2888

Рис. 1.9. Трехуровневая структура ГПС с дистанционным управлением ГПМ:

1 – комплекс средств управления ГПС; 2 – ЭВМ с дисплеем и печатающим устройством; 3 – программируемый командоаппарат с большой мощностью; 4 – оптоволоконный канал локальной вычислительной сети; 5 – запоминающее устройство на мини-дисках для хранения больших массивов данных; 6 – специализированное микропроцессорное устройство для подготовки УП и решения некоторых задач САПР; 7 – перфоратор; 8 – ЭВМ управления складом и транспортом; 9 – автоматический склад; 10 – индуктивно управляемая транспортная тележка; 11 – станция загрузки-разгрузки паллет; 12 – контрольная станция и подача заготовок; 13 – УЧПУ для ГПМ; 14 – канал блокировки электроавтоматики ГПМ; 15 – ГПМ с тактовым столом; 16 – стол для паллет.

Рис. 1.10. Четырехуровневая структура управления гибким производственным цехом:

1 – вычислительный центр завода; 2 – вычислительный комплекс цеха; 3 – центральная ЭВМ цеха с дисплеем, печатающим устройством; 4 – накопитель на магнитных дисках; 5 – вспомогательная ЭВМ с широкоэкранным дисплеем; 6 – телевизионные экраны; 7 – программируемый командоаппарат; 8 – запоминающее устройство на мини-дисках с большим объемом памяти; 9 – устройство программирования с перфоратором для подготовки УП; 10 – вычислительный комплекс для управления складом и транспортом; 11 – склад деталей; 12 – автоматическая тележка; 13 – автоматический склад инструментов; 14 – микроЭВМ склада; 15 – оптоволоконный канал; 16 – ГПМ с тактовым столом или роботом; 17 – робот; 18 – УЧПУ робота; 19 – УЧПУ ГПМ; 20 – канал управления электроавтоматикой; 21 – стол для паллет; 22 – телевизионные камеры.

Указанный комплекс машин позволяет с помощью локальной вычислительной сети обеспечить высокую гибкость производства. Иерархическая вычислительная система управляет комплексом технических средств с минимальным участием цехо-

вого обслуживающего персонала.

Мощная четырехуровневая структура управления ГПС представлена на рис. 1.10. В этой системе ряд участков ГПС по структуре рис. 1.9 объединены в общую систему цеха и введен автоматизированный инструментальный склад. Вычислитель-

ный центр завода верхнего ранга решает задачи долгосрочного стратегического пла-

нирования, выполняет функции САПР деталей и проектирования технологических процессов их изготовления в ГПС. В памяти вычислительного центра цеха хранится необходимый для выполнения указанных функций банк данных. На ЭВМ верхнего уровня решаются также технико-экономические вопросы, связанные с приемом зака-

зов на изготовление различного вида продукции, осуществляется учет оборотных средств и т. п.

По мере наращивания ПрО на верхнем уровне выполняется моделирование ра-

боты цеха в целях оптимального планирования, минимизирующего затраты и повы-

шающего производительность. При моделировании проверяются альтернативные стратегии управления применительно к вариантам подготовки заданий, после-

довательности их выполнения, решению маршрутно-транспортных задач и т.д. Полу-

ченные результаты обеспечивают работу ГПС с оптимальными показателями.

Нижележащий уровень (ВЦ цела) связан с верхним уровнем через стандартный интерфейсный канал RS232C, который соединяет ЭВМ завода с локальной сетью ГПС. Информация по директивным данным планирования поступает с ЭВМ завода в оперативном режиме реального времени (on Line) или в автономном режиме (off Line).

Использование волоконной оптики (см. рис. 1.10) позволяет передавать боль-

шой объем информации с высокой скоростью (около 48К бит/c) и устранить влияние внешних помех.

Функции, выполняемые ЭВМ управления ГПС, приведены на рис. 1.10. Во время передачи команд производится заранее заданная серия тестовых проверок для того, чтобы устранить неправильное функционирование системы.

Состояние ГПС (загрузка, обработка или простой) и склада, местонахождение транспортных тележек, а также код процессов обработки контролируются. Текущая информация о состоянии оборудования, время работы и простоя ГПМ запоминаются и отображаются в виде пиктограмм на дисплее ЭВМ цеха. Может отображаться также общая информация о подготовке производства, например, число заказанных и полу-

ченных заготовок.

Рис. 1.11. Структурная схема основных функций ЭВМ управления цехом.

Программа обработки, хранящаяся в памяти центрального процессорного бло-

ка, вводится в систему ЧПУ через концентратор и блок интерфейса. Если эта про-

грамма редактируется на уровне системы ЧПУ, то затем она может быть передана в память программ верхнего уровня с изменениями.

