УДК 621.75:658.5
Объектно-ориентированный подход
в моделировании и диагностике производительности автоматизированных
технологических
комплексов механообработки
А. И. Секирин,
Вафа
Донецкий национальный технический
университет, кафедра АСУ, г. Донецк, E-mail: alx@kita.dgtu.donetsk.ua
Розроблена об’єктна модель автоматизованого
технологічного комплексу механообробки. Проведені експериментальні дослідження
на реальному об’єкті, на основі яких запропоновані рекомендації щодо підвищення
рівня завантаження технологічного обладнання АТК.
Постановка проблемы повышения эффективности работы машиностроительных комплексов. Машиностроительные технологические комплексы являются сложными производственными структурами с различной степенью автоматизации, в состав которых входит высокотехнологичное оборудование и приспособления: станки с ЧПУ, промышленные роботы, автоматизированный транспорт и склад. Создание таких производств, требует значительных материальных и временных затрат. Поэтому одной из главных задач при эксплуатации автоматизированных технологических комплексов является обеспечение высокой эффективности их работы. Использование математического моделирования является одним из основных инструментов решения указанной задачи.
Анализ последних исследований и публикаций по моделированию АТК. Проведенный сравнительный анализ моделей применяемых для формализации работы АТК показал, что на сегодня наиболее эффективными являются подходы, основанные на использовании сетей и графов или имитационное моделирование. Однако, указанные модели не лишены недостатков, главным из которых является формализация с допущениями с целью упрощения модели, что негативно влияет на оперативность и оптимальность управления, а так же на эффективность функционирования АТК в целом. В связи с этим, для преодоления вышеуказанных недостатков предлагается использовать объектно-ориентированный подход для моделирования АТК[1,2].
Состав и функционирование объектно-ориентированной модели АТК. Исходя из вышесказанного, в структуре АТК выделили четыре основных подсистемы: технологическую, транспортную, складскую и управляющую. Все подсистемы реализованы в объектной модели в виде классов объектов: GPM - ГПМ, SKD - склад, TM – транспорт и SU – система управления. Для обеспечения взаимодействия объектов в модели АТК разработан дополнительный класс DS (диспетчер событий), который формирует очередь событий.
Функционирование
объектной модели АТК заключается в следующем. После того как произведена
начальная загрузка, система управления формирует команды-задания модулям.
Диспетчер событий компонует очередь команд, из которой они попадают модулям адресатам.
Получив команду, модуль вызывает соответствующую функцию, которая рассчитывает
время окончания события, вызванного командой. После чего модуль передает
рассчитанное время окончания события в DS, который в свою очередь передает его в систему управления.
Реакцией на подтверждение совершения события является следующая команда СУ.
Регистрация всех событий и команд происходит в выходной таблице модели АТК,
которая является основой для формирования расписания [1, 2, 3].
Программная реализация
модели АТК выполнена с помощью
объектно-ориентированного языка
высокого уровня Delphi 7.0 и обеспечивает моделирование АТК с произвольной
компоновочной структурой [3].
Экспериментальные исследования с использованием объектной модели АТК и анализ полученных научно-практических результатов. Для проведения экспериментальных исследований и апробации разработанной математической модели АТК в качестве объекта выбран автоматизированный технологический комплекс механообработки деталей типа тел вращения, созданный на заводе ОАО “Точмаш” (г. Донецк.). АТК предназначен для обработки шайб, ниппелей замков, муфт, дисков, колец диаметром до 400 мм и длиной до 500 мм (50-60 тыс. шт/год при двухсменной работе) эксплуатируют в среднесерийном производстве. В состав АТК входят: семь ГПМ СМ80Ц2503, транспортный модуль ТРМ-01, автоматизированный склад РСК-1000. При данной компоновке участка все гибкие производственные модули взаимодействуют с автоматизированным складом посредством транспортного модуля. Таким образом, выбранный для исследования автоматизированный технологический комплекс является представительным объектом данного класса, так как включает все основные и вспомогательные компоненты.
Целью экспериментов с
моделью АТК является выявление “узких мест” исследуемого объекта. Для этого
были проведены анализ загрузки ГПМ, классификация простоев по их причинам
(таблица 1), а также – анализ загрузки и пропускной способности транспортно-складского
оборудования (таблица 2).
Поскольку данный АТК
построен на основе станков одинакового технологического назначения, анализ
загрузки и простоев по ГПМ подтвердил относительную равномерность загрузки и
простоев. Потери на переналадку невелики и составляют около 3,8%. Анализ
простоев ГПМ показал, что они составляют около 27% от общего времени моделирования.
