Перераспределение функций в гибком производстве
Альтернативным вариантом гибкой системы может служить жесткая система, состоящая из специализированного однооперационного станка и рабочего. В этой системе управленческие функции человека сводятся к неизменной последовательности действий типа «включить — выключить», а само оборудование лишено возможности перестраиваться.
Производственная система, состоящая из нескольких единиц технологического оборудования, получает дополнительные качественные возможности изменять свое поведение за счет организации транспортных связей и управления системой. Гибкость такой системы будет зависеть и от возможностей транспортировки деталей между станками, и от того, как распределить задания между рабочими местами, чтобы выпустить продукцию в кратчайший срок или оптимизировать работу системы. Более того, возможны ситуации, когда из-за выхода из строя одного станка или ухода одного из рабочих в отпуск и т. п. придется менять организацию работы всей системы, т. е. перестраивать ее.
Таким образом, в условиях гибкого автоматизированного производства задачи управления приобретают новое качество: к управлению процессом воздействия на предмет труда добавляются задачи структурной организации при изменяющихся внешних (изменение спроса на продукцию) и внутренних (непредвиденные ситуации технического и другого характера) условиях. С такими все время усложняющимися проблемами производство сталкивается постоянно.
От производственной гибкости зависят повышение производительности и эффективности использования оборудования и улучшение качества продукции. Однако оптимальное управление таким сложным набором событий в сфере производства традиционными методами становится практически невозможным. Поэтому вопрос комплексной автоматизации таких элементов производственной деятельности, как воздействие на предмет труда, перестройка с целью удовлетворения спроса на новую продукцию и оптимальное управление этими процессами, сегодня очень актуален. Эту триединую задачу позволяет решить создание гибкого автоматизированного производства.
Основываясь на этих рассуждениях, а также с учетом исследования понятия «гибкость», можно дать следующее определение: гибкость производственной системы — это способность изменять свои свойства и поведение в результате меняющихся запросов на продукцию с различными характеристиками в пределах физических возможностей системы.
В целом гибкую (автоматизированную!) производственную систему можно представить как особую совокупность программно-управляемого технологического оборудования, которая способна автоматически перестраиваться на выпуск нового изделия. Особенность этой совокупности заключается в том, что система позволяет существенно повысить производительность труда и качество продукции по сравнению с простым набором универсального оборудования. Этому способствует высокий уровень организации управления, автоматизации, устойчивость к внешним изменениям и отказам внутри системы, возможность обеспечить такие технологические маршруты, которые приведут к цели в кратчайший срок и с минимальными издержками.
Несмотря на то что дискуссии вокруг концепции гибких производственных систем еще продолжаются, можно выделить два наиболее общих подхода к этой проблеме. В основе первого подхода лежит перестраиваемость поточных линий, в которые последовательно объединены взаимодополняющие станки, способные переналаживаться на новую продукцию. Такой подход отражает линейную концепцию ГПС. Второй подход предполагает многоуровневую иерархическую структуру компоновки технологического оборудования и системы управления, наличие центрального склада и местных накопителей для каждого комплекса взаимозаменяющих станков, составляющих гибкие автоматизированные участки (ГАУ). В этом подходе воплощается иерархическая концепция ГПС. Хотя иерархические ГПС более сложны, чем линейные, они обладают большей эффективностью, а также другими эксплуатационными преимуществами, например, возможностью поэтапно наращивать систему максимальной эффективностью при неполной автоматизации (внутри такой системы могут равноправно функционировать и ГАУ, и участки с ручными технологическими операциями, автоматизировать которые по каким-либо причинам пока не представляется возможным).
В историческом контексте ГПС разрабатывались преимущественно для механообработки. Это обусловлено тем, что для механообработки уже была создана соответствующая материально-техническая база: станки с ЧПУ, обрабатывающие центры, промышленные роботы, отработана технология воздействия на предмет труда. Для других видов производства, например, в сборочно-монтажном производстве приборостроения работы по созданию ГПС проводятся пока менее интенсивно. Специфика проблемы здесь состоит в большом многообразии предметов труда и средств воздействия на них. Отсюда — разнохарактерность технологических операций (подготовка монтажных проводников, формовка выводов радиоэлементов, лужение, пайка и т. д. ).
