Литературный обзор по принципам построения и структуре ГПС

В отечественной и зарубежной практике за последнее десятилетие было разработано и передано в эксплуатацию несколько сотен гибких производственных систем (ГПС) различного целе­вого назначения и уровня автоматизации.

Согласно проведенным недавно исследованиям на ряде промышленных предприятиях, показало, что 45% ГПС не достигали проектных показателей по ряду причин. Причем в большинстве случаев низкая эффективность ГПС обусловлена недостаточным технико-экономическим обоснованием целесообразности создания системы в условиях конкретного потребителя (включая и неподготовленность предприятия к эксплуатации систем подобной сложности), неправильным выбором уровня автоматизации, структуры и состава ГПС, недостаточным опытом проектировщиков и заказчиков, несоответствием ГПС общей структуре производственного процесса предприятия. [14]

Использование традиционных методов проектирования при создании автоматизированных переналаживаемых производственных комплексов, какими, собственно, и являются ГПС, оказалось неприемлемым в силу значительной трудоемкости разработки нескольких вариантов и возможности случайного выбора окончательного проектного, решения, т.к. оптимальный (или близкий к нему) вариант на практике может вообще не рассматриваться и, соответственно, не разрабатываться. С другой стороны, рациональность одновариантного проектирования полностью зависит от ряда случайных факторов, включая опыт и квалификацию про­ектировщиков.

Создание ГПС является сложной научно-технической задачей, предусматривающей разработку оптимального, экономически обоснованного проекта на основе новейших достижений науки и техники, обеспечивающих высокую эффективность производства и качество продукции.

В состав проекта ГПС (как и любого проектируемого изделия), согласно требованиям ГОСТа 15.001–73 «Порядок разработки и постановки продукции на производство», должны входить: заявки на создание ГПС, аванпроект, техническое задание (ТЗ), проект и рабочая документация. В составе проекта имеются организационно-технологическая и конструкторская части, разделы, посвященные автоматизированной системе управления и строительно-монтажным работам.

Таким образом, ТЗ на создание ГПС – это совокупность уточненных документов, содержащих технико-экономические показатели н все исходные данные, необходимые для разработки технической документации на ГПС в целом и на ее составные части, и дающие полное представление о составе и принципе организации системы.

Проект ГПС — это совокупность документов, содержащих окончательные технические решения, а также необходимые данные для разработки рабочей документации.

Понятия ГПС

- ГПС – это совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ, гибких производственных модулей, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик;

- гибкий производственный модуль (ГПМ) – единица технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик с программным управлением, автономно функционирующая, автоматически осуществляющая все функции, связанные с их изготовлением, имеющая возможность встраивания в ГПС;

- гибкий производственный цех – комплекс ГП-линий, ГП-участков, ГП-модулей, предназначенный для выполнения технологических процессов и переналаживаемый на изделия заданной номенклатуры;

Принято различать кратковременную и долговременную гибкость.

Кратковременная гибкость позволяет быстро переналаживать оборудование на производство различной продукции в рамках действующей производственной программы.

Долговременная гибкость обеспечивает возможность переналадки на выполнение новых, заранее не предусмотренных технологических задач.

Основные стадии создания ГПС

Основные стадии создания ГПС включают следующие разработки:

- заявка на разработку ГПС;

- техническое задание;

- технический проект;

- рабочий проект;

- внедрение ГПС.

Заявка на разработку ГПС должна включать исходные требования к проектируемой ГПС: номенклатуру изготавливаемых изделий, ориентировочные объемы производства по каждому изделию.

Техническое задание включает:

- основание для разработки ГПС;

- цель и назначение разработки;

- технические требования к ГПС;

- технико-экономические показатели ГПС;

- стадии и этапы разработки;

- порядок контроля и приемки.

Технические требования к ГПС должны включать следующие основные ограничения:

- уровень автоматизации;

- перечень обязательных технических средств ГПС;

- схемно-структурные ограничения;

- конструктивно-компоновочные, габаритные, энергетические, привязочные и др. ограничения;

- качество функционирования системы: точность обработки, качество поверхностей, надежность, долговечность, живучесть и др.;

- информационные и программно-алгоритмические ограничения: информационное обеспечение, возможности корректировки программного обеспечения и др.;

- системно-организационные ограничения:

- использование групповой технологии, требования к гибкости потоков;

- эксплуатационные ограничения: условия эксплуатации, режимы работы ГПС, требования охраны труда и техники безопасности и др.;

- социальные требования;

- экологические требования;

- эволюционно-адаптивные требования;

- особые требования.

В качестве технико-экономических показателей используются: производительность, себестоимость, сроки окупаемости, период эксплуатации и др.

Технический проект ГПС содержит окончательные технические решения, дающие полное преставление о составе, структуре и функционировании комплекса, а также исходные данные для разработки рабочей документации.

Рабочий проект ГПС включает рабочую техническую документацию, необходимую для изготовления ГПС:

- конструкторскую;

- технологическую;

- программную;

- строительно-монтажную;

- организационную.

