Разработка и исследование методов и средств автоматизированного управления качеством продукции непрерывных производств

Актуальность.

Управление качеством продукции является в настоящее время важнейшей сферой деятельности промышленных предприятий. Базовыми принципами современной методологии всеобщего управления качеством являются: ориентация на потребителя, непрерывное совершенствование, принятие решений на основе фактов, инвариантность требований и рекомендаций по отношению к предприятию. Реализация этих принципов на предприятиях осуществляется в рамках систем менеджмента качества, требования к которым регламентируются стандартами ИСО серии 9000. Наличие у предприятия сертификата соответствия ИСО 9000 создает благоприятный имидж у потребителей, гарантируя высокое и стабильное качество выпускаемой продукции.

Формальную основу современной теории управления качеством составляют статистические методы. Методология их применения является универсальной по отношению к предприятию и дает хорошие результаты по повышению качества продукции. Существенным недостатком формальной базы управления качеством является отсутствие процедур принятия управленческих решений по повышению качества продукции через технологию, основанных на результатах статистического анализа фактических производственных данных. Отсутствуют также рекомендации, позволяющие использовать традиционные скалярные методы и модели в условиях, когда технология и качество описываются вектором характеристик. Это особенно важно для сложных, многоэтапных технологических процессов.

Имеются результаты использования статистического анализа данных для управления качеством продукции на некоторых типах производств, в частности, в черной металлургии. Актуальность применения статистических методов для подобных типов производств (непрерывных) обусловлена сложностью процессов, отсутствием теоретических моделей, обобщающих все множество факторов технологии, наличием множества неконтролируемых воздействий.

Имеющиеся разработки не увязаны с современной концепцией управления качеством, что затрудняет их интеграцию в систему менеджмента качества предприятия.

Современное промышленное предприятие в соответствии со стандартами ИСО 9000 должно обеспечить контроль производственных процессов — от сырья до готовой продукции. Это позволяет использовать данные контроля технологии и качества для определения путей их совершенствования. Уровень оснащенности промышленных предприятий системами автоматизации, осуществляющими сбор, хранение данных и оперативное управление технологическими процессами является достаточно высоким, а автоматизированные системы, обеспечивающие максимально эффективное использование данных для управления качеством, развиты недостаточно. Существующие в этой области решения обладают рядом существенных недостатков: в них отсутствуют средства настройки на конкретное предприятие, разработки мероприятий по повышению качества и определения управленияони сложны для пользователей, не имеющих специальной подготовки. В связи с этим актуальной задачей является разработка автоматизированных систем управления качеством продукции (АСУКП).

Обоснование целесообразности мероприятий по повышению качества требует наличия средств прогноза экономического эффекта от их осуществления. Для этого необходимо иметь модели, связывающие основные характеристики системы управления качеством и показатели финансово-хозяйственной деятельности организации. При текущем, оперативном управлении качеством продукции непрерывных производств желательно иметь средства для отслеживания влияния технологии на себестоимость производимой продукции.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы состоит в необходимости разработки системного подхода к управлению качеством продукции непрерывных производств, основанного на анализе фактических производственных данных и согласованного с основными принципами всеобщего управления качеством. Для практической реализации такого подхода требуется 7 разработать методологию, инструменты и архитектуру автоматизированной системы, обеспечивающей решение задач по управлению качеством продукции. Цель работы.

Разработка и исследование комплекса методов и средств, обеспечивающих автоматизацию решения задач управления качеством продукции непрерывных производств на основе анализа фактических производственных данных, в соответствии с принципами всеобщего управления качеством и с учетом влияния параметров системы управления качеством на результаты финансово-хозяйственной деятельности предприятия. Основные задачи.

1. Сформировать комплекс математических методов управления качеством, отвечающий специфике непрерывных производств, и реализующий принцип непрерывного совершенствования качества. Методы должны обеспечивать анализ данных, выявление скрытых взаимосвязей, моделирование зависимостей качества от технологии и управление технологией производства по заданному критерию.

2. Разработать математическую модель, позволяющую прогнозировать экономический эффект от реализации мероприятий в области управления качеством, и средства интеграции актуальной модели формирования себестоимости продукции в задачи управления качеством.

3. Разработать основные архитектурные и программные решения по АСУКП, обеспечивающие масштабируемость системы, инвариантность по отношению к производственному процессу и эффективную работу с системой пользователей, не имеющих специальной подготовки.

4. Исследовать возможность и эффективность практического применения предлагаемой концепции автоматизированного управления качеством на примере реального производства из класса непрерывных, проверить возможность настройки системы, работоспособность математического и программного обеспечения для решения практических задач управления качеством, простоту пользовательского интерфейса.

Методы исследования.

В работе использованы методы теории вероятностей, математической статистики, теории информации, математического программирования, теории автоматизированного управления, исследования операций, теории баз данных, объектно-ориентированного и компонентного проектирования и программирования.

Обоснованность и достоверность.

