Методическое пособие 357

2.2. Преимущества и недостатки универсальных и специализированных языков моделирования

Трудовые затраты на создание имитационной модели и ее исследование сильно зависят от выбора языка программирования. На выбор языка программирования влияют тип

иструктура изучаемой системы, задачи эксперимента, технические возможности используемого персонального компьютера и его математическое обеспечение, уровень квалификации программиста. Преимущества и недостатки универсальных

испециализированных языков программирования иллюстрируют данные, приведенные в табл. 2.

Таблица 2

Сравнение языков моделирования

30

Как следует из сравнения, специализированные языки имитационного моделирования предоставляют исследователю большие преимущества. Необходимо также отметить, что по мере совершенствования специализированных языков снимаются ограничения на выходные форматы, а появление современных высокоскоростных персональных компьютеров привело к существенному уменьшению машинного времени на исследование имитационных моделей.

Одной из широко распространенных систем имитационного моделирования является общецелевая система моделирования GPSS [6], [7], предназначенная для моделирования дискретных систем массового обслуживания. Система, моделируемая на GPSS, должна включать в себя заявки, устройства обслуживания, емкости, очереди.

Основой модели, описываемой с помощью системы GPSS, является схема алгоритмов изучаемой реальной системы, отражающая логику поведения и взаимодействия элементов системы. Применяя систему системы GPSS и указанную схему алгоритмов, пользователь строит имитационную модель на основе операторов системы, которые описывают действия, происходящие в реальной системе, условия, необходимые для выполнения действий, а также результаты этих действий.

2.3. Основные термины и определения имитационной модели РТС

Ниже приведены основные термины и определения системы GPSS применительно к имитационному моделированию робототехнической системы.

Поток заявок – это последовательность событий, происходящих одно за другим в какие-либо моменты времени. В робототехнической системе такими потоками могут быть поток партий деталей, поток деталей внутри данной партии, потоки отказов, возникающих на станках, промышленном роботе и т. д.

31

В терминах GPSS единичным элементом потока (заявкой) является транзакт. Транзакты – это динамические элементы GPSS-модели.

Обслуживающие приборы. К таким приборам в робототехнической системе относятся станки, промышленный робот и оператор. Прибор в любой момент времени может обслуживать только одну заявку (например, обычный токарный станок может обрабатывать только одну деталь). После того как заявка поступила на прибор, она занимает его в течение времени, необходимого для ее обслуживания (время обслуживания заявки).

Приоритет. Заявки могут иметь различные приоритеты. Если в процессе обслуживания заявки появляется еще одна, то она должна либо ждать своей очереди, либо уйти к другому обслуживающему прибору, либо, если она имеет более высокий приоритет, может «захватить» прибор (например, появился срочный заказ на изготовление определенных деталей).

Очереди. В имитационной модели РТС очередь может возникать к прибору, имитирующему, например, работу робота или станка, в том случае, если этот прибор занят ранее поступившей заявкой.

Имитационную модель РТС можно рассматривать состоящей из двух частей:

–исходных данных, под которыми понимается вся заданная информация о робототехнической системе (число станков, число деталей в партиях, время работы станков по управляющей программе и т. д.);

–модели функционирования робототехнической систе-

мы, отражающей взаимодействие внутри РТС станков, промышленного робота, транспортной системы и использующей исходные данные.

Кроме того, модель должна включать некоторые вспомогательные модули, описывающие сбор статистической информации и вывод ее на печать.

32

Таким образом, имитационная модель робототехнической системы должна включать исходные данные, модель функционирования оборудования, модули печати и вспомогательные.

Кдинамической категории GPSS относятся транзакты.

Сдинамической категорией GPSS связаны соответствующие блоки.

2.4. Блоки системы GPSS

Блок GENERATE предназначен для генерации транзактов. В поле А задается среднее время между поступлением отдельных транзактов. Это время может быть изменено с помощью модификатора в поле В.

Поле С определяет интервал времени до создания блоком первого транзакта. Поле D задает число транзактов, которое должно быть создано блоком GENERATE. В поле Е задается приоритет, присваиваемый генерируемым транзактам.

Блок TERMINATE удаляет транзакты из системы. Поле А блока TERMINATE указывает, изменяет ли этот блок содержимое счетчика завершения в момент поступления транзакта и, если изменяет, то на сколько единиц.

Если поле А не определено или равно 0, то транзакты, проходящие через такой блок, не уменьшают содержимого счетчика завершений. Счет будет продолжаться до тех пор, пока задачу не остановит оператор.

