Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Задача задания исходных данных в современных ГПС 6
1.1. Классификация современных ГПС как объектов управления 6
1.2. Принцип программной организации процесса управления применительно к ГПС 20
1.3. Задача диспетчирования в управлении ГПС 29
1.4. Задача задания исходных данных для оперативного управления ГПС 35
ГЛАВА 2. Функционирование центрального склада-накопителя 38
2.1. Классификация существующих методов пополнения центрального склада-накопителя 38
2.2. Стратегия пополнения центрального склада-накопителя по методу "максимум-минимум" 46
2.3. Определение объема заявки при пополнении центрального склада-накопителя по методу "максимум - минимум' 51
2.4. Моделирование пополнения центрального склада-накопителя по методу "максимум-минимум" 56
ГЛАВА 3. Задание загрузки складов автоматизированного производства 63
3.1. Иерархия функционирования складов гибкого многономенклатурного производства 63
3.2. Планирование загрузки центрального склада-накопителя 68
3.3. Использование принципа надежности планирования для управления ГАУ 74
3.4. Планирования загрузки оперативного склада 84
ГЛАВА 4. Задание хода производственного процесса на автоматизированном участке 93
4.1. Источники и адресаты сигналов, определяющих ход производственного процесса 93
4.2. Элементы информационной и функциональной структур длятиповой АСУ ГПС 106
4.3. Графическое изображение взаимозависимостей, между элементами информационной и функциональной структур 122
4.4. Аналитическое изображение взаимозависимостей, между элементами информационной и функциональной структур 126
Заключение и общие выводы 131
Список литературы 133
Приложения 149
- Принцип программной организации процесса управления применительно к ГПС
- Классификация существующих методов пополнения центрального склада-накопителя
- Иерархия функционирования складов гибкого многономенклатурного производства
- Источники и адресаты сигналов, определяющих ход производственного процесса
Введение к работе
Повышение эффективности в современных условиях является основной задачей производства. Задача общего снижения трудовых затрат на единицу продукции может быть решена за счет создания нового высокопроизводительного оборудования, а на его базе систем машин, позволяющих автоматизировать большинство видов и этапов работ, которые образуют производственный цикл изделия. В таких условиях весьма актуальна проблема автоматизации многономенклатурного производства.
Гибкие комплексы механообработки различных масштабов, степени сложности и уровня автоматизации, объединяемые общим названием «Гибкие производственные системы» (ГПС), могут применяться во всех отраслях машиностроения. Характерной особенностью их является то, что функционирование и взаимодействие агрегатов ГПС в многономенклатурном производственном цикле обеспечивается автоматизированной системой управления (АСУ ГПС), представляющей собой достаточно сложный программно-аппаратный комплекс, включающий микро и мини ЭВМ, специальную электронную аппаратуру и терминалы, непосредственно взаимодействующий с технологическим оборудованием.
Гибкие производственные системы, представляют собой совокупность технологического оборудования с ЧПУ, объединенного автоматизированными транспортно-складскими системами (АТСС), и управляемого единой многоуровневой системой управления. Использование таких производственных систем наряду с традиционными задачами обеспечения требуемой производительности и качества позволяет решить проблему многономенклатурной обработки, то есть параллельного производства нескольких различных изделий и оперативного перехода от обработки одного изделия к обработке другого.
Гибкие производственные системы, функционирование которых основано на использовании управляюще-вычислительных комплексов непосредствен-
но в контуре управления механообрабатывающим оборудованием, являются новым классом автоматизированных систем управления, для которого характерно выполнение как функций непосредственного управления отдельными единицами оборудования, так и координационно-производственных и подготовительных организационно-технологических функций, обеспечивающих эффективную совместную работу всего комплекса оборудования ГПС.
Для решения проблем, связанных с разработкой, внедрением и эксплуатацией автоматизированных систем управления гибкими производственными системами, требуется широкий системный подход по всему комплексу ре* шаемых задач в их взаимосвязи с детальным инженерным пониманием методов и технических приемов решения каждой из конкретных задач.
К числу таких задач относится и задача создания алгоритмов управления и реализующего их прикладного программно-математического обеспечения оперативного управления в реальном масштабе времени для управляющих ЭВМ всех уровней, входящих в АСУ ГПС, так как от их эффективности зависят основные технико-экономические показатели работы ГПС, такие как производительность, степень использования и износ оборудования и инструмента, вероятность выполнения заданий в запланированные сроки при выделенных ресурсах и т.д.