Приборостроение — молодая отрасль, но она переживает уже четвертое поколение (вместе с технологией), поэтому средства комплексной автоматизации не всегда поспевают за обновляемостью продукции. Гибкое автоматизированное производство призвано исправить это положение. Другая особенность заключается в том, что в сборочно-монтажном производстве радиоэлектронной аппаратуры, как правило, решаются задачи обработки и сборки. Причем сборке подлежат часто уникальные радиоэлементы и другие компоненты. Автоматизация сборочных операций, особенно в условиях обновления продукции, — несравненно более сложная задача, чем обработка. Поэтому первым этапом на пути создания ГПС в приборостроении является разработка базовых гибких производственных модулей для обеспечения быстро перестраиваемой технологии.
Современная промышленная практика свидетельствует о возрастании значения ГПС в совершенствовании производственно-технических отношений, о необходимости развития исследований теоретических основ, технических и экономических механизмов функционирования ГПС.
Применительно к производственным системам на уровне реализации технологического процесса ГПС — это упорядоченная совокупность средств труда, обеспечивающих в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства автоматизацию технологических операций и автоматизацию перестройки на новую продукцию в пределах физических возможностей системы, а также оптимальное управление технологическими операциями с целью повышения потребительских свойств выпускаемой продукции за счет ее своевременного обновления.
Однако ни это, ни другие известные определения не дают исчерпывающего описания таких сложных систем, какими являются ГПС. Стратифицированное представление ГПС позволяет на основе системного анализа дать наиболее полную и обстоятельную трактовку этого понятия.
Число страт, а также их выбор может быть любым, это зависит от постановки задачи. Впрочем, описание ГПС на молекулярном уровне вряд ли может для кого-то представлять интерес. Поскольку мы рассматриваем производственную систему, то естественно предположить, что существенными для исследования являются страты, интерпретирующие экономические и технологические аспекты ГПС. Кроме того, анализ ГПС показывает, что между экономической и технологической стратами следует расположить еще две по следующей схеме «экономика → функции → структура → технологические процессы» (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Схема формирования гибкости производственной системы
Нижняя страта позволяет описать физические процессы, происходящие в гибкой производственной системе при переработке вещества и информации и использовании энергии для получения конечного продукта в заданное время и с заданными характеристиками. Здесь описание ГПС детализируется, конкретизируется ее поведение. На верхней страте — страте экономических факторов в более широком контексте — определяется значение всей ГПС с позиций главных целей производственной системы. Экономические факторы обусловливают функциональные свойства системы, которые, в свою очередь, доминируют над структурой ГПС. От структуры ГПС зависят характер и особенности технологических процессов.
Экономические признаки гибкости. На страте экономических факторов рассматривается эластичность, гибкость производства, определяемая природой хозяйственного механизма. Значение исследований экономических признаков гибкости в условиях полного хозяйственного расчета и самофинансирования возрастает. Здесь мы приведем сформулированные В. Немчиновым признаки гибкости, которые связаны с предпосылками приближения цен к стоимости:
совпадение производства и потребления в целом и по отдельным продуктам;
пропорциональное развитие отдельных производств;
покрытие друг другом спроса и предложения.
Содержание понятия гибкости на экономической страте определяет возможности вовлечения в производство дополнительных ресурсов, изменения функций производственной системы, а также ее структуры. Вовлечение в производство дополнительных ресурсов, например дополнительного оборудования, создание новых мощностей не всегда оправдано. Поэтому возрастает экономическое значение использования фиксированных ресурсов производства, обеспечивающих его гибкость по отношению к выявленному платежеспособному спросу. Такую ситуацию можно обеспечить определенным запасом гибкости, который выражается в функциональных возможностях производственной системы.
Функциональные признаки гибкости. Одним из первых признаков, относящихся к функциональной гибкости производственных систем, следует назвать универсальность. Она обеспечивается соответствующей структурой ГПС и тем набором технологических операций, которые заложены в систему. Кроме того, в многомашинной системе универсальность определяется набором различных последовательностей операций. Предположим, что в системах 1 и 2 могут выполняться три вида операций: А, В, С. Система 1 может производить операции только в технологической последовательности АВС, а система 2 способна производить операции в технологических последовательностях АВС, ВСА, САВ, ВАС. Таким образом, можно утверждать, что система 2 более гибкая, чем система 1, а производственная гибкость определяется не только набором всех операций, но и набором их последовательностей. Универсальность как составляющая функциональной гибкости имеет пределы, обусловленные физическими возможностями системы.
Существенным признаком функциональной гибкости является адаптивность управления, которая обеспечивает выполнение технологической операции по заданной программе в условиях неполной априорной информации об управляемом процессе, а также работу системы в условиях изменения самой программы, причем когда стратегия изменения программы заранее неизвестна. Этот признак обеспечивается возможностями управляющих вычислительных машин, средствами автоматики и др.
