1.Понятие производственной системы

Любая готовая продукция рождается в рамках технологической производственной системы (ПС).

Система может быть определена как совокупность элементов, настолько тесно связанных между собой, что она выступает по отношению к другим системам и окружающей среде как нечто единое. Связь между элементами системы должна быть гораздо более прочной, чем связь каждого из этих элементов с частями других систем. Соблюдение этого условия отличает всякую целостную систему от простого объединения каких-либо элементов.

Производственная система имеет сложную многоуровневую, иерархическую структуру, которая преобразует исходные полуфабрикаты сырья или материалов в конечный продукт, отвечающий потребительским требованиям рынка.

Основой любого производства является технологический процесс (ТП) — определенное взаимодействие орудий и предметов труда, обслуживающей и транспортной систем, в результате чего выпускается продукция, отвечающая заданному критерию качества.

Перемещение предметов труда от одной стадии обработки к другой можно представить как рабочий материальный поток в производственном пространстве.

По характеру материального потока технологические процессы делят на два типа — непрерывные и дискретные.

В непрерывных технологических процессах материальный поток, проходящий через технологическое оборудование, является неразрывным. Для дискретных ТП характерна выходная продукция в виде изделий, исчисляемых в штуках. Исходные компоненты преобразуются циклически, и готовая продукция выпускается партиями. Каждый цикл получения выходного продукта или партии включает в себя время, затрачиваемое на приведение технологического оборудования в исходное состояние, т.е. невозвратимо потерянное. Соответственно используемым ТП производство принято делить на три основных типа: непрерывное, дискретное и непрерывно-дискретное.

К непрерывным производствам можно отнести большинство предприятии химической, нефтеперерабатывающей, энергетической промышленности. Продукция таких производств — вещество или энергия, а параметры технологических процессов — непрерывные величины давление, концентрация и др. К дискретным производствам относятся предприятия машиностроения, нриборостроения и т. п. Материальный поток здесь дискретен, а производственный процесс характеризуется дискретными параметрами: числом изготавливаемых изделий, наличием заготовок на складах и операциях, числом бракованных изделий. Операции обработки также дискретны, так как имеют начало и конец. Информационный поток, отражающий ход дискретного производства, также имеет дискретный характер. К непрерывно-дискретным производствам, сочетающим особенности первых двух типов производства, относятся производства металлургической, пищевой, полиграфической, цементной промышленности и др.

На первом (нижнем) уровне комплексной системы автоматизации функционируют контуры управления отдельными производственными агрегатами, работу которых контролируют операторы с помощью пультов управления. Поведение этих агрегатов задается производственной программой, а также обусловливается их взаимодействием со средой. При этом имеют место технологические критерии функционирования локальных объектов, такие, как точность обработки, точность поддержания технологических параметров и режимов, интегральные критерии качества продукции.

Информация о ходе производственного процесса поступает на главный сервер сети, с которого производственные данные попадают на рабочие станции контроля и станции связи с предыдущими этапами ТП.

На втором (среднем) уровне управления в соответствии с плановым заданием и приоритетом производства продукции распределяется работа между технологическими агрегатами первого уровня в зависимости от их исправности, обеспеченности материалами и полуфабрикатами, производится оперативное планирование и управление работой первого уровня и составляется отчет об исполнении работ. Работа этого уровня оценивается по результатам выполнения планового задания.

Третий уровень управления производственной системой охватывает координацию работы отдельных участков различных видов производства и реализацию плановых заданий в целом, а также работы по подготовке производства, включая проектирование самих изделий, технологических процессов, технологической оснастки и управляющих программ для локальных объектов управления. На этом уровне управления действуют экономические критерии качества. Далее, на этом уровне анализируются связи с поставщиками, конъюнктура рынка, прогнозируется выпускаемая в будущем номенклатура изделий.

На всех уровнях управления соответствующие задачи решаются как с помощью технических средств, так и с использованием интеллектуальных и физических возможностей производственного персонала.

Одним из важных показателей качества системы является ее производительность, повышению которой на протяжении всей истории развития ПС уделялось большое внимание. Требование высокой производительности сохраняется и для ПС, ориентированных на мелкосерийное и индивидуальное производство, в связи с необходимостью сокращения цикла разработки и изготовления новых изделий. Объем и качество производимой в ПС продукции определяется всеми уровнями управления, но производится она непосредственно на технологическом уровне в результате взаимодействия трех компонентов: рабочей среды, инструмента и человека, который либо непосредственно выполняет работу, либо управляет инструментом, иногда сложным.

