LAYOUT SOLUTIONS FOR STATIONARY HOMOGENEOUS PRODUCTION ENVIRONMENTS

КОМПОНОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ОДНОРОДНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СРЕД

Научная статья

Коновалова О.А.*

ORCID: 0000-0002-3072-3504,

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (danilenko81[at]yandex.ru)

Аннотация

Одним из перспективных направлений развития производственных систем является создание однородных производственных сред (ОПС), основанных на новых структурных и организационных принципах, что предопределило необходимость разработки возможных вариантов их компоновочных решений. Вводятся понятия стационарных, полустационарных и нестационарных сред с одновременной и предварительной настройкой элементарных производственных модулей (ЭПМ). Рассматриваются структуры стационарных производственных сред в зависимости от типа накопительной системы ЭПМ.

В статье исследуются принципы построения ОПС, позволяющие создавать высокоэффективные производства, обеспечивающие переход от выпуска одного изделия к выпуску другого по мере поступления заказов на изготовление при безусловном соблюдении заданных сроков.

Ключевые слова: производственный менеджмент, однородные производственные среды, элементарные производственные модули.

LAYOUT SOLUTIONS FOR STATIONARY HOMOGENEOUS PRODUCTION ENVIRONMENTS

Research article

Konovalova O.A.*

ORCID: 0000-0002-3072-3504,

Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University, Saint Petersburg, Russia

* Corresponding author (danilenko81[at]yandex.ru)

Abstract

One of the promising directions for the development of production systems is the creation of homogeneous production environments based on new structural and organizational principles, which predetermined the need to develop possible options for their layout solutions. The article introduces the concepts of stationary, semi-stationary and non-stationary environments with simultaneous and preliminary configuration of elementary production modules (EPM). The structures of stationary production environments are considered depending on the type of EPM storage system.

Also, the article examines the principles of building homogeneous production environments, which allow for creating highly efficient production facilities that ensure the transition from the production of one product to the production of another upon receiving orders for manufacturing with unconditional compliance with the specified deadlines.

Keywords: production management, homogeneous production environments, elementary production modules.

Введение

К современному производству предъявляются два основных требования: все большее удовлетворение потребностей общества и всемерное улучшение условий труда людей. Первое требование неразрывно связано с качеством и количеством выпускаемых изделий, а также с расширением и обновлением ассортимента (номенклатуры) производства. Реальным способом достижения многономенклатурности является внедрение динамичных быстроперенастраиваемых производств, экономически эффективных независимо от размера партии изделий. Прогрессивное и высокоэффективное производство должно быстро переходить от выпуска одного изделия к выпуску другой продукции по мере изменения спроса и с целью улучшения потребительских свойств товаров. Стремление к неуклонному повышению производительности и одновременному росту качества выпускаемой продукции предопределяет требования к совершенствованию производственных систем. На первый план выступают свойства гибкости, надежности, живучести, развиваемости, адаптируемости производственных систем. Обеспечение этих свойств, в равной мере, как и улучшение условий труда человека, неразрывно связано с комплексной автоматизацией производства, переходом на безбумажные технологии с непрерывным циклом проектирование — изготовление.

В работах современных авторов показана актуальность и перспективность создания однородных производственных, а также вычислительных систем и сред [1], [2], [4], [5]. Производственные системы, построенные на принципах параллельности операций, переменности структуры и конструктивной однородности, называются однородными производственными средами (ОПС). В таких системах соседние модули имеют одинаковые настраиваемые связи для обмена информацией и материальными потоками, функционально полные в рамках реализуемого производства и настраиваемые на одну из функций (операций). Такие системы обладают практически неограниченными возможностями по изменению своей производительности за счет изменения количества и функциональных возможностей элементарных производственных модулей (ЭПМ). Переход к производственным системам, состоящим из однотипных ЭПМ с регулярными материальными и информационными связями между ними, позволяет существенно упростить их разработку, изготовление, наладку и эксплуатацию. Отказы отдельных модулей не нарушают функциональной полноты системы, а только временно снижают ее производительность. В средах можно достичь безызбыточных компоновочных решений, наилучшим образом удовлетворяющих изменяющимся критериям функционирования производственной системы. Однородные производственные среды представляют собой одно из направлений перехода промышленности на тот уровень производительности и качества продукции, эффективности управления и экономии ресурсов, который требуется в современных условиях.

