МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СИСТЕМОЙ

Полезная модель относится к области автоматизации процессов управления и мониторинга производственных систем (ПС). Предлагаемая модель может быть использована в машиностроении и других областях промышленности для сокращения потребления материальных ресурсов и затрат на энергопотребление в процессе производства.
Сущность технического решения заключается в формировании управляющих воздействий на систему на основании непрерывной оценки возможности снижения материалоемкости и энергозатратности как производства, так и сопровождения продукции.
Под управляющими воздействиями понимается
скорректированное плановое задание и соответствующие ему привлекаемые ресурсы. Поиск наиболее приемлемого текущего варианта задания для производственной системы реализуется на основе сравнительного анализа вариантов изготовления выпускаемой продукции и соответствующих этим вариантам затрат материальных ресурсов и электроэнергии.
Известно устройство для моделирования процессов управления материальными ресурсами, описанное в [1]. Устройство моделирует поступление груза, его разгрузку и транспортировку к месту хранения, поступление заявки потребителя, выборку груза из ячеек хранения, транспортировку его и выдачу потребителям с регистрацией времени обслуживания.
Недостатком устройства [1] является функциональная ограниченность механизма регулирования, обеспечивающего формирование управляющих воздействий только в типовых ситуациях. Состояние объекта управления не анализируется.
Известно также устройство для управления производственным процессом ремонта машин, описанное в [2], позволяющее учитывать специфику производственных процессов, резерв времени и реальную обстановку на производстве. Устройство включает связанные через свои входы и выходы блоки памяти, где учитываются отклонения в ресурсах по трудозатратам, количеству оборудования, материалу, блоки анализа, где оцениваются и приводятся в соответствие с типовыми ситуациями текущие сигналы, и блоки формирования заданий, где происходит выбор оптимальных по времени способов регулирования производственного процесса в границах заданного функционального пространства.
В качестве недостатка вышеупомянутого устройства [2] можно отметить ограниченное количество параметров управления объемом и составом материальных ресурсов, а также отсутствие анализа их влияния на состояние системы.
Наиболее близкой по типу решаемой задачи и по технической сущности к заявленной является многоуровневая автоматизированная информационно-измерительная система управления ресурсами, описанная в [3] и выбранная в качестве прототипа.
Известное устройство выполнено в виде многофункциональной четырехуровневой плоской структуры, включающей измерительные, связующие и вычислительные компоненты, образующие систему взаимодействующих друг с другом устройств.
Известная полезная модель [3] имеет сложную иерархическую схему обработки и анализа данных о текущем состоянии объекта управления, а также ограниченные функциональные возможности, обусловленные разделением процессов сбора и обработки данных во времени в соответствии с уровнями декомпозиции объекта управления. Все это увеличивает продолжительность процесса формирования управляющих воздействий. Предлагаемая модель не является иерархической.
Техническим результатом является сокращение потребления материальных ресурсов и затрат на энергопотребление в процессе производства в условиях заданных ограничений.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что модель управления производственной системой выполнена в виде многоконтурной системы с обратными связями. Подобная схема позволяет реализовать адаптацию многокритериальной целевой функции управления в реальном времени.
Для достижения технического результата в модели управления производственной системой, состоящей из блока моделирования процесса управления производством 1, блока моделирования процесса модернизации и совершенствования конструкции выпускаемых изделий, совершенствования технологии изготовления изделий 2, блока моделирования реализации производственного процесса 3, блока моделирования процесса изменения профессионального уровня кадрового состава и его подготовленности к использованию заданных технологий на заданном оборудовании 4, блока моделирования процесса обеспечения производства материальными ресурсами 5, блока моделирования процесса сопровождения выпускаемых изделий 6, блока моделирования процесса сбыта готовой продукции, блока моделирования процесса замены существующего оборудования на новое 8, блока моделирования процесса энергоснабжения производства 9, блока моделирования процесса обеспечения производства 10, блока моделирования процесса управления экономией материальных ресурсов и энергосбережением 11, блока моделирования процесса финансирования производства 12 реализованы 4 контура обратной связи, управляющие ходом производственного процесса на основе адаптивного регулирования расхода материальных ресурсов и электроэнергии.