Основные подсистемы ГПС

В соответствие с основными задачами, решаемыми в ГПС в процессе обработки, в ГПС используются следующие основные подсистемы:

- " Управление" – для решения задач организации и управления производственным процессом в ГПС, основными из которых являются следующие: планирование, учет, контроль хода производства, координация взаимодействия функциональных подсистем ГПС, автоматическое управление всеми техническими средствами ГПС;

- " ТПП" (технологическая подготовка производства) – для автоматизации проектирования технологических процессов, инструментальных наладок и оснастки, подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ;

- " Обработка" – обеспечивает автоматизированную обработку изделий в ГПС;

- " АТСС" (автоматизированная транспортно-складская система) – для осуществления учета, автоматизированного хранения, доставки заготовок, полуфабрикатов, готовых изделий, инструментов, приспособлений, тары и др. на рабочие места ГПС, разгрузки и разгрузки оборудования ГПС.

- " Инструмент" – для обеспечения технологических процессов обработки необходимыми инструментами и оснасткой: комплектация, сборка-разборка, настройка, паспортизация, сортировка, заточка, определение стойкости, учет наработки и др.;

- " Контроль" – для обеспечения требуемого качества изготавливаемых изделий и работоспособности технических средств ГПС;

- " СОЖ (снабжения смазочно-охлаждающими жидкостями)" – для централизованного снабжения СОЖ;

- " УОП" (удаления отходов производства) – для сбора и удаления стружки и др. отходов производства от рабочих мест (может быть с разделением отходов по видам и маркам материалов) и предварительная их обработка;

- " ТОП" (технического обслуживания и ремонта) – для организации и проведения технического обслуживания и планово-предупредительных ремонтов оборудования ГПС;

- " ХОБ" (хозяйственного обеспечения) – для обеспечения ГПС вспомогательными материалами, ремонта помещений.

Планирование и управление в ГПС

Основные функции системы планирования и управления производством:

- прогнозирование;

- планирование производства;

- оценка производственных затрат;

- формирование основного графика производства;

- планирование материальных потребностей;

- материально-техническое снабжение;

- календарное планирование;

- диспетчеризация;

- оперативное управление технологическими процессами;

- контроль качества выпускаемой продукции;

- поставки по заказам и управление запасами готовой продукции;

Функциональная блок-схема системы планирования и управления производством показана на рис. 1.1.

Прогнозирование позволяет предвидеть будущий объем реализации продукции. Различают:

- долгосрочные прогнозы на срок более 5 лет, основной целью которых являются рекомендации по реконструкции производства и выполнению научно-исследовательских работ;

- среднесрочные прогнозы на срок 1-2 года, которые используются для планирования заказов на поставки материалов и комплектующих изделий.

Планирование производства имеет целью оценку выпуска продукции по группам изделий на определенный отрезок времени (чаще всего - на год). Такое планирование необходимо для определения необходимых запасов (материалов, комплектующих и др.) по производству каждой группы изделий. [14]

Рис. 1.1

Оценка производственных затрат осуществляется для формирования цен на продукцию и выполняется с помощью известных методов микроэкономики.

Формирование основного графика производства - это установление объемов выпуска и сроков изготовления по каждому виду продукции, на основании чего определяются графики поставок необходимых материалов, комплектующих и др. Основной график может формироваться на месяц, неделю, день.

Планирование материальных потребностей осуществляется на основе основного графика производства и устанавливает все компоненты (сырье, комплектующие, инструменты и др.), необходимые для изготовления изделий.

Материально-техническое снабжение имеет своей целью оформление заказов и приобретение всех необходимых компонентов (материалов, комплектующих, инструментов и др.), необходимых для изготовления изделий. При этом общеизвестна дилемма материально-технического снабжения: " изготовить или купить". В странах с развитой рыночной экономикой широко развиты кооперативные связи и, в этом случае, конечно, выгоднее купить, чем изготавливать в условиях " натурального хозяйства".

Календарное планирование (иначе его еще называют составлением расписания) выполняется с целью назначения моментов начала и окончания изготовления изделий. Задача календарного планирования является наиболее ответственной и сложной в ГПС, что вызвано возможностью одновременного изготовления на ГПС нескольких изделий, каждое из которых имеет индивидуальный технологический процесс.

Диспетчеризация осуществляется путем выдачи индивидуальных заданий на согласованное выполнение работ по изготовлению продукции. В ручном производстве диспетчеризация осуществляется руководителями подразделений (мастер, бригадир, диспетчер и др.). В ГПС эта функция выполняется управляющим вычислительным комплексом ГПС.

Оперативное управление обеспечивает управление оборудованием и транспортными потоками в ГПС.

Контроль качества обеспечивает контроль соответствия производимых изделий заданным техническим характеристикам.

Поставка по заказам и управление запасами готовой продукции должна обеспечивать создание рациональных запасов по каждому виду продукции, достаточных для удовлетворения спроса потребителей.

Анализ эффективности ГПС

Анализ эффективности ГПС можно разделить на несколько составляющих этапов:

- анализ затрат и потерь существующего производства;

- анализ затрат и экономии от внедрения ГПС;

- анализ риска и чувствительности технических решений.

