Система оперативного управления поточно — групповым производством

Сложность и динамизм современного общественного производства, происходящая в мире научно-техническая революция предопределяют объективную необходимость перехода экономики страны к принципиально новым организационно-хозяйственным формам и методам. Повышение экономической эффективности общественного производства должно органически сочетаться с необходимостью дальнейшего совершенствования организации производства и управления.

Наибольшее повышение эффективности общественного производства может быть достигнуто за счет автоматизации как процессов производства, так и процессов управления. Поэтому основными направлениями экономического и социального развития страны долгие годы являлись [13,19]: широкое внедрение гибких переналаживаемых производств на базе группового производстваразработка систем автоматизированного проектированиясоздание машин и оборудования со встроенными средствами микропроцессорной техникивнедрение многооперационных станков с числовым программным управлением.

К сожалению, экономическая ситуация, сложившаяся в России, привела к спаду производства. Поэтому в настоящее время в сферу развития основных отраслей российской промышленности положена ориентация на инновационную модель, актуальными становятся проблемы создания автоматизированных систем управления первичными производственными системами.

Для повышения качества управления и уровня автоматизации процессов проектирования новой продукции и технологии необходимо последовательно повышать организационную и технологическую гибкость производства, внедрять автоматизированные системы в различные сферы производства, и в первую очередь в проектирование, управление оборудованием и технологическими процессами [26,30,32,64]. Создать комплексно-автоматизированные производства, которые можно быстро и экономично переналаживать [23,92].

Важным этапом в их создании является развитие теории группового производства, являющейся основой организации автоматических технологий [61,79]. На первом Международном семинаре по групповой технологии в 1969 году групповая технология была провозглашена решающим шагом в области организации производства, сравнимым по своему значению с введением в начале двадцатого столетия поточного производства. На первой международной конференции по гибким автоматизированным производствам в Брайтоне в 1982 г. отмечалось, что групповая организация производства должна стать базой для создания автоматических предприятий.

Групповое производство в настоящее время принято за организационную основу создания гибких автоматизированных производств и применяется во многих индустриально развитых странах: США, Англии, ФРГ, Японии, Франции, Италии, Швеции, Австралии [19,23].

Групповое производство обладает очевидными преимуществами, которые проявляются в рациональном сочетании технической, технологической и организационной сторон производственного процесса, и являются по существу организационно-технологической предпосылкой формирования и внедрения гибких производственных систем (ГПС). Но, формируя гибкую производственную структуру предприятий, необходимо ориентировать их на потенциально-допустимые типы поточных линий. Решение этого вопроса зависит от правильности выбора методик расчета параметров поточной линии.

Одной из важнейших задач, решаемых при создании групповых поточных линий (ГПЛ), является задача автоматизации их оперативного управления, ядром которой в свою очередь является формирование календарных запусков рабочих мест.

В условиях рыночной экономики предприятия вынуждены постоянно обновлять номенклатуру выпускаемых изделий. По прогнозам специалистов прирост производства в промышленности увеличится на 10 -20% к 2010 году. Намечаемое оживление в развитии промышленного производства в России приводит к необходимости решения целого ряда проблем совершенствования планирования и управления производственными объектами, одной из которых является проблема совершенствования систем управления первичными производственными подразделениями, в том числе групповыми поточными линиями.

Среди задач планирования и управления задачи календарного планирования относятся к числу наиболее сложных задач внутризаводского планирования [35,50]. Но вместе с тем, от качества календарных план-графиков работы цехов и их производственных участков зависит ритмичность выпуска продукции, время простоев оборудования, объем незавершенного производства, себестоимость изготовления продукции. Особенно сложным является календарное планирование в условиях предприятий с серийным и мелкосерийным типом производства, удельный вес которого в общем объеме производства неуклонно растет.

