Введение к работе
Актуальность темы.
Эффективность технологической подготовки производства (ТИП) зависит как от качества используемой информации, так и от времени ее обработки и принятия решения. Последнее во многом определяется методами и алгоритмами обработки исходных данных. Учеными Ю.М. Соломенцевым, Л.И. Волчкевичем, М.М. Кузнецовым, Б.Я. Советовым, С.А. Яковлевым, Г.А. Шаумяном, В. Томашевским, Ю.И. Рыжиковым, Т. Шрайбер и др. сформулированы основные теоретические положения и практические разработки при проектировании машиностроительных производств. Однако при анализе научных разработок отмечаются недостатки: не учитывается динамика процессов; внецикловые потери учитываются поправочными коэффициентами, полученными эмпирическим путем; транспортная система выбирается интуитивно, на основе опыта проектировщика; отсутствие гибкости (быстрой перестройки на новую систему); невозможность учета стохастичности процессов; затрудненность проведения экспериментов. Несмотря на то, что в настоящее время известно множество методов, потребность в создании новых, позволяющих улучшить качество принимаемых при проектировании автоматизированных производственных систем (АПС) решений все еще высока, что объясняется недостатками существующих методов и широким разнообразием как самих АПС и используемого в них оборудования, так и номенклатуры, для выпуска которой они проектируются.
Особенностью предлагаемого комплекса программ является то, что он разработан на основе теории систем массового обслуживания и имитационного моделирования, но при этом его использование не требует от проектировщика специальных знаний в этих областях. Целесообразность использования такого подхода обусловлена тем, что, как показывает опыт, его применение для решения названных задач приводит к повышению точности, снижению вычислительных затрат, а также к решению таких задач, которые не удавалось решить другими средствами. Теория систем массового обслуживания несмотря на развитость и богатство возможностей, пока еще недостаточно учитывает особенности автоматизированных производственных систем, в которых всегда присутствуют внецикловые потери. В диссертации рассматриваются задачи совершенствования известного по работам Соломенцева Ю.М. и других ученых подхода к проектированию АПС. Разнообразие оборудования и способов организации работ на машиностроительном предприятии требуют многовариантного анализа технологических процессов и выбора наиболее эффективного варианта АПС. Имитационное моделирование при анализе сложных динамических объектов и технологий позволяет отобразить взаимодействие элементов технологического комплекса во времени, исследовать на моделях альтернативные технико-организационные варианты и определить оптимальные, оценить влияние отдельных параметров на поведение системы в целом, выявить узкие места и т.д.
В данной работе рассматриваются актуальные с теоретической и прикладной
точек зрения задачи разработки, исследования и применения нового комплекса
программ имитационного моделирования при проектировании
автоматизированных производственных систем, а также оценивании расчетных характеристик оборудования и эффективности АПС в целом.
В связи с этим разработка комплекса программ моделирования автоматизированных производственных систем с использованием имитационного подхода является актуальной научной задачей.
Работа выполнена в рамках аналитической целевой программы Министерства образования и науки Российской федерации «Развитие научного потенциала высшей школы» по проекту «Разработка методологии сквозного цикла изготовления изделий машиностроения на основе теории производительности машин и труда и современных информационных технологий».
Целью работы является создание комплекса программ для имитационного моделирования автоматизированных производственных систем при их проектировании.
В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи исследования:
разработка моделей АПС на основе математического аппарата теории массового обслуживания;
программная реализация моделей АПС, с использованием имитационного подхода;
разработка алгоритмов и комплекса проблемно-ориентированных программ для автоматизации процесса выбора оптимального с точки зрения максимальной производительности сочетания оборудования и планировки участка АПС;
получение методики определения оптимального варианта
автоматизированного производства с использованием комплекса проблемно-ориентированных программ;
исследование влияния времени выполнения технологических операций, на производительность АПС при различных типах применяемой автоматизированной транспортно-складской системы (АТСС) и компоновки производственного участка, для выбора оптимальных вариантов структуры АПС. Методы исследований:
теория систем массового обслуживания для динамического моделирования автоматизированных производственных систем;
специализированный языки компьютерной имитации GPSS/H для построения и отладки моделей автоматизированных производств;
проведение имитационных экспериментов и оценка эффективности автоматизированных производств на динамических моделях по критерию максимальной производительности;
методы теории вероятности и математической статистики для обработки входных данных и результатов моделирования, а также язык программирования
C++, для создания динамической модели взаимодействия оборудования автоматизированной производственной системы и среды её функционирования;
теория ЗО-моделирования и графический движок DirectX 9.0 для обеспечения интуитивно понятного диалога пользователя с ЭВМ. Научной новизной работы является:
обобщенная структура модели автоматизированных производственных
систем, представленая в виде сети многофазных одноканальных и/или
многоканальных систем массового обслуживания без отказов с простейшей
дисциплиной обслуживания FIFO и ограниченным входным потоком заявок,
отличающейся возможностью отображения автоматизированных
производственных систем на основе существующих транспортно-складских систем.
