Разработка комплекса программ имитационного моделирования при проектировании автоматизированных производственных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Стародубов, Алексей Николаевич

• Стародубов, Алексей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Стародубов, Алексей Николаевич

АННОТАЦИЯ.

Принятые сокращения.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Проблемы выбора технологических схем АПС.

1.2. Анализ внецикловых потерь.

1.3. Аналитический обзор методов математического моделирования автоматизированных производств.

1.4. Программные средства моделирования систем.

1.5. Выводы по главе.

1.6. Цели и задачи исследования.

2. РАЗРАБОТКА ДИСКРЕТНО-СТОХАСТИЧЕСКИХ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ АПС.

2.1. Объекты моделирования.

2.2. Разработка концептуальных моделей АПС.

2.3. Выводы по главе.

3. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ГООБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПРОГРАММ.

3.1 Компьютерная реализация концептуальных моделей.

3.2 Проверка адекватности моделей АПС.

3.3. Анимационное представление АПС.

3.4. Формирование входных данных и учет внецикловых потерь.

3.5 Разработка комплекса проблемно-ориентированных программ.

3.5.1 Последовательность действий при использовании комплекса проблемно-ориентированных программ.

3.5.2 Структурная схема комплекса проблемно-ориентированных программ.

3.6 Разработка ЗО-интерфейса.

3.6.1 Концепция производственных объектов и функций.

3.6.2 Выявление классов и интерфейсов.

3.6.3 Разработка программных моделей объектов АПС.

3.6.4 Разработка основных интерфейсов.

3.6.5 Разработка алгоритмов построения объектов трехмерной сцены.

3.7 Разработка модуля оптимизации.

3.7.1. Постановка задачи оптимизации.

3.7.2 Дисперсионный анализ.

3.7.3 Разработка модуля оптимизации на основе метода полного перебора.

3.7.4 Доработка модуля оптимизации.

3.8 Выводы по главе:.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА АПС С ПРИМЕНЕНИЕМ РАЗРАБОТАННОГО КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АПС НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЕЕ РАБОТЫ.

4.1. Разработка методики определения оптимального варианта АПС.

4.2. Исследование влияния временных характеристик оборудования и планировки участка на производительность АПС с различным типом применяемого транспортного средства.

4.3. Исследование загрузки рабочих мест.

4.4 Влияние внецикловых потерь на характеристики АПС.

4.5 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка комплекса программ имитационного моделирования при проектировании автоматизированных производственных систем»

Эффективность технологической подготовки производства (ТПП) 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».

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Стародубов, Алексей Николаевич

4.5 Выводы по главе

1. Разработана методика анализа и определения оптимального вариантов АПС с использованием разработанного комплекса проблемно-ориентированных программ, включающая в себя этапы: а) выбор программы выпуска, б) задание параметров производственной площади, в) выбор и размещение технологического оборудования, объединение его в РТК, задание маршрута обработки, г) запуск имитации и д) получение отчета.

2. Получено 18 массивов значений производительности АПС, загрузки транспортного средства и рабочих мест при изменении планировки участка и временных характеристик оборудования для основных вариантов АПС. Анализ полученных данных позволяет выявить эффективные пути повышения производительности и загрузки оборудования для вариантов автоматизированных производств.

3. В результате проведения экспериментов на дискретно-стохастических динамических моделях установлено:

- из-за недостаточного учёта внецикловых потерь выпуск продукции в реальной АПС может быть ниже запланированного (рассчитанного) объема продукции на 10%, при этом загрузка оборудования в реальной АПС может превышать расчётные значения в среднем на 11%. Процент расхождения увеличивается при увеличении временного интервала работы АПС;

- расположение оборудования в один ряд способствует увеличению загрузки транспортной системы на 33%, но при этом производительность АПС может понизиться на 2,3%. При снижении загрузки транспортного средства повышается загрузка рабочих мест и производительность всей АПС; загрузка крана-штабелера при увеличении скорости его горизонтального перемещения от 1 до 6 м/мин уменьшается на 57%, а производительность АПС - возрастает на 33%. Этот рост ограничен пределом скорости транспортного средства. Рост производительности сначала пропорционален росту скорости крана-штабелера, так при ее увеличении от 1 до 2 м/мин производительность АПС возрастает на 29%.

При изменении скорости крана-штабелера от 2 до 6 м/мин рост производительности несущественно не изменяется и составляет всего 4%. Это объясняется тем, что время на загрузочно-разгрузочные операции крана-штабелера начинает существенно превышать время перемещения между рабочими местами АПС.