Наиболее совершенной формой представления оперативно календарного плана является расписание работы первичной производственной системы, обеспечивающее экономически оптимальное взаимодействие людей, средств производства и предметов труда в пространстве и во времени [20,48,98]. Однако, несмотря на большое количество работ в этой области, выполненные как у нас в стране, так и за рубежом, до настоящего времени нет универсального метода построения такого расписания работы. Это объясняется сложностью и большой размерностью задачи, что ведет к многовариантности ее решения. У нас в стране среди работ, посвященных этой проблеме, следует выделить труды Валькова А. С., Дудорина В. И., Митрофанова С. П., Парамонова Ф. И., Петрова В. А., Шубкиной И. П., а за рубежом — Беллмана Р., Джонсона С. И., Конвея Р. В. и др.

Остро проблема составления расписания встает и в условиях группового производства, а также развивающихся на их основе и внедряемых в производство гибких производственных систем (ГПС), так как по данным литературных источников простои ГПС обходятся в 8−10 раз дороже простоя обычных производственных подразделений [19,92].

Выбор ГПЛ в качестве объекта исследования обусловлен тем, что для условий серийного и мелкосерийного типа производства они являются наиболее эффективной формой организации производства, что подтверждается их использованием на ведущих предприятий передовых зарубежных стран.

В связи с этим встает проблема обеспечения их наиболее эффективного функционирования, как за счет повышения технико-организационных характеристик, так и за счет повышения качества управления.

В качестве основных задач, от решения которых в значительной мере зависит эффективность работы ГПЛ, многие авторы выделяют задачи оперативно-календарного и оперативно-производственного планирования [26,71,90].

К методам их решения предъявляется ряд специфических требований:

— методы построения расписания работы ГПЛ должны позволять получать оптимальные или близкие к ним решения на всех этапах планирования и управления;

— время на получение решения на этапе оперативного управления работой ГПЛ используемым методом должно быть минимальным;

— методы должны позволять строить расписания работы, начиная с любого рабочего места и любой обрабатываемой партии деталей.

Поскольку такие методы в современных условиях должны базироваться на автоматизации решения задач календарного планирования, целью настоящего исследования является разработка автоматизированной системы оперативного управления первичными производственными системами на базе групповых поточных линий. Цель диссертационной работы определила комплекс решаемых в ней задач:

— выбор критерия оптимальности и формирование целевой функции задачи оптимизации расписания работы рабочих мест ГПЛ;

— анализ методов формирования расписания рабочих мест ГПЛ и разработка на их основе комплексного метода оптимизации расписаний, позволяющего получать оптимальные решения как при неизменной, так и при произвольной очередности запуска партий деталей на различных рабочих местах;

— систематизация возмущающих воздействий процесса производства и разработка на ее основе общего контура автоматизированной системы оперативного управления поточно — групповым производством;

— разработка программно — алгоритмического обеспечения для решения задач контура управления автоматизированной системы оперативного управления поточно — групповым производствомобоснование и разработка информационной базы данных, обеспечивающей эффективное функционирование представленной автоматизированной системы оперативного управления объектом.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Во введении сформулирована и обоснована цель диссертационного исследования и определен комплекс решаемых в ней задач.

В первой главе изложен анализ проблемы формирования расписаний работы рабочих мест групповых поточных линий, являющихся ядром системы оперативного управления, в том числе, и автоматизированной системы управления групповыми поточными линиями [48,64,79,89]. В ней изложена общая характеристика ГПЛ как объекта диссертационного исследования, показано, что объективной закономерностью научно-технического развития явилось групповое производство, которое прошло в своем развитии три этапа. На первом этапе оно реализовывалось на технологической форме специализации первичных производственных систем. На втором этапе своего развития групповое производство основывалось на предметной форме специализации, что потребовало коренной перестройки сложившихся производственных структур многих машиностроительных предприятий. В результате на этом этапе своего развития групповое производство приняло форму групповых поточных линий. На третьем этапе групповое производство приняло форму гибких производственных систем, на которых автоматизированы как трудовые процессы, так и процессы оперативного управления. В результате на них имеет место комплексная автоматизация процессов производства. Организационной основой гибких производственных систем принято считать групповые поточные линии, и следовательно гибкие производственные системы представляют собой логическое развитие группового производства.

Поскольку основой оперативного управления первичными производственными системами, в том числе, групповыми поточными линиями являются расписания работы их рабочих мест, в этой же главе изложен анализ известных в специализированной литературе методов их формирования. Из существующих методов наиболее признанными являются: метод минимизации положительных смещенийаналитико-приоритетный методметод последовательного анализа вариантовметод ветвей и границметоды поиска локально-оптимальных решений комбинаторных задач.