Рис. 1 – Стационарные ОПС на основе ЭПМ с ИНС:

а – плоскостные ОПС, Nг = Nгнс =6; б – линейные ОПС, Nг = Nгнс = 4

 

Целью работы является исследования по построению возможных вариантов компоновочных решений стационарных ОПС на базе новых принципов организации и управления, которые открыли бы широкий простор для создания производств будущего.

1. Виды однородных производственных сред

По признаку стационарности (мобильности) ЭПМ и предметов труда в системе координат ОПС можно разделить на три больших класса: стационарные, полустационарные и нестационарные (мобильные) [6].

Основным признаком стационарных ОПС является транспортировка предметов труда по технологической среде, которую образуют элементарные модули, стационарно установленные на рабочих местах. В полустационарных ОПС предметы труда устанавливаются на рабочие места, а орудия труда транспортируются, образуя вокруг предметов труда оптимальную технологическую среду. Нестационарные ОПС характеризуются мобильностью орудий и предметов труда в ходе технологического процесса.

В каждом из трех классов среды разделяются по способу настройки орудий труда: среды с одновременной настройкой и среды с предварительной настройкой.

Среды с одновременной настройкой состоят из ЭПМ, которые в своем составе постоянно содержат ресурсы для реализации всех операций. Эти ресурсы находятся в состоянии немедленного выполнения любой операции.

Среды с предварительной настройкой состоят из ЭПМ, требующих предварительной настройки компонентов для выполнения определенной группы технологических операций. Предварительная настройка в общем случае включает доставку к модулю узлов, необходимых для реализации технологических операций и выполнения сборочных работ по синтезу ЭПМ с заданными функциональными возможностями. Одновременную настройку можно рассматривать как однократную предварительную настройку.

ОПС с предварительно настраиваемыми модулями различаются способом выборки ЭПМ. Способ выборки может быть произвольным и упорядоченным. Если любой элементарный модуль может быть настроен в произвольный момент времени, то такие ОПС относятся к средам с произвольной настройкой. При упорядоченной настройке элементарные модули настраиваются в некоторой заданной последовательности, которая может определяться, например, степенью отдаленности ЭПМ от общесистемных средств настройки.

Кроме того, предварительно настраиваемые модули могут быть с частично изменяемым составом (с частичной настройкой). При полной настройке исходно рабочие места ЭПМ свободны от компонентов модулей. 

2. Компоновочные решения стационарных ОПС

Под структурой ОПС понимается взаиморасположение и взаимосвязь элементарных модулей, а также взаиморасположение и взаимосвязь всех компонентов в модулях. Структура среды тесно связана с организацией хранения и транспортировки объектов материального потока в системе.

Рассмотрим возможные компоновочные решения стационарных ОПС. В стационарных ОПС с предварительной настройкой возможна транспортировка отдельных узлов элементарных модулей. Для организации таких потоков необходима тщательная общесистемная проработка стыковки всех подсистем и устройств, которые могут иметь значительные расхождения в значениях параметров. Дополнительные преимущества имеют те системы, в которых для перемещения объектов используются гибкие устройства, легко переналаживаемые при изменении типа изделий, серийности продукции, а также при выходе из строя какого-либо элементарного модуля.

Варианты компоновки стационарных ОПС многообразны. Они зависят от размерности среды, числа граней в модулях, организации накопительной системы (НС), реализации межмодульных транспортных операций.

Накопительная система может быть расположена на всех гранях ЭПМ или занимать место только на некоторых из них. Это зависит от конструкции технологического оборудования. Для повышения живучести и производительности среды желательно, чтобы накопительная система занимала весь периметр модуля. Это обеспечило бы возможность организации материальных потоков через все грани с соседними модулями.

Накопительная система ЭПМ может быть индивидуальной или пересекающейся (разделяемой).

2.1 Стационарные ОПС с индивидуальной накопительной системой модулей

В индивидуальной НС (ИНС) каждый модуль содержит собственную накопительную систему, поэтому при компоновке среды ЭПМ рассматривается как конструктивно завершенная самостоятельная структурная единица, не зависящая от соседних модулей, что существенно упрощает процесс проектирования. При компоновке среды на основе ЭПМ с разделяемой НС для каждого нового модуля решается вопрос о составе его накопителей. Если общая грань соседнего модуля уже имеет НС, то в подключаемом модуле эта общая грань не будет содержать накопителей.