Связи между блоками отражены на Фиг. 1:
- блок 1 получает информацию с блоков 3, 7, 11 и 12, а передает управляющие коды на блоки 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12;
- блок 2 получает управляющие коды с блока 1 и передает результаты моделирования на блоки 3 и 11;
- блок 3 получает информацию с блоков 1, 2, 4, 5, 8, 9 и передает результаты моделирования на блоки 1, 3, 7 и 8;
- блок 4 получает управляющие коды с блока 1 и передает результаты моделирования на блоки 3 и 11;
- реальная и/или моделируемая информация о поступлении материальных ресурсов принимается блоком 5, который получает управляющие коды с блока 1 и передает результаты моделирования на блок 3;
- блок 6 получает информацию с блоков 1 и 9, а передает результаты моделирования на блок 11;
- блок 7 моделирует процесс сбыта готовой продукции с учетом реальной и/или моделируемой информации о состоянии рынка сбыта, информация поступает с блока 3, результаты моделирования передаются на блок 1;
- блок 8 получает информацию с блоков 1 и 3, а передает результаты моделирования на блоки 3 и 11;
- блок 9 получает управляющие коды с блока 1 и передает результаты моделирования на блоки 3, 6, 9 и 11;
- блок 10 получает информацию с блоков 1 и 9, а передает результаты моделирования на блок 11;
- блок 11 получает информацию с блоков 2, 3, 4, 6, 8, 9 и 10, а передает результаты моделирования на блок 1;
- вход и выход блока 12 связаны с блоком 1.
Блок-схемы на Фиг. 1 и Фиг. 2 позволяют определить функциональные взаимосвязи блоков, образующих контуры управления предлагаемой полезной модели:
- контур управления экономией материальных ресурсов и энергосбережением, который включает блок моделирования процесса управления производством 1, узел моделирования работы производства в условиях ограничений А, объединяющий блоки 2, 3, 4, 6, 8, 9 и 10, блок моделирования процесса управления экономией материальных ресурсов и энергосбережением 11;
- контур управления финансовыми затратами, который включает блок моделирования процесса управления производством 1 и блок моделирования процесса финансирования производства 12;
- контур управления текущим ассортиментом выпускаемой продукции, который включает блок моделирования процесса управления производством 1, блок моделирования реализации производственного процесса 3, блок моделирования процесса сбыта готовой продукции 7;
- контур управления закупками материальных ресурсов, который включает блок моделирования процесса управления производством 1, блок моделирования процесса обеспечения производства материальными ресурсами 5, блок моделирования реализации производственного процесса 3.
Причем обратная связь контура управления экономией материальных ресурсов и энергосбережением минимизирует целевую функцию модели (формула 1) и является доминирующей. Остальные обратные связи формируют рабочее пространство решений (значений управляющих кодов) доминирующей обратной связи, формируют систему ограничений (формулы 2-7), учитывающую ограничения финансирования, реальные возможности производства и реальные потребности рынка сбыта, и наконец, реальные возможности поступления материальных ресурсов и ограничения по техническим возможностям совершенствования конструкций и технологий.
Таким образом, предложенная модель обеспечивает снижение расхода ресурсов без ухудшения качественных характеристик выпускаемой продукции за счет синхронизации поставки и сбалансированности объемов отдельных видов ресурсов, замене дорогостоящих и дефицитных материалов более дешевыми.
Аппаратура модели позволяет задать начальные условия для каждого блока моделирования перед началом работы модели управления производственной системой в целом. Это обеспечивается наличием в каждом блоке моделирования адаптера CAN протокола. Параметры начальных условий передаются с блока 1.
Нормы расхода материальных ресурсов и электроэнергии записываются в ПЗУ блока 11 по мере их изменения. Параметры модели изменения спроса на рынке сбыта записываются в ПЗУ блока 7. Прошивка микросхем ПЗУ указанных блоков происходит отдельно, без использования модели ПС.
