Применение объектно-ориентированных технологий при моделировании высокоавтоматизированных производственных систем

Особенностью функционирования современных предприятий является формирование портфеля заказов из единичных, часто не повторяющихся заказов. Повышению конкурентоспособности предприятия способствует внедрение IT-технологий, обеспечивающих безбумажную технологию передачи информации – от заявки на участие в тендере до конструкторской и технологической документации на изделие и управления процессом его изготовления. Это приводит к необходимости применения высокоавтоматизированных систем. Они включают такое технологическое оборудование, как станки с ЧПУ и компьютерно управляемые комплексы, входящие в гибкие производственные системы.

В работе решаются вопросы проектирования таких производственных систем.

Проектирование, как осознанная целенаправленная деятельность, обладает определённой структурой, то есть последовательностью и составом стадий и этапов разработки проекта, совокупностью процедур и привлекаемых технических средств, взаимодействием участников процесса [3].Согласно ГОСТ2.118-73[1] проектирование состоит из следующих стадий: техническое задание; техническое предложение; эскизный проект; технический проект; рабочее проектирование; опытный образец; испытания и доводка; серийное проектирование.

Для проектирования гибких производственных систем (ГПС) последние три стадии отсутствуют [5]. В виду сложности выполняемых расчетов на многих стадиях применяется компьютерное моделирование.

На данные момент отсутствуют инструмен ты, охватывающие все этапы проектирования Шамаев Сергей Юрьевич, преподаватель кафедры систем автоматизации производства.

ГПС, а существующие инструменты для моделирования ГПС характеризуются:

– универсальностью, что не позволяет учитывать специфику машиностроительного производственного процесса;

– узкой специализацией, что не позволяет рассматривать проектные решения, не предусмотренные разработчиками инструментов.

Возникает актуальная проблема – создание и внедрение новых подходов и инструментария для разработки технического предложения при проектировании гибких производственных систем.

Поэтому целью данной работы является: повышение эффективности проектирования ГПС на основе использования современных методов моделирования и инженерного анализа.

Для достижения цели решены следующие задачи:

• -    разработка формализованного описания производственных процессов механической обработки заготовок;

• -    разработка алгоритма моделирования работы ГПС;

  – программная реализация среды инженерного анализа.

Для решения поставленных задач использовались объектно-ориентированные технологии [4, 6, 8].

Объектно-ориентированный подход основан на систематическом использовании моделей для языково-независимой разработки программной системы [4]. В формулировке цели участвуют предметы и понятия реального мира, имеющие отношение к разрабатываемой программной системе. При объектно-ориентированном подходе эти предметы и понятия заменяются их моделями, то есть определенными формальными конструкциями, представляющими их в программной системе.

Модель содержит не все признаки и свойства представляемого ею предмета, а только те, кото- рые существенны для разрабатываемой программной системы. Тем самым модель «беднее», а, следовательно, проще представляемого ею предмета. Но главное в том, что модель есть формальная конструкция: формальный характер моделей позволяет определить формальные зависимости между ними и формальные операции над ними. Это упрощает как разработку и изучение (анализ) моделей, так и их реализацию на компьютере. В частности, формальный характер моделей позволяет получить формальную модель разрабатываемой программной системы, как композицию формальных моделей ее компонентов.

Таким образом, объектно-ориентированный подход помогает справиться с такими сложными проблемами, как уменьшение сложности программного обеспечения; повышение надежности программного обеспечения; обеспечение возможности модификации отдельных компонентов программного обеспечения без изменения остальных его компонентов; обеспечение возможности повторного использования отдельных компонентов программного обеспечения.

Непосредственно для проектирования объектно-ориентированных моделей применялся UML – графический язык моделирования общего назначения, предназначенный для спецификации, визуализации, проектирования и документирования всех артефактов, создаваемых при разработке программных систем [6].

Основные преимущества UML: методы описания результатов анализа и проектирования семантически близки к методам программирования на современных объектно-ориентированных языках; позволяет описать систему практически со всех возможных точек зрения и разные аспекты поведения системы.

В основе моделирования лежат диаграммы. В работе использованыследующие диаграммы: диаграмма классов, которая описывает структуру системы, показывая её классы, их атрибуты и операторы, а также взаимосвязи этих классов; диаграмма компонентов, которая показывает разбиение программной системы на структурные компоненты и связи (зависимости) между компонентами; диаграмма состояний, аналогичная диаграмме состояний из теории автоматов [6].

При формализации описания производ- ственной системы на примере механической обработки заготовок выделим следующие основные подсистемы:

• -    автоматизированная транспортно-складская система, состоящая из склада заготовок и транспортных средств; функции: хранение заготовок, обеспечение станков заготовками, средствами транспортировки заготовок со склада к станкам и обработанных заготовок со станков на склад;

• -    обрабатывающая система, состоящая из станков типа «обрабатывающий центр», приста-ночных накопителей и магазинов инструментов; функция: выполнение технологического процесса по обработке заготовок;

• -    автоматизированная система инструментального обеспечения, состоящая из склада инструментов и транспортных средств; функции: хранение инструмента, обеспечение заявок станков на инструмент, средства транспортировки инструмента со склада к станкам, между станками и со станков на склад.