Основными причинами простоев являются: отсутствие заготовок (12%), ожидание
обслуживания транспортным модулем (15%). Это свидетельствует о том, что автоматизированный
транспорт не успевает выполнять поступающие от ГПМ заявки на перемещение
деталей. Таким образом, основными резервами повышения загрузки ГПМ и производительности
АТК в целом является сокращение простоев технологического оборудования по
первым двум вышеназванным причинам
Таблица 1
Данные о загрузке и простоях ГПМ, полученные в результате моделирования
АТК
|
Номер ГПМ |
ГПМ 1 |
ГПМ 2 |
ГПМ 3 |
ГПМ 4 |
ГПМ 5 |
ГПМ 6 |
ГПМ 7 |
Среднее значение |
|
Коэфф. загрузки |
0,713 |
0,73 |
0,689 |
0,696 |
0,69 |
0,655 |
0,646 |
0,692 |
|
Удельный
вес наладок |
0,01 |
0,006 |
0,012 |
0,007 |
0,007 |
0,008 |
0,007 |
0,038 |
|
Удельный
вес простоев |
0,277 |
0,264 |
0,299 |
0,297 |
0,303 |
0,337 |
0,347 |
0,270 |
Анализ транспортно-складской
системы показал, что автоматизированный транспорт имеет высокий коэффициент
загрузки, близкий к 1, что почти в 2 раза превышает загрузку склада. Это
объясняется тем, что АТК обслуживается одним транспортом, который перемещает
заготовки и инструмент в двух направлениях.
Таблица 2 Показатели работы
транспортно-складского оборудования, полученные в результате моделирования АТК
Nп/п |
Параметр |
Транспорт ТРМ-01 |
Склад РСК-50 |
|
1 |
Коэффициент загрузки |
0,99 |
0,65 |
|
2 |
Интенсивность потока заявок , 1/ ч |
8,4 |
9,7 |
|
3 |
Пропускная способность, партий / ч. |
6,9 |
8,9 |
Показатели интенсивности входных потоков заявок на перемещение и
складирование деталей и производительности оборудования указывают, что
автоматизированный транспорт, имеет невысокую пропускную способность и высокую
интенсивность заявок, которые обслуживаются со значительной задержкой.
Анализируя приведенные таблицы загрузки и простоев оборудования и с учетом вышесказанного, можно сделать вывод о том, что “узким местом” исследуемого объекта является автоматизированный транспорт, так как он является самым загруженным элементом системы и вызывает простои связанного с ним технологического оборудования.
Проведенный анализ функционирования автоматизированного технологического комплекса позволил установить, что возможны два варианта устранения выявленного “узкого места”:
1) повышение пропускной способности автоматизированного транспорта;
2) снижение интенсивности потока заявок на обслуживание транспортом.
Для реализации первого варианта необходимо увеличить скорость работы транспортного модуля путем его замены на новый. Эксперименты с моделью показали, что при замене существующего транспорта на модель робокара КТ10-01, скорость транспортного средства увеличилась в 2 раза и его коэффициент загрузки снизился до 0,89. Вместе с тем произошло увеличение загрузки ГПМ до 0,74 и снижение простоев до 0,22. Недостатком этого варианта является то, что замена транспортного средства связана с дополнительными капитальными затратами и вынужденными простоями всего АТК.
Более предпочтительным является второй вариант, который не предусматривает дополнительных капитальных вложений. Снижение интенсивности поступления заявок транспорту можно обеспечить двумя способами: путем увеличения размера транспортных партий или созданием промежуточных накопителей. В результате моделирования на ПЭВМ различных вариантов было установлено, что рациональный размер транспортных партий для данного АТК составляет 50-70 деталей. При этом простои ГПМ по вине транспорта уменьшаться на 20%. Создание при ГПМ дополнительных накопителей так же уменьшит простои ГПМ в ожидании обслуживания в среднем на 25% и разгрузит транспорт. Таким образом, за счет указанных изменений средние коэффициенты загрузки оборудования АТК изменятся следующим образом: ГПМ увеличится до 0,77, транспорта уменьшится до 0,82, склада уменьшится до 0,53.
На рисунке 1 показана
сравнительная диаграмма загрузки технологического и транспортно-складского
оборудования, которая подтверждает эффективность предложенных изменений в
организации 
работы АТК.
Выводы. Разработанная объектная модель АТК позволила получить и проанализировать загрузку различных видов оборудования: гибких производственных модулей, автоматизированного транспорта и склада. Разработаны и экспериментально подтверждены рекомендации по улучшению работы транспорта, что обеспечило повышение загрузки технологического оборудования.
Проведенные исследования показали целесообразность применения данного подхода в моделировании и диагностике эффективности автоматизированных технологических комплексов.
Список литературы
1. Лаздынь С.В., Секирин А.И. Совершенствование методов управления автоматизированными технологическими комплексами механообработки на основе объектно-ориентированного подхода и генетических алгоритмов. // Научные труды Донецкого государственного технического университета. Серия: Вычислительная техника и автоматизация, выпуск 38. – Донецк: ДонГТУ, 2002, стр.169-176.
2. Лаздынь С.В., Секирин А.И. Объектно-ориентированный подход в моделировании автоматизированных технологических комплексов механообработки. //Материалы всеукраинской конференции «Информационные технологии в науке и технике (ITONT-2002)». – Черкассы: ЧГТУ, 2002, стр. 243-246.
3. Секирин А.И. Построение объектно-ориентированной модели автоматизированного технологического комплекса механообработки. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 64. – Донецк: ДонНТУ, 2003, стр.223-233.