Организационно-технические системы предприятия - технологическая, инструментообеспечения, контроля качества изделий, складская, транспортная, технического обслуживания, охрана труда - являются объектами управления автоматизированной системы управления и подготовки производства. Несмотря на функциональное различие этих систем, с точки зрения процесса управления функционированием в них есть много общего. Для того чтобы разработать систему управления, необходимо иметь формальную модель объекта управления.

Рассмотрение состава задач и методов их решения при разработке средств автоматизации подготовки производства и управления производством на автоматизированном предприятии будем проводить на основе понятия архитектуры технической системы. Под архитектурой технической системы, в данном случае производственной системы, понимают структурно-функциональную модель, описывающую: состав системы (подсистемы, уровни, компоненты); функции подсистем, уровней, компонентов; связи и взаимодействие (интерфейсы) подсистем, уровней и компонентов; правила композиции (объединения) компонентов, уровней и подсистем.

Такой подход к проектированию систем обладает следующими особенностями: особое внимание уделяется функциональному описанию системы, при этом каждая функция выделяется как самостоятельная лишь тогда, когда возможно ее определение через однозначное описание внешнего поведения компонента, реализующего данную функцию; определяются предпочтительные варианты реализации системы, в которых сохраняется разделение между подсистемами, выделенными на структурно-функциональной модели; обеспечивается возможность распараллеливания на возможно более ранней стадии работ по проектированию и реализации системы; облегчаются стыковка компонентов и комплексная отладка системы, а также ее изменение.

Для того чтобы было возможным применить данный подход к проектированию систем автоматизации проектирования и изготовления, необходимо определить формально структурные единицы проектируемой системы. Для этого используют понятие производственной системы. Производственная система - открытая система, функция которой состоит в целенаправленном преобразовании свойств материальных объектов на основании информации и команд, поступающих извне. Для системы более высокого уровня она является объектом обобщенного технологического оборудования, внутреннее устройство и конкретные механизмы функционирования которого от нее скрыты.

Для того чтобы определить структуру производственной системы, необходимо задать следующие характеристики: технологические возможности; набор объектов, участвующих в обмене с внешней средой; набор правил, регламентирующих эти обмены; набор точек доступа, через которые проходят потоки объектов. Кроме того, могут быть заданы параметры реализации, определяющие показатели функционирования - производительность, надежность, - с тем, чтобы учесть их при разработке программно-аппаратных средств. Полностью определенная архитектура производственной системы является внутренней моделью для систем управления. Затем необходимо определить виды связей производственной системы данного уровня, т.е. ее внешний интерфейс. В качестве основы для описания структуры цеха были предложены три вида связей: материальные, энергетические, информационные. Для разработки средств автоматизации управления необходима их интерпретация через систему интерфейсов (взаимодействий объектов производственной системы). Рассматривают интерфейсы следующих видов:

- механические интерфейсы, определяющие конкретный способ подачи материальных объектов внутрь производственной системы и выдачи их обратно;

- организационные связи, определяющие организационную среду, в которой функционирует данная производственная система;

- информационные связи, определяющие содержание, форму построения и процедуры обмена информацией с внешней средой - персоналом и системой управления верхнего уровня;

- коммуникационный (сетевой) интерфейс, определяющий средства и возможности обмена информацией с внешней средой;

- пользовательский интерфейс, определяющий средства и возможности персонала по управлению производственной системой;

- связи с инфраструктурой, определяющие подключение к системе жизнеобеспечения (энергоснабжение, канализация, подача воздуха, СОЖ и т.д.).

На основе анализа связей и внутренней структуры производственной системы разрабатывают технические задания на подсистемы, автоматизирующие функционирование производственной системы. Основные подсистемы автоматизированного производства включают в себя следующие функции: организацию производства; конструкторскую и технологическую подготовку производства; планирование производства, управление производством.

Рассмотрим особенности автоматизации функции управления и подготовки производства на уровне цеха.

Рис.4 Общая структура автоматизированной системы.

