Коваль Ю.А. студ.,
Пуховський Є.С. д.т.н., проф.
Національний технічний
університет України «КПІ», м.Київ
ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТА МОВИ ПРОГРАМУВАННЯ
ІМІТАЦІЙНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ГНУЧКИХ ВИРОБНИЧИХ СИСТЕМ
Гнучкі виробничі системи (ГВС)
відносяться до класу дискретних систем, які найефективніше описуються подієвими
моделями. Для цього вони представляються сукупністю взаємодіючих елементів, що
міняють свої стани в дискретні моменти часу. Будь-які зміни станів визначаються
як події, що відбуваються через детерміновані або випадкові проміжки часу. Стан
системи в цілому в кожен момент часу характеризується станами її елементів. По
поточному стану системи і законам динаміки визначається її поведінка в наступні
моменти. Таким чином, процес функціонування ГВС розглядається через послідовність подій, що
чергуються в часі. [1]
В даній статті приводиться короткий опис мов і програмних засобів імітаційного моделювання, які можуть застосуватись при проектуванні ГВС і ГВМ.
GPSS. Система GPSS була розроблена співробітником фірми IBM Джефрі Гордоном в 1961 році. Гордоном були створені 5 перших версій мови: GPSS (1961), GPSS II (1963), GPSS III (1965), GPSS/360 (1967) і GPSS V (1971). Відомий раніше тільки фахівцям, в нашій країні цей програмний пакет завоював популярність після видання в СРСР в 1980 році монографіі Т.Дж. Шрайбера. У ній була розглянута одна з ранніх версій мови - GPSS/360, а також основні особливості могутнішої версії - GPSS V, що підтримувалась компанією IBM, у нас вона була більш відома як пакет моделювання дискретних систем (ПМДС). Система GPSS вивчається в багатьох навчальних закладах у Росії і за кордоном. Широко використовується для вирішення практичних завдань. Динамічним елементом моделі є транзакт - абстрактний об'єкт, який переміщається між статичними елементами, відтворюючи різні події реального модельованого об'єкта. У процесі роботи моделі накопичується статистика, автоматично виводиться по завершенні процесу моделювання. Статичні елементи моделі: джерела транзактів, пристрої, черги та інші. Їх розташування в моделі визначається блоками.
Недоліками мови є те, що у програмі на мові GPSS
достатньо складно уявити безпосередньо процеси обробки даних на рівні
алгоритмів. Крім того, модель являє собою програму, а значить не має графічної
інтерпретації, що ускладнює процес розробки моделі і знижує наочність моделі в
цілому.
SIMULA. Симула (англ. Simula) — спільна назва двох мов програмування, Симула, та Симула 67, розроблених в 1960-ті роки в Норвезькому центрі комп'ютерних досліджень в Осло, Олє-Йоханом Далєм та Крістеном Нуґардом. З точки зору синтаксису, мова програмування Симула є розширенням Алгола 60.
В Симула 67 було додано об'єкти, класи, підкласи, віртуальні методи, копрограми, симуляцію дискретних подій, та автоматичне прибирання пам'ятті.
Симула — перша об'єктно-орієнтована мова програмування. Відповідно до назви, Симулу було створено для проведення симуляцій, і потреби цієї предметної галузі створили основу для багатьох із можливостей сучасних об'єктно-орієнтованих мов програмування.
Симула знайшла застосування у великій кількості реалізіацій, таких як симуляція прототипів VLSI, процесів, протоколів, алгоритмів, та інших, таких як комп'ютерна верстка, графіка та освіта.
Мова РДО. Мова створена у МДТУ. Розшифровується як : Ресурси, дії, операції.
Основні переваги:
· Універсальність імітаційного моделювання щодо класу досліджуваних систем і процесів.
· Легкість модифікації моделей
· Моделювання складних систем управління спільно з керованим об'єктом (включаючи використання імітаційного моделювання в режимі реального часу)
Мова РДО є реалізацією так званого інтелектуального підходу до імітаційного моделювання. При цьому підході намагаємося відійти від жорсткого алгоритмічного підходу в процесі прийняття рішення при моделюванні для зручності автоматизації тієї частини процесу, де використовуються знання людини, і зробити процес моделювання максимально гнучким за способами подання інформації про об'єкт. В основі мови РДО лежить продукційна система, яка складається з трьох елементів: класів і відносин, правил, керуючої структури.
Класи і відносини трактуються як база даних, що містить декларативні знання. Процедури являють собою набір модифікованих продукційних правил: ЯКЩО - ТО ДІЯ.
GASP IV. GASP IV розроблений на основі мови Fortran, служить основою для моделювання систем за участю безперервних і дискретних явищ. Підпрограми включені в GASP IV для обробки змінних контролю стану та подій (у тому числі інтеграцію змінних стану, при необхідності), зберігання та пошуку інформації, збір та аналіз даних про продуктивність системи, і формування звітів та сюжетів.