Блок SPLIT генерирует заданное число копий входящего в него транзакта. Получаемые копии идентичны исходному транзакту. Число копий задается в поле А блока.

После прохождения блока SPLIT исходный транзакт направляется в следующий блок, а все копии пересылаются по адресу, указанному в поле В.

Блок ADVANCE задает среднее время выполнения операции в моделируемой системе, а также разброс времени относительно среднего времени. Для задания времени пребывания

вблоке ADVANCE пользователь указывает среднее время

вполе А, а модификатор – в поле В.

33

Блок ASSIGH предназначен для задания и изменения значений параметров транзактов.

Вполе А указывается, какой параметр поступившего транзакта должен быть изменен. Следующий за номером параметра символ указывает, что нужно сделать с записанным

вполе В целым числом: прибавить его к текущему значению параметра; вычесть его из текущего значения параметра; заменить текущее значение этим числом. Эти операции соответственно обозначаются: п+, п –, п, где п – номер параметра.

Состояние обслуживающего устройства меняют блоки SEIZE и RELEASE, используемые попарно.

Врезультате входа транзакта в блок SEIZE устройство, указанное в этом блоке, будет занято, пока тот же транзакт не пройдет соответствующий блок RELEASE.

Если перед блоком SEIZE задерживаются несколько транзактов, они обслуживаются в соответствии с правилом: «первым пришел – первым обслужен».

Вгруппу изменения маршрутов транзактов входят блоки

TEST, TRANSFER.

Блок TEST описывает условие, которое проверяется при входе в него транзакта; при этом определяется направление дальнейшего движения транзакта в зависимости от этого условия, которое записывается в виде алгебраического соот-

ношения двух аргументов, записываемых соответственно в полях А и В. При выполнении соотношения транзакт пропускается в следующий за блоком TEST блок. В случае невыполнения соотношения транзакт направляется в блок, метка которого указана в поле С. Если поле С пусто, то транзакт блокируется блоком до выполнения соотношения.

Блок TRANSFER используется для того, чтобы передать входящие в него транзакты в блоки, не следующие по номеру за ним. Выбор того или иного пути определяется режимом работы блока TRANSFER.

Если поле А блока TRANSFER пусто, то все транзакты, поступающие на этот блок, будут передаваться в блок, номер которого указан в поле В.

34

Если в поле А блока TRANSFER стоит слово BOTH, то каждый транзакт, поступающий на этот блок, проверяет два пути. Сначала проверяется блок, указанный в поле В, и, если транзакт не может войти в этот блок, он пытается войти в блок, указанный в поле С. Если транзакт не может войти и в этот блок, он задерживается в блоке TRANSFER и повторяет опрос блоков, указанных в полях В и С, при каждом изменении текущего времени в модели, пока не находит выхода.

Очереди вводятся в моделирующую программу для регистрации статистической информации о процессе ожидания. Постановка транзакта в очередь производится блоком QUEUE, а удаление транзакта из очереди – блоком DEPART.

Блок QUEUE показывает, что в данной точке блокдиаграммы нужно собирать статистику об очереди. Номер очереди, в которую пользователь хочет занести транзакт, задается в поле А блока QUEUE.

При входе транзакта в блок QUEUE текущая длина очереди увеличивается на число единиц, указанное в поле В. Кроме того, счетчик общего числа единиц, прошедших через очередь, увеличивается на то же число единиц.

В блоке DEPART поле А интерпретируется как номер очереди. В поле В задается число единиц, на которое уменьшается длина очереди. При входе транзактов в блок DEPART число единиц, указанное в поле В, вычитается из длины очереди.

2.5.Моделирование РТС механообработки

всистеме GPSS

Технико-экономическая эффективность использования РТС в машиностроении прямо зависит от создания оптимальных структур РТС и нахождения рациональных областей их применения. Основным показателем, определяющим выбор оптимальных структур РТС, является их экономическая оценка по минимуму приведенных затрат на единицу продукции, которые зависят от многих экономических и технико-эконо- мических факторов.

35

Основными технико-экономическими факторами являются следующие: производительность РТС; коэффициент технического использования РТС; коэффициент технического использования станков; коэффициент технического использования ПР.

Перечисленные выше показатели являются промежуточными при оценке РТС по минимуму приведенных затрат. В свою очередь, технико-экономические показатели определяются рядом факторов. Рассмотрим основные факторы.

1.Количество основного технологического оборудования. Число изделий, приходящих к обслуживающему прибору

вединицу времени, оказывает важнейшее влияние на его загрузку. Вследствие вероятностного характера поступления изделий к прибору может образовываться очередь, в связи с чем необходимо применение дополнительных обслуживающих приборов для повышения производительности РТС.