Существует две основных тенденции в построении ПС: стремление к организации рабочей среды и адаптация к среде при управлении оборудованием.

Примером соответствующей организации среды и достижения при этом высокой производительности являются автоматические роторные и роторно-конвейерные линии, создание которых — одно из основных направлений ускорения технического производственного прогресса. В этих линиях весь технологический процесс изготовления изделия от исходной заготовки до упаковки готовой продукции осуществляет система автоматических многооперационных роторных машин, соединенных между собой межоперационными транспортными устройствами (транспортные роторы). Соблюдение технологической дисциплины в таких производственных линиях поддерживается автоматической системой регулирующих и управляющих устройств и требует высокой культуры всего производства.

Альтернативой организации среды является адаптация к ней. При этом речь идет об адаптации ПС на всех уровнях управления. Однако оперативно решить вопросы адаптации могут лишь специально организованные высокопроизводительные системы, обладающие средствами автоматизированного получения, обработки и передачи информации. Такие ПС появились как отклик производства на быстро изменяющиеся запросы рынка. Только использование развитой информационной и вычислительной техники, успешно работающей в условиях производства, позволяет обеспечить адапта­ционные возможности ПС в целом и в частности технологических машин. В таких системах обслуживающий персонал освобождается от переработки формализуемой информации и выступает как субъект, принимающий основные решения, которые часто не поддаются формализации.

Для решения задач как организации среды, так и адаптации к среде требуются большие затраты. Поэтому при разработке и реализации ПС в каждом конкретном случае следует оценивать целесообразность вложения денег в организацию среды (понимая под этим не только организацию среды производства, но и организацию среды потребления) или в увеличение адаптационных возможностей ПС. В настоящее время при таком выборе приходится учитывать ограниченность природных ресурсов, необходимость защиты окружающей среды от загрязнения и резкое увеличение разнообразия человеческих потребностей, технико-экономическую обоснованность. Это часто приводит к тому, что отдают предпочтение второй тенденции развития ПС.Адаптационные возможности производственных систем направлены на приспособление к среде и противостоянию старению. Поведение системы зависит не только от управляющих и возмущающих воздействий, но и от неизвестных значений коэффициентов уравнений, описывающих систему. Адаптивная система управления способна выполнять свои функции качественно при изменениях свойств объекта под действием окружающей среды. Такой способ адаптации называется самонастройкой.

Другим способом адаптации является установление системой между ее переменными или переменными среды таких функциональных связей, которые позволяют уменьшить отклонения выполняемых системой функций от заданных значений. Этот способ приспособления называется обучением или самообучением.

Таким образом, система может обладать двумя способами адаптации к среде: самонастройкой и самообучением.

2.Эволюция автоматизированных комплексов и производственных систем

Внедрение средств вычислительной техники позволило эффективно осуществить идею цифрового управления технологическим оборудованием, которая нашла практическое воплощение в первую очередь в машиностроительном производстве и в частности при разработке систем управления металлообрабатывающими станками. Станки с устройствами числового программного управления (УЧПУ) появились в конце 60-х годов и превратились в важнейший вид высокоэффективного металлорежущего оборудования. Этому способствовала достигаемая на этих станках возможность их быстрой переналадки на обработку любой детали в пределах технической возможности станка, т.е. возможность гибко перестраивать тех­нологический процесс в механообработке. Это очень важно при автоматизации мелкосерийного производства.

В 1970—1980 гг. осуществлялись попытки повышения производительности технологического оборудования путем группировки агрегатов в автоматизированные комплексы и приближения их по производительности к поточным линиям. В основу таких комплексов была положена возможность гибкой перестройки технологии обработки, по которой любая заготовка (в пределах возможностей комплекса) может быть введена в этот комплекс и обработана по требуемой технологии. Изготовление в таком комплексе деталей широкой номенклатуры тесно связано с вопросами участия человека в этом процессе, с реализацией «безлюдной технологии».

Понятие «безлюдная технология» не означает, что человек не участвует в производстве, но предусматривает длительное функционирование оборудования в автоматическом режиме (одна-две смены). Чтобы реализовать «безлюдную» гибкую технологию обработки, необходимо автоматизировать все процессы переналадки оборудования. При работе на обычном станке с ЧПУ рабочий-оператор загружает заготовки на станок, удаляет обработанную деталь, устанавливает инструмент в шпиндель, подбирает нужный инструмент, меняет приспособления крепления детали, включает станок, контролирует качество детали, наблюдает за работой оборудования. Исключение этих функций из обязанностей оператора высвобождает его для многостаночного обслуживания и повышает долю основного времени обслуживания станка, обеспечивая рост производительности производства.