SIMSCRIPT. Мова SIMSCRIPT уперше була
запропонована у 1962 році співробітником компанії RAND Corporation Г.
Маркевичем і зареєстрована компанією CACI Products Company. Перша версія мови
була подійно-орієнтованою, в ній існували динамічні об'єкти з атрибутами та
статичні об'єкти – активності. Під час взаємодії між цими елементами
створювались черги об'єктів, над якими можна виконувати певні дії. Дії
визначаються підпрограмами, що викликають підпрограми подій. Події, які бувають
зовнішніми та внутрішніми, заносяться до списку подій. Програмний код виглядає
як звичайна англійська мова.
З типової
подійно-орієнтованої мови, в перших версіях, SIMSCRIPT розвинулась у
інтегрований засіб розробки імітаційних моделей, у версії SIMSCRIPT ІІ.5,
керування яким виконується за допомогою системи SIMLAB, що включає універсальну
мову моделювання SIMSCRIPT II.5 з упровадженими конструкціями для
провесно-орієнтованого моделювання і утиліти. Версія SIMSCRIPT II.5 дає змогу
створювати дискретно-подійні, неперервні та комбіновані моделі. Система
SIMSCRIPT II.5 складається з таких компонентів:
♦ SIMLAB –
середовище розробки та програмування, яке може застосовуватись для платформ
Windows та UNIX;
♦ SIMDRAW –
графічний редактор;
♦ COMPILER –
транслятор програми Simscript II.5 у код С (це гарантує можливість використання
коду для різних систем);
♦ LIBSIM –
модуль динамічної підтримки бібліотеки під час виконання моделювання;
♦ LIBSIMG –
графічна бібліотека, що містить графіку та анімацію;
♦ SIMDEBUG –
діалоговий символічний налагоджувач;
♦ DATA GRAPH –
автономний пакет, розроблений для пристосування різних функцій розподілів
імовірностей для даних модельованої системи або імітаційної моделі;
♦ SIMVIDEO –
утиліта для фіксації і програвання отриманих результатів моделювання за
допомогою анімації.
Система
SIMSCRIPT широко застосовується в багатьох країнах як засіб моделювання систем
передача даних, комп'ютерних мереж, транспортних і виробничих систем,
військових операцій і планування логістичних процесів. Вона включає засоби
опису предметної області, до якої належать пристрої, атрибути, набори (тобто
черги), за допомогою яких користувач може співвідносити реальні об'єкти з
моделлю. Це подійно-орієнтована мова, яка може бути перетворена в мову, схожу
за формою на мову моделювання процесів. Для забезпечення графічного інтерфейсу
з імітаційною моделлю SIMSCRIPT на персональному комп'ютері додатково
встановлюється пакет SIMGRAPHICS.
Ці мови програмування в даний час досить широко використовуються. Проте при їх вживанні виникає проблема ідентифікації досліджуваних процесів і неминучого узгодження з вже закладеною в цих мовах структурою. Це є одній з причин, що перешкоджають активнішому використанню методів імітації при проектуванні ГВС. Інша причина такої ситуації пояснюється тим, що універсальні системи і мови моделювання володіють надмірністю засобів і методів, що викликають необхідність застосовувати потужну обчислювальну техніку і що істотно збільшують машинний час обчислень. Це у свою чергу робить неможливим вживання чисельних методів математичного програмування при структурно-параметричній оптимізації ВС, оскільки один прогін моделі може тривати декілька годин. Тим не менше на разі досить широко входять у застосування програмні засоби високого рівня, які здатні повністю супроводжувати виріб упродовж його життєвого циклу. Це так звані PLM-системи (Product Lifecycle Management)— технологія керування життєвим циклом виробів.
Організаційно-технічна система, що забезпечує управління всією інформацією про виріб і пов'язаних з ним процесів протягом усього його життєвого циклу, починаючи з проектування і виробництва до зняття з експлуатації. При цьому в якості виробів можуть розглядатися (кораблі та автомобілі, літаки і ракети, комп'ютерні мережі та ін.) Інформація про об'єкт, що міститься в PLM-системі є цифровим макетом цього об'єкта Серед таких систем найбільш широко відомі Тесnomatix від Siemens PLM Software, та Delmia від Dassault Systems.
Tecnomatix. Tecnomatix - пакет рішень для тривимірного моделювання, аналізу та автоматизованої підготовки виробництва від компанії Siemens PLM Software. Система забезпечує прогнозованість результатів техпроцесів, дозволяє визначати оптимальні способи виробництва, враховувати технологічні особливості ще на етапі проектування виробів, моделювати реальні технологічні процеси у віртуальному середовищі
Рішення Tecnomatix з планування роботизації та автоматизації являє собою єдине середовище для розробки систем автоматизованого і роботизованого виробництва.