1.Схема технологического потока в РТС.

В РТС могут быть реализованы однопоточная, многопоточная и ветвящаяся схемы технологического потока. В однопоточных РТС детали последовательно проходят все станки с первого до последнего. В многопоточных РТС на станках выполняются одинаковые операции. Детали поступают на любой свободный станок и полностью обрабатываются на нем.

РТС с ветвящейся схемой технологического потока представляет собой сочетание предыдущих схем. Например, первый станок в РТС – фрезерно-центровальный; после него деталь поступает на один из токарных станков, работающих

внесколько потоков.

2.Быстродействие ПР.

Время, затрачиваемое ПР на выполнение отдельных движений, из которых складывается цикл ПР, является важнейшим фактором, определяющим загрузку ПР и потери в РТС.

4. Время работы станка по управляющей программе.

36

В наибольшей степени производительность РТС определяется временем Ту.п. работы станков по управляющей программе. Вместе с тем уменьшение Ту.п. повышает частоту вызовов к ПР или транспортной системе, ведет к увеличению внецикловых потерь и уменьшению фактической производительности РТС.

5. Надежность оборудования.

Производительность РТС зависит от надежности входящего в него оборудования и может быть повышена путем рационального выбора структуры, например, переходом от однопоточной к многопоточной схеме.

Применяют следующие показатели функционирования

РТС.

1. Коэффициент использования фонда рабочего времени станка по времени работы по управляющей программе

где Ту.п. – суммарное время работы станка по управляющей программе;

Ф– действительный фонд времени, ч.

2.Коэффициент использования фонда рабочего времени промышленного робота по времени работы по управляющей программе

где tу.п.пр – суммарное время работы ПР по управляющей программе, ч.

3. Фактическая производительность РТС, шт./ч:

где N – число деталей, произведенных за действительный фонд времени.

4.Коэффициент технического использования РТС

PTK= Qф /Qн ;

(2.4)

37

Qн = р / (Ту.п.mах + tво н /с /60),

где Qн – номинальная производительность РТС, шт./ч; р – число потоков в структуре РТС;

Ту.п. mах – время работы по управляющей программе лимитирующего станка, ч;

tво н/с – время занятости вспомогательного оборудования по обслуживанию одного станка, не совмещенное с его работой, мин.

5. Коэффициент наложенного простоя станка вследствие занятости или отказа вспомогательного оборудования

где t н.п. – суммарное время простоя станка вследствие занятости или отказа вспомогательного оборудования, ч.

В результате прогона имитационной модели может быть получена следующая выходная информация о работе РТС за период моделирования.

По станкам: фактический коэффициент использования; число обработанных деталей; среднее время обработки деталей.

По роботу: фактический коэффициент использования; число обращений к ПР; среднее время обслуживания заявки.

По очереди к обслуживаемым приборам: максимальная длина очереди; средняя длина очереди, число «нулевых входов в очередь» (т. е. тех, для которых время пребывания в очереди было нулевым); доля «нулевых» входов в очередь от общего числа заявок; среднее время пребывания заявки в очереди; среднее время пребывания «ненулевой» заявки в очереди, коэффициент наложенного простоя на станке вследствие занятости вспомогательного оборудования.

По РТС в целом: число обработанных деталей; фактическая производительность (деталей в час); коэффициент технического использования РТС; среднее время прохождения детали через РТС.

38

Рассмотрим вопросы моделирования двухстаночной РТС механообработки, изображенной на рис. 2.1. РТС содержит станки СТ1, СТ2, на которых расположены соответственно манипуляторы М1, М2; поворотные платформы ПП1, ПП2;

ячейки 1 11 для хранения кассет с соответствующими номерами; стол загрузки (СЗ), а также транспортную тележку ТТ.

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 2.1. Схема РТС механообработки

На станках СТ1 и СТ2 ведется механическая обработка в два потока кассет с деталями. Тележка ТТ последовательно извлекает кассеты из ячеек 1, 2, 3 и устанавливает их на стол СЗ. После загрузки очередной кассеты тележка ТТ транспортирует и устанавливает ее на платформу ПП2 или ПП1. Платформа поворачивается, после чего загруженная кассета перемещается на соответствующий станок.

Манипулятор, расположенный на станке, поочередно извлекает детали из кассеты и устанавливает на станок, а после обработки помещает их на прежнее место. После обработки всех деталей из кассеты последняя перемещается на платформу, после ее поворота устанавливается на тележку ТТ и транспортируется в исходную ячейку.

39