- при проведении экспериментов с моделью, имитирующей АПС с использованием в качестве транспортного средства промышленного робота, было установлено, что при обработке деталей попытка концентрации большинства операций на одном станке приводит к нерациональному использованию транспортной системы (загрузка робота очень мала, вплоть до 10%), кроме того время изготовления партии деталей существенно возрастает, в среднем на 20%, из-за появления очередей и простоев оборудования.

- в автоматизированных производственных системах, где в качестве транспортных средств используется подвесной транспорт (например, кран-балка или мостовой кран) не рекомендуется располагать технологическое оборудование в линию, т.к. при таком варианте наблюдается существенное увеличение загрузки транспортной системы (до 99%) и времени обработки партии деталей: существенно падает производительность (на 32%). При этом дополнительное наращивание скорости перемещения транспортного средства дает очень незначительное увеличение производительности — на 5%. Рекомендуется расположение оборудования в виде квадратов или прямоугольников, причем первый вариант предпочтительнее. Кроме того наилучшее расположение станков — по часовой стрелке (или против нее) согласно маршрута обработки. При таком варианте наблюдается наиболее рациональная загрузка технологического оборудования при наименьшем времени обработки требуемой партии деталей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится решение актуальной задачи создания комплекса программ проектирования автоматизированных производственных систем с использованием имитационного подхода, имеющей существенное значение при решении прикладных задач на стадии проектирования и выбора рационального варианта сочетания оборудования и планировки участка автоматизированной производственной системы.

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Отображен технологический процесс изготовления деталей математической моделью в виде сети многофазных одноканальных и/или многоканальных систем массового обслуживания без отказов с простейшей дисциплиной обслуживания FIFO («первым пришел, первым обслужился») и ограниченным входным потоком заявок, который соответствует производственному плану, заявки в модели представляют собой детали, а приборы - технологическое оборудование, выполняющие заявки за случайное время. Продолжительность технологических операций (поступления, обработки, транспортировки, установки/снятия, контроля заготовок и деталей), отображается задержками в приборах, системы массового обслуживания. Вид транспортного средства и планировка участка задаются структурой СМО. Выходной поток представляет готовые изделия.

2. Интерпретированы технологические процессы в АПС с использованием лицензионного программного обеспечения в терминах специализированного языка — GPSS/H. Разработаны имитационные модели, структура которых определяется характеристиками АПС. Технологические операции, в разработанных имитационных моделях, отображаются перемещением динамических объектов (транзактов) от блока к блоку, представляющих собой воздействие на транзакт, а транзакт - заявку на выполнение операций.

3. Разработан комплекс программ, основанный на блочно-модульном принципе, включающий в себя основной модуль, модули имитации, формирования отчета, оптимизационный и ЗБ-модуль, а также базы данных оборудования, ЗБ-моделей, библиотеку типовых моделей, блок

157 формирования моделей и интерфейс взаимодействия между пользователем и системой.

4. Создан интуитивно понятный ЗБ-интерфейс, позволяющий непрограммирующему пользователю создавать технологические объекты АПС в виртуальном пространстве, и устанавливать производственные связи между ними, передавать данные в имитационный модуль и получать результаты экспериментов, выводить на экран трехмерную планировку автоматизированного производства.

5. Выбран метод покоординатного спуска в качестве метода определения оптимального варианта. Метод позволяет находить значения параметров близких к оптимальному значению целевой функции с заданной точностью за незначительное (порядка 5) число итераций.

Разработан оптимизирующий модуль на основе метода покоординатного спуска для автоматизации процесса выбора оптимального сочетания оборудования и планировки участка автоматизированной производственной системы.

6. Разработана методика определения оптимального варианта АПС с использованием нового проблемно-ориентированного программного комплекса, включающая в себя 5 этапов: 1. выбор программы выпуска, 2 задание параметров производственной площади, 3. выбор и размещение технологического оборудования, объединение его в РТК, задание маршрута обработки, 4. запуск имитации и 5. получение отчета.

7. Проведены исследования позволяющие определить влияния времени выполнения технологических операций и планировки участка на производительность автоматизированных производственных систем и выбирать оптимальный вариант АПС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Стародубов, Алексей Николаевич, 2010 год

1. Гибкие производственные системы Японии/ перевод А. Л. Семенов; под редакцией Л. Ю. Лищинский . -М.: «Машиностроение». 1987. 229 с.

2. Ямпольский, Л.С. Гибкие автоматизированные производственные системы: учебное пособие/ Ямпольский, Л.С. — Киев: «Техшка(Киев)», 1985 -280 с.

3. Состояние и развитие гибких производственных систем: Труды IV Международной конференции по гибким производственным системам (сентябрь-октябрь 1987 год. Ленинград. СССР)-М.: «МНИИПУ», 1989. 524 с.

