Определение рациональных решений при возникновении возмущений в структуре гибких производственных систем с применением диалоговых процедур

В диссертации будут использованы представленные ниже следующие термины и определения.

1. Для базовых компонент гибкой производственной системы (ГПС) как функциональных составляющих.

1.1 Гибкий производственный модуль (ГПМ) — компонент гибкой производственной системы (ГПС) в состав которой входит:

• Станок с ЧПУ;

• Накопитель заготовок и инструментов;

• Манипуляторы для передачи заготовок из накопителя на станок и обработанной детали обратно;

• Входные/выходные порты для первичной подачи заготовок в станок и вывода обработанных деталей из модуля.

1.2 Гибкая производственная ячейка (ГПЯ) — связанная между собой система из нескольких ГПМ.

1.3 Транспортная система (транспортный модуль) служит для перемещения инструментов, заготовок, деталей, приспособлений между ГПМ и центральным складом.

1.4 Склад (модуль складирования) для хранения заготовок (деталей), инструментов, приспособлений, тары.

1.5 Станция контроля (модуль контроля) параметров детали, оснащена контрольно-измерительной машиной (КИМ).

1.6 Станция ввода/вывода ГПС (.модуль ввода/вывода ГПС) служит для закрепления заготовок на палетах, раскрепления деталей, подготовки инструмента, ввода и вывода инструмента в ГПС.

1.7 Станция мойки/сушки (модуль мойки/сушки) служит для мойки, сушки и очистки детали после обработки.

2. Для компонент ГПС с точки зрения оперативной системы управления (ОСУ).

2.1 Технологический процессор — это ГПМ или ГПЯ.

2.2 Транспортный процессор — транспортный модуль. 2.3Вспомогательный процессор — любой модуль из следующей совокупности модулей:

• Модуль контроля;

• Модуль складирования;

• Модуль вводы/вывода ГПС;

• Модуль мойки/сушки.

3. Термины для определения ГПС как технологической системы.

3.1 Производственный процесс — это совокупность всех процессов в ГПС.

3.2 Технологический процесс — это процесс, связанный с превращением конкретной заготовки в конкретную готовую деталь.

3.3 Задание — это представление технологического процесса по изготовлению одной детали в оперативной системе управления ГПС.

3.4 Шаг задания — это та часть задания, которая выполняется непрерывно на одном процессоре.

3.5 Операция — это та часть задания, связанная с захватом ресурсов, которая выполняется непрерывно на одном компоненте процессора.

3.6 Деталеоперация — это полная совокупность действий над деталью, осуществляемая под управлением одного модуля (любого).

3.7 Ресурс — это совокупность средств для достижения поставленной задачи.

Базовыми понятиями информационной модели оперативной системы управления в ГПС являются понятия — объект-процесс и объект-ресурс. Объекты-ресурсы являются средством для обеспечения выполнения объектов-процессов, составляющих содержание реализуемых технологических маршрутов операций. При этом оперативная система управления реализует функциональное взаимодействие объектов-процессов и объектов-ресурсов.

Модуль — это активный объект-ресурс, располагающий собственной системой управления и предназначенный для самостоятельного выполнения главных операций: технологической, транспортной, хранения, ввода-вывода деталей. Предметы труда — это пассивные объекты-ресурсы, не имеющие своих систем управления. Примеры предметов труда: приспособления, режущий инструмент, оснастка, контейнеры, столы-спутники, инструментальные магазины, мерительный инструмент, заготовки.

Атрибут — необходимый, постоянный признак объектов-ресурсов и объектов-процессов.

Объектам-ресурсам присущи следующие атрибуты:

1. Статус — это комплексное описание динамически изменяющихся состояний ресурсов.

2. Полный статус — это описание состояний модулей.

3. Паспорт — перечень технических характеристик объектов и статистическая информация. Первое поле паспорта является ключевым именем, служащим для связи с другими объектами со стороны оперативной системы управления.

4. Паспорт неисправностей — служат для накопления информации о неисправностях активных модулей.

5. Координата — признаки места нахождения объекта-ресурса.

6. Планируемая координата — признаки места назначения объекта-ресурса.

