Построение имитационной модели производственного процесса на промышленных предприятиях сложного приборостроения с единичным и мелкосерийным типом производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОСТРОЕНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ СЛОЖНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ С ЕДИНИЧНЫМ И МЕЛКОСЕРИЙНЫМ ТИПОМ ПРОИЗВОДСТВА

энергия потребление предприятие промышленный

Стычук А. А., аспирант

Конищев А.Н., соискатель кафедры «Информационные системы»

Орловский государственный технический университет

Россия, г. Орел, тел. +7(08622)9-15-80;

In article necessity and development cycles of simulation modeling of consumption of energy at the industrial enterprise with use of system of simulation modeling SMPL focused on events is proved. Problems which can be solved are described, using developed simulation model. The plan of the further experiments with model and development of practical recommendations for management of the industrial enterprise to acceptance of administrative decisions on carrying out the saving energy actions is planned depending on the received results of modeling.

Большой перечень проблем и задач, решаемых в процессе управления современным промышленным предприятием, их сложность обусловили использование самых разнообразных математических методов для их анализа. Развитие средств вычислительной техники, математического и программного обеспечения, языковых средств привело к созданию нового класса моделей - имитационных.

При построении модели производственного процесса выделим следующие основные этапы [1]:

- формализованное описание динамики функционирования производственного процесса, отражающее многопозиционность и параллелизм в обработке партий деталей;

- выделение основных моментов в динамике функционирования производства и построение граф-схем, отражающих логику его работы;

- разработка внутренней организации модели производственного процесса с использованием информационных списковых структур;

- построение модулей для составления программного макета исследуемого производства;

- моделирование производственного процесса.

Рассмотрим основные этапы и принципы построения имитационных моделей на основе формализованного представления динамики функционирования технологических процессов различных типов. Такой подход позволяет имитировать временные диаграммы их функционирования, оценивать влияние существенных факторов на эффективность управления, проводить многовариантный анализ управленческих решений.

На первом этапе моделирования выполняется описание динамики функционирования производства. Разработка имитационных моделей предполагает применение формализованных методов описания динамики функционирования производства. Одним из наглядных способов представления динамики функционирования сложных систем являются временные диаграммы.

Графически временные диаграммы функционирования производства могут быть представлены в виде совокупности отрезков на временной оси. Каждый из отрезков обозначает функционирование во времени определенного производственного модуля или транспортного средства, а длина отрезка, в определенном масштабе, - продолжительность его функционирования. По сути дела, временные диаграммы соответствуют пооперационным графикам загрузки оборудования, широко используемым для анализа производственных систем, однако различное быстродействие производственных модулей, параллельная обработка деталей, многопозиционность технологических маршрутов обработки приводят к усложнению временных диаграмм и невозможности их построения без привлечения ЭВМ.

В качестве типовых технологических процессов (ТП) на предприятиях машиностроения и приборостроения можно выделить следующие:

- дискретные технологические процессы;

- дискретно-непрерывные технологические процессы;

- технологические процессы механосборки;

- технологические процессы сборки и монтажа.

Как и всякому формализованному подходу, имитационному моделированию присущи свои понятия и атрибуты. В этом смысле динамические процессы рассматриваются в виде взаимодействия ряда составляющих [2, 3].

Событие. Чаще всего событие рассматривается, как смена состояния системы: например, включение отдельного станка. События существуют во времени, и поэтому с событием связывается определенное время. События возникают при наличии определенных условий.

Активность. Представляет собой работу некоторого станка. В течение этого времени станок занят обработкой партии деталей. Имитация работы чаще всего осуществляется путем некоторой временной задержки.

Условия. Используются для смены состояния в системе, применяются для синхронизации процессов в системе.

Процесс. Представляет собой последовательность некоторых событий и активностей. Активности часто возникают после наступления некоторых событий. Наступление последующих событий или активностей зависит от условий и предыдущих событий и активностей. Одновременно в системе может находиться несколько процессов.