При применении транспортной тележки с индуктивным управлением ее осна-

щают собственной встроенной мнкроЭВМ. Это позволяет запомнить команды на пе-

ремещение с последующим самоуправлением, упростить напольное оборудование и разгрузить каналы передачи информации.

Приведенные примеры иллюстрируют определение ГПС как группы станков,

связанных между собой материальными и информационными потоками, которые мо-

гут автоматически одновременно изготовлять различные детали с изменяемой после-

довательностью операций.

Снижение быстродействия микропроцессора и пропускной способности кана-

лов связи существенно влияет на архитектуру системы управления ГПС. При низком быстродействии требуется увеличение объемов памяти и числа концентраторов. При этом в одной системе могут одновременно присутствовать различные виды структур.

Например, в наиболее распространенном трехуровневом исполнении (см. рис. 1.9)

УЧПУ ГПМ связано с ЭВМ верхнего уровня через микропроцессорный концентра-

тор, а ЭВМ управления складом непосредственно связана с ЭВМ участка, минуя кон-

центратор.

На классификационном графе, приведенном на рис. 1.5, вершины соответству-

ют устройствам уровней, а ребра – каналам связи между устройствами уровней. От-

сутствие вершины при пересечении ребер с линией уровня свидетельствует об отсут-

ствии данного устройства в системе. Естественно, что на каждом уровне может быть несколько устройств, связанных с устройством верхнего ранга каналами передачи информации.

Классификационный граф включает в себя два подграфа (графа-дерева), соот-

ветствующие максимально четырем и трем иерархическим уровням. Граф дает пред-

ставление о наличии устройств на различных уровнях управления ГПС. Определение числа устройств на уровнях является задачей последующего анализа. Для графов,

имеющих форму деревьев, число различных вариантов

где

а - основание вершины графа (1, 2, ..., k); qa - число вершин с основанием a;

ka - наибольшее основание в рассматриваемой графе.

Однако в приведенном графе практически возможно выполнение лишь 10 ва-

риантов, так как часть структур технически не реализуются. В частности, ЭВМ верх-

него уровня не управляет оборудованием без дополнительных устройств на нижних уровнях.

Для индексации структур на рис.1.5 введен идентификатор, представленный в виде двоичных чисел и соответствующих им десятичных номеров. Идентификатор включает r двоичный разряд, где r – число уровней разбиения классификатора. При

этом «1» в двоичном разряде определяет наличие в системе устройства на данном уровне и узла на графе, a «0» - отсутствие их. Наиболее эффективны для малых ГПС структура №7 (0111), для более развитых ГПС – структура № 15 (1111).

Понятие гибкости системы не однозначно. Различают операционную и машинную (аппаратную) гибкость. Под операционной гибкостью понимают способность системы приспособляться к изменениям в номенклатуре обрабатываемых деталей. Этот вид гибкости определяется показателями номенклатуры деталей, а также затратами времени и средств для переналадки при смене вида изделий данной номенклатуры. Эту гибкость называют также адаптационной или краткосрочной.

Под машинной гибкостью понимают способность системы приспособляться к отказам оборудования, а также к расширению состава или замене оборудовании. Этот вид гибкости называют также долговременной.

Основное внимание уделяют повышению операционной гибкости. Для этой цели используют многоцелевые станки и ГПМ с магазинами инструментов и заготовок. Транспортная система, склад и накопители палет обеспечивают операционную гибкость с точки зрения потоков заготовок и обработанных деталей. Наконец, иерархическая система управления обеспечивает получение, хранение и раздачу по ГПМ управляющих программ на всю номенклатуру обрабатываемых деталей. Из этого далеко не полного перечня ясно, что общий коэффициент гибкости ГПС состоит из нескольких параметров.

При проектировании ГПС для сравнения альтернативных решений можно исходить из полного коэффициента операционной гибкости:

где K1, K2 ..., Kn – коэффициенты гибкости п компонент ГПС, вводимых в рассмотрение (ГПМ, транспортной системы и т.д.). Рассмотрим метод получения парциальных коэффициентов гибкости. Операционная гибкость ГПМ, станков и контроль- но-измерительных машин (КИМ) характеризуется коэффициентами гибкости объема K1и формы K1f:

K1 K1 K1 f .

Коэффициент гибкости объема K1 выражается через возможные объемы ( )

обрабатываемых деталей по каждому из m элементов ГПС:

где

i – объем i-й позиции ГПМ, станка, КИМ;

max – максимальный объем, обрабатываемый на устройствах данной ГПС.