Подготовка производства

Традиционные методы подготовки производства являются сдерживающим фактором для максимально эффективного использования ГПС. Результаты часто оказываются неудовлетворительны как по качеству, так и по производительности.

Автоматизация отдельных подсистем (конструкторской или технологической подготовки производства и др.) при сохранении традиционных каналов обмена между ними через промежуточные документы и при традиционном разделении функций не сможет обеспечить синхронизацию между ГПС и системой подготовки производства, а также устранить большие потери вследствие быстрого старения проектных решений. Во избежание неоправданных потерь необходимо при формулировании технического задания на комплекс программно-аппаратных средств автоматизации подготовки производства и управления производством в автоматизированном цехе рассматривать эти подсистемы как части единой интегрированной системы подготовки производства, которая для всего комплекта производственных заказов должна выдавать взаимоувязанные решения по конструкции изделий, технологическим процессам их изготовления и потребности в ресурсах (оборудовании, инструменте и др.), необходимых для выполнения технологических процессов. Одним из основных условий эффективной автоматизации является наличие общей базы данных, исключающей многократный ввод человеком информации об изделиях, технологических процессах и т.д.

Необходимо учитывать, что аппаратные и программные средства оборудования, входящего в состав ГПМ, сейчас интенсивно развиваются, причем происходит резкое снижение стоимости аппаратных средств вычислительной техники при одновременном росте их мощности. "Интеллектуализация" ГПМ позволяет оперативно принимать решения по операционной технологии "на месте", поэтому за системой подготовки производства следует закрепить только выработку стратегических решений о маршруте изготовления, оснащения технологических операций заготовками (исходными и межоперационными).

Производственная система имеет несколько уровней управления (см. рис.4): организацию производства; планирование; диспетчирование; оперативное управление; управление оборудованием.

Уровень организации производства определяет критерии, стратегию и методы планирования. Уровень оперативно-календарного планирования выполняет функции собственно составления планов. Уровень диспетчирования отвечает за своевременную инициализацию и контроль выполнения планов. Уровень оперативного управления обеспечивает собственно выполнение планов, т.е. координированное управление материальными потоками в процессе выполнения планов. Уровень управления оборудованием физически реализует манипуляции с материальными объектами.

Такая иерархия характерна для производственной системы любого ранга. На уровне завода система оперативного управления при управлении транспортной системой выполняет функции управления межцеховыми перевозками, при управлении складской системой она поддерживает состояние общезаводских запасов комплектующих, сырья и объем неотгруженной готовой продукции в заданных пределах, при управлении технологической системой - функции координации работы цехов, на уровне цеха при управлении транспортной системой - функции управления внутрицеховыми перевозками, при управлении складской системой - управление работой общецеховых складов, при управлении технологической системой обеспечивает выполнение маршрутов обработки изделий, поддерживает синхронизацию отдельных этапов технологических процессов, на уровне участка при управлении транспортной системой управляет транспортировкой между рабочими модулями участка, при управлении технологической системой координирует работу модулей. Таким образом, функции системы оперативного управления, как и для других уровней иерархии управления, интерпретируются аналогично. При этом уровень оперативного управления завода взаимодействует с уровнем планирования цехов и так далее. Этим обеспечивается целостность всей системы управления.

Уровень планирования производства реализуется системой планирования. Она обеспечивает разработку стратегии для системы управления процессом производства изделий с учетом состояния внутренней и внешней среды в соответствии с заданными критериями функционирования и заказами. Должна быть определена стратегия планирования, например, указано, что процесс планирования осуществляется по методу "Just in Time" (точно вовремя), исходя из потребностей сборочного конвейера либо плановых требований к поставке изделий. При планировании используется многовариантная технология изготовления изделий, разработанная системой автоматизированного проектирования изделия и технологической подготовки производства, с которой она имеет обратную связь. Система планирования производит вариантное планирование производства по различным критериям или их возможной комбинации. Система планирования производства имеет распределенную иерархическую структуру и содержит ряд подсистем различного функционального назначения и интервала планирования перспективного планирования; текущего планирования; оперативного планирования.