На этапе анализа затрат существующего производства определяются показатели, определяющие себестоимость продукции, производительность обработки, степень использования технологического оборудования, уровень запасов материалов и др.

Анализ затрат и экономии от внедрения ГПС основан на оценке как количественных, так и качественных показателей:

- показатели прямой экономии, имеющие количественный характер;

- показатели косвенной экономии, сочетающие как количественные, так и качественные оценки;

- факторы экономии, имеющие качественный характер.

Показатели прямой экономии - уменьшение затрат на:

- прямую оплату труда;

- обеспечение производства энергией, топливом и др.;

- перемещение материалов, полуфабрикатов, изделий;

- обработку отходов;

- амортизацию помещений и оборудования.

Основные показатели косвенной экономии в ГПС:

- ускорение производственного цикла;

- снижение уровня незавершенного производства;

- снижение уровня складских запасов и затрат на их хранение;

- уменьшение затрат на оплату труда в сфере ремонта, обслуживания и эксплуатации меньшего парка оборудования (хотя они могут и возрасти вследствие усложнения оборудования и повышения квалификации обслуживающего персонала);

- повышение уровня инженерного труда: эффективности обработки информации, проектирования, планирования, организационного управления;

- снижение затрат на реконструкцию и модернизацию производства.

Качественные факторы экономии наиболее сложны для оценки:

- улучшение качества продукции и повышение ее конкурентоспособности;

- возможность быстрого изменения характеристик производимых изделий;

- улучшение условий труда;

- повышение эффективности связей между предприятиями и степени кооперации на основе высокой дисциплины взаимных поставок;

- снижение затрат в социальной сфере (в результате уменьшения количества работающих).

Анализ риска и чувствительности экономических решений при создании ГПС необходим в связи с отвлечением больших средств, необходимых для внедрения ГПС, на достаточно длительное время. Поэтому анализ риска проводится очень тщательно с помощью систем имитационного моделирования.

Основные технико-экономические характеристики ГАП:

- производительность живого и фондоотдача овеществленного труда;

- степень гибкости производства;

- продолжительность производственного цикла изготовления изделий;

- потери от брака;

- материалоемкость и энергопотребление производства;

- применение безотходных технологий;

- надежность ГАП;

- живучесть ГАП.

Примеры компоновочных схем ГПС

1. Без транспортной тележки (транспортирование с помощью робота-штабелера):

1-3 – ГПМ;

4-6 – устройства манипулирования;

7-9 – пристаночные накопители;

10 – транспортное устройство;

11 – автоматический склад;

12 – управляющий вычислительный комплекс ГПС;

13-16 – УЧПУ станочных модулей и автоматического склада.

Такая компоновка используется при небольшом количестве ГПМ, т.е. в том случае, когда их можно расположить вдоль склада, т.е. это ГПЛ (линия).

2. С транспортной тележкой:

1-2 – ГПМ;

3-4 – пристаночные накопители;

5-6 – устройства загрузки-выгрузки;

7 – автоматическая тележка, транспортный робот.

Создание дорогостоящих крупных технических систем (ГПС) потребовало минимизации уровня риска принятия не только оши­бочного, но даже просто неоптимального технического решения при их проектировании.

Опыт отечественной и зарубежной практики создания ГПС по­казал, что перенос традиционных методов на процесс проектиро­вания ГПС неприемлем ввиду значительной трудоемкости разра­ботки нескольких вариантов и не исключает случайный выбор окончательного проектного решения. Это положение потребовало практического переосмысления всей существующей методологии проектирования вообще и проектирования ГПС в частности.

В то же время, в результате анализа ряда литературных ис­точников выявлены методические и теоретические подходы для целенаправленного определения оптимального или близкого к не­му состава ГПС и методология оценки экономической эффектив­ности проектного варианта. Причем информационной базой для оценки принятого варианта на ранних стадиях проектирования могут служить данные, полученные в результате статистического анализа по ряду основных показателей ГПС (технические воз­можности, производительность, комплектация, режим эксплуатации надежность и т. д.) при условии их постоянного обновле­ния.

Относительно собственно проектирования ГПС (поиска ее образа), с точки зрения системного проектирования был выявлен алгоритм проведения этих работ по этапам (постановка задачи, формирование комбинаторного множества, выбор оптимального варинта создаваемой системы, уточняющий анализ выбранных ва­риантов и выдача ТЗ на разработку отдельных технических средств), а также были показаны состав и особенности работ по каждому из этапов.

Необходимо отметить, что одним из основных условий успеха той или иной методологии проектирования является наличие развитого информационного массива данных, представленных в удобном для многовариантного автоматизированного проектирования виде. Особенности информационного обеспечения системного проектирования ГПС, основанного на определенного вида классифи­кации составляющих ГПС, показали необходимость предварительной обработки информации для формирования комбинаторной матрицы или файла на базе иерархической структуры, (что, собственно, подтверждено приведенными примерами подсистемы инструментального обеспечения и транспортной подсистемы). Указанные примеры в достаточной степени выявляют необходи­мость изменения ряда паспортных данных ГПС и ее составляющих для обеспечения процесса автоматизированного проектирования производственных систем вообще и ГПС в частности.