На рисунке 1 показаны примеры ОПС на основе элементарных модулей с индивидуальными НС.

Накопительная система заполняет все грани модуля:  — число граней ЭПМ, содержащих накопители;  — общее число граней ЭПМ. Такие системы легко наращиваются благодаря конструктивной завершенности типовых модулей и симметрии накопительной системы.

Межмодульная передача предметов материального потока может осуществляться или при помощи специальных устройств обмена НС, реализующих передачу предметов из ячеек одной индивидуальной НС в ячейки соседней индивидуальной НС, или же при помощи манипуляционного оборудования, рабочая зона которого достигает НС соседних ЭПМ.

Рассмотрим компоновку ОПС на основе ЭПМ с ИНС при условии . Если межмодульные передачи выполняются манипуляционным оборудованием без ограничений на рабочую зону, то вопрос компоновки ОПС не имеет особой сложности и размещение ЭПМ на плоскости или в пространстве не принципиально. Если же для межмодульного обмена необходимо соприкосновение индивидуальных НС соседних ЭПМ, то число вариантов компоновки среды сокращается. На рисунке 2 приведены компоновки ОПС на основе четырехугольного ЭПМ при условии .

Рис. 2 – Стационарные ОПС на основе ЭПМ с ИНС при условии N_г^нс <N_г, N_г = 4:

а — линейная ОПС с N_г^нс =2; б — плоскостная ОПС с N_г^нс =1

 

Варианты компоновок, приведенные на рисунке 2, обладают структурной регулярностью. Регулярность снижает сложность управления процессами среды благодаря унифицированности межмодульной транспортировки предметов материального потока.

2.2 Стационарные ОПС с разделяемой накопительной системой модулей

Варианты компоновки ОПС на базе ЭПМ, имеющих разделяемую НС (РНС), показаны на рисунке 3. Особенности этих вариантов обсуждались выше. Такие среды являются более упакованными и, следовательно, занимают меньший объем и производственную площадь.

Рис. 3 – Стационарная ОПС на основе ЭПМ с РНС:

а – линейная; б – плоскостная; двойной штриховкой показана разделяемая часть накопительной системы

 

3. Организация взаимодействия модулей ОПС

Расширение функциональных возможностей ОПС с одновременной настройкой связано с возможностью объединения нескольких соседних модулей для достижения одной цели. Такой целью может быть транспортировка изделия повышенной массы, когда один модуль не в состоянии обеспечить его перемещение и требуется объединение усилий других модулей. Некоторые технологические операции, например сборочные, эффективны при взаимодействии двух робототехнических модулей. Объединение усилий ЭПМ может быть эффективным, если для отдельного изделия требуется сокращение времени пребывания в среде, тогда в технологическом процессе одного изделия участвуют одновременно все модули.

Основные препятствия на пути организации одновременного взаимодействия двух или большего числа модулей заключается в сложности планирования и программирования их операций как на этапе проектирования среды, так и на этапе ее эксплуатации. Даже в сравнительно небольших робототехнических ячейках выполняются очень сложные процедуры обмена информацией между различными устройствами [7], [8]. Так, робот и режущий инструмент станка движутся в перекрывающихся зонах, что требует их жесткой координации. Сложность коммуникационных процессов резко возрастает для случая с несколькими взаимодействующими модулями; при этом коммуникационные процедуры будут вызывать значительные трудности при отладке таких систем.

Для этапа проектирования эффективными могут оказаться специально разработанные системы моделирования модулей, которые дают возможность пользователю моделировать одновременное функционирование нескольких модулей, экспериментировать с различными компоновками, воспроизводить динамику агрегатов различных моделей, автоматизировано выбирать оптимальную последовательность операций для модулей, а также генерировать управляющие программы [9], [10], [11]. Целесообразно, чтобы система моделирования позволяла генерировать трехмерную модель одного или нескольких модулей и получать графические изображения движущихся агрегатов, например роботов. Графические изображения дают пользователю информацию о достижении агрегатами заданных положений, возможности столкновений, времени реализации управляющих алгоритмов и т. д.

Моделирование нескольких взаимодействующих модулей осложняется некоторыми обстоятельствами. Среди них реализация весьма сложных пространственных траекторий, например роботами, в процессе движения.