Коэффициент гибкости объема выражает операционную согласованность сис-

тем. Он тем больше, чем меньше избыточность допустимого объема заготовок отно-

сительно фактического. Коэффициент гибкости формы определяют исходя из разбие-

ния ГПМ и другого оборудования на группы сложности. Для каждой группы устанав-

ливают коэффициент, характеризующий возможности формообразования. Например,

в зависимости от числа взаимосвязанных координат в ГПМ и КИМ (1; 2; 3 и 4) можно установить этот коэффициент равным 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 ( ai 1 ). Тогда коэффициент гибкости формы для ГПС

где

l - число групп сложности (в приведенном разбиении l=4); mi - число оборудования в i-й группе сложности ai.

Коэффициент гибкости транспортной системы определяют исходя из числа te

реализованных маршрутов в обоих направлениях между А позициями и максимально возможных маршрутов. Для автоматической линии с жесткой связью между пози-

циями число маршрутов равно А-1. Для ГПС при реализации всех двусторонних свя-

зей между А позициями число маршрутов будет

Аналогично можно рассмотреть коэффициенты гибкости для остальных эле-

ментов ГПС и получить по приведенной формуле общий коэффициент K0.

Приведенная процедура определения коэффициента гибкости наиболее эффек-

тивна для сравнительных оценок вариантов, в том числе затрат на единицу гибкости,

а также при классификации ГПС.

1.3. Вопросы информатики ГПС

В многоуровневой иерархической системе управления производством все три аспекта информатики: аппаратные вычислительное средства, программное и алго-

ритмическое обеспечение тесно взаимосвязаны. Применение ЭВМ сделало возмож-

ным интеграцию систем автоматизированного проектирования (CAD), планирования

(САР), технологической подготовки и управлении производством (САМ), измерения и мониторинга (CAQ). Совокупность САD-CAP-CAM-CAQ образует общую интегри-

рованную систему (СIM). Для всех ГПС наличие подсистем САР-САМ-CAQ является обязательным.

Даже самое общее рассмотрение производственного процесса ГПС показывает,

что его эффективность зависит от различных производственных подразделений, раз-

рабатывающих алгоритмическое и программное обеспечение планирования, диспет-

чирования, подготовки УП, контроля, управлении транспортом и т.д. Получение оп-

тимального решения на каждом этапе возможно только при учете их взаимовлияния,

т.е. рассмотрении модели системы в целом.

При повышении уровня автоматизации производственного процесса участие человека в обработке и передаче информации уменьшается и увеличивается число и протяженность каналов связи. Возрастает число и мощность устройств, обрабаты-

вающих информационные (нематериальные) потоки, увеличиваются объемы памяти для хранения информации. Однако основные этапы производственного процесса, ука-

занные выше, являются типичными для большинства структур и требуют их взаимо-

связанного рассмотрения как сложной многоуровневой системы.

Системный подход необходим не только при проектировании устройств, вхо-

дящих в ГПС, но и для обеспечения их эффективной эксплуатации. Так же как и функционирование организма не может быть объяснено без рассмотрения функцио-

нирования отдельных его органов, так и работа системы в целом не может быть объ-

яснена без рассмотрения работы отдельных ее устройств (ГПМ, транспорт, устройст-

во ЧПУ, матобеспечение и т.п.) без учета их взаимосвязи. Наоборот, элементы систе-

мы должны отвечать требованию функционирования всего комплекса. Эти, казалось бы, ясные представления при учете всех взаимосвязей существенно усложняют про-

блему синтеза и анализа системы и обычно выполняются эвристически.

Таким образом, специфическим для системного подхода является синтез уст-

ройств уровней и связей между ними, исходя из анализа функционирования всей сис-

темы. Теория сложных систем облегчает раскрытие внутренних закономерностей и формулирование основных концепций построения ГПС. Рассмотрим главные пред-

ставления теории многоуровневых иерархических систем применительно к задачам,

возникающим в ГПС.

ГПС состоит из подсистем, выполняющих различные технологические опера-

ции и построенных по различному принципу. Общим свойством подсистем является передача и обработка потока информации, необходимой для обработки детали. Мно-

гоуровневая иерархическая структура системы чертеж-деталь имеет некоторые спе-

цифические особенности, из которых укажем три основные. Первая – подсистемы имеют вертикальную (последовательную) соподчиненность, называемую также вер-

тикальной декомпозицией. Это проявляется в том, что вышестоящие уровни (напри-

мер, уровень планирования) ограничивают функционирование информационно-

подчиненных им нижестоящих уровней (например, устройства управления станком).

При декомпозиции каждая из подсистем конструктивно или концептуально может быть расчленена на отдельные узлы, узлы на блоки, блоки на элементы и т.д.

