Общие принципы проектирования автоматизированных систем

Тема 2. Общие принципы проектирования автоматизированных систем Структуры автоматизированных систем Структуру автоматизированных систем (АС) определяет совокупность элементов (подсистем) с устойчивыми связями между ними, отражающими единство их противоположных сторон: расчлененности и целостности. В качестве главных подсистем АС выделяют исполнительную и информационно-управляющую системы. Исполнительная система реализует технологические процессы и включает в себя технологическое оборудование, транспортные средства, склады-накопители, контрольно-измерительный комплекс, различное вспомогательное оборудование. Информационно-управляющая система осуществляет функцию оперативного планирования, управление оборудованием, диагностику отказов, контроль качества продукции. Ее информационная часть обеспечивает хранение и выдачу информации, необходимой для автоматизированного проектирования и производства продукции заданной номенклатуры, а также используется в качестве источника сведений и сигналов обратной связи для управляющей части системы. В совокупности исполнительная и информационно-управляющая системы реализуют единый автоматизированный производственный Т-поток материалов, инструмента и информации, характеризующийся следующей трехпотоковой структурой: T = {Д, И, П}, (2.1) где Д – поток материалов, заготовок, деталей; И – поток инструментов (инструментальной среды); П – программно-информационный поток. Фрагмент схемы Т-потока представлен на рис.2.1. Рис. 2.1. Схема фрагмента автоматизированного производственного Т-потока Согласно схеме материалы, заготовки, инструмент доставляются на агрегаты (станки) АС посредством транспортных средств. Далее с помощью манипуляционных устройств осуществляется снятие и установка заготовок, смена инструмента, позиций, а в ряде случаев производится изменение положения объекта непосредственно в рабочем пространстве станка, например, в поворотном устройстве, установленном на шпинделе, без останова вращения последнего. В рабочей зоне оборудования производится обработка объекта по программе, задаваемой системой управления, реализующей П-поток. Контроль качества обработки может осуществляться непосредственно в рабочем пространстве агрегата (станка) АС или в отдельной измерительной позиции, в которую объект перемещается манипуляционной системой. Автоматизация предполагает выполнение всех рабочих и вспомогательных операций без участия человека. Затраты времени на вспомогательные операции, несовмещенные с рабочими операциями, наряду с «планируемыми» простоями являются для оборудования АС потерями времени и должны учитываться с целью их возможного сокращения. Для этого в качестве оценки степени автоматизации АС вводится коэффициент автоматизации в виде отношения времени автоматически выполняемых операций ко всему циклу времени нахождения объекта на АС: , (2.2) где tai - время автоматической работы оборудования на i-й операции; Тj – время нахождения объекта на j-м агрегате (станке, участке) АС. Время ΣТj включает в себя также затраты времени на перенастройку оборудования с выпуска одного вида продукции на другой, если ее не удается полностью автоматизировать посредством программного обеспечения управляющей системы и соответствующих устройств рабочих органов оборудования системы. Затраты времени на перенастройку в сочетании с номенклатурой выпускаемой продукции определяют степень гибкости АС. Гибкой можно считать АС (ГАС), если она обеспечивает выпуск любой продукции заданного класса выпускаемой продукции (характеризующейся определенной технологической сложностью, качеством, объемом серий, общей номенклатурой выпуска)посредством автоматической перенастройки технологии и соответствующего управления за некоторый приемлемый промежуток времени, не выходя из заданного значения коэффициента технического использования оборудования. Функции автоматизированных систем Функции и место АС в комплексной автоматизации можно характеризовать схемой, изображенной на рис. 2.2. Рис. 2.2. Схема соотношения показателей «номенклатура выпускаемой продукции - n» и «объем ее годового выпуска - m» в различных типах производств:1 – массовое производство (МП); 2 – крупносерийное производство (КСП); 3 – среднесерийное производство (ССП); 4 – мелкосерийное производство (МСП); 5 – единичное производство (ЕП). Области 1 – 5, характеризующие разные типы производств, определяют и функции создаваемых для них АС. Например, для массового и крупносерийного производства (области 1 и 2) используются АС в виде автоматических поточных линий с жесткой неизменной структурой. Для них главным отличительным производственным признаком является «малая номенклатура – высокая производительность». Данные АС реализуют мощный Д-поток заготовок и материалов. Поток инструментов (И-поток) в них, как правило, действует периодически – смена инструментов производится группами при остановленном Д-потоке (между сменами, в перерывах и т.