4. Волчкевич, Л.И. Автоматы и автоматические линии. Ч. 1. Основы проектирования: учебное пособие для вузов/ Л.И. Волчкевич, М. М. Кузнецов, Б. А. Усов; под редакцией Г. А. Шаумян М., «Высшая Школа», 1983. - 230 с.

5. Шаумян, Г.А. Комплексная автоматизация производственных процессов: Учебник для студентов машиностроительных специальностей втузов/, Г. А. Шаумян, Л.И. Волчкевич, М. М. Кузнецов М.: «Машиностроение», 1973. - 472 с.

6. Медведев, В. А. Технологические основы гибких производственных систем: Учебник для машиностроительных спец. Вузов / Медведев, В. А., Вороненко, В. П., Брюханов, В. Н. М., «Высшая Школа», 2000. - 256 с.

7. Волков, В.Н. Основы теории систем и системного анализа: учебное пособие. 2-е изд. / Волков В.Н., Денисов A.A. Санкт-Петербург: Изд-во СПбГТУ, 2001.-288 с.

8. Механика промышленных роботов. В трёх книгах, 3. Основы конструирования: учебное пособие для ВТУЗов: В 3-х томах / Под ред. К.В. Фролова, Е.И. Воробьева, М., «Высшая школа», 1989.

9. Лескин, A.A. Концептуальный подход к исследованию ГПС с помощью проблемно-ориентированной системы машинной имитации : учебное пособие / А. А. Лескин, В. А. Финогенов -Л.: ЛИИАН 1991 с.

10. Емельянов, C.B. Исследование сложных систем с помощью моделирования. Итоги науки. Техническая кибернетика/ Емельянов, C.B. Калашников, В.В. М.: «ВИНИТИ», 1981.-520 с.

11. Третьяков, Э.А. Современное состояние моделирования структур ГПС: учебное пособие/ Третьяков, Э.А., Гринева, С.Н., Еленева, Ю.А. М.: ВНИИТЭМР, 1988.-68 с.

12. Советов, Б.Я. Моделирование систем: учебное пособие для вузов 3-е изд., перераб. и доп. / Советов, Б.Я., Яковлев С.А. - М.: «Высшая школа», 2001. -319 с.

13. Макаров, И.М. Системные принципы создания гибких автоматизированных производств: учебное пособие/ Макаров, И.М. -М: «Высшая Школа», 1986. 175 с.

14. Лищинский, Л.Ю. Структурный и параметрический синтез гибких производственных систем: учебное пособие/ Лищинский, Л.Ю. М: «Машиностроение», 1990. -312 с.

15. Общемашиностроительные нормативы режимов резания и времени для технического нормирования работ (для различных типов станков и типов производств). М.: Машиностроение, 1990.

16. Трусов, А.Н. Проектирование технических средств автоматизации и технологической оснастки: учебное пособие/ Трусов, А.Н. Кемерово 2001. -99 с.

17. Федоров, В.Г. Предпроектное обследование предприятий при создании ГПС: учебное пособие/ Федоров, В.Г. -М., 1987, 52 с. -(Там же: Сер.8;Вып.7.).

18. Бусленко, Н.П. Математическое моделирование производственных процессов: книга/ Бусленко, Н.П. М.: «Наука», 1982. - 312 с.

19. Клейнрок Л., Теория массового обслуживания. Пер.с англ. / Пер. И. И. Грушко; ред. В. И. Нейман. М.: Машиностроение, 1979. - 432 е., ил.

20. Введение в математическое моделирование: Учеб. пособие / Под ред. Трусова, П.В.- М.: «Логос», 2004. 440 с.

21. Шеннон, Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука: книга/ Шеннон, Р. - М.: Мир, 1978, -420 с.

22. Имитационное моделирование производственных систем: учебное пособие/ Под общей редакцией A.A. Вавилова М.; Берлин: «Машиностроение: Техника», 1983.-190 с.

23. Кельтон, В. Имитационное моделирование. Классика CS.: книга/ Кельтон, В., Лоу, А. 3-е изд. - СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV,2004. 847 с.

24. Томашевский, В. Имитационное моделирование в среде GPSS: учебное пособие/ Томашевский, В., Жданова Е. — М.: «Бестселлер», 2003. 312 с.

25. Шрайбер, Т. Моделирование на GPSS: учебное пособие/ Шрайбер, Т. -М.: «Машиностроение», 1980.-593с.

26. Доррер, Георгий Алексеевич. Методы моделирования дискретных систем Электронный ресурс. : учеб. пособие / Г. А. Доррер ; Краснояр. гос. техн. ун-т. 2-е изд., доп. и испр. - Электрон, дан. - Красноярск : ИПЦ КГТУ,2005. 171 с.: ил. - (Учебное пособие).

27. Конюх, Я.Б. Игнатьев, В.В. Зиновьев,— Санкт-Петербург (Россия): ФГУП ЦНИИТС, 2005.