7. Структура — описание свойств объекта-ресурса в виде вектора имен хранимых предметов и модулей.

Современная производственная технологическая среда, как структура компьютеризированного интегрированного производства, включает сеть из гибких производственных систем (ГПС) и состоит из совокупности машин и агрегатов.

Основным компонентом таких производств служит станок с числовым программным управлением (ЧПУ).

Современное устройство ЧПУ является проблемно-ориентированной управляющей вычислительной системой, предназначенной для решения различных задач: геометрической, технологической, логической, диагностической и терминальной.

37]. Взаимодействие и взаимозависимость этих задач отображаются на вычислительной системе в виде реализации двух режимов:

• Режима реального времени (управление процессом формообразования детали);

• Режима машинного масштаба времени (вычислительные операции, подготовка данных и программ).

Несмотря на постоянное повышение функционального уровня, станок с ЧПУ не является объектом, который может быть сразу встроен в ГПС: не хватает средств обеспечения связей для взаимодействия станка с ЧПУ с остальными объектами ГПС — транспортными устройствами, роботами, накопителями, складами. Поэтому базовой единицей ГПС является гибкий производственный модуль (ГПМ) [38].

Под ГПМ понимается единица технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик с программным управлением, автономно функционирующую, автоматически осуществляющую все функции, связанные с их изготовлением, имеет возможность встраивания в гибкую производственную систему (ГОСТ 26 228−85).

ГПС — это совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ, робототехнических комплексов, ГПМ, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течении заданного интервала времени, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик (ГОСТ 26 228−85).

По своей структуре система управления в рамках ГПС, как иерархическая система с множеством локальных систем управления и проблемно-ориентированных процессоров, представляет собой распределенную систему, в которой информационные связи реализованы в виде коммуникационной среды с несколькими уровнями представления [41].

Задачу управления ГПС в реальном масштабе времени можно трактовать как диспетчерскую по отношению к множеству технологических процессов, каждый из которых является потребителем прикладных ресурсов. По аналогии с ресурсом вычислительной системы [4], под прикладным ресурсом будем понимать совокупность логических и физических средств, выделяемых диспетчирующим звеном системы управления (диспетчером) прикладным процессам для получения планируемого результата — получения изделия заданного качества. В работе будут рассматриваться три основных типа прикладных ресурсов:

• материальные или производственные ресурсы (технологическое оборудование, потоки материалов, инструментов, оснастки, коммуникационная аппаратура);

• информационные ресурсы (базы данных, программные системы, тексты, файлы, сообщения, команды);

• временные ресурсы (продолжительность плановых заданий, продолжительность операций, продолжительность межоперационных переходов, прямым образом влияющие на трудоемкость процесса).

Критерием оценки правильности работы диспетчера является:

• со стороны системы управления — корректное, в рамках заданных алгоритмов и циклов управления, выполнение требований режима реального времени, с учетом реакции системы на аварийные и внештатные ситуации — внешние и внутренние возмущения и дедлоки;

• со стороны прикладных процессов — обеспечение процессов прикладными ресурсами с целью выполнения совокупности операций технологического маршрута для получения изделия заданного качества.

Категории качества изделия и качества процесса управления взаимосвязаны. Очевидно, что качество процесса управления должно быть отображением понятия качества детали в пространстве функций системы оперативного управления объектами технологического процесса в режиме реального времени. Стандарт ИСО-8420 дает общее определение понятия качество: качество — это совокупность свойств и характеристик продукции или услуги, которые придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности. [50], [51].

Под качеством процесса управления будем понимать совокупность свойств, обуславливающих способность системы управления удовлетворить потребностям объекта управления по целенаправленному изменению его состояний за счет предоставления ресурсов [54], [55]. Совокупность свойств, составляющая сущность качества процесса управления, является критерием, включающим такие составляющие как:

• надежность среды передачи, хранения и обработки данных;

• реализация принципов реального времени;

• развитая система наблюдения, оценки текущего состояния объекта управления;

• рациональные затраты ресурсов при изменении состояний объекта управления и при возникновении возмущений.