п.). Программный П-поток структурно и конструктивно несложен ввиду полного отсутствия или нечастых и сравнительно простых перенастроек оборудования, которые связаны обычно с переходом на выпуск разных типоразмеров одной продукции или на выпуск объектов иных исполнений. При единичном (например, экспериментальном) производстве (область 5) номенклатура продукции постоянно меняется. Здесь широко используется программно-управляемое оборудование – станки и агрегаты с ЧПУ, обрабатывающие центры и т.п. Отличительный производственный принцип для ЕП: «большая номенклатура – невысокая производительность». Т-поток в ЕП не имеет устойчивых связей между составляющими его потоками Д, И, П, реализуемыми автономно с большой долей участия человека. Особое место в структуре рассматриваемых производств имеют серийные производства ССП и МСП (область 3 и 4). Они занимают промежуточное положение между областями 2 и 5 и могут соединить преимущества массового (высокая производительность) и единичного (большая номенклатура выпускаемой продукции) производств. Автоматизированные системы для них в полной мере реализуют Т-поток как гибкие автоматизированные производства с отличительным производственным признаком: «требуемая номенклатура – требуемая производительность». В этом состоит главная функция современных автоматизированных систем, если еще учесть, что свыше 80% мирового промышленного производства является серийным. Возвращаясь к рис. 2.2, следует отметить, что все соседние области, изображающие типы производств, пересекаются, а это свидетельствует о невозможности установления четких границ как между областями типов производств, так и между областями целесообразных применений гибких АС и традиционных средств автоматизации. Однако общая граница областей 2 и 3 в значительной мере определяет те классы выпускаемой продукции (по номенклатуре n и объему выпуска m), для которых наиболее целесообразно создание гибких автоматизированных систем со свойствами конвейерного массового производства и с полной реализацией Т-потоков. Организационные принципы создания автоматизированных систем: На создание АС все более существенное влияние оказывают идеи «системной организации», часть которых успешно используется при проектировании. Раскрытие содержания взаимосвязанных и взаимообусловленных принципов системной организации АС имеет научную ценность и практическую направленность. Располагая перечнем и иерархией этих принципов, можно более целенаправленно выполнять анализ проектных ситуаций, выделяя отдельные свойства систем, определять пути и средства повышения их эффективности. При формировании организационных принципов АС необходимо иметь в виду, что основными атрибутами этих систем являются их технологические функции – технологические возможности с их количественными и качественными характеристиками. В качестве основы формируемых принципов системой организации АС могут быть приняты: технологическая универсальность, самоорганизация и технико-экономические характеристики. Каждая из этих характеристик является интегральным принципом организации АС и базируется на принципах, находящихся на более низких иерархических уровнях. 1. Универсальность и самоорганизация Так, принцип универсальности выражается через полноту реализуемых системой функций и характеризует ее технологические возможности (технологический потенциал). С универсальностью технологического оборудования тесно связана степень завершенности обработки объекта (детали) на данном агрегате (станке). Количественно она оценивается коэффициентом kcd функциональной полноты оборудования по отношению к обрабатываемому объекту kcd = | fс∩ fd | / | fd | 0 ≤ kcd ≤ 1, (2.3) где fс – множество технологических функций, реализуемых агрегатом (станком); fd - множество подлежащих обработке попарно различимых элементов (поверхностей) объекта (детали). При kcd = 0 технологические возможности оборудования fс и технологические потребности fd объекта несовместимы (fс∩ fd = ø). Объект не может быть обработан на данном станке. При kcd= 1 технологические потребности объекта полностью совместимы с технологическими возможностями оборудования (fdfс) – возможна полная обработка (изготовление) объекта. При выполнении условия 0