Блок 1 моделирования управления производством, реализованный на основе контроллера, формирует вариант планового задания и соответствующие ему управляющие коды, учитывающие входные данные по оценке объема выполненных работ и затраченных ресурсов с блока 3, данные по оценке объема сбыта готовых изделий с блока 7, данные по оценке возможностей экономии материальных ресурсов и оптимального варианта энергопотребления с блока 11, данные о положительной оценке возможности и целесообразности финансового обеспечения данного планового задания с блока 12. Перед началом работы модели начальные условия с устройства чтения CD дисков, подключенного к блоку 1, передаются на все блоки кроме блоков 7 и 11.
Блок 2 моделирования процесса модернизации и совершенствования конструкции выпускаемых изделий, совершенствования технологии изготовления изделий использует управляющий код планового задания блока 1. Блок содержит генератор случайных сигналов для имитации степени успеха творческого процесса, пороговые схемы, учитывающие ограничения по техническим возможностям совершенствования конструкций выпускаемых изделий и используемых технологий, а также, дешифратор, реализующий нормативы разработки проектной конструкторской и технологической документации. Результатом работы блока являются предложения по совершенствованию производственного процесса, которые передаются на блоки 3 и 11 в виде кодовых слов, отражающих локальные изменения в технологическом процессе и планируемые результаты указанных изменений.
Блок 3 моделирования реализации производственного процесса получает текущий вариант планового задания (управляющий код) с блока 1; кодовое слово изменений технологического процесса с блока 2; кодовое слово с блока 4, характеризующее уровень подготовленности работников к использованию заданных технологий на заданном оборудовании; кодовое слово с блока 5, характеризующее обеспечение запланированных работ материальными ресурсами; кодовое слово с блока 8, характеризующее результаты замены оборудования на новое; кодовое слово с блока 9, характеризующее возможности и затраты по энергообеспечению запланированных работ. Результатами моделирования блока 3 является кодовое слово, характеризующее объем выпущенной продукции, перечень использованного оборудования и процент брака, а также объем использованных материальных ресурсов и электроэнергии. Блок 3 реализован на основе контроллера.
Блок 4 моделирования процесса изменения профессионального уровня кадрового состава и его подготовленности к использованию заданных технологий на заданном оборудовании получает текущий вариант планового задания (управляющий код) с блока 1. Контроллер блока решает задачу о назначении: предлагает вариант оптимального распределения работ в рамках полученного планового задания. Генераторы случайных сигналов позволяют имитировать изменения уровня подготовки и состав специалистов. Результаты моделирования передаются на блоки 3 и 11 в виде кодовых слов.
Блок 5 моделирования процесса обеспечения производства материальными ресурсами содержит устройство чтения CD дисков для ввода информации о поступлении материальных ресурсов. Блок получает управляющие коды с блока 1 и передает результаты моделирования на блок 3. Сумматор накапливает информацию о запасах, а пороговое устройство реализует ограничения по поставкам и объемам хранения материальных ресурсов.
Блок 6 моделирования процесса сопровождения выпускаемых изделий получает управляющие коды с блока 1 и график обеспечения потребления электроэнергии с блока 9. Информация об использованных материальных ресурсах и израсходованной электроэнергии при выполнении договорных обязательств по сопровождению изделий в период жизненного цикла передается на блок 11. Блок реализован на основе сумматора и дешифратора.
Блок 7 моделирования процесса сбыта выпущенной продукции получает информацию с блока 3 о выпущенной продукции: массив чисел, раскрывающий количество выпущенной продукции в соответствии с заданной номенклатурой. Результаты моделирования сбыта формируются в виде массива кодовых слов, отражающих договорные условия продажи и сопровождения изделий. Результаты моделирования передаются на блок 1. Блок 7 реализован на основе контроллера, в памяти которого хранится информация о номенклатуре изделий, вариантах условия продаж и модель изменения спроса на рынке сбыта.
