха (ГАЦ) в организационно-технологическое управление (ТОУ) входит несколько гибких автоматизированных линий (ГАЛ) и участков (ГАУ), несколько автоматизированных внутрицеховых и цеховых складов, объединенных автоматизированной транспортной сетью и единой интегрированной АСУ на уровне цеха (ИАСУ ГАЦ).
Таким образом, организационно-технологическому управлению (ТОУ) свойственны следующие особенности:
1)наличие как непрерывных, так и дискретных (дискретно-непрерывных) технологических процессов;
2)значительные объемы производства при широкой номенклатуре и различных партиях деталей, требующих изготовления и транспортирования большого числа инструмента, полуфабрикатов, заготовок и деталей;
3)многообразие организационно-технологических и организационно-экономических показателей производства;
4)связь между отдельными автоматизированными цехами, участками, линиями;
5)нестационарность производственных процессов, связанная с необходимостью производства на одном и том же технологическом оборудовании разнообразных изделий;
6)большое число возмущающих воздействий и, следовательно, стохастический характер поведения объектов управления;
7)значительная интенсивность материальных и энергетических потоков;
8)необходимость переработки больших массивов организационно-технологической и производственно-экономической информации в процессе принятия решений;
9)большая объемность и размерность задач планирования и управления и, следовательно, неизбежность их декомпозиции при решении на распределенной локальной вычислительной сети;
10)участие в управлении группы компетентных экспертов-операторов, руководителей ГПС (лиц, принимающих решения).
ИАСУ ГПС нужно проектировать, основываясь на принципах группового изготовления изделий, и обеспечивать быструю автоматическую перестройку производства с выпуска одного вида изделия на выпуск другого вида изделия в пределах технологических возможностей благодаря смене управляющих программ и инструкций. Режим работы ГПС можно интерпретировать как дискретный на малом промежутке времени и непрерывный на большом (24 ч в сутки, 8000-8500 ч в год).