Гибкие автоматизированные производства.

Важную роль в интенсификации экономики занимает повышение организационной и технологической гибкости производства, его комплексной автоматизации с применением робототехники, микропроцессорной вычислительной техники, технологического оборудования с программным оборудованием, автоматизированного проектирования. Гибкие производственные системы ( ГПС ) и их высший организационный уровень - гибкие автоматизированные производства ( ГАП ) - определяют качественно более совершенный этап в комплексной автоматизации производства и являются самым актуальным направлением создания и применения прогрессивных форм развития машиностроительных и приборостроительных предприятий.

Внедрение ГПС позволяет в несколько раз повысить производительность труда для мелко- и среднесерийного производства, доля которого непрерывно растет и которое дает в машиностроении и прибоостроении высокоразвитых стран до 80% выпускаемой продукции. Среди целей, предусматриваемых при создании ГАП называют такие, как значительное сокращение затрат материальных средств и времени на освоение выпуска новой продукции, повышение качества изделий, снижение доли брака, увеличение объема выпуска продукции при значительном сокращении числа занятых рабочих, высвобождение производственных площадей, повышение коэффициента загрузки оборудования.

ГАП должны обеспечить не только автоматическое управление технологическими процессами ( включая подготовительные и вспомогательные операции ), транспортными и складскими объектами, участками комплектования инструментом, приспособлениями, заготовками ( материалами ) и быстросменными программами управления различными техническими агрегатами, но и синхронизацию работы всех указанных компонентов ( объектов

управления ) с учетом частой смены номенклатуры изделий, которая должна сопровождаться гибкой перестройкой технологических процессов и материальных потоков.

Как следствие, усложняются задачи оперативного организационного технологического управления на верхнем уровне АСУ ГАП ( АСУ ОТП ), увеличивается разнообразие задач на нижнем уровне управления ( АСУ ТП ), обуславливаемое разнохарактерностью объектов управления ( станки и другие технологические агрегаты с СЧПУ, манипуляторы роботов, транспортно-накопительные, складские подсистемы и др. ). Это, в свою очередь, требует обеспечения автоматического функционирования информационных потоков, т. е. обеспечения взаимодействия всех аппаратно-программных средств, между собой и с оперативным персоналом, и формирования, таким образом, локальной многоуровневой производственной вычислительной сети ( рис. 9.1. ).

Для эффективного функционирования ГАП особое значение приобретает поддержание живучести

( надежности ) всех элементов АСУ ТП и АСУ ОТП, контроль и демонстрирование их состояния. Иерархию решаемых АСУ ГАП задач практически для большинства производств можно представить в виде обобщенной трехуровневой схемы. Пример такой схемы для ГАП механосборки представлен на рис. 9.2.

1 - сборочный робот; 2- датчики очувствления; 3 - двухкоординатный стол;

4 - многоинструментальная сборочная головка; 5 - несинхронный конвейер; 6 - вспомогательные устройства;

7 - модуль управления степенью подвижности; 8 - модуль взаимодействия с датчиками очувствления;

9 - модуль управления дискретными входами-выходами; 10, 14 - модули межуровневой связи системы управления ГАП;

11 - модуль интерпретации программы потребителя; 12 - модуль реализации сложных перемещений;

13 - модуль связи с высшым уровнем АСУ ГАП; 15 - модуль оперативно-дискретного управления;

16 - модуль таймирования и диагностики; 17 - модуль генерации состава системы;

А - мультипроцессорный материальный интерфейс; Б - радикальный последовательнгый интерфейс;

В - выход на высшый уровень АСУ.

Проектирование АСУ ГАП является частью общего системо-технического синтеза ГАП, что обуславливает зависимость этого процесса от предыдущих этапов разработки организационной и функциональной структур,

технологических процессов и технологической структуры ГАП. Результатом проектирования АСУ ГАП является разработка ее аппаратного, программного, информационного и лингвистического обеспечения.

При этом, как и при создании любой технической системы, перед разработчиками стоят две основные проблемы. Первая - точно и детально определить, что требуется от системы, каково назначение ее подсистем, т. е. сформулировать внешние требования к проектируемой системе, непосредственно вытекающие из целей ее создания. Вторая проблема связана с выбором оптимального варианта в смысле заданного множества критериев качества реализации АСУ ГАП, удовлетворяющего определенным внешним требованиям ( ограничениям ).

Решение указанных проблем сопряжено с большими трудностями, вызванными высокой сложностью как разрабатываемой АСУ ГАП, так и самой процедуры ее проектирования, а именно:

- необходимостью учета большого числа ограничений и критериев проектирования и управления;

- разнообразием элементов и связей в технологическом комплексе и самой АСУ ГАП;

- существованием альтернативных вариантов используемого оборудования, деталей, инструмента, технологических операций и маршрутов обработки деталей в ГАП;

- распределенным характером процессов управления, протекающих асинхронно, но координированно с высокой динамичностью ( в реальном масштабе времени );

- большим объемом информации, необходимой для описания объекта проектирования в процессе управления.