Все множество этих методов дифференцировано на точные и приближенные. По результатам проведенного анализа[83,89,122] показано, что в условиях поточно-группового производства в основу решений задачи формирования расписания работы рабочих мест до сих пор наиболее целесообразным считалось закладывать приближенные методы, что диктовалось большой размерностью решаемой задачи и особенностями ее целевой функции, существенно снижающими эффективность точных расчетных схем. Но в то же время делается вывод, что постоянный рост вычислительных мощностей ЭВМ и успехи, достигнутые в области разработки и применения точных и гибридных комбинаторных методов, предопределяют дальнейший переход к точным методам решения анализируемой задачи.

Во второй главе формируется целевая функция задачи оптимизации расписания работы рабочих мест ГПЛ и приводится разработанный в ходе диссертационного исследования метод ее решения, получивший в данной работе название комплексного комбинаторного метода оптимизации расписания рабочих мест групповых поточных линий (оптимизации очередности запуска партий деталей на рабочих местах ГПЛ).

В ходе формирования целевой функции указанной задачи проводится анализ используемых на практике критериев оптимальности расписания рабочих мест ГПЛ, в качестве которых наиболее часто выступают: максимум загрузки оборудования, минимум отклонения от директивных сроков изготовления деталей, минимум затрат на переналадку оборудования, максимум использования трудовых ресурсов, минимум стоимости незавершенного производства, минимум длительности совокупного производственного цикла. По результатам проведенного анализа делается обоснованный вывод о том, что наиболее целесообразным является формирование целевой функции рассматриваемой задачи на основе последнего из приведенных критериев, так как он косвенным образом учитывает большинство показателей, отражающих эффективность процесса производства.

Разработанный в результате диссертационного исследования комплексный комбинаторный метод оптимизации очередности запуска партий деталей на рабочих местах ГПЛ представляет собой гибридную вычислительную процедуру, сочетающую в себе идеи нескольких методов дискретного программирования. Схема его расчетов заключается в последовательном выполнении трех автономных алгоритмов формирования расписания с передачей последовательно улучшаемых решений от одного алгоритма к другому: алгоритма случайного поиска, поиска на перестановочной решетке и поиска по схеме метода ветвей и границ. Смысл такой схемы расчетов заключается в генерировании для точного метода ветвей и границ начального заведомо хорошего (локально оптимального) решения. В результате существенно поднимается эффективность используемых в этом методе отсечений, что приводит к сокращению времени поиска глобально оптимального решения задачи. Описываются особенности алгоритма этого метода при отказе от принципа неизменной очередности запуска партий деталей одной номенклатуры на различных рабочих местах ГПЛ и при учете в общем времени производственного цикла профилактических и регламентных работ.

Основные преимущества предлагаемого метода по сравнению с известными сводятся к следующему.

Во-первых, в отличие от получивших распространение эвристических методов оптимизации очередности обработки партий деталей предлагаемый метод является точным и, таким образом, обеспечивает нахождение глобального оптимального решения.

Во-вторых, разработанный метод позволяет решать задачу оптимизации расписаний как с неизменной, так и с произвольной очередностью обработки деталей на различных рабочих местах ГПЛ.

В-третьих, при оптимизации очередности обработки партий деталей приведенным методом одновременно с расчетом очередности проводится построение самого расписания работ, что позволяет уменьшить время на решение этой задачи.

В-четвертых, приведенный метод позволяет формировать расписание работ, начиная с любого рабочего места ГПЛ, не изменяя расписания работ на предыдущих операциях, что делает этот метод более гибким по сравнению с существующими.

В третьей главе диссертационного исследования описаны общий контур предлагаемой автоматизированной системы управления групповыми поточными линиями и алгоритмы функционирования каждого из ее блоков.

Этот контур включает в свой состав следующие блоки (модули):

— формирование номенклатурного плана запуска деталей в обработку на.

ГПЛ;

— расчет загрузки оборудования;

— формирование модели производственного процесса на очередной шаг управления;

— формирование расписаний работы рабочих мест групповых поточных линий на очередной шаг управления;

— учет и анализ хода производства при функционировании ГПЛ.