Дополнительную полезную информацию пользователь получит, если система моделирования позволит легко модифицировать компоновку модуля, изменять алгоритм его работы, генерировать управляющие программы для всех устройств модуля, описывать обмен информацией между взаимодействующими модулями.

Эффективность одновременно работающих модулей достигается также за счет высокой скорости участвующих во взаимодействии агрегатов. Высокая скорость обеспечивается малой инерционностью конструкции и большим числом сенсорных устройств, позволяющих осуществлять полный контроль перемещений даже в ограниченных пространствах и реализовать в аварийных ситуациях немедленное возвращение в исходную позицию или остановку агрегатов.

Дальнейшее повышение эффективности и живучести среды связано с расширением рабочей зоны манипуляционного оборудования за пределы соседних модулей.

Заключение

Разработанные и предложенные в статье варианты компоновочных решений стационарных однородных производственных сред могут учитываться разработчиком в каждом конкретном случае решения оптимизационной задачи. Необходимо принимать во внимание все свойства системы и пытаться найти компромиссное решение, удовлетворяющее заданным показателям основных свойств.

Переход к производственным системам, состоящим из однотипных модулей с регулярными материальными и информационными связями между ними, позволяет существенно упростить их разработку, изготовление, наладку и эксплуатацию. В таких системах можно достичь безызбыточных компоновочных решений, наилучшим образом удовлетворяющих изменяющимся критериям функционирования производственных систем. Такие ПС представляют собой одно из направлений перехода промышленности на тот уровень производительности труда и качества продукции, эффективности управления и экономии ресурсов, который требуется в современных условиях. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Konovalova, O.A. Organizing Cyber-Physical Homogeneous Production Environments / O.A. Konovalova, R. Nurulin, S.G. Redko // Proceedings - 2020 International Russian Automation Conference, RusAutoCon 2020, 2020, P. 93–97.
2. Zarrabi N. Robot localization performance using different slam approaches in a homogeneous indoor environment / Zarrabi, R. Fesharakifard, M.B. Menhaj // In the collection: ICRoM 2019 - 7th International Conference on Robotics and Mechatronics. 7. 2019. P. 338-344.
3. Даниленко О.А. Основные принципы построения однородных производственных сред / О.А. Даниленко // Наука и образование: проблемы и тенденции развития: материалы V Международной научно-практической конференции (Уфа, 29-30 декабря 2017 г.) – Уфа: РИО ИЦИПТ 2017. – 348 С. 107-113.
4. Князьков В.С. Ячейка однородной вычислительной среды, однородная вычислительная среда и устройство для конвейерных арифметических вычислений по заданному модулю / В.С. Князьков, И.П. Осинин. Патент на изобретение RU 2477513C1, 10.03.2013. Заявка№ 2011149264 /08 от 12.2011.
5. Артамонов Д.С. Повышение производительности реконфигурируемых однородных вычислительных сред методом поддержки альтернативных вычислений / Д.С. Артамонов, О.А. Вихров // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2009.№5 (79). С. 50-56.
6. Коновалова О.А. Классификационные признаки и параметры однородных производственных сред / О.А. Коновалова, А.М. Коновалов // Справочник. Инженерный журнал с приложением. — 2019.— №6 (267). — С. 43-50.
7. Балашов А.И.Производственный менеджмент (организация производства) на предприятии / А.И. Балашов. - СПб.: Питер, 2009. - 160 с.
8. Костюк В.И. Промышленные роботы: Конструкция, управление, эксплуатация / В.И. Костюк, А.П. Гавриш, Л.С. Ямпольский и др. Москва: Высш. шк., 2017. - 359 с.
9. Макарычев П.П. Дискретно-событийное моделирование производственных систем на основе описания в виде сетей Петри / П.П. Макарычев // Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах. 2012.№2. С. 35-41.
10. Семенов Г.Е. Разработка процессно-ориентированного подхода к моделированию организационно-технологических видов деятельности в производственных системах / Г.Е. Семенов : Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Рос. Гос. технол. ун-т. им. К.Э. Циолковского (МАТИ). Москва, 2003.