Обоснованность использования комплекса математических методов для решения задач управления качеством продукции определяется практикой применения статистических методов в управлении качеством продукции, исследованиями, показывающими возможность статистического моделирования качества продукции непрерывных производственных процессов и управления технологическими процессами на основе статистических моделей. Основные теоретические положения диссертации базируются на результатах математической статистики, теории информации, математического программирования.

Рассмотренный пример практического использования разработанной методологии и автоматизированной системы позволяет сделать выводы о возможности их применения для решения задач управления качеством продукции на непрерывных производствах. Полученные на фактических производственных данных результаты согласуются с теоретическими представлениями о существе рассмотренного технологического процесса и практическими рекомендациями, используемыми на производстве. Научная новизна.

Следующие результаты, полученные в работе, характеризуются научной новизной и выносятся на защиту:

1. Концепция автоматизированной системы управления качеством продукции непрерывных производств, отличающаяся учетом затрат на производство и формальной реализацией принципов всеобщего управления качеством: непрерывное повышение качества и ориентация на потребителя.

2. Методика финансовой оценки эффективности мероприятий по повышению 9 качества продукции, основанная на концепции системы автоматизированного управления качеством, отличающаяся возможностью прогнозировать в динамике повышение качества продукции и соответствующий финансовый эффект, обусловленный ростом конкурентоспособности продукции.

3. Архитектура инвариантной автоматизированной системы управления качеством продукции непрерывных производств, отличающаяся возможностью гибкой настройки на производственный процесс.

4. Методика разработки объектно-реляционного шлюза для систем с постоянным хранением данных, отличающаяся реализацией в виде двоичного сервера компонентов с возможностью использования в распределенных системах клиент-сервер и двухслойной архитектурой, позволяющей автоматизирование генерировать программный код слоя поддержки предметной области.

5. Техника визуального объектно-ориентированного моделирования сложных производственных процессов для АСУКП, отличающаяся набором типов объектов, связей между ними и диаграмм моделирования, отвечающих специфике непрерывных производств.

6. Объектно-ориентированная модель данных для работы с элементами математического обеспечения АСУКП и хранения их в реляционной базе данных, отличающаяся отсутствием ограничений на сложность используемых функционалов и представлением их в виде графа, что позволяет применять эффективные численные методы вычисления производных. Практическая значимость.

Заключается в разработке АСУКП, которая может быть применена на производствах, относящихся к классу непрерывных: металлургия, химическая, пищевая промышленность. Ценность автоматизированной системы состоит в реализации законченного комплекса методов, которые могут решать все задачи, связанные с анализом фактических производственных данных с целью повышения качества, в частности: поиск скрытых взаимосвязей, разработка мероприятий по повышению качества через управление технологией. Система содержит средства настройки и интеграции в информационное пространство предприятия и ориентирована на пользователей, не имеющих специальной подготовки в области применяемых математических методов и информационных технологий.

Реализация результатов работы.

Разработанная автоматизированная система демонстрировалась на нескольких металлургических предприятиях, которые рассматривают возможность ее практического применения. Результаты работы внедрены и используются в учебном процессе ЛГТУ при изучении студентами специальностей «230 102.65 — Автоматизированные системы обработки информации и управления», «10 503.65 — Математическое обеспечение и администрирование информационных систем» дисциплин «Управление сложными системами», «Базы данных», «Проектирование АСОИУ».

Апробация результатов исследования.

Основные теоретические и практические результаты исследований были представлены:

• на международных конференциях — «Моделирование как инструмент решения технических и гуманитарных проблем» (Таганрог, 2002), «7-ой международный молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке» (Харьков, 2003), «Теория активных систем» (Москва, 2003), «Современные сложные системы управления CCCy/HTCS» (Воронеж, 2003, 2005; Тверь, 2004; Тула, 2005), «Современные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий (Инноватика — 2004)» (Сочи, 2004), «Interactive Systems And Technologies: The Problems of Human-Computer Interaction» (Ульяновск, 2006), «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности HTFF2006» (Санкт-Петербург, 2006), «Системы управления эволюцией организации CSOE'2006» (Египет, Хургада, 2006);

• на всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ'2005 (Москва, ВВЦ, 2005);

• на межрегиональной конференции «Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением» (Магнитогорск, 2002).

Публикации.