Свобода в выборе программного обеспечения также характеризует гибкость функционирования ГПС. Этот признак, отражающий способность перестраиваться при произвольном (в определенных пределах) изменении вида продукции, обеспечивается операционной системой управляющего вычислительного комплекса.
Необходимо выделить и такой важный функциональный признак, как способность оптимизировать производственный процесс, в том числе и в случае непредвиденных ситуаций. Этот признак обеспечивается математическим моделированием. Поскольку в практике чаще всего встречаются стохастические задачи, одним из основных средств их решения для ГПС могут быть методы теории массового обслуживания.
В качестве признака функциональной гибкости можно назвать возможность выполнения произвольной операции на нескольких позициях одновременно, что обеспечивается соответствующим набором универсального оборудования.
Далее отметим мобильность (свободу) транспортных средств в выборе позиции, что достигается за счет их автономности в применении вычислительной техники.
Таким образом, функциональные признаки отражают прежде всего информационные процессы в гибких производственных системах.
Интегральным признаком функциональной гибкости является возможность работать в изменяющихся условиях без участия человека, что обеспечивается системой внутреннего планирования и управления материальными потоками посредством ЭВМ, а также автоматическими средствами технологического оснащения. Этот признак отражает в себе концепцию так называемого «безлюдного производства», которую, разумеется, следует понимать в относительном смысле, имея в виду вытеснение человека из сферы исполнительно-технологических функций.
Выбор и обоснование функциональных (и других) признаков гибкости производственных систем должны производиться по принципам необходимости и достаточности. Такой подход страхует от многих просчетов. Так, функциональный признак «контроль и диагностика» работы ГПС является необходимым, но не достаточным, поскольку он является обязательным и для других производственных систем, например автоматических поточных линий. Вопрос о количественных критериях гибкости производственных систем, несмотря на отдельные попытки его решения, пока остается открытым.
Структурные признаки гибкости. Обобщенная структура ГПС (рис. 2.10) включает в себя гибкие производственные модули (ГПМ), представляющие собой программно-управляемое технологическое оборудование, способное работать в составе системы. Автоматические транспортные модули (АТМ) обеспечивают обслуживание ГПМ, доставляя на них предметы труда из складской системы (СС) и возвращая в нее продукцию или осуществляя обмен предметами труда между ГПМ. Складская система также хранит набор сменной оснастки, необходимой при перестройке ГПС на выпуск новой продукции. Оснастка доставляется к ГПМ посредством автоматического транспортного модуля. В состав ГПС могут также входить промышленные роботы в качестве вспомогательного, обслуживающего оборудования. Кроме того, имеется тенденция использовать в ряде случаев промышленные роботы как гибкие производственные модули. Работу всех элементов системы координирует автоматизированная система управления (АСУ), в состав которой входят центральная ЭВМ и вычислительная техника, обеспечивающая внутримодульное управление.
Рис. 2.10. Схема гибкой производственной системы
Определенные возможности по обеспечению гибкости заключает в себе и иерархичность управления ГПС ввиду отсутствия необходимости пропускать очень большие потоки информации через один пункт управления. Иерархическая структура управления гибкими производственными системами позволяет экономить затрачиваемые ресурсы за счет предоставления элементам нижних уровней некоторой свободы выбора их собственных решений.
Элементы верхнего уровня, хотя и обусловливают целенаправленную деятельность элементов нижних уровней, управляют ею не полностью. Таким образом, происходит рациональное распределение усилий по принятию решений между элементами различных уровней. Из этого также следует, что иерархичность как структурный признак вступает в определенные взаимоотношения с признаками на функциональной страте, например, с такими как оптимизация производственного процесса. Иерархичность ГПС рассматривается и в более широком смысле, например, как технологическая компоновка системы, включающая центральные склады и промежуточные накопители.
Структурная гибкость предполагает также перестройки, которые затрагивают технологическую компоновку и конструктивные связи всей системы или ее отдельных элементов. К ним, в частности, относятся:
переналадка для обработки новой детали в пределах заданной номенклатуры;
перестройка для выпуска новой продукции;
перестройка в случае непредвиденных ситуаций, например при выходе из строя части оборудования.
Такие перестройки сопровождаются сменой оснастки, изменением количества оборудования, занятого в технологическом процессе, изменением его компоновки, сменой видов производственных механизмов.
Характерными структурными признаками ГПС являются модульность оборудования, разветвленность транспортных коммуникаций, резервирование оборудования.
Разумеется, перечень экономических, функциональных и структурных признаков ГПС можно продолжить. Однако рассмотренные здесь признаки в достаточной мере иллюстрируют предлагаемый подход к описанию гибких производственных систем.