28. Полетаев, В.А. Проектирование технологических процессов машиностроительного производства: учеб. пособие. — 2-е изд. / ГУ КузГТУ / -Кемерово, 2004. 177с.

29. Козырев, Ю.Г. Промышленные роботы: справочник. 2-е изд. — М.: Машиностроение, 1988. - 392 с.

30. Шишмарев, В.Ю. Машиностроительное производство: учебник / Шишмарев, В.Ю. М.: Академия, 2004. - 352 с.

31. Советов, Б.Я. Моделирование систем: Курсовое проектирование: учебное пособие для вузов по спец. АСУ/ Советов, Б.Я., Яковлев, С.А. М.: «Высшая Школа», 1988. — 319 с.

32. Макарова, Н.В. Статистика в Excel: учеб. пособие / Н.В. Макарова, В.Я. Трофимец. М.: Финансы и статистика, 2002. - 78 с.

33. Гмурман, В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учебник Изд. 6-е, / В.Е. Гмурман М.: «Высшая Школа», 1997. - 479 с.

34. Медведев, Н.В. Пособие по моделированию на GPSS: учебное пособие для вузов/ Н.В. Медведев М.: «Высшая Школа», 2003 г. - 312 с.

35. Конюх, В.Л. Гибкие производственные системы: учебное пособие/ В.Л. Конюх Кемерово: КемГУ, 1993. - 75 с.

36. Клейнрок, Л. Теория массового обслуживания. Пер. с англ. / Пер. И.И. Грушко; ред. В.И. Нейман М.: Машиностроение, 1979 - 432 е., ил.

37. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т.1. 8-е изд., переработ, и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001.-902 с.:ил. (Том 1)

38. Фещенко В.Н., Махмутов Р.Х. Токарная обработка: Учебник. 6-е изд., стер. М.: Высш. шк., 2005. - 303 е.: ил.

39. Косилова А.Г., Мещеряков Р.К. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-ч т. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 656 е., ил. (Том 2).

40. Комплекс программ для поддержки принятия решений по выбору варианта автоматизированного производства / Зиновьев В. В., Стародубов А. Н. // Вестник КузГТУ. 2009. № 3. С. 135 -140 .

41. Стародубов, А.Н. Моделирование энерготехнологического комплекса по глубокой переработке угля / А.Н. Стародубов, В.В. Зиновьев, М.Ю. Дорофеев // Ежемесячный научно-технический и производственно-экономический журнал «Уголь». 2-2010 /1008/. С. 8-12.

42. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009612148 «Система имитационного моделирования автоматизированных производств (СИМАП)». 2009 г.

43. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009614095 «Имитационная модель транспортно-складской системы энерготехнологического комплекса». 2009 г.

44. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009616434 «ЗБ-интерфейс моделирования автоматизированных производственных систем». 2009 г.

45. Зиновьев, В.В., Компьютерная модель транспортно-складской системы ЭТК / В.В. Зиновьев, А.Н. Стародубов, М.Ю. Дорофеев //

46. Всероссийская научная конференция молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (НТИ-2009).

47. Визуальная среда для моделирования автоматизированных производственных систем / В.В. Зиновьев, А.Н. Старо дубов, М.Ю. Дорофеев,

48. A.И. Цигельников // Четвертая всероссийская научно-практическая конференция по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика» ИММОД-2009.

49. Зиновьев, В.В., Имитационное моделирование транспортно-складской системы энерготехнологического комплекса по глубокой переработке угля /

50. B.В. Зиновьев, М.Ю. Дорофеев, А.Н. Стародубов // Химия XXI век: новые технологии, новые продукты: Труды XI Междунар. научн.-практ. конф. (22-25 апреля 2008). Кемерово: Изд-во КузГТУ, 2008. - С. 70-72.

51. Новые подходы к развитию угольной промышленности», г. Кемерово, 16-19 сентября 2008 г.

52. Стародубов, А.Н. Моделирование автоматизированных производственных систем / Научные труды магистрантов, аспирантов и соискателей : Сборник № 2 / под ред. В.А. Полетаева. Кемерово: КузГТУ, 2008г.

53. Стародубов, А.Н., Дорофеев М.Ю., Применение имитационного подхода для моделирования автоматизированных производственных систем / Научные труды магистрантов, аспирантов и соискателей : Сборник № 2 / под ред. В.А. Полетаева. Кемерово: КузГТУ, 2008г.

54. Стародубов, А.Н., Зиновьев В.В. Моделирование АПС с учетом внецикловых потерь: Всероссийская конференция «Наука. Технологии. Инновации», 2005: Тезисы. Сб. научн. трудов II Международной конференции -Новосибирск, 2005 г. 250 с.