По теме диссертационного исследования всего опубликовано 18 работ в отечественных изданиях, в том числе: одна статья в периодическом журнале, рекомендованном ВАК для публикации основных результатов диссертации- 12 работ в сборниках научных трудов и трудов международных конференций. В работах, опубликованных в соавторстве, автором: разработана концепция самообучающейся системы управления качеством продукции [48,59,62,65] и методы оценки стабильности технологии [57], предложена методика хранения элементов математического обеспечения системы в реляционной базе данных [88], разработана многоуровневая архитектура автоматизированной системы на базе объектно-реляционного шлюза [60,62,113], предложена объектно-ориентированная техника моделирования производственного процесса [46], разработана классификация механизмов использования систем сбора данных предприятия [53,54], показана возможность автоматизированного синтеза информационного обеспечения системы управления качеством продукции [45], разработаны механизмы использования бухгалтерских данных для получения актуальной себестоимости продукции в систему управления качеством [51]. В работах [50,67] показана возможность идентификации моделей формирования химического состава стали в кислородно-конвертерном производстве по фактическим данным и проанализирована адекватность моделей.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, включающего 117 наименований, и 4-х приложений. Общий объем работы — 180 страниц машинописного текста. Основная часть работы изложена на 157 страницах, содержит 59 рисунков и 16 таблиц.

5.3. ВЫВОДЫ.

Разработанная методология автоматизированного управления качеством продукции может быть применена на различных производствах, относящихся к классу непрерывных. На примере кислородно-конвертерного производства показано, что инструменты АСУКП позволяют решать большое количество задач, связанных с анализом и управлением качеством продукции. Пример наглядно демонстрирует возможность настройки системы на сложное металлургическое производство с привязкой ее к номенклатуре используемого сырья и материалов, видам выпускаемой продукции, структуре производства и технологическим этапам. Система позволяет учесть все множество требований, предъявляемых нормативными документами к качеству сырья, продукции, функционированию технологических агрегатов и узлов.

Реализованные в АСУКП классические и оригинальные инструменты контроля качества позволяют осуществлять всесторонний анализ качества в соответствии с требованиями и рекомендациями ИСО 9000. Применение расширенного инструментария управления качеством позволяет автоматизированно разрабатывать мероприятия по совершенствованию качества. В частности, показано, что система решает задачу выбора рациональной технологии по видам продукции (маркам стали), обеспечивающей минимизацию вероятности брака.

Средства моделирования АСУКП позволяют построить адекватные модели формирования химического состава стали на этапе раскисления, легирования и науглероживания методами регрессионного анализа. Адекватность моделей подтверждается на проверочной выборке данных. Модели могут быть использованы как для прогнозирования качества, так и для управления процессом.

Расчет оптимальной технологии средствами АСУКП позволяет исследовать возможности экономии ресурсов за счет гибкого управления требованиями к качеству стали в пределах допусков, установленных стандартами. Эти же средства позволяют рассчитывать технологию для новых или специальных видов продукции, корректировать технологию под изменившиеся свойства сырья и материалов, под наличие материалов по видам.

Существенной особенностью системы является использование фактических данных с производства, отсутствие необходимости в проведении дорогостоящих экспериментов.

По совокупности характеристик и реализуемых функций АСУКП может быть отнесена к системам поддержки принятия решений. С учетом возможности определения оптимального управления отдельные модули АСУКП могут быть использованы и непосредственно в системах управления технологическими агрегатами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации решены следующие задачи:

1. Сформирован комплекс математических методов, обеспечивающий решение задач оперативного управления качеством продукции через технологию, учитывающий специфику непрерывных производств и позволяющий математически реализовать принципы ориентации на потребителя и непрерывного повышения качества.

2. Разработана постановка задачи управления отдельным технологическим этапом и алгоритм управления многоэтапным непрерывным технологическим процессом, направленные на выполнение требований концепции «шесть сигма» по стабильности процессовразработан метод обобщенной оценки стабильности процессов и качества в условиях наличия вектора характеристик.

3. Разработаны средства использования актуальных бухгалтерских данных о затратах на производство продукции при решении задач управления качеством, что позволяет минимизировать себестоимость продукции при заданном уровне качества.

4. Разработана методика оценки экономической эффективности мероприятий в области качества, позволяющая проводить объективную оценку инвестиций в повышение технического уровня системы управления качеством. Методика основывается на концепции автоматизированного управления качеством продукции и позволяет исследовать в динамике изменение финансовых результатов, обусловленное повышением качества и конкурентоспособности продукции.

5. Разработана трехуровневая архитектура инвариантной автоматизированной системы управления качеством продукции непрерывных производств, которая обеспечивает настройку на производственный процесс конкретного предприятия и интеграцию с существующими системами сбора и хранения данных. Архитектура характеризуется применением согласованной методики проектирования всех уровней АСУКП, основанной на объектно-ориентированном и компонентном подходах.

6. Методология и архитектура АСУКП реализованы в программном комплексе, который может быть настроен на конкретное производство и обеспечивает решение задач по контролю и управлению качеством продукции через технологию. Интерфейс системы построен таким образом, чтобы обеспечить возможность работы пользователям, не имеющим специальной подготовки в области применяемых математических методов и информационных технологий.

7. Возможность практического применения разработанной методологии и автоматизированной системы проверена на примере кислородно-конвертерного производства с использованием массива фактических производственных данных. Экспериментальное исследование показало, что система настраивается на производственный процесс, а инструменты управления качеством позволяют получить адекватные решения. Проде-монстирована возможность получения существенного экономического эффекта от применения системы.