|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Швехер Максим Романович
УДК 658.52.011.56.012.3 : 621.865.8.002
ВПЛИВ БЛОКУВАНЬ І ГНУЧКОСТІ ТРАНСПОРТНОЇ СИСТЕМИ
НА НАДІЙНІСТЬ І ПРОДУКТИВНІСТЬ
АСИНХРОННОЇ АВТОМАТИЗОВАНОЇ ЛІНІЇ ЗБОРКИ
Спеціальність 05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Севастополь – 2003
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Севастопольському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Копп Вадим Якович,
завідувач кафедри приладобудування Севастопольського
національного технічного університету.
Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор, Скатков Олександр Володимирович, завідувач кафедри кібернетики й обчислювальна техніка СевНТУ;
- кандидат технічних наук, Плюснин Валерій Олексійович,
генеральний директор ОАО “Оргтехавтоматизація”, м. Сімферополь.
Ведуча організація: Національна гірська академія України, м. Дніпропетровськ
Захист відбудеться “23” жовтня 2003 р. у 13 годині на засіданні спеціалізованогоого вченого ради Д50.050.02 при Севастопольському національному технічному університеті за адресою:
99053, м. Севастополь, Стрілецька балка, студмістечко.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці СевНТУ за адресою:
99053, м. Севастополь, Стрілецька балка, студмістечко, бібліотека СевНТУ.
Автореферат розісланий 22.09. 2003 р.
Учений секретар спеціалізованої
вченої ради к.т.зв., доцент В.О. Крамарь
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми.
Автоматизовані виробничі системи (АВС) займають ведуче місце серед засобів випуску продукції в серійному і масовому виробництві. Для кожного виробу при заданих вимогах до кількості і якості продукції може бути розроблена велика кількість варіантів АВС. Тому при проектуванні і модернізації автоматизованих виробництв одним з ефективних інструментів для досягнення раціонального сполучення їхньої високої надійності і продуктивності є використання математичного моделювання.
Зборка є заключним і визначальним етапом виробничого процесу, що забезпечує якість виробу. У зв'язку з цим задача підвищення її надійності і продуктивності стає надзвичайно важливою.
Моделювання АВС базується на математичному апараті, розвитому на теоріях: надійності, марковских і полумарковских процесів, мереж масового обслуговування. При дослідженні даних систем у роботах Гнеденко Б.В., Гордона В.Дж., Джао Д.Д., Джексона Дж.Р., Клейнрока Л., Королюка В.С., Мура Ф.Р., Ньюэла Г.Ф., Пронникова А.С., Северцева Н.А., Ушакова И.А. і ін. характерною рисою є прийняття ряду допущень, що знижують точність розрахунків, через складність досліджуваного об'єкта. Однак, у виді високої продуктивності автоматизованих ліній (АЛ) навіть незначні погрішності в її розрахунку можуть привести до значних прорахунків при визначенні обсягу випуску продукції.
У цьому зв'язку актуальною задачею є розрахунок і оптимізація параметрів функціонування асинхронної АЛ з урахуванням блокувань і гнучкості транспортної системи при використанні ефективного математичного апарата.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Результати досліджень отримані в рамках виконання комплексної програми “Науково-технічний прогрес і його соціально-економічні наслідки на 1999-2010 р. по Україні” АН України, а також при виконанні фінансуємых держбюджетних НДР “Міра” № держ. реєстрації 0197U0089863 і “Міра 1” № держ. реєстрації 0101U001237.
Мета і задачі дослідження.
Ціль роботи - забезпечення продуктивності і надійності асинхронної автоматизованої лінії зборки (ААЛЗ), що має можливість змінювати маршрути транспортування продукції, з урахуванням надійності і взаємних блокувань елементів на основі моделювання і за рахунок оптимізації обсягів накопичувачів.
Для досягнення поставленої мети сформульовані і вирішені наступні задачі:
- Формалізація постановки задачі функціонування ААЛЗ.
- Розробка математичної моделі функціонування однопотокової ААЛЗ з урахуванням блокувань і можливості вибирати стратегію транспортування продукції (тобто можливості передачі продукції, минаючи накопичувач).
- Розробка математичної моделі функціонування багатопотокової гнучкої автоматизованої лінії зборки (БГАЛЗ) на основі моделі вузла.
- Вибір оптимальних розмірів накопичувачів гнучкої автоматизованої лінії зборки (ГАЛЗ) при обмеженні витрат на утворення і збереження в них запасів продукції.
- Забезпечення заданої продуктивності ГАЛЗ при мінімізації витрат на утворення і збереження продукції в накопичувачах.
- Аналіз адекватності отриманих математичних моделей на основі результатів експериментальних досліджень і імітаційного моделювання ААЛЗ.
- Створення принципів і структури реалізації діалогової програмної системи (ДПС) аналізу й оптимізації ААЛЗ. Розробка технічної пропозиції по конструюванню транспортної системи, що забезпечує гнучку передачу продукції.
Методи дослідження.