Данная работа посвящена вопросу о быстром и удобном для воплощения в программном виде описании исходных технологических данных для автоматизированных систем управления гибкими производственными системам.
Принцип программной организации процесса управления применительно к ГПС
Для того чтобы оперативно и своевременно управлять ГПС необходимо иметь качественное программное обеспечение (ПО).
Программное обеспечение системы управления ГПС состоит из двух основных частей - общего и специального.
Общее ПО организует процессы решения задач на ЭВМ, обеспечивает доступ к вычислительным ресурсам и их эффективное использование. Общее ПО поставляет разработчик ЭВМ, и оно в меньшей мере, чем специальное, зависит от состава ГПС и набора автоматизированных функций. Специальное ПО состоит из прикладных задач, предназначенных для решения задач АСУ ГПС и необходимой документации. Производственную систему можно представить обобщенной схемой, которая определяет взаимодействие системы управления (СУ), объекты управления (ОУ) и обслуживающего персонала (ОП). Система управления получает входные воздействия в виде управляющих директив, плановых заданий, что обеспечивается соответственными ресурсами. Информация, которая поступает к внешней СУ более высокого уровня, включает отчетные данные и запросы на элементы материального потока (материалы, оснастку и т.д.). В ОУ производятся различные операции над поступившими материалами и выходом являются готовые детали (узлы, изделия) и отходы производства (см. рисунок 1.7). Обмен информацией между СУ и ОУ происходит как напрямую, так и посредством участия обслуживающего персонала. Производственные системы и их системы управления можно классифицировать по разным признакам, например, по организационной структуре, степени автоматизации, характеру функционирования и др. По системе автоматизации СУ подразделяют на автоматические и автоматизированные. В автоматических СУ получение, преобразование, передача информации, формирование команд управления и их использование для воздействия на ОУ осуществляется без участия человека. В автоматизированных СУ функции выполняются частично автоматически, а частично при участии человека. Организационную структуру СУ ГПС в составе производственного участка можно представить трехуровневой системой (см. рисунок 1.8). На верхнем иерархическом уровне АСУ ГПС производится технологическая подготовка производства и осуществляется составление планов. На среднем уровне АСУ ГПС осуществляется оперативное управление и контроль (диспетчирование) локальными объектами, системы управления которых представляют собой нижний уровень управления. Иерархия систем управления ГПС характеризуется последовательным вертикальным расположением уровней управления, то есть тем, что указания уровня, расположенного выше, являются обязательными для нижележащего уровня управления, а также тем, что действия вышестоящих уровней зависят от фактического исполнения нижними уровнями своих функций, при том, что каждый уровень имеет определенную автономию в принятии решений. Подобная иерархия и различия в типе задач, решаемых на разных уровнях, высокие требования к живучести АСУ, территориальная рассредоточенность объектов управления и некоторые другие причины приводят к выводу о необходимости иметь в АСУ ГПС сеть ЭВМ различного класса. Так как в ГПС одновременно выполняются различные операции, а обработка данных в однопроцессорной ЭВМ может происходить лишь последовательно, то управляющая ЭВМ должна работать в многопрограммном (мультипрограммном) режиме. Мультипрограммная работа предполагает возникновение очередей из программ. Для выбора программ из очереди можно установить различные правила. Например, к выполнению назначается задача, поставленная в первую очередь так называемая дисциплина обслуживания FIFO-first in, first out (первый пришел - первый ушел), или в режиме разделения времени, когда задачам назначается определенное время доступа к вычислительным ресурсам ЭВМ. В СУ ГПС решаются задачи, связанные с координацией работы оборудования, контролем выполняемых операций и их регулированием, которые допускают лишь небольшие задержки времени для обработки информации и выработки управляющего воздействия. Это имеет место тогда, когда требуется управление в реальном времени, чтобы результаты обработки данных можно было использовать в управляемом объекте без нарушения заданных ему условий функционирования. Принцип мультипрограммной работы в реальном времени обеспечивает операционная система реального времени (ОС РВ или М8 008), которую широко применяют в АСУ ГПС Кроме управляющей программы, составляющей основу организационной системы, в ОС входят обрабатывающие (обслуживающие) программы- Они обеспечивают определенный уровень общения пользователя с ЭВМ. Специальное программное обеспечение АСУ ГПС. Специальное или прикладное обеспечение использует алгоритмы (правила) решения задач управления ГПС, Во всех современных методах программирования используется принцип модульности. Основным критерием при делении на модули (части) прикладного ПО является характер рассматриваемых задач, что определяется на эта пах функционального анализа АСУ ГПС и разработки алгоритмов управления. Но кроме функционального признака для выделения отдельных частей ПО используют и другие признаки: размер задачи, однородность операции по обработке данных и др Следовательно, иерархия в строении АСУ ГПС и принцип модульности приводят к необходимости иметь многоуровневые ПО (деление по вертика ли), а на каждом уровне ПО расчленяется на подсистемы и модули (деление по горизонтали). (0 Подсистемой называют часть ПО АСУ ГПС, решающую одну из основ ных задач управления. Работа подсистем АСУ ГПС организуется монитором (управляющая программа, программа-диспетчер или координатор). Основная функция монитора - координация работы подсистем - выполняется сравнительно несложно. Производится вызов необходимой подсистемы АСУ, для нее задаются необходимые управляющие параметры и назначаются команды для описания информационного обмена между подсистемами.