Очереди. Объекты, которые динамически изменяются во времени. Очереди характеризуются средней и максимальной длиной. Очереди влияют на объем накопителей, а также на пропускную способность системы.

Важным объектом в моделирующей системе является заявка. Заявки (транзакты) - это сугубо динамические объекты, которые продвигаются в системе и вызывают события и активности. В качестве транзактов могут быть партии деталей, проходящих через определенный участок, заявки от периферийных устройств в АСУТП и т. д.

Необходимо отметить, что процессы, события и активности при моделировании целиком зависят от потоков и траекторий движения транзактов: транзакт, попадая в моделируемую систему, занимает определенные блоки, вызывая при этом события. Наступление событий должно планироваться соответствующими средствами моделирования. При выполнении определенных условий событие вычеркивается из системы моделирования, а на смену ему должны приходить следующие события.

Время в системах моделирования. Отсчет времени в системах моделирования может осуществляться по-разному. При потактном способе моделирования в начале или конце такта выполняются все события, которые находятся на данном текущем рабочем такте. Вся временная ось покрывается тактовой сеткой. Очевидно, чтобы ошибка при отслеживании событий была минимальна, необходимо выбрать минимальный размер такта, что может привести к большим затратам машинного времени при моделировании.

При событийном моделировании осуществляется переход (скачок во времени) от предыдущего события к последующему. В настоящее время событийное моделирование чаще всего используется при исследовании производственных систем.

Имитационные модели делятся на дискретные и непрерывные [1]. С помощью дискретных моделей можно исследовать дискретные производственные процессы и системы (например, в приборостроении). Наиболее часто употребляемая классификация дискретных имитационных моделей [1]:

- модели, ориентированные на процессы,

- модели ориентированные на активности,

- модели, ориентированные на события.

Системы, ориентированные на процессы, используются для моделирования экономических процессов как на уровне макроэкономики, так и на уровне отдельных производств. Единицами моделирования в этих системах являются процессы, которые представляют собой совокупность активностей, событий, условий, порядка их следования. Для моделирования выделяются типовые процессы на производстве. При прогоне модели параллельно могут имитироваться несколько процессов. Процессы могут прерываться, ожидать соответствующих условий для возобновления или выполнения. С помощью системы приоритетов, уровней прерываний, дисциплины обслуживания обеспечиваются условия развития процессов.

При моделировании активностей исследуемая производственная система описывается в виде набора описаний работ. Переход от одной работы к другой осуществляется с учетом определенных условий. В настоящее время этот вид моделирования используется редко.

При событийном моделировании производственной системы выделяют узловые моменты динамики в виде событий. Например: поступление партий деталей на обработку, включение и выключение средства, поступление в накопитель и т. п. Каждое событие выполняется мгновенно во времени, модельное время затрачивается только на переход от события к событию. Реализация событий во времени напоминает цепную реакцию: при отработке любого события планируется одно или несколько последующих (будущих) событий. Для этого организуется список будущих событий. Событийное моделирование обладает наибольшей гибкостью для описания сложных, в том числе производственных систем [4].

Имитационные системы могут быть реализованы как на языках моделирования, так и на языках высокого уровня (Паскаль, Си и др.). В этих системах создаются программные модули в виде функций подпрограмм, настроенных на конкретный тип производственного процесса, т.е. создается программная среда, с помощью которой ручным или автоматизированным способом собираются программные модели [1]. Это позволяет быстрее и эффективнее создать имитационную модель в терминах конкретной предметной области. Реализация имитационной модели в виде пакета прикладных программ позволяет приблизить разработчика к разрабатываемой модели. Использование диалогового режима и средств машинной графики обеспечивает эффективное и удобное средство для анализа экономических систем расчета.