Блок 8 моделирует процесс замены существующего оборудования на новое. С блока 3 поступают кодовые слова с перечнем используемого оборудования и процентом брака, а с блока 1 управляющие кодовые слова на замену оборудования, а также на хранение или утилизацию замененного оборудования. Результаты моделирования (итоги выполнения команд блока 1) поступают на блоки 3 и 11. Блок 8 реализован на основе дешифратора.
Блок 9 моделирования процесса энергоснабжения производства получает кодовое управляющее слова с блока 1. Генератор случайных сигналов и решающее устройство на основе сумматора моделируют возможность выполнения поставленных задач и распределяют выполнение задач во времени. Результаты моделирования в виде наименее затратного графика потребления электроэнергии поступают на блоки 3, 6, 9, 11.
Блок 10 моделирования процесса обеспечения производства получает управляющие коды с блока 1 по обеспечению производства и с блока 9 по графику расхода электроэнергии. Блок моделирует работу вспомогательных служб. Результаты моделирования поступают на блок 11. Блок реализован на основе дешифратора.
Блок 11 моделирования процесса управления экономией материальных ресурсов и энергосбережением выполнен на основе контроллера. Блок выявляет причины отклонения расхода материальных ресурсов и электроэнергии от нормативных, а также изыскивает резервы сокращения объемов потребления. На вход блока поступают данные о результатах моделирования расхода материальных ресурсов и электроэнергии с блоков 2, 3, 4, 6, 8, 9, 10. Результаты моделирования поступают на блок 1.
Блок 12 моделирования процесса финансирования производства получает входные данные (набор кодовых слов с перечнем выпускаемых изделий) с блока 1 и выдает результаты моделирования (оценку стоимости производства указанных изделий) также на блок 1. Простейшая реализация блока включает умножитель и сумматор.
Модель не требует введения специальных цепей управления и синхронизации работы блоков. По мере готовности результатов работы отдельных блоков результаты передаются далее. Поступление полного набора входных данных инициализирует начало вычислений очередного блока. После задания начальных условий, блок 1 выдает управляющий код планового задания. Результаты моделирования, поступившие на входы блока 1, инициируют корректировку планового задания с целью сокращения расхода материальных ресурсов и энергопотребления. Указанная корректировка удовлетворяет ограничениям вспомогательных контуров управления. Результаты моделирования управляющих кодов скорректированного планового задания поступают на входы блока 1 и процесс повторяется.
Сокращения потребления материальных ресурсов и затрат на энергопотребление осуществляется путем реализации организационных, технических, технологических и экономических мер, направленных на уменьшение объема потребляемых ресурсов при сохранении полезного эффекта их использования. Здесь можно указать следующие меры:
- расширение применения материалов улучшенного качества;
- внедрение новых материалов и заменителей;
- совершенствование технологических процессов;
- совершенствование конструкций изделий и методов проектирования;
- внедрение организационных мероприятий.
Количество материала и электроэнергии, высвобождаемое в результате реализации перечисленных мер, позволяет оценить экономию.
К материалам улучшенного качества относятся материалы, входящие в ту же номенклатурную группу материального ресурса, высвобождаемого в результате экономии, но имеющие более высокие характеристики.
К заменителям относятся те виды материалов, которые входят в другие номенклатурные группы по отношению к высвобождаемому материалу. Например, характерным заменителем металла является пластмасса, проката черных металлов - алюминиевый прокат.
Применение более качественных материалов (коррозионностойких, жаропрочных, легких, сверхпроводящих и т.д.) позволяет создавать более качественные изделия. Применение таких материалов позволяет использовать качественно новые виды технологии обработки этих материалов, что способствует экономии ресурсов.
Совершенствование технологических процессов сдерживается, в основном, необходимостью использования нового дорогостоящего оборудования, обеспечивающего внедрение малоотходных технологических процессов обработки. Совершенствование конструкций изделий является внутренним резервом производителя.
Для формализации описания работы модели введем понятие мероприятия: системы мер, направленных на снижение расхода материалов за счет внедрения инновационных решений.