11. Мухин А.В. Установление вида зависимостей в модели оптимальной специализации производственной системы / А.В. Мухин, До Тиен Лап // СТИН — 2008.— № — С. 37-40.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Konovalova, O.A. Organizing Cyber-Physical Homogeneous Production Environments / O.A. Konovalova, Y.R. Nurulin, S.G. Redko // Proceedings - 2020 International Russian Automation Conference, RusAutoCon 2020, 2020, P. 93–97.
2. Zarrabi N. Robot localization performance using different slam approaches in a homogeneous indoor environment / N. Zarrabi, R. Fesharakifard, M.B. Menhaj // In the collection: ICRoM 2019 - 7th International Conference on Robotics and Mechatronics. 7. 2019. P. 338-344.
3. Danilenko O. A. Osnovnye principy postroenija odnorodnyh proizvodstvennyh sred [Basic principles of homogeneous production environments] / O. A. Danilenko // Nauka i obrazovanie: problemy i tendencii razvitija: materialy V Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii (Ufa, 29-30 dekabrja 2017 g.) [Science and education: challenges and trends: proceedings of the V International scientific and practical conference (Ufa, December 29-30, 2017)] – Ufa: RIO ICEPT 2017. – 348 P. 107-113. [in Russian]
4. Warlords V. S. Jachejka odnorodnoj vychislitel'noj sredy, odnorodnaja vychislitel'naja sreda i ustrojstvo dlja konvejernyh arifmeticheskih vychislenij po zadannomu modulju [Cell homogeneous computing environment, the computing environment and device for pipelined arithmetic on a given module] / vs Warlords, I. P. Osinin. Patent for the invention RU 2477513 C1, 10.03.2013. Application no. 2011149264 /08 dated 02.12.2011. [in Russian]
5. Artamonov D. S. Povyshenie proizvoditel'nosti rekonfiguriruemyh odnorodnyh vychislitel'nyh sred metodom podderzhki al'ternativnyh vychislenij [Improving the performance of reconfigurable homogeneous computing environments by the method of supporting alternative computing] / D. S. Artamonov, O. A. Vikhrov // Izvestiya vysshnykh uchebnykh zavedeniy. Electronics. 2009. No. 5 (79). pp. 50-56. [in Russian]
6. Konovalova O. A. Klassifikacionnye priznaki i parametry odnorodnyh proizvodstvennyh sred [Classification features and parameters of homogeneous production environments] / O. A. Konovalova, A.M. Konovalov // Spravochnik. Inzhenernyj zhurnal s prilozheniem [Handbook. Engineering magazine with an appendix]. — 2019. — № 6 (267). — P. 43-50. [in Russian]
7. Balashov A. I. Proizvodstvennyj menedzhment (organizacija proizvodstva) na predprijatii [Production management (organization of production) at the enterprise] / A. I. Balashov. - St. Petersburg: Peter, 2009. - 160 p. [in Russian]
8. Kostyuk V. I. Promyshlennye roboty: Konstrukcija, upravlenie, jekspluatacija [Industrial robots: Design, management, operation] / V. I. Kostyuk, A. P. Gavrish, L. S. Yampolsky et al. Moscow: Higher School of Economics, 2017. - 359 p. [in Russian]
9. Makarychev P. P. Diskretno-sobytijnoe modelirovanie proizvodstvennyh sistem na osnove opisanija v vide setej Petri [Discrete-event modeling of production systems based on a description in the form of Petri nets] / P. P. Makarychev // Matematicheskoe i programmnoe obespechenie sistem v promyshlennoj i social'noj sferah [Mathematical and software support of systems in industrial and social spheres]. 2012. No. 2. pp. 35-41. [in Russian]
10. Semenov G. E. Razrabotka processno-orientirovannogo podhoda k modelirovaniju organizacionno-tehnologicheskih vidov dejatel'nosti v proizvodstvennyh sistemah [Development of a process-oriented approach to modeling organizational and technological activities in production systems] / G. E. Semenov: Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences / Russian State Technol. K. E. Tsiolkovsky Univ. (MATI). Moscow, 2003. [in Russian]
11. Mukhin A.V. Ustanovlenie vida zavisimostej v modeli optimal'noj specializacii proizvodstvennoj sistemy [Establishing the type of dependencies in the model of optimal specialization of the production system] / A.V. Mukhin, Do Tien Lap // STIN-2008. - No. 3. - pp. 37-40. [in Russian]