Теоретичні й експериментальні дослідження роботи ААЛЗ проводилися з використанням положень математичного аналізу, математичного програмування, теорії імовірності і математичної статистики, а також теорії марковских процесів.
Наукова новизна одержаних результатів.
Запропоновано ймовірносно-аналітичну й імітаційну моделі функціонування асинхронних АПС, заснована на методі приведення до найгіршого елемента, що враховує вплив блокувань на функціонування, як окремих елементів, так і всієї лінії в цілому, а також можливість вибору стратегії транспортування продукції (передача, минаючи накопичувач). Вирішено дві задачі оптимізації, зв'язані з забезпеченням максимальної і заданої продуктивності ААЛЗ.
Практичне значення отриманих результатів.
Розроблені моделі аналізу і параметричної оптимізації асинхронних АВС є як складовою частиною систем “проектування – технологічна підготовка виробництва”, так і засобом для забезпечення усталеної роботи існуючих автоматизованих виробництв за рахунок розрахунку оптимальних страхових запасів.
Упровадження результатів дисертаційної роботи здійснено на ряді машинобудівних підприємств України, а також у навчальному процесі вузів. Запропоновані методи орієнтовані на застосування в дослідницьких роботах у конструкторських і науково-дослідних організаціях, а також у суміжних областях.
Особистий внесок здобувача.
Дисертаційна робота виконана на основі ідей автора і його самостійних розробок. У випадку використання в дисертації теоретичних і експериментальних даних інших авторів указуються посилання на літературні джерела.
Апробація результатів дисертації.
Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на наступних науково-технічних конференціях: “Автоматика-2000” м. Львів, 2000р., крім цього, - на об'єднаних наукових семінарах кафедр “Приладобудування” і “Автоматизація технологічних процесів і виробництв” СевНТУ.
Публікації.
За результатами виконаних досліджень опубліковано 4 статті в збірниках наукових праць вузів; одна публікація - у збірнику праць науково-технічної конференції; отриман деклараційний патент на винахід.
Структура й обсяг дисертації.
Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 139 найменувань і 5 додатків. Текст роботи виконаний на 148 сторінках, містить 58 малюнків, 20 таблиць. Загальний обсяг роботи- 270 сторінок. У додатку поміщені акти впровадження результатів роботи.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми, мета і задачі дослідження, що захищаються автором положення, а також результати апробації і практичного застосування дисертаційної роботи.
У першому розділі “Сучасний стан гнучких автоматизованих ліній зборки й особливості їхнього математичного моделювання” даний огляд сучасного складального виробництва, що складає зі складних інтегрованих систем. Класифікація гнучкої складальної системи (ГСС) показує, що основною структурною одиницею складального виробництва є ГАЛЗ, що складається з осередків, об'єднаних транспортно – накопичувальною системою (ТНС).
Класифікація й аналіз ГАЛЗ дозволили установити, що ефективність функціонування таких систем досягається оптимальною організацією складального процесу, інтенсивним використанням функціональних можливостей ТНС, основного і допоміжного устаткування. Типи структур ГАЛЗ є об'єктом дослідження в дисертації.
Виконано класифікацію ТНС. Розглянуті пристрої, будучи елементами тимчасового резервування, дуже впливають на надійність функціонування складальної лінії.
Докладний аналіз і класифікація поняття “гнучкість” конкретизували коло задач дисертації, у тому числі - підвищення гнучкості живучості за рахунок тимчасового резервування систем зборки.
На підставі системного аналізу складального виробництва й огляду літературних джерел сформульовані мета, задачі дослідження й обґрунтований підхід до побудови математичних моделей ГАЛЗ.
Другий розділ “Математичні моделі функціонування гнучких автоматизованих ліній зборки” присвячений розробці математичних моделей ГАЛЗ. Для формалізації математичного опису ГАЛЗ проводиться їхній аналіз з урахуванням відмовлень, відновлень, блокувань і можливості передачі деталей, минаючи накопичувач. В основі обраного підходу моделювання лежить метод вкладених ітерацій. Цей метод дає можливість, зберігаючи спільність і системність у математичному описі, приєднувати до розглянутої структури сполучені частини, що входять у систему вищого рівня ієрархії (стикування - ліній один з одним, лінії і складу).
У відомих роботах по моделюванню АЛ при розрахунку продуктивності передбачається, що визначальної є останній осередок, а всі інші частини лінії забезпечують її функціонування. Однак у процесі роботи всі осередки лінії обслуговують у середньому однакову кількість продукції, тому за визначальну може бути прийнята кожна з них. У даній роботі за таку прийнятий осередок, що має найгіршу продуктивність з урахуванням надійності. Такий підхід дозволяє усунути протиріччя, що відповідає цьому класу моделей, що полягає в розходженні значень коефіцієнтів готовністей АЛ до прийому і видачі продукції.