Классификация существующих методов пополнения центрального склада-накопителя
Однако все перечисленные методы имеют свои недостатки. Например, алгоритмические методы синтеза, которые рассматривают алгоритм диспетчерских решений как разновидность последовательстной логической машины, частным случаем которых является использование аппарата исчислений предикатов, приводят к алгебраической форме записи процесса диспетчиро-вания в виде кортежа алгебраических соотношений типа конечных автоматов. Недостатком этого метода является необходимость преобразования алгебраической записи в используемую программистами граф-схему алгоритма.
Следует выделить следующие группы рабочих алгоритмов управления ГПС: - управления подготовкой оборудования и технологического оснащения ГПС к выполнению производственного цикла; выдачи учетно-программной информации и взаимодействия системы управления с персоналом ГПС; - автоматизированного ведения производственного цикла. На диспетчерском уровне в УВК реализуются алгоритмы, обеспечивающие и организующие рабочие процессы оборудования комплекса, направленные на выполнение плановых производственных заданий (реализахщя упорядоченного расписания загрузки рабочих позиций), Диспетчирование — это оперативное управление ходом автоматизированного производственного процесса. Диспетчерский уровень АСУ ГПС организует производственный цикл по имеющемуся (ранее составленному) плану- Обеспечение стабильного выпуска продукции, близкого к запланированному, в условиях неизбежных возмущений (простои оборудования, отсутствие обслуживающего персонала или его ошибки» недостатки планирования и т. д.) является одной из важнейших задач АСУ ГПС. Для решении этой задачи необходимо следующее: 1) Предоставление инструментальной возможности внесения оперативных изменений в программу выполнения производственного цикла, компенсирующих возникающие возмущения. Такая возможность обеспечивается на диспетчерском уровне алгоритмами редактирования массивов плановых заданий, динамических моделей складов, массивов инструмента и приспособлений, библиотеки управляющих программ для оборудования с ЧПУ и др. 2) Необходимость наличия определенных резервов в планах. Если производственная функция ГПС заключается в изготовлении заданных партий деталей, то назначение системы оперативного управления (дис-петчирования)—наиболее эффективное использование ресурсов ГПС для изготовления деталей, запуск которых в производстве и приоритет обусловлены расписанием (оперативным планом). В подобной формулировке назначение оперативного управления оказывается аналогичным задаче операционной системы реального времени при управлении вычислительным процессом. Поэтому будем описывать работу системы оперативного управления в терминах вычислительных операционных систем. Каждой обрабатываемой партии деталей поставим в соответствие понятие «задача для ГПС». Введенные задачи (партии деталей) попадают в поле зрения системы оперативного управления, которая руководит их выполнением (изготовлением) в процессе прохождения через технологический мультипроцессор (оборудование ГПС). Каждая задача располагает определенным приоритетом. Один из принципов назначения приоритета основан на отношении предшествования, установленного расписанием. Для равноприоритет-ных задач следует использовать какую-либо заранее выбранную дисциплину обслуживания, например: « первый пришел - первый обслужен », «выбор в пользу задачи, длительность которой наибольшая (наименьшая)» и др. Между задачами существуют связи, которые проявляются в том, что одна задача может запустить другую, освободив для нее вычислительный ресурс и передав ей соответствующее сообщение. Установление таких связей осуществляется через обменники, в которых хранятся списки задач, ожидающих сообщений (есть детали для обработки на станках), или списки сообщений, которые ожидают задачи (есть станки для обработки деталей). Как и во всех операционных системах, сообщение, поступившее в обмен-ник, ставится в соответствие первой ожидающей задаче в списке, и эта задача удаляется из списка ожидающих. Это означает, что задача передается на выполнение. Тоже самое делается и при поступлении задач в обменник. Задачи, таким образом, делятся на «созданные» (т. е. соответствующие детали находятся в процессе изготовления) и на «уничтоженные» (соответствующие детали покидают ГПС). Каждой созданной задаче (каждой запущенной в производство детали) соответствует структура данных фиксированного формата - дескриптор. Рассмотрим возможный набор дескрипторных данных.