В блоке формирования номенклатурного плана запуска деталей в обработку рассчитывается оптимальная партия и периодичность запуска деталей в обработку по критерию минимума совокупной длительности производственного цикла (обоснование которого рассмотрено во второй главе). В блоке расчета загрузки оборудования после определения состава рабочих мест осуществляется расчет оптимальных значений коэффициентов загрузки каждого рабочего места, исходя из рассчитанных для него текущего фонда времени и трудоемкости обработки заданной для данного рабочего места номенклатуры деталей. В блоке формирования модели производственного процесса на очередной шаг управления производится расчет матрицы трудоемкости обрабатываемых деталей с учетом оптимальной очередности их запуска, которая определяется при помощи предложенного автором комплексного комбинаторного метода оптимизации работы рабочих мест ГПЛ. Формирование расписаний работы рабочих мест групповых поточных линий производится на основе разработанной модели производственного процесса, учитывающей смещения времен начала обработки партий деталей на подающем и принимающем рабочих местах, совмещенной с календарем планируемого периода [79]. В блоке учета и анализа хода производства на ГПЛ выявляются отклонения по различным параметрам от запланированного объема работ за истекший шаг управления.

В четвертой главе представлено разработанное в ходе диссертационного исследования информационное обеспечение системы оперативного управления групповыми поточными линиями. Выявлены исходные предпосылки формирования ее информационной базы. Разработана классификация данных, требующихся для поддержания эффективной работы системы. Разработаны концептуальная, логическая и физическая модели информационного обеспечения.

Разработанная концептуальная модель информационной базы данных системы управления ГПЛ учитывает специфику поточно — группового производства и определяет связи и направление потоков информации между информационными объектами базы данных автоматизированной системы оперативного управления ГПЛ, в качестве которых выделены блоки исходной и рабочей информации.

Предложенная концептуальная модель обладает свойством стабильности даже при изменении логической и физической структуры информационной базы.

Разработанная логическая структура базы данных отражает объекты системы и логические взаимосвязи между ними. Физическая модель представляет способ организации данных на магнитных носителях.

В этой же главе определен состав информации, подвергающейся корректировке под воздействием возмущающих факторов внешней и внутренней среды рассматриваемого контура управления. Разработана принципиальная схема системы внесения изменений в информационную базу и учета этих изменений в алгоритмах задач, решаемых на этапе функционирования автоматизированной системы оперативного управления ГПЛ. Представлены примеры алгоритмов по внесению изменений в созданную информационную базу системы.

Представлено также внешнее информационное обеспечение, при этом определен состав входных и выходных форм документов, требования, предъявляемые к ним.

В заключении отмечается научная новизна и основные результаты работы. К основным полученным в диссертационном исследовании научным результатам относятся:

— обоснование групповых поточных линий, как одной из наиболее перспективных форм организации производства в условиях серийного и мелкосерийного производства;

— обоснование тезиса о том, что одним из сдерживающих факторов широкого внедрения групповых поточных линий в практику работы машиностроительных предприятий является отсутствие оперативного управления, адекватно отвечающего специфике поточно-группового производства;

— разработка автоматизированной системы оперативного управления групповыми поточными линиями;

— разработка точного комплексного комбинаторного метода решения задачи формирования оптимального расписания работы рабочих мест ГПЛ;

— разработка комплекса алгоритмов реализации предлагаемой системы оперативного управления в автоматизированном режиме;

— разработка информационного обеспечения предлагаемой автоматизированной системы оперативного управления групповыми поточными линиями.

Полученные результаты имеют теоретическую и практическую значимость.

Их теоретическая значимость выражается в том, что они развивают теорию организации и управления серийного и мелкосерийного производства за счет широкого внедрения поточно-группового производства. Его внедрение в современных условиях возможно лишь на путях разработки комплексно-автоматизированной системы оперативного управления, предлагаемой в диссертации.

Практическая значимость полученных результатов выражается в том, что они могут быть использованы при внедрении в производство поточногрупповых методов его организации, в том числе и при создании гибких производственных систем, предусматривающих автоматизацию как трудовых, так и управленческих процессов.