Первые два критерия — надежность операций с данными и реализация реального времени можно рассматривать как необходимые заданные граничные условия процесса управления.

Система наблюдения имеет целью обеспечение качества реализации технологического процесса и качества создаваемого изделия путем сбора информации о текущем состоянии процесса, оценки этой информации, построения модели состояния наблюдаемого процесса и принятия решения на оптимальное управление этим процессом. Обеспечение качества процесса управления объектами требует текущего мониторинга технологических процессов в реальном масштабе времени. Эти функции в рамках ГПС выполняет система обеспечения качества — СОК (Computer Aided Quality — CAQ) [47]. Будем считать, что система наблюдения отвечает заданным требованиям системы управления технологическим процессом и также может быть определена как необходимое граничное условие для оценки качества процесса управления. При этом актуальным является создание такой системы обеспечения качества процесса управления, которая реализует не только процедуру рационального взаимодействия процессов и ресурсов при изменении состояний объектов управления в пределах заданных границ временных параметров, но и обеспечивает оперативное решение по выходу из ситуации, вызванной внешними и внутренними возмущениями.

Здесь и далее под общим термином, объединяющем внешние и внутренние возмущения, вводится единый термин — возмущения в ГПС. Возмущения в ГПС есть не что иное как наличие факторов, приводящих к нарушению оперативного плана обработки деталей в ГПС. К таким факторам относятся:

• внеплановые запуски оборудования для выполнения срочных заданий (внешние возмущения);

• возникновение отказов и неисправностей оборудования (внутренние возмущения).

К факторам, которые могут нарушить оперативное расписание относится также явление дедлоков. Под дедлоком будем понимать тупиковую ситуацию для двух (и более) взаимодействующих процессов, готовых к дальнейшим действиям, но не способных прийти к соглашению о том, какое действие будет следующим. Дедлок можно также считать одним из факторов, которые приводят к нарушению оперативного плана работ по обработке детали в ГПС. Например, станок с ЧПУ запрашивает однозахватный робот для выгрузки обработанной на станке готовой детали, в то время как в захвате робота уже находится заготовка для обработки следующей детали. Проблема дедлоков решается путем предотвращения, обхода, распознавания и предотвращения.

Предотвращение дедлоков связаны с практическими приемами, исключающими дедлоки. По отношению к приведенному выше примеру это может состоять в применении двухзахватного робота, либо в применении накопителя, либо введением логической процедуры, исключающей загрузку захвата робота очередной заготовкой до выгрузки готовой детали.

Принцип обхода дедлоков заключается в предварительной проверке очередного состояния ГПС, не приведет ли выделение очередного ресурса к дедлоку. Распознавание и восстановление состоят в диагностировании дедлоков и возврате процессов в те условия, при которых они могут восстановить свое исполнение.

В данной диссертации не разрабатываются методы устранения дедлоков, поскольку существует целый набор методов, которые препятствуют образованию предпосылок возникновения деделоков, поэтому здесь дедлоки рассматриваются только в контексте решения задачи устранения последствий возмущений в ГПС. Наличие нескольких уровней управления в ГПС позволяет рассматривать ее как иерархическую систему управления, в которой объекты-ресурсы и объекты-процессы по вертикали и горизонтали (в пределах одного уровня) создают систему многоиндексных параметров. В частности, например в задаче равномерной загрузки рабочих мест, после наступления возмущений, в качестве переменного параметра распределения ресурсов можно рассматривать интенсивность запросов, поступающих на { -ую рабочую позицию, для выполнения ]-ой операции кго изделия.

В такой постановке задачу распределения ресурсов между процессами можно рассматривать как многоиндексную задачу распределения ресурсов в иерархических системах управления при наличии возмущений [3], [8]. При этом разработанные в работе методы поиска рациональных решений по устранению последствий возмущений является компонентой сохранения заданной плановой эффективности процесса управления ГПС в контексте обеспечения качества производственной структуры. Сформулированная задача поиска рациональных решений по устранению последствий возмущений имеет некоторые существенные особенности.

Диспетчер распределяет ресурсы по заранее определенному оперативному расписанию и в рамках конкретных технологических маршрутов, где объекты-ресурсы и объекты-процессы заранее определены [42].