Первая группа данных служит целям идентификации задачи. В ней хранятся внутренний идентификатор, устанавливаемый системой оперативного управления при создании задачи, а также и внешнее имя (код) детали. Следующая группа данных содержит ссылки на описание вариантов технологических маршрутов и ссылки на описание потребляемых ресурсов (инструмент, приспособления). Очередная группа данных указывает состояние задачи (работает, готова, задержана, приостановлена, ожидает). При этом для работающей задачи зафиксирован код процессора (станка, транспортного средства), а для задач, находящихся в других состояниях, имеются коды (или ссылки) причин, удерживающих задачи в этих состояниях. Далее содержатся сведения о задачах, которые могут стать «наследниками» задачи на процессоре. Наконец, представлена информация, используемая при учете (циклограмма развития событий) и планировании (приоритет).
Описание ресурсов ГПС организовано по типу баз данных, доступ к которым обеспечивает система управления базой данной (СУБД).
Описание внешних связей оперативного управления позволяет уточнить функциональное назначение системы, которое в общем виде сводится к управлению задачами, управлению распределением ресурсов, организации ввода-вывода заготовок-деталей, обработке прерываний технологических процессов.
Рассматривая внутреннюю структуру оперативного управления, прежде всего, отметим, что задача претерпевает многократные переходы. Механизм, обеспечивающий последовательный вызов управляющих программ (УП), принято строить по типу интерпретатора (наряду с параллельной реализацией задач, осуществляемой той частью операционной системы, которая построена по типу операционной системы реального времени).
Иерархия функционирования складов гибкого многономенклатурного производства
Предложенная на основании проведенного анализа структура функционально полного гибкого автоматизированного участка (ГАУ) содержит все основные устройства гибкие автоматизированные участки (ГАУ) в максимальном варианте. Такая структура изображено на рис.3.1.