совокупность СМО, составляющих обобщенную структуру модели автоматизированных производственных систем и реализованных на специализированном языке имитационного моделирования, отличающиеся от известных отображением взаимодействия оборудования во времени и пространстве с учетом внецикловых потерь;
алгоритмы и комплекс проблемно-ориентированных программ, отличающиеся наличием взаимосвязанных модулей: имитационного, оптимизационного и ЗО-модуля, позволяющие автоматически синтезировать обобщенные имитационные модели автоматизированных производственных систем, проводить многовариантный анализ и выбирать оптимальное сочетание оборудования и планировки участка;
методика, заключающаяся в использовании разработанного комплекса проблемно-ориентированных программ при проектировании и модернизации автоматизированных производственных систем, отличающаяся от известных тем, что проектировщик, используя набор трехмерных моделей элементарных структур АПС, представляющих собой готовые имитационные модели, не имея специальных знаний в области математического моделирования способен проводить имитационные эксперименты и определять оптимальный вариант АПС.
результаты исследования различных структур АПС, представленных в виде таблиц, графиков и зависимостей влияния времени выполнения технологических операций и планировки участка на производительность автоматизированных производственных систем, позволяющие при заданных условиях выбрать оптимальный вариант АПС. Практическая значимость работы:
- пакет программ, позволяющий непрограммирующему пользователю сопоставлять множество вариантов автоматизированных производственных систем, состав и параметры оборудования, отображать динамику взаимодействия технологического оборудования АПС в виртуальном пространстве, прогнозировать характеристики системы в ускоренном времени, выбирать оптимальные технологии;
- программный комплекс обеспечивает вычислительный эксперимент в широком диапазоне технико-технологических условий с целью поиска эффективных путей повышения производительности действующих и проектируемых автоматизированных производственных систем;
предлагаемые методические разработки используются в учебно-исследовательском процессе Кузбасского государственного технического университета.
Реализация результатов работы.
Учебное пособие и методические разработки по проектированию автоматизированных производственных систем используются в КузГТУ (г. Кемерово). Они нашли применение при выполнении лабораторных работ по специальностям 071900 «Информационные системы и технологии» и 210200 «Автоматизация технологических процессов (в машиностроении)».
Предмет защиты и личный вклад автора:
представление динамики работы АПС в виде сети многофазных одноканальных и/или многоканальных СМО без отказов с простейшей дисциплиной обслуживания FIFO и ограниченным входным потоком заявок и создании оригинальных моделей автоматизированных производственных систем на основе применяемой автоматизированной транспортно-складской системы;
описание системы имитационного моделирования для выбора эффективных вариантов автоматизированных производственных систем и ее реализации в виде комплекса программ;
разработка оптимизирующего модуля для автоматизации процесса выбора оптимального сочетания оборудования и планировки участка автоматизированной производственной системы;
в установлении зависимостей продолжительности технологического цикла и степени использования оборудования от случайных технологических факторов; определении оптимальных вариантов структуры АПС при различных вариантах АТСС.
Апробация работы.
Методика и программный комплекс прошли модельные и натурные испытания в рамках аналитической целевой программы Министерства образования и науки Российской федерации «Развитие научного потенциала высшей школы» по проекту «Разработка методологии сквозного цикла изготовления изделий машиностроения на основе теории производительности машин и труда и современных информационных технологий».
Основные результаты работы докладывались на 18 международных, всероссийских и региональных конференциях.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 29 печатных работ, в том числе 3 - в рецензируемом издании, 1 - методические указания к выполнению лабораторной работы, 1 - учебное пособие; 4 - свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 199 стр., в том числе 42 табл., 107 рис., список литературы из 71 наименования и 1 приложение.
Автор выражает благодарность к.т.н., доц. В.В. Зиновьеву, идеи и труды которого явились основой при выполнении данной работы.