У даному розділі викладається технологія створення математичних моделей функціонування як однопотокової гнучкої автоматизованої лінії зборки (ОГАЛЗ) (рис.1), так і багатопотокової. Моделі відображають блокування осередків, що полягають у відсутності продукції на вході осередків чи можливості передати її далі. Накопичувальні елементи призначені для зменшення впливу блокувань. Додатковим фактором, що зменшує цей вплив, є пряма передача продукції, минаючи накопичувач. У цілому накопичувачі в процесі роботи фактично змінюють параметри надійності осередків. Для обліку цього впливу розглянуті частини АЛ, що складаються з накопичувача і сусідніх з ним
k-1-ої і k-ої осередків (рис. 2а). Граф станів цієї структури з урахуванням блокувань і можливістю передачі продукції з осередку на осередок, минаючи накопичувач, представлений на рис.2б.
Рис. 1. Структура ОГАЛЗ
а)
б)
Рис. 2. а) Структура частини АЛ; б) Граф станів частини АЛ
Стану графа:
Sk0 – обидві осередки (k-1) і k, а також k-ий Н справні;
Sk1 (Pk1)- (k-1)-а Я вийшла з ладу, k-а Я справна і працює, k-ий Н справний і в ньому є продукція;
Sk2 (Pk2)– k-а Я несправна, (k-1)-а Я справна і працює, k-ий Н справний і в ньому є вільні місця;
Sk3 (Pk3)- (k-1)-а Я несправна, k-а Я и k-ий Н справні, але не працюють, тому що k-ий Н цілком спорожнений;
Sk4 (Pk4)– k-а Я несправна, (k-1)-а Я и k-ий Н справні, але не працюють, тому що k-ий Н заповнений до відмовлення;
Sk5 (Pk5)– k-ий Н несправний, обидві Я (k-1)-а і k-а справні і працюють, тому що можлива пряма передача деталей, минаючи накопичувач;
Sk6 (Pk6)– (k-1)-а Я и k-ий Н несправні, а k-а Я справна;
Sk7 (Pk7)- k-а Я и k-ий Н несправні, а (k-1) Я справна;
Sk8 (Pk8)– обидві Я (k-1) і k несправні, а k-ий Н справний.
На графі стрільцями позначені потоки подій із указівкою интенсивностей:
λk011, μk101 – потоку відмовлень і відновлень (k-1)-ой Я;
λk012, μk102 – потоку відмовлень і відновлень k-ої Я;
λk03, μk30 – потоку відмовлень і відновлень k-го Н;
λk13– потоку припинення роботи Н при його повному спорожнюванні зі стану Sk1;
λk24– потоку припинення роботи k-го Н при його абсолютному заповненні зі стану Sk2.
Накопичувач змінює параметри надійності (k-1)-ой і k-ої осередків, коефіцієнти готовності яких: КГ1=(Рk0+Рk2+Рk5) - для (k-1)-ой осередку; КГ2=(Рk0+Рk1+Рk5)- для k-ої осередку.
Інтенсивності відмовлень осередків з урахуванням впливу накопичувача λЭ1і λЭ2 рівні:
Якщо для найпростішого елемента відомий коефіцієнт готовності й інтенсивність потоку відмовлень, те визначення інтенсивності потоку відновлень не викликає труднощів.
Середня довжина черги в накопичувачі визначається итераційно, з використанням формули для одноканальної СМО з обмеженням по довжині черги.
На нульовій ітерації інтенсивності надходження й обслуговування заявок у кожної СМО визначаються без обліку впливу довжин черг один на одного. На першій і наступній ітераціях, коли уже визначені на попередній ітерації довжини черги Li (i=1,...,n), обчислюються Рi (i=0,1,...,5), що відповідають графу (рис.1). Ітерації продовжуються доти, поки коливання довжин черг від ітерації до ітерації не стануть менше заданої величини.
Модель багатофазної ОГАЛЗ з урахуванням блокувань будується на основі взаємодій основних і сполучених ділянок лінії. Перша ділянка (основна) містить к-ий Н и наступну к-ую Я, а друга ділянка (сполученна) містить к-ий Н и (k—1)-ую Я (рис.1). Їхні моделі відомі.
При використанні методу приведення до найгіршого елемента вираження для визначення λk і мk – интенсивностей потоків надходження продукції на k-ий накопичувач
(k-ую СМО) з попередньої частини лінії і їхнього обслуговування наступною частиною лінії рівні
де  - інтенсивності відмовлень і відновлень осередку Як з урахуванням впливу нагромаджувача,  - час обслуговування на k-ої осередку,  - обсяг k-го нагромаджувача.
Після визначення Lк коефіцієнт готовності лінії  визначається з вираження:
де u- номер найгіршого елемента.
Модель ОГАЛЗ дозволяє визначати продуктивність, коефіцієнт готовності лінії і середньостатистичних довжин черг (заділи продукції) у накопичувачах, що важливо при плануванні виробництва. На її основі виявлено, що гнучка передача продукції дозволяє підвищити продуктивність на 3 - 7%, а облік впливу блокувань позначається на точності обчислень у межах від 1 до 3%.
Багатопотокову гнучку автоматизовану лінію зборки (БГАЛЗ), можна представити як систему, що складається з потоків, що сходяться, інтенсивність кожного з який залежить від інтенсивністі інших. У її основі лежить модель вузла, структура якого показана на рис.3.
| 