Изображённая на рис.3.1 типовая структура гибкого автоматизированного участка (ГАУ) функционирует следующим образом. Заготовки в тарах поступают на входные роликовые конвейеры 1 и с помощью крана-штабелера 3 раскладываются по свободным ячейкам стеллажа центрального склада-накопителя 2. Перед началом смены тары с заготовками, запланированными на обработку, во время данной смены подаются краном-штабе J юром на выход стеллажа и распределяются кареткой 4 по позициям 5 для выгрузки на позиции 6. На позициях 6 слесарь-сборщик устанавливает заготовки на палеты с установленными на них обработанными деталями, доставленные кареткой 7 из оперативного склада 8. Слесарь-сборщик снимает детали с этих доставленных палет, и обработанные детали поступают через позиции 5 на стеллаж 2. По мере необходимости выполнения операций палеты с установленными на них заготовками из оперативного склада 8 кареткой 7 передаются на поворотный стол 12, откуда кареткой 11 распределяются по механизмам смены палет 10 обрабатывающих центров 9. Инструмент, хранящийся в автоматизированном инструментальном складе 15, по мере необходимости подается на позиции 14 сборки инструментальных комплектов, где слесарь-инструментальщик выполняет сборку этих комплектов и распределяет их по позициям накопителя 16. Инструментальные комплекты из накопителя с помощью робокарной системы по трассе 17 доставляются к обрабатывающим центрам 9. Складское хозяйство гибкой производственной системы состоит из следующих компонентов: Центрального склада-накопителя; Оперативного склада; Локальных накопителей у каждой единицы технологического оборудования. Таким образом, центральный склад-накопитель служит для организации связи данного гибкого производственного участка с окружающей производственной средой. Оперативный склад служит для обеспечения технологического оборудования заготовками, необходимыми для выполнения операций, предусмотренных планами загрузки оборудования. Локальные склады у единиц технологического оборудования (например, у станков с ЧПУ, контрольно-измерительных и координатно-разметочных машин, моечных установок и др.) служат для обеспечения этих единиц. Обработанные детали на палетах кареткой 11 подаются на контрольно-измерительную позицию 13, а с нее - на оперативный склад 8. Вместо некоторых обрабатывающих единиц оборудования могут быть установлены координатно-разметочные машины, моечные установки, покрасочные роботы и др. Все складское оборудование типового ГАУ предлагается строить в соответствии с З5 - уровневой иерархической структурой. Для связи с внешней средой используется расположенный на верхнем уровне иерархии центральный склад-накопитель. Следовательно, для каждого из этих складов должна быть предложена своя стратегия пополнения и освобождения. Номенклатура заготовок, поступающих на центральный склад-накопитель (например, отливок, поковок, проката и др.) определяется в ходе предварительного планирования работы гибкого участка. Если на данном гибком производственном участке осуществляется сборка, то на центральной склад-накопитель могут поступать комплектующие изделия, которые монтируются без дополнительной обработки, (такие, как шарико и роликоподшипники различных типов, размеров и серий, электромоторы и различная электроаппаратура, гидро и пневмоаппаратура и др.). Детали, прошедшие обработку на данном участке, удаляются с центрального склада-накопителя. Таким образом, на центральном складе-накопителе создаются, расходуются и пополняются запасы различного рода сырья. Для этого склада предложена стратегия управления этими запасами, позволяющими производственному участку работать в собственном ритме, независимо от колебаний запросов и предложений со стороны внешней среды.
Оперативный склад пополняется заготовками (в том числе полуфабрикатами) перед началом рабочей смены из центрального склада-накопителя в соответствии с оперативными производственными планами. Детали, прошедшие обработку на участке, возвращаются на центральный склад-накопитель также в соответствии с оперативными планами возвращения обработанных деталей.
Источники и адресаты сигналов, определяющих ход производственного процесса
На межцеховом уровне осуществляется управление основным производством, включая производственно-диспетчерское управление, производственную кооперацию и управление качеством, а также вспомогательным производством, включая инструментальное хозяйство, ремонтные службы, транспортный цех, энергохозяйство и др.
На цеховом уровне осуществляется внутрицеховое управление, как в основном, так и во вспомогательном производствах.
На нижнем уровне осуществляется управление комплексами оборудования различного вида и степени автоматизации - сборочными участками, ме-ханообрабатывающими участками различных типов (для обработки деталей типа тел вращения, плоских деталей, корпусных и базовых деталей, электроэрозионной и электрохимической обработки, финишной обработки и др,) автоматическими линиями, транспортно-складскими системами, вспомогательными участками и т.п. Каждый объект на каждом уровне должен быть оснащен собственной системой управления, которая является автономной в части выбора и реализации способа функционирования объекта с учетом имеющихся ограничений, а также заданий, получаемых от вышестоящего уровня.