Исследования в области выбора того или иного программного средства для подсистемы управления потреблением электроэнергии привели к выводу о том, что использование специализированных языков сокращает процесс программирования системы в 2 - 3 раза по сравнению с использованием универсальных языков. С другой стороны, параметры эффективности (объем памяти, быстродействие) систем, реализованных на базе специализированных языков, намного ниже, чем при реализации на универсальных средствах.

Специализированные языки не обеспечивают возможности создания графического интерфейса пользователя, отвечающего современным требованиям. Они не имеют мощных средств работы с базами данных. В свою очередь, универсальные языки не имеют характерных для языков моделирования средств формализации и описания модели, необходимых структур хранения данных.

Кроме того, при разработке программного и технического обеспечения функционирования системы моделирования следует учитывать их совместимость с имеющимися программными и техническими средствами автоматизированных систем управления предприятий приборостроения.

В связи с вышесказанным наиболее оптимальным подходом является создание имитационной модели в среде универсального языка с использованием специализированного языка моделирования, созданного на основе универсального языка в виде отдельного программного модуля. Данный модуль реализует в себе все необходимые структуры данных и средства формального описания модели.

Такая система имеет ряд преимуществ, сочетая в себе основные достоинства универсальных и специализированных языков. Недостатком ее является невозможность использования моделирующего модуля с другими языками программирования без "переписывания" его на эти языки [5].

В качестве средства программной реализации разработанной модели была выбрана система SMPL (Simulating Modeling Program Language). Данная система является одной из разновидностей систем событийного моделирования и предназначена для построения моделей дискретных процессов. Она построена в виде отдельного программного модуля для среды визуального программирования Borland Delphi. Подробное описание структуры системы SMPL приведено в [5], а принципы построения и функционирования систем подобного класса рассмотрены также в работе [1].

В соответствии с указанными принципами процесс имитации представляет собой определенным образом организованное взаимодействие между управляющей и событийными секциями программной модели. При этом число таких секций равно количеству выделенных на начальном этапе моделирования узловых событий. В инициирующей секции описывается структура системы, то есть происходит определение средств и очередей. К каждой единице оборудования организуется очередь из транзактов (деталей для обработки). Кроме того, в данной секции планируется возбуждение системы имитации во времени, то есть необходимо описать начальное событие, представляющее собой поступление заказа на изготовление какой-либо детали.

Затем управление передается монитору, который осуществляет процесс моделирования и передает управление в соответствующую событийную секцию. В событийной секции выполняются действия, связанные со свершением события и планируются последующие события. После этого управление передается в управляющую секцию.

Начальным этапом в работе системы является ввод исходных параметров функционирования модели и информации о поступлении пакетов заказов на изготовление тех или иных изделий. Далее определяется состав каждого изделия и формируются технологические маршруты для каждой детали, узла или сборки, входящей в изделие, с использованием информации о структуре изделия и этапах технологического процесса, хранящейся в информационной базе. Следующим этапом является генерация динамических объектов (транзактов) для имитационной модели. Каждый транзакт представляет собой деталь, сборку или изделие и имеет уникальный номер, используемый в модели для идентификации каждого компонента изделия.

Транзакты, относящиеся к определенному изделию, находятся в иерархической подчиненности между собой согласно принципу вхождения её в сборки, сборок в узлы, узлов в изделие. Следовательно, завершение обработки транзакта, представляющего собой изделие, невозможно, пока не будут обработаны все транзакты, представляющие детали, сборки и узлы, входящие в изделие. На этом принципе основана логика функционирования модели - восхождение от основания иерархической структуры изделия к ее вершине. Поиск же оптимального с точки зрения производства пути и времени прохождения данного этапа и составляет основную задачу имитационного моделирования.

Модель производственного процесса разработана нами в соответствии с принципами событийного моделирования, согласно которым моделирование представляет собой непрерывный процесс обработки событий, наступающих в системе. Динамические процессы в имитационной модели предприятия представлены в виде взаимодействия ряда составляющих устройств, рабочих, очередей и событий. Время в событийной имитационной модели изменяется скачком при переходе от текущего события к последующему.