Величину Р называют объемом внедрения мероприятия. Под объемом внедрения мероприятия по экономии понимается намечаемый объем применения материалов улучшенного качества, эффективных заменителей традиционных материалов. При разработке мероприятий по совершенствованию технологии или конструкции под объемом внедрения (применения) мероприятия понимается объем материала, охваченный данным мероприятием. Объем внедрения или применения мероприятия измеряется в тех же единицах, что и материал, экономия которого рассчитывается.
э
Коэффициенты экономии К, объемы производства продукции Q, объемы внедрения мероприятий Р, нормы расхода N, производительность оборудования W будем индексировать по перечисленным мерам, реализованных в конкретных мероприятиях:
i - мероприятия по применению материалов улучшенного качества i=1, 2, …I;
j - мероприятия по внедрению заменителей материалов j=l, 2, …J;
φ - мероприятия по совершенствованию технологических процессов φ=1, 2, …Ф;
γ - мероприятия по совершенствованию конструкций машин и оборудования γ=1, 2, …Г;
Также введем индексы базисного года Б и года внедрения В мероприятия по экономии. Чертой сверху будем указывать предельные уровни величин.
Организационно-технические мероприятия по систематическому выявлению причин нарушений технологических процессов и норм расхода, анализу востребованности запасных частей, анализу статистики причин необходимости гарантийного ремонта также могут дать заметную экономию.
Указанная система мер по экономии материальных ресурсов является в определенной степени условной. Например, расширение применения материалов улучшенного качества и внедрение заменителей не представляется возможным без соответствующих изменений в конструкторской документации и связаны с совершенствованием конструкции изделий.
Показатели плановой и фактической экономии материалов могут быть абсолютными и относительными. Абсолютная величина экономии материалов представляет собой количество их в натуральном
выражении, рассчитанное на объем производства продукции Q. Относительная величина экономии материалов представляет собой долю абсолютной экономии, исчисляемую в процентах от общего объема потребления этих материалов, необходимых для производства продукции.
э
В общем виде коэффициент экономии материала К можно представить в виде формулы:
1
2
, где P,P - соответственно расход материала до и после внедрения мероприятия по его экономии;
Э - экономия материала в результате внедрения этого мероприятия.
Узел А моделирует работу производства в условиях ограничений. Целевая функция:
Ограничения по ресурсам материалов и энергопотреблению для блоков 5 и 9:
Ограничения по техническим возможностям совершенствования технологических процессов для блока 2:
Ограничения по возможностям поступления нового оборудования для блока 8:
Ограничения по техническим возможностям совершенствования конструкций выпускаемой продукции для блока 2:
Ограничения по капитальным вложениям для блока 12:
Следующие нормативные ограничения вводятся на основе решений руководителей производства.
, - соответственно максимально возможные объемы
применения материалов улучшенного качества и эффективных заменителей традиционных материалов;
- предельный уровень совершенствования технологических процессов в планируемом году;
- предельный уровень совершенствования конструкций;
в
К - норматив капитальных вложений;
- наибольший уровень капитальных вложений.
Единицей измерения в указанной модели является единица измерения используемого ресурса (например, для металлов - тонна, для древесины - кубический метр, для тканей - квадратный метр и т.д.).
Источники информации, принятые во внимание:
1. Авторское свидетельство 511593 кл. G06F 15/00, 1976 г.
2. Авторское свидетельство 1314305 кл. G05B 19/00, 1987 г.
3. Патент РФ №121604 кл. G05B 23/00 G06Q 50/06, 2012 г.
4. С.Е. Барыкин, В.В. Лукинский Модели управления запасами материальных и финансовых ресурсов в логистической системе предприятия. Журнал "Аудит и финансовый анализ" №1, 2008 г.
5. М.Ю. Журавлева Управление материальными ресурсами промышленных предприятий в условиях рыночной экономики. Диссертация к.э.н. Тула 1998 г. 170 с.
6. Т.В. Колосова Совершенствование процесса управления экономическими системами предприятий на основе формирования портфеля нематериальных активов. Журнал «Креативная экономика» №5 (29) 2009 г., стр. 119-124.