Це рішення застосовується для моделювання роботів і планування виробничих осередків на будь-якому рівні - від окремих роботів і робочих місць до цілих виробничих ліній і зон. Застосування засобів віртуальної реалізації дає можливість підвищити рівень взаємодії та координації, дозволяючи приймати більш ефективні рішення. У свою чергу це дасть можливість скоротити кількість помилок при налагодженні обладнання виробництва, а також провести пусконалагоджувальні роботи значно швидше.
Tecnomatix використовує PLM-систему Teamcenter в якості єдиної платформи для технологічного проектування на всіх етапах: від розробки технологічного процесу до його імітаційного моделювання та документування. Tecnomatix позиціонується на ринку як рішення для усунення розриву між автоматизацією проектування та виготовленням вироби, керуючи проектуванням техпроцесів та їх виконанням на основі асоціативної моделі даних. Основні завдання, які вирішуються функціоналом ПО - забезпечення технологічності, підвищення продуктивності і скорочення термінів підготовки виробництва.
Продуктова лінійка Tecnomatix забезпечує вирішення різних виробничих завдань, включаючи:
• імітаційне моделювання та оптимізацію систем і бізнес-процесів (Plant Simulation);
• виробництво деталей (Tecnomatix Part Manufacturing);
• планування і перевірку збірки (Tecnomatix Assembly Planning & Validation) - продукти Process Simulate, Process Designer;
• моделювання роботизованих техпроцесів і offline-програмування промислових роботів (Tecnomatix Robotics & Automation Planning) - продукт RobCAD;
• проектування та оптимізацію підприємства (Tecnomatix Plant Design & Optimization) - продукти FactoryCAD / FactoryFlow;
• управління якістю та геометричною точністю (Tecnomatix Quality Management);
• управління виробничим процесом (Tecnomatix Manufacturing Process Management);
• відповідність вимогам ергономіки (Tecnomatix Human Performance).
Delmia. Delmia - cистема моделювання виробничих процесів. Цей продукт є частиною комплексного рішення з управління життєвим циклом вироби (PLM), розробленим компанією Dassault Systems, в який також входить система CAD / CAM / CAE високого рівня CATIA V5 і системи управління даними про виріб ENOVIA: VPLM і SmarTeam. Delmia дозволяє віртуально спланувати, спроектувати, відпрацювати управління та моніторинг всіх виробничих процесів практично в будь-якій галузі.
Для ряду типових робіт існують спеціалізовані рішення на базі DELMIA:
DELMIA IGRIP призначений для моделювання і оффлайн програмування роботизованих місць. Він дозволяє оптимізувати час циклу, позиції, руху робота, уникаючи при цьому реальних колізій між роботами, деталями, інструментами, оснащенням і оточенням. Збірка, точкове зварювання, дугове зварювання, фарбування, фінішна обробка, а також дозволяє моделювати весь роботизований процес підприємства.
DELMIA ERGO призначений для визначення і створення схем робочих ліній. Він дозволяє здійснювати ергономічний аналіз робочого місця з урахуванням ергономічних стандартів. Ергономічний аналіз може бути проведений як в статичному режимі (використовуючи інтерактивні серії питань і слідуючи конкретним стандартам) або в динамічному режимі з використанням анімованого манекена.
DELMIA QUEST призначений для аналізу та оптимізації всієї виробничої лінії. Він являє собою інструмент для моделювання виробничих потоків і ефективного аналізу, а також моделювання діаграм планування заводу. Віртуальне взаємодія у виробничому процесі в реальному часі дозволяє модифікувати змінні моделей і візуалізувати параметри протягом виконання операцій.
DELMIA PROCESS ENGINEER призначений для планування виробничих процесів (мартшрут, послідовність операцій і переходів), оцінці витрат (за тимчасовими, вартісними і пр. параметрами) і оптимізації процесів. DPE забезпечує повну інтеграцію між усіма додатками всередині моделі PPR (продукт, процес, ресурс). DPE забезпечує повну інтеграцію рішень V5 PLM: CATIA, DELMIA і ENOVIA. Вже на етапі планування всі компоненти виробничої системи можуть бути проаналізовані з метою забезпечення якості, часу і витрат для реального виробництва продукту
Дані системи дозволяють повністю змоделювати (зімітувати), проаналізувати, оптимізувати виробничий процес (у нашому випадку виробництво за допомогою гнучких виробничих систем) і виявити вузькі місця у технологічних процесах виготовлення та візуально і аналітично оцінити доцільність застосування різних схем компонування ГВС не використовуючи значних часових та матеріальних ресурсів. До недоліків таких програмних комплексів можна віднести їх високу вартість, хоча така вартість і не зрівняється із збитками, які може понести підприємство при невдалому проектуванні ГВС чи ГВМ.
Література:
1. Гибкие производственные системы
машиностроительного производства: Учеб. пособие/ Е.С. Пуховский. – К.:УМК Во,
1991.- 220с.
2.
Проектування та експлуатація гнучких виробничих систем металообробки: Навч.
посібник/ Є.С.Пуховський. – К.: НМК ВО, 1992. – 156с.
3.
http://www.bookbrains.com/book_110.html