Сложность процесса проектирования АСУ ГАП приводит к его реализации как многоэтапной процедуры с несколькими уровнями описания системы. Основой проектирования АСУ ГАП, как любой сложной системы, является системный анализ, заключающийся в формировании целей построения АСУ ГАП, описании действующих на систему факторов, исследовании ее свойств с помощью моделирования и оптимизации проектных решений по выбранному множеству критериев эффективности.

Снизить сложность процесса проектирования позволяет последовательно-параллельная, многоэтапная, итерационная процедура, основывающаяся на разбиении системы на подсистемы с пошаговым уточнением ее характеристик. Практически все процедуры проектирования ориентированы на использование ЭВМ.

Невозможность ( или неэффективность ) полной формализации процедур проектирования АСУ ГАП, вызванная их сложностью, обуславливает необходимость учета как формальных, так и неформальных аспектов проектирования. Важнейшим инструментом проектирования АСУ ГАП, позволяющим существенно повысить эффективность разработанной СУ и самого процесса проектирования, является, как показывает опыт, метод виртуальных маршрутов, основанный на выделении двух уровней проектирования - виртуального и физического.

На виртуальном уровне формируют задачи, стоящие перед разрабатываемой АСУ ГАП, определяют границы объекта управления, выделяют существенные связи АСУ ГАП с внешней средой, выполняют структурный анализ и исследуют динамику виртуальных информационных потоков в системе, а также требования к основным характеристикам АСУ ГАП.Таким образом, это уровень описания внешних требований к АСУ ГАП ( рис. 9.3. ).

Проектирование АСУ ГАП на виртуальном уровне состоит в формировании и последовательной детализации внешних требований, начиная от наиболее общих, отражающих содержание основных задач создания АСУ ГАП, и кончая требованиями к отдельным характеристикам системы на уровне элементарных процессов и структур данных.

Физический уровень проектирования служит для выбора методов и алгоритмов реализации процессов управления, определения аппаратных, общесистемных, программных и информационных средств АСУ ГАП, обеспечивающих выполнение сформированных и детализированных на виртуальном уровне внешних требований.

Уровни проектирования пересекаются и требуют, как правило, пошагового взаимного согласования, что определяет неокончательный характер результатов проектирования на большинстве этапов.

Проектирование начинается с решения задач виртуального уровня для неограниченных виртуальных ресурсов системы. Затем на физическом уровне выставляются ограничения на реальные ресурсы, обусловленные применением реальных аппаратных, программных и информационных средств. Согласование требований и возможностей приводит либо к изменениям в описаниях внешних требований, либо к выбору других вариантов средств реализации АСУ ГАП, либо к тому и другому.

Процедура проектирования АСУ ГАП базируется на результатах этапа эскизно-технического синтеза ГАП. Поскольку конечным этапом рассматриваемой процедуры является определение варианта архитектуры основных технических решений и выбор комплекса средств АСУ ГАП, ее можно рассматривать как стадию, совмещающую в себе эскизное и техническое проектирование и позволяющу подойти непосредственно к стадии рабочего проектирования.

Ключевым вопросом на стадии эскизно-технического проектирования АСУ ГАП является выбор методов и алгоритмов реализации процессов управления функционированием ГАП в целом.

Характеристики алгоритмов решения задач существенно влияют на выбор комплекса технических средств, структуру и содержание информационной базы ГАП, а также на характеристики специального программного обеспечения АСУ ГАП.

Формирование комплекса алгоритмических и программных модулей начинается уже на этапе технологического синтеза ГАП, когда осуществляется выбор основного технологического оборудования с СЧПУ, оснащенного общим программным обеспечением, которое обеспечивает работу оборудования в автоматическом режиме ( исключая специальные программы управления, обработки конкретных изделий ). Результатом структурного анализа является с той или иной степенью детализации формализованное алгоритмическое описание АСУ ГАП, определяемое термином

алгоритмическая модель. Это описание фактически отражает особенности функционирования ГАП.

Процедуры физического уровня проектирования требуют, возможно, более полной разработки моделей и алгориьмов управления для всех уровней и всех задач управления, хотя практика создания ГАП в ряде случаев доказывает, что окончательная их отработка достигается только в процессе эксплуатации.

Что касается общего программного и информационного обеспечения, то оно в значительной степени формируется на этапе эскизно-технического проектирования при выборе технических средств ( выпускаемых промышленностью ) и архитектуры АСУ ГАП.

Разработка же комплекса специального программного обеспечения, в соответствии с действующими руководящими материалами, относится к стадии рабочего проекта. Управляющие программы обработки изделий для нижнего уровня управления оборудованием с СЧПУ в соответствии со спецификацией ГАП разрабатывают постоянно в процессе эксплуатации ГАП.