Поэтому, в случае возникновения возмущений в ГПС, разрушающих оперативное расписание, поиск рациональных решений по сохранению выполнения плановых заданий сводится к необходимости разработки дополнительных методов и процедур, которые функционируют за рамками оперативного расписания работ. Задача устранения последствий возмущений в этом случае сводится либо к определению приоритетных операций, на основе ранжирования временных интервалов при переходах между объектами-процессами, в случае возникновения неисправности оборудованиялибо к максимизации запросов на выполнение операций, в рамках диалоговых процедур, при корректировке маршрутов обработки в случае внеплановых, срочных запусков оборудования. Информационной основой для диалоговых процедур по распределению ресурсов и их корректировке является база данных ресурсов, настраиваемая под конкретную конфигурацию объектов-процессов. Диалоговые процедуры вместе с базой данных ресурсов образуют автоматизированную интерактивную систему поиска рациональных решений, которая реализована на принципах и методах теории принятия решений. Непосредственно процесс принятия решений — это сложная система взаимодействия автоматизированных систем, реализующих формальные модели и людей-специалистов, принимающих как индивидуальные так и коллективные интеллектуальные решения. В дальнейшем специалистов, принимающих решения будем называть лицами принимающими решения (ЛИР) [48].

В условиях указанных возмущений разработка регулярных автоматизированных методов принятия решений по минимизации последствий возмущений в контексте сохранения заданных плановых показателей работы ГПС в условиях мелкосерийного и единичного производства, является актуальной задачей, характеризующей качество процесса управления ГПС.

Целью даннойдиссертационной работы является решение актуальной задачиобеспечение, в рамках плановых заданий, эффективности процесса управления объектами ГПС путем разработки автоматизированных средств и методов поиска рациональных решений по ликвидации последствий возмущений для изделий мелкосерийного и единичного производства.

Под рациональными решениями здесь и далее понимаются разумно обоснованные, целесообразные решения, принимаемые в среде интерактивной диалоговой системы, причем основным критерием целесообразности является выполнение плановых заданий.

Сформулированные цели определили следующие задачи исследования:

1. Проанализировать проблемы обеспечения эффективности процессов управления объектами в структуре гибких производственных систем для изделий мелкосерийного и единичного производства при возникновении возмущений;

2. Исследовать и разработать математические модели для поиска рациональных решений по ликвидации последствий таких возмущений как незапланированные запуски оборудования и возникновение неисправностей оборудования в ГПС для изделий мелкосерийного и единичного производства;

3. На основе предложенных моделей разработать методику поиска рациональных решений по ликвидации последствий возмущений для изделий мелкосерийного и единичного производства, как показатель качества процесса управления, на типовом примере по обработке детали типа «вал червяка» на участке ГПС фирмы ЕМАО.

4. Разработать функциональную структуру интерактивной диалоговой системы взаимодействия процессов и ресурсов в ГПС при наличии возмущений, состоящей из следующих компонентов:

• базы данных типа «ресурс — процесс» как средства информационной поддержки обеспечения качества процесса управления в ГПС при наличии возмущений, в условиях мелкосерийного и единичного производства, построенной на основе данных процесса обработки детали типа «вал червяка» на участке ГПС фирмы ЕМАО;

• диалоговой системы для поиска рациональных решений по ликвидации последствий возмущений в структуре ГПС, в условиях мелкосерийного и единичного производства.

5. Разработать алгоритмы и прикладные программные модули для реализации диалоговой системы поиска рациональных решений по ликвидации последствий возмущений для изделий мелкосерийного и единичного производства как средство обеспечения эффективности процессов управления в ГПС.

Научная новизна работы заключается в том, что:

• При возникновении возмущений в условиях мелкосерийного и единичного производства ГПС предложен новый способ для процесса принятия решения по устранению последствий возмущений на основе математических моделей поиска рациональных решений по реализации связей «процесс — ресурс»;

• На базе математических моделей поиска рациональных решений, разработана методика поиска рациональных решений при возникновении возмущений в ГПС в условиях мелкосерийного и единичного производства в виде информационной модели процессов управления и диалоговой системы принятия решений.