Внутри нижнего уровня управления, который осуществляет управление собственно производственным циклом, также можно выделить своя иерархические уровни. К этим уровням (снизу вверх) относятся следующие: непосредственного управления единицами оборудования; группового управления оборудованием; диспетчирования совместной работы оборудования; организационной и технологической подготовки и учета хода производства. К уровню непосредственного управления единицами оборудования относятся: ф системы числового программного управления (ЧПУ), включая устрой ства логического управления электроавтоматикой станков, реализованные на базе программируемых командоконтроллеров; бортовые системы управления робокарными тележками; устройства управления адресованием кранов-штабелеров (трансманипуляторов); устройства программного управления и первичной обработки результатов измерений дня контрольно-измерительных машин и других агрегатов автоматизированного контроля; устройства управления (программного или циклового) роботами и другими загрузочно-установочными механизмами; устройства циклового управления системами роликовых конвейеров, поворотных столов, рельсовых тележек, а также специализированных технологических агрегатов, таких как моечно-сушильные установки и т.п. Назначение устройств управления этого уровня заключается в обеспече нии способности каждой эксплуатационно-законченной единицы оборудова ния к автономному функционированию в автоматическом режиме. К уровню группового управления относятся: пункты группового управления (ПГУ) рабочими позициями, объединяющие локальные накопители, загрузочные роботы и другие загрузочные механизмы с обслуживаемыми ими станками с ЧПУ; пульты диспетчерского управления АТСС (автоматизированной транс-портно-складской системы), согласующие движение адресуемых трансманипуляторов, робокарных тележек и других видов внутриучастковых транспортных средств; пункты управления контролем качества, (Ф Общее назначение устройств этого уровня - объединение конструктивно различных устройств в группу, представляющую собой технологически законченную единицу. К уровню диспетчерского управления относится программно-аппаратный комплекс и связанные с ним терминалы, координирующие во время производственного цикла работу пунктов группового управления, диспетчерского управления, контроля качества и других технологически законченных единиц в соответствии с расписанием загрузки оборудования и ходом выполнения этого расписания, для чего нужно обеспечить их необходимыми диспетчерскими директивными указаниями и управляющими программами, а также собирать с них данные информационной обратной связи. Управление АТСС также следует разделить на три уровня иерархии. К ним относятся (снизу вверх): уровень локального управления устройствами и агрегатами, включая бортовые средства управления робокарными тележками, программируемые командоконтроллеры управления кранами-штабелерами (трансманипуляторами) и каретками с перегрузчиками, автоматику управления роликовыми конвейерами, перегрузчиками, подъемниками и др.; уровень управления АТСС в целом, куда относится пульт диспетчерско го управления, как правило реализованный на отдельном компьютере, кана лы связи и система датчиков, обеспечивающие согласованные перемещения и взаимоблокировку кранов-штабелеров, робокарных тележек, кареток, ро ликовых конвейеров и других устройств, входящих в АТСС; информационно-управляющий уровень, который может быть аппара турно совмещен с вышеназванным уровнем управления, но может быть реа лизован и на отдельном комплексе технических средств; на этом уровне ве дется учет наличия и расположения различных типов грузоединиц и их со стояния и на основании этих данных вырабатываются управляющие дирек тивы для системы управления АТСС в целом. Интегрированная АСУ (ИАСУ) многономенклатурным производством состоит из функционально и эксплуатационно-законченных систем, который могут функционировать самостоятельно, обмениваясь информационными массивами. Эти системы могут быть резидентными на различных иерархических уровнях и эксплуатироваться в составе различных организационных служб. Системами, на которые можно подразделить ИАСУ, являются: Автоматизированная система управления производственно-хозяйственной деятельностью (АСУ ПХД); автоматизированная система управления технической подготовкой производства (АСУ ТПП); система управления ходом автоматизированного производства (АСУ АП). Эта последняя система может быть также названа "системой оперативного управления производством". В состав системы оперативного управления производством включаются: межцеховая система планирования и учета, обеспечивающая автоматизацию функций производственно-диспетчерского отдела; цеховые системы управления. Межцеховая система управления обеспечивает формирование планов по цехам, контроль, анализ и регулирование выполнения плановых заданий,
При этом осуществляется составление производственной программы работы цехов на планируемый период с учетом договорных сроков на поставку продукции, определение потребных ресурсов на производственную программу на планируемый период с учетом договорных сроков на поставку продукции, определение потребных ресурсов на производственную программу на планируемый период (трудовых, материальных, производственных мощностей). Производится составление номенклатурных планов цехам и планов обеспечения цехов комплектующими заготовками, инструментом, оснасткой, материалами. Осуществляется учет и анализ выполнения номенклатурных планов цехами, использования ресурсов, обеспечения сырьем и комплектующими, прогнозирование выполнения плановых заданий, выдача рекомендаций по возможным вариантам выполнения плановых заданий. По результатам учета и анализа производится корректировка установленных показателей.