Подсистема диспетчирования выполняет следующие функции: входной (выходной) контроль комплектующих и материалов для технологического процесса; техническое обслуживание и ремонт оборудования; диагностирование; управление ресурсами; управление персоналом; испытания.

Перечисленные функции рассматриваются как функции, обеспечивающие выполнение общей цели - инициализации, а также контроля подготовки и выполнения плановых заданий изготовления, материального обеспечения и технического обслуживания.

Система оперативного управления (СОУ) принимает с соседнего верхнего уровня команды на выполнение заданий (планов) и координирует работу оборудования, а в общем случае - работу производственной системы более низкого ранга. Параметры плановых заданий, так же как и необходимая технологическая информация, выбираются из общей базы данных. В процессе выполнения плановых заданий система оперативного управления передает на верхний уровень и заносит в общую базу данных учетную информацию. Задания верхнего уровня могут быть разбиты на следующие основные классы: материально-техническое обеспечение, изготовление, техническое обслуживание, оснащение.

При выполнении планов материально-технического обеспечения СОУ управляет транспортировкой и складированием необходимых ресурсов. При выполнении заданий на изготовление СОУ обеспечивает использование необходимых ресурсов и преобразование их в продукцию. При выполнении планов технического обслуживания СОУ обеспечивает тестирование управляемых компонентов и их логическое отключение. При выполнении планов оснащения СОУ обеспечивает управление доставкой и установкой на модулях необходимого оснащения и загрузку нужных управляющих программ. Снизу СОУ поддерживается уровнем управления оборудованием, который реализует физические преобразования и манипуляции с материальными объектами по командам, выделяемым СОУ.

Рис.5. Информационные потоки в системе управления автоматизированным цехом

В состав СОУ входят следующие уровни (рис.5):

- супервизорный, который интерпретирует задания верхнего уровня, превращая их в последовательность команд службам СОУ;

- сервисный (уровень служб), который содержит глобальные службы транспортировки, складирования, обработки и др.;

- манипуляционный, который содержит производственную систему нижнего ранга и, в частности, модули различных типов (транспортные, складские, обрабатывающие и др.);

- уровень виртуального оборудования, который принимает запросы на выполнение манипуляций оборудованием внутри модулей.

Уровень управления оборудованием. На этом уровне иерархии системы управления располагаются программно-аппаратные средства, обеспечивающие выполнение манипуляций с материальными объектами, участвующими в производственном процессе. Как правило, они встраиваются в оборудование системы программного управления станками, роботами, транспортными устройствами, штабелерами и др. Хотя могут быть реализованы и на внешней, по oтнoшeнию к оборудованию, вычислительной технике, например при прямом управлении (DNC). Здесь наиболее важной проблемой является обеспечение независимости управления более высоких уровней от особенностей конструктивного исполнения и средств управления исполнительными механизмами технологического оборудования. При решении этой задачи используется понятие виртуального оборудования - структурно-функциональной модели, описывающей внешнее поведение реального оборудования, определенного типа с точки зрения его взаимодействия с внешней средой по некоторому протоколу. Таким образом может быть определен виртуальный робот, виртуальный склад, виртуальное транспортное устройство и т.д. Фактически для системы управления верхнего уровня компонент виртуального оборудования представляется как некоторый функциональный блок, воспринимающий команды на выполнение определенных функций и сообщающий о результатах их выполнения. При этом внутреннее устройство данного компонента не имеет значения, оно скрыто от системы управления за счет введения протокола взаимодействия с ним.

Такой подход позволяет существенно сократить затраты на перенос программного обеспечения системы управления на другие типы управляемого оборудования, поскольку неизменной остается та ее часть, которая располагается выше уровня виртуального оборудования.

6.2 Внедрение системы автоматизированного управления материальными потоками в электросталеплавильном цехе ОАО "Металлургический завод им. А.К. Серова"