Механизм действия имитационной модели заключается в следующем. События распределены во времени и выполнение одних вызывает выполнение последующих. Реализация событий во времени напоминает цепную реакцию. Каждое событие выполняется мгновенно во времени, модельное время затрачивается только на переход от события к событию. Пополнение списка будущих событий осуществляется во время обработки текущего события. Система управления модели обращается к списку запланированных событий, упорядоченному по времени наступления, и выбирает первый элемент. Модельное время становится равным времени наступления события. После выполнения действий, связанных с текущим событием, система осуществляет переход к следующему событию и т.д.

Событийный подход предполагает выделение узловых моментов в развитии исследуемой системы. Это могут быть, например, начало выполнения какой-либо операции, резервирование оборудования для обработки детали, освобождение сотрудника по окончании времени его участия в выполнении задачи и т.п. Моделирование заключается в последовательной обработке такого рода узловых моментов (событий). Как правило, свершение каждого события влечет за собой наступление одного или нескольких событий через какой-то промежуток времени.

В качестве узловых моментов технологического процесса производства для построения подсистемы управления потреблением электроэнергии нами выделены следующие события.

1. Начало выполнения обработки деталей. Выполнение этого события начинается с упорядочения текущего набора назначенных к выполнению работ в соответствии со значением приоритетов работ. Далее, начиная от наиболее важной обработки, этот набор работ последовательно просматривается. При анализе каждой операции определяется, достаточно ли свободных ресурсов для того, чтобы начать выполнение работы в текущий момент времени. При положительном решении этого вопроса инициируется начало выполнения данной операции.

Назначение работы к выполнению, как правило, влечет резервирование за этой операцией какого-либо ресурса (планирование события №2), т.е. осуществляется перевод ресурса из состояния «свободен» в состояние «занят». Для каждого ресурса планируется его освобождение (событие №3) в соответствии с режимом использования данного ресурса на данной операции. Для начатых работ планируется также событие их окончания (событие №4). Начало операций, которые не удалось обеспечить необходимым количеством ресурсов, откладывается на более поздний период.

2. Резервирование ресурсов. Данное событие связано с определенным транзактом, поэтому оно характеризуется номером обрабатываемого транзакта. В соответствии с текущей технологической операцией производится поиск необходимого оборудования и (или) рабочего. В случае удачного завершения поиска оборудование занимается данным транзактом и планируется событие освобождения в соответствии с нормой времени на выполнение данной операции, иначе транзакт помещается в очередь к устройству, имеющему минимальную длину очереди. Помещенные в очередь транзакты упорядочиваются в соответствии с установленным приоритетом (транзакты, относящиеся к одному изделию, имеют одинаковый приоритет). Чем меньше значение данного атрибута, тем более высокий приоритет имеют транзакты, тем быстрее они будут извлечены из очереди и начнется их обработка. Транзакты, для которых завершено выполнение всех технологических операций, являются обработанными и удаляются из очереди (событие №4). Затем планируется возможное начало обработки транзактов, находящихся на следующем уровне иерархии в соответствии со спецификацией изделий.

3. Освобождение ресурса. Данное событие происходит в момент завершения периода участия ресурса в выполнении операции. Осуществляется перевод ресурса из состояния «занят» в состояние «свободен». В случае, если до завершения текущей операции необходимо задействовать ресурс из данной группы еще раз, планируется событие №3.

С освобождением ресурса может появиться возможность начать выполнение какой-либо операции из набора назначенных к выполнению работ, поэтому на текущий момент времени планируется событие № 1.

4. Завершение работы. Инициируется окончание выполнения работы. Следствием наступления данного события может оказаться расширение текущего набора назначенных к выполнению работ, т. е. резервирование соответствующего оборудования, поэтому в случае необходимости планируется событие № 2.

Если завершенная работа была последней в моделируемой производственной программе, то планируется событие окончания моделирования (событие №5).