Обмен информацией со «cpeдой», т.е. с объектами, не входящими в систему, выпол-

няется в основном на верхнем и нижнем уровнях. На верхнем уровне – это входная информация по исходным данным, необходимым для изготовления деталей. На ниж-

нем уровне – это поступающие на обработку заготовки и сдаваемые обработанные де-

тали. Наличие обратных потоков информации от низших уровней к высшим, на-

пример, коррекция программ по результатам намерения заготовок, отнюдь не исклю-

чает вертикальную coподчиненность. Взаимодействие и обратная связь могут суще-

ствовать не только между соседними уровнями, но и через несколько уровней. На-

пример, информация по результатам измерения поступает, минуя УЧПУ, на выше-

стоящий уровень.

Второй важной особенностью иерархических структур является право вмеша-

тельства вышестоящего уровня в работу нижестоящего уровня. Обязательность ко-

манд вышестоящего уровня выражает приоритет его действий и целей. Поскольку система чертеж-деталь функционирует на основе детерминированной программы, то вмешательство обычно проявляется виде изменения либо программы, либо парамет-

ров подсистем. Примером такого вмешательства может служить изменение режимов резания по данным, полученным на вышестоящем уровне расчета программ, либо из-

менение типа обрабатываемой детали по данным, полученным на уровне планирова-

ния.

Втех случаях, когда система или подсистема работают по не-

детерминированному алгоритму, приоритет действий проявляется в последовательно-

сти получения решения на разных уровнях. Например, при наличии в системе ЧПУ ГПМ адаптивного устройства регулирования режимов резания уставки этого устрой-

ства определяются после выбора инструмента и расчета его траектории движения на высшем уровне.

Третьей особенностью рассматриваемых структур является взаимозависимость действий подсистем. Характер команд высших уровней должен быть соизмерим с возможностями низших уровней и согласован во времени с ними. Так, реализация программы обработки зависит от эксплуатационных показателей станка и устройства управления. Для эффективной работы станка необходимо своевременно подготовить управляющую программу. В общей теории систем принято различать различные виды иерархий, соответствующие различным аспектам рассмотрения системы. Это разде-

ление, необходимое для построения абстрактных математических моделей, позволяет формализовать интуитивные представления, касающиеся системы в целом и взаимо-

действия ее частей. Укажем основные представления.

Первое понятие относится к виду описания или абстрагирования. Описание ГПС может быть выполнено с различных точек зрения: конструктивного исполнения,

вопросов передачи ниформации между подсистемами, экономических факторов и т.п.

Если каждый из указанных аспектов анализируется, абстрагируясь от других, то та-

кой метод одностороннего описания системы называют стратифицированным. Уров-

ни абстрагирования называют стратами.

При анализе ГПС представляет интерес рассмотрение, в первую очередь, сле-

дующих страт: конструктивной (исполнение узлов подсистем); информационной (не-

материальные потоки в системе); экономический (глобальные и частные критерии

эффективности). Выбор страты зависит от задачи анализа, и стратифицированное описание является рассмотрением системы с различных точек зрения.

По мере увеличения детализации системы число страт, на которых она рас-

сматривается, возрастает. Так, ГПС может быть дополнительно рассмотрена со стра-

ты энергетической, социальной (принадлежности персонала к определенной катего-

рии) и т.п. Системный подход предусматривает определенную иерархию самих страт.

Общие задачи, которые должна решить система, определяет выбор основной страты для ее анализа. При этом требования, предъявляемые к работе на основной (выше-

стоящей) страте, выступают как ограничения на нижележащих стратах. Например,

принимая за основную страту экономическую, получим, что на нижележащей конст-

руктивной страте экономические показатели становятся ограничением.

Анализ на каждой страте выполняется на основе автономных математических моделей, которые не могут быть получены из рассмотрения других страт. Естествен-

но, что модель локальной вычислительной сети не может быть получена из экономи-

ческих показателей системы ГПС. Иерархия страт строится исходя из того, что на нижестоящих стратах производится детализация частей системы, анализируется их работа, а на вышестоящих стратах рассматривается взаимодействие отдельных под-

систем и факторы, определяющие структуру системы в целом.

Чем ниже страта в иерархии, тем она позволяет глубже проникнуть в построе-

ние системы, подробнее раскрыть, частные вопросы, а верхние страты дают более яс-

ное представление о преимуществах и недостатках всей системы и охватывают боль-

шие периоды ее функционирования. Элементы вышележащей страты более подробно раскрываются на нижележащих стратах. Например, эксплуатационные расходы, вхо-

дящие как элемент в общий экономический показатель третьей страты, уточняются на конструктивной и информационной стратах.

Второе фундаментальное понятие иерархического уровня относится к процессу принятия решения в сложной системе. Общая проблема принятия решения разбивает-

ся на ряд более простых подпроблем, образуя иерархию принятия решений. При этом каждую из подпроблем называют слоем, а всю систему принятия решении – много-

слойной системой. В приведенной системе можно выделить три слоя принятия реше-

ний.