Практическая ценность работы заключается в:

• Разработке и реализации диалоговой системы поиска рациональных решений при внешних возмущениях на основе методов принятия решений;

• Разработке структуры базы данных «процесс — ресурс» на примере типового участка ГПС технологического процесса по производству валов червяков фирмы ЕМАО как информационной модели взаимодействия ресурсов и процессов обработки изделия.

Разработанные и реализованные в виде программных модулей подсистемы базы данных и интерактивная подсистема в виде диалоговых процедур используются как средство поиска вариантов рационального взаимодействия процессов и ресурсов при разработке технологических процессов, особенно при устранении последствий возмущений в ГПС, в условиях мелкосерийного и единичного производства.

ЩИЕ ВЫВОДЫ результатам выполненной в диссертации работы, в рамках сформулированных тервой главе целей и задач исследования, можно сделать следующие выводы:

1. Определено, что в рамках гибких производственных систем (ГПС), в условиях мелкосерийного и единичного производства, актуальной является проблема разработки таких средств и методов по ликвидации последствий возмущений, которые в минимальной степени влияют на потери в эффективности производства.

2. Определены основные категории возмущений, которые нарушают оперативное расписание и в наибольшей степени влияют на эффективность производства. К таким возмущениям относятся: внеплановые запуски оборудования, для выполнения внеплановых, срочных заданий, вне рамок оперативного плана работнеисправности оборудования.

3. Показано, что наиболее целесообразными математическими моделями для формального описания процесса поиска допустимых решений для устранения последствий возмущений в ГПС в условиях мелкосерийного и единичного производства являются разработанные в диссертации модели, основанные на минимизации ресурсов при достижении плановых показателей по производительности.

4. Разработана методика поиска рациональных решений для устранения последствий возмущений в ГПС на основе моделей, представленных в пункте 3, с иллюстрацией методики на примере процесса обработки детали типа «вал червяка» в структуре мелкосерийного и единичного производства участка ГПС фирмы ЕМАО.

5. Показано, что целесообразным решением проблемы выбора рациональных решений для устранения последствий возмущений в ГПС в условиях мелкосерийного и единичного производства является создание интерактивной диалоговой системы, которая состоит из информационной модели в виде базы данных типа «процесс-ресурс» и диалоговой программной системы распределения ресурсов и процессов, основанной на моделях, рассмотренных в главе 2.

6. Показано, что сформулированная в задачах исследования научная новизна работы подтверждается тем, что:

• При возникновении возмущений в условиях мелкосерийного и единичного производства ГПС предложен новый способ для процесса принятия решения по устранению последствий возмущений на основе математических моделей поиска рациональных решений по реализации связей «процессресурс»;

• Разработана методика поиска рациональных решений при возникновении возмущений в ГПС в условиях мелкосерийного и единичного производства на основе создания информационной модели процессов управления и диалоговой системы по поиску рациональных решений при возмущениях.

7. Разработана структура и реализована в виде прикладных программных модулей (приложение № 1) диалоговая система поиска рациональных решений при внешних возмущениях в ГПС в условиях мелкосерийного и единичного производства и разработана структура и алгоритмы функционирования базы данных «ресурс-процёсс».

8. Получены следующие практические результаты: в ходе проведенных экспериментов по поиску рациональных решений для внепланового тестирующего запуска, на основе данных плана полной обработки детали типа «вал червяка», было установлено, что, при увеличении продолжительности выполнения шагов заданий на токарном модуле в пределах от 7% до 10%, общая продолжительность выполнения планового задания всего участка осталась в допустимых пределах. Это было достигнуто за счет того, что была увеличена скорость перемещения транспортного модуля — портального робота на 12% (от 130 м/мин до 150м/мин — в пределах паспортных данных), при сохранении принятой емкости местного накопителя — 6 деталей.

9. Показано, что разработанная методика поиска рациональных решений для устранения последствий возмущений в ГПС в условиях мелкосерийного и единичного производства как программная система является инвариантной к конфигурации ГПС и может применяться в качестве типовой системы по устранению последствий возмущений.