В последнее время наметилась тенденция оснащения производственного оборудования специальными загрузочными устройствами в виде универсальных или специализированных робототехнических комплексов (РТК) с локальной системой управления. Это позволяет получить более гибкое сопряжение обрабатывающего технологического оборудования с транспортной системой и осуществить «безлюдную» технологию. Также расширилось применение РТК в качестве основного технологического оборудования на опе­рациях сборки, сварки, контроля и др.

К концу 60-х годов в промышленно развитых странах возникла проблема коренной перестройки управления в связи с необходимостью обеспечения их живучести при быстро изменяющихся заказах рынка. Технические средства адаптации к этому времени развились до средств вычислительной техники, способной работать непосредственно в производственных условиях, а их применение стало экономически целесообразным. Однако было еще неясно, отчего проявится наибольший эффект: от внедрения новых технических средств на нижнем (технологическом) уровне управления ПС или на верхних уровнях управления, связанных с организацией технологии.

В 70-е годы в странах с передовой технологией подвергли проверке две альтернативные гипотезы, суть которых сводилась к следующему. Что быстрей ведет к успеху — автоматизация получения знаний о технологии или автоматизация самой технологии.

В области получения знании о технологии используется большое количество людей и других ресурсов, обеспечивающих прогнозирование, исследование, проектирование, подготовку производства и испытания готового продукта. Поэтому автоматизация получения знания о технологии могла резко уменьшить трудоемкость, сократить время подготовки информации для производства и обеспечить живучесть ПС в условиях сильных возмущений со стороны среды.

Автоматизация самой технологии позволила уменьшить количество людей, занятых непосредственно в технологическом процессе, поднять качество производимых изделий и производительность ПС за счет гибкой организации ТП, исключить или ускорить обучение персонала при переходе к другой номенклатуре или видам изделия, резко сократить время изготовления изделия и др.

На основании этих подходов сформировалось два основных направления автоматизации производства.

Первое на правление получило название M1S/CAD. В отечественной литературе аналогами этих терминалов являются АСУ/САПР.

Второе направление, связанное с автоматизацией самого производства, получило название СAM, а в отечественной литературе — АСУТП. Следует отметить условность строгого разделения этих двух направлений в деле обеспечения живучести ПС в условиях взаимодействия со средой.

В промышленно развитых странах наблюдалось совместное развитие обоих направлений CAD и САМ. Однако доли капитальных вложений в эти направления были разными, В США основное внимание уделялось концепции CAD. К концу 70-х годов США значительно опережали другие страны в этой области. Япония обеспечила преимущественные капитальные вложения в концепцию САМ и в результате вырвалась вперед на международном рынке по целому ряду промышленных видов продукции. Достижения в направлениях CAD и САМ привели к необходимости и возможности создания объединенной концепции CAD/CAM (САПР/АСУТП).

Однако для объединения этих концепций необходим интерфейс. Этот информационный компонент получил обозначение MIS (информационная служба).

Системы CAD/CAM обладают следующими особенностями:

• строятся на базе аппаратных и программных средств ЭВМ для целей технического проектирования, графического представления информации, машинного анализа, управления производством;

• позволяют создавать, отображать, анализировать, запоминать, манипулировать всевозможной графической информацией без использования ручного черчения;

• легко перестраиваются по требованиям конкретного пользователя благодаря модульному принципу построения, имеют многотерминальный доступ со стороны пользователей;

• позволяют автоматически преобразовать информацию в команды управления средствами производства с устройствами числового программного управления; имеют одновременный контроль точности, качества и надежности как технологического оборудования, так и продукции.

Однако недостатком систем CAD/CAM является то, что они сохраняют ручной труд в управлении технологическими процессами, а следовательно, технологический уровень управления таких ПС остается достаточно жестким, ориентированным на специфику того или иного проекта.

В связи с этим в последние годы разрабатывается и осуществляется новая концепция, объединившая CAD, САМ, MIS и робототехнику и получившая название FMS — гибкая производственная система (ГПС). Применение робототехники значительно повысило гибкость управления ПС и позволило сделать практический шаг в области разработки и создания трудосберегающей технологии и «безбумажного» производства.