5. Завершение моделирования. При наступлении данного события функционирование модели прекращается.

Удобным средством описания событийных моделей является так называемая граф-схема, отображающая логико-временные связи между узловыми событиями. Граф-схема предлагаемой модели производственного процесса представлена на рисунке 1.

События модели, отраженные на рисунке 1, соответствуют описанию, приводимому выше.

Связи характеризуют логику следования событий во времени и подразделяются на условные и безусловные. При наличии безусловной связи (m - n) каждое m-е событие в обязательном порядке влечет наступление n-го события. В случае условной связи n-е событие планируется только при выполнении определенного условия.

Как видно из рисунка 1, в предлагаемой модели большинство связей являются условными. Ниже охарактеризуем каждую из них:

Рисунок 1 - Граф-схема имитационной модели производственного процесса

(1 - 2), (3 - 2), (4 - 2) - планируется резервирование k-ro ресурса через промежуток времени, остающийся до начала использования данного ресурса на i-й технологической операции;

(2 - 3) - планируется освобождение k-ro ресурса, занимаемого для выполнения i-й операции, через промежуток времени, соответствующий периоду его участия в реализации операции;

(2 - 4), (3 - 4) - планируется событие завершения i-й работы через интервал времени, соответствующий ее продолжительности;

(4 - 5) - планируется событие окончания моделирования в текущий момент времени t;

Наличие на граф-схеме множеств однонаправленных связей (2 - 3), (2 - 4) говорит о том, что каждое свершение события №2 может повлечь наступление более чем одного события №3 и №4.

Условия определяют состояние модели, при котором возможно планирование очередного события в результате реализации той или иной связи:

U1 - очередная работа назначена к выполнению;

U2 - работа назначена к выполнению и есть все необходимые для нее ресурсы;

U3 - ресурсы данной группы будут задействованы еще раз при выполнении рассматриваемой технологической операции;

U4 - требуемые ресурсы зарезервированы за операцией;

U5 - событие №2 еще не было запланировано в текущий момент времени t для транзактов, находящихся на следующем уровне иерархии в соответствии со спецификацией изделий;

U6 - завершены все работы, назначенные к выполнению.

Важным качеством предлагаемого подхода является возможность корректировки модели в случае необходимости учета в ней каких-либо дополнительных факторов. Уменьшить затраты на адаптацию модели к изменившимся условиям позволяет модульный принцип построения модели, в соответствии с которым каждый ее элемент описывается отдельным программным блоком.

В настоящее время проводится верификация имитационной модели; разрабатывается метод планирования потребности в электроэнергии на промышленных предприятиях сложного приборостроения с единичным и мелкосерийным типом производства с целью оценки возможных альтернатив при принятии конкретных решений для повышения их качества, прогнозирования поведения производственной системы и ее состояния в будущем для повышения точности разрабатываемых производственных планов, а также оперативного управления потреблением электроэнергии на промышленном предприятии сложного приборостроения с единичным и мелкосерийным типом производства в зависимости от конкретной производственной ситуации; рассчитывается экономическая эффективность внедрения разработанной подсистемы.

Литература

1. Савина О. А. Управление промышленными предприятиями с использованием систем поддержки решений. - М.: Издательство МАИ, 2000. - 256 с.: ил.

2.Киндлер Е. Языки моделирования / Пер. с чеш. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 288 с.

3.Шеннон Р. Имитационное моделирование систем - искусство и наука. М.: Мир, 1978.

4.Карасев А.И., Кремер Н. Ш., Савельева Т. И. Математические методы и модели в планировании. - М.: Экономика, 1987.

5.Лазарев С. А. Управление производством продукции на промышленных предприятиях с применением современных информационных систем: Диссертация на соискание ученой степени кандидата экономических наук: 08.00.05 / С. А. Лазарев. - Орел, 2000. - 210 с.

Размещено на Allbest.ru