Выводы к главе 4.

1. Одним из важнейших аспектов создания автоматизированной системы оперативного управления групповыми поточными линиями является ее информационное обеспечение.

2. В основу формирования информационного обеспечения разрабатываемой системы положена классификация информации.

3. С целью классификации всей информации, необходимой для автоматизации замкнутого контура оперативного управления групповыми поточными линиями, потребовался алгоритмический и информационный анализ всего комплекса решаемых в системе задач. В результате этого выявлена вся совокупность данных для их решения.

4. В результате информационного анализа определена следующая группа базы данных, включающая в свой состав следующую информацию:

• относящуюся к всей возможной совокупности управления групповопоточной линии;

• характеризующую каждую конструктивно-технологическую группу деталей, на обработке которых специализируется каждая групповая поточная линия;

• учитывающую фактическое выполнение расписаний работы рабочими местами каждой групповой поточной линии.

5. Для принятой структуры информационных массивов данных сформированы логическая, физическая и концептуальная модели формируемой информационной базы данных.

6. Для формируемой информационной базы определен состав и разработаны формы входных и выходных документов автоматизированной системы оперативного управления групповыми поточными линиями.

7. Доказан динамизм управляемого объекта, определяемый постоянным потоком конструктивных и технологических изменений, а также изменениями организационных условий производства.

8. Проведена классификация всего комплекса изменений, которые необходимо вносить в информационную базу при функционировании автоматизированной системы оперативного управления групповыми поточными линиями.

9. Разработана система внесения потока изменений в информационную базу при функционировании предлагаемой системы управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основными полученными в диссертационном исследовании результатами являются:

1. Обосновано, что наиболее совершенной формой организации серийного производства на авиационных предприятиях следует считать групповое производство, удельный вес которого на них может составить до 85%. Поскольку удельный вес поточно-группового производства в рассматриваемых условиях достаточно высок, в диссертации предлагается автоматизированная система оперативного управления поточно-групповым производством, которая может найти широкое применение при переходе предприятий на эту форму организации производства.

2. Обосновано, что широкое внедрение и развитие поточно-группового производства возможно только при условии автоматизации его оперативного управления.

3. Разработана автоматизированная система оперативного управления групповыми поточными линиями, представляющая собой конкретную форму проявления поточно-группового производства.

4. Разработан замкнутый контур автоматизированной системы оперативного управления групповыми поточными линиями, включающий в свой состав следующие блоки: моделирование производственных процессовформирование расписания работы рабочих мест на текущий шаг управленияучет и анализ фактического выполнения расписания работы рабочих мествнесение изменений в информационную базу с целью адекватного информационного отображения фактического состояния управляемого объекта.

5. Доказано, что в основу формирования рациональной системы оперативного управления необходимо принимать модель процесса производства на групповых поточных линиях, устанавливающую взаимосвязь между ресурсами ГПЛ, параметрами производственного процесса и внешними управляющими воздействиями.

6. Предложен точный комплексный комбинаторный метод оптимизации расписания работы рабочих мест ГПЛ, позволяющий получать глобально-оптимальные решения как при неизменной, так и при произвольной очередности запуска партии деталей на различных рабочих местах.

7. Достигнута временная регламентация работ на ГПЛ при реализации комплекса задач формирования расписания рабочих мест при их равномерной загрузке в процессе функционирования групповой поточной линии.

8. Разработана классификация возмущающих воздействий на объект управления при его функционировании.

9. Разработана информационная модель предлагаемой системы оперативного управления групповой поточной линии.

10. Сформированы логическая, физическая и концептуальная модели формируемой информационной базы данных автоматизированной системы оперативного управления ГПЛ.

11. Разработана система внесения изменений в информационную базу, порождаемых конструктивными изменениями, изменениями в технологии производства, а также изменениями организационных условий при функционировании управляемого объекта.

12. Разработано программное обеспечение предлагаемой автоматизированной системы оперативного управления групповыми поточными линиями. Предлагаемая в диссертации система оперативного управления может найти широкое практическое применение не только в условиях поточно-группового производства, но и гибкого автоматизированного производства.