Процесс формализации модели производственной системы представим в виде следующей последовательности (рис. 1): выделение функционально-значащих объектов в системе, оформление объектов в виде классов; выделение функционально-значащих параметры объектов, оформленных в виде полей класса; определение действий, которые может выполнять объект, оформление их в виде методов класса; оформление полученных объектов в виде UML-классов; генерация UML-классов в виде программных классов.

ПолученнаяUML-модель производственной системы представлена на рис. 2.

Укрупненный алгоритм моделирования производственной системы включает следующие этапы (рис. 3).

Этап 1. Предварительный этап, состоящий из следующих действий:

• –    ввод исходных данных: данные по оборудованию и заготовкам, сменное задание;

• –    инициализация объектов, обнуление переменных, начальных значений.

Этап 2. Формирование и размещение сменного задания на складе заготовок, согласно одному из алгоритмов:

• 1)    по очереди (порядок добавления в смен-

  

  Рис. 1. Процесс выделения объектов и генерация шаблона класса на основании UML

  
  
  

  Рис. 2. UML – модель производственной системы

  
  
  

  Рис. 3. Алгоритм моделирования работы гибкой производственной системы

  
  

ное задание);

• 2)    минимальное время обработки;

• 3)    максимальное время обработки;

• 4)    ближе всего к станку;

• 5)    предварительно распределив между станками.

Установим критерии размещения сменного задания (СЗ) на складе заготовок:

• -    коэффициент загрузки оборудования,

• -    время выполнения сменного задания;

Т0 – фактическое время работы (время, ког- да закончил работу последний станок, и заготовка перемещена на склад);

• -    размещение заготовок в позициях, близких к соответствующим станкам.

• 3.1.    Инициализация модельного времени.

• 3.2.    Формирование заявки, опрос объектов транспортно-складской системы.

• 3.3.    Опрос обрабатывающего оборудования.

Этап 3. Непосредственно процесс моделирования, состоящий из стадий.

С определенной дискретностью происходит опрос объектов системы (проверка и смена текущих статусов). Время увеличивается после каждой итерации, по умолчанию принимается интервал, равный 1 секунде.

Опрашиваются все транспортные средства (ТС). Если есть еще необработанные заготовки и простаивающее ТС, то соответствующее транспортное средство выделяется.

Далее выполняется процесс выбора обслуживаемого станка (ищется станок со свободными позициями в пристаночном накопителе), и, если он возвращает значение, не равное нулю, то на обслуживание выбирается станок с этим номером.

Происходит смена статуса у транспортного средства, оно переходит в состояние движения на склад за заготовкой, рассчитывается время нахождения в данном состоянии, равное времени движения с текущего положения до соответствующей позиции заготовки на складе.

Если в данный момент времени происходит окончание какого-либо события, анализируется текущий статус, и по таблице смены статусов и событий выбирается новый статус, транспортное средство переходит в следующее состояние, рассчитывается время нахождения в этом состоянии.

Опрашиваются все станки. Процесс опроса, смены статусов и времени нахождения в соответствующем состоянии выглядит аналогично опросу транспортных средств. После того, как закончится обработка заготовки на станке, значение необработанных заготовок уменьшается на единицу.

• 3.4.    Проверка условия окончания моделирования работы гибкой производственной системы.

• 3.5.    Анализ результатов моделирования работы.

Моделирование прекращается, как только обработаны все заготовки, и на склад поступит последняя обработанная деталь.

Рассчитываются время работы оборудования, время простоев, собирается статистическая информация, строятся графики и диаграммы.

В основе программной реализации среды инженерного анализа«FMSPC» лежит разработанная объектно-ориентированная модель производственной системы.Реализация осуществлена в системе программированияDelphi [7].

Программа состоит из следующих модулей:

• -    модуль расчета числа станков, исходные данные:технологические процессы заготовок из базы данных деталей и производственная программа;

• -    модуль расчета емкости складов, исходные данные: число станков, данные о недогрузки оборудования, технологические процессы заготовок из базы данных деталей, база данных инструмента;

  – модуль разработки предварительной планировки, исходные данные: геометрические размеры оборудования, складов, станков;

• -    модуль моделирования.

Примеры экранных форм с результатами работы приведены на рис. 4–6.

Рис. 4. База данных заготовок

Рис. 5. Результаты расчета размеров складов заготовок и инструмента

Рис. 6. Сводные сведения о работе

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

• 1.    Модели, созданные в универсальных системах имитационного моделирования, вынуждают абстрагироваться от конкретных характеристик систем, что делает невозможным их применение для моделирования работы гибкой производственной системы на заданных уровнях иерархии.

• 2.    Разработано математическое обеспечение и формализованное описание процесса функционирования ГПС на уровне технологического перехода.

• 3.    Разработан алгоритм моделирования работы гибкой производственной системы с использованием дискретно-событийного метода.

• 4.    Применение программного средства возможно в качестве инструментаинженерного анализа при проектировании ГПС за счет многократного прогонамоделирования работы ГПС и изменения параметров объектов на итерациях при принятиирешения об оптимальных значениях параметров ГПС.

  
  
  
  
  

• 3.

• 4.

• 6.

• 7.