Классификация структур производственного процесса

Структурно производственный процесс описывают через отношения между составляющими его технологическими элементами. В зависимости от уровня детализации технологическими элементами могут служить технологические операции или технологические процессы.

Отношение между элементами описывают технологической схемой, представляющей собой логически упорядоченный набор технологических элементов. Технологическая схема может быть выражена в виде графа, вершины которого обозначают технологические элементы, а дуги  материальные потоки продуктов, выпускаемых одним и потребляемых другим технологическим элементом.

Объединение всех технологических процессов производства конечных продуктов на предприятии принято называть технологией производства.

Структуры технологических схем различных производственных процессов весьма разнообразны.

Последовательная структура, где в каждом элементе выпускается и потребляется лишь один продукт. Такая структура характерна для непрерывных производств и поточных линий.

Сходящаяся структура, где в каждом технологическом элементе выпускается только один продукт, но потребляться могут несколько. Такая структура характерна для сборочных процессов в машиностроении.

Расходящаяся структура, где в каждом технологическом элементе потребляется один продукт, а производится несколько.

Структуры такого типа часто применяются в процессах непрерывного типа. Например, в листопрокатном производстве основным исходным продуктом является стальная заготовка. В ходе переработки она поэтапно превращается в различные изделия.

Структура с реверсом, где продукты, выпускаемые в последующих технологических элементах, частично потребляются в предыдущих.

 

33) Тип производственного процесса, а значит и промыш-ленного предприятия, определяется типом технологических процессов, преимущественно используемых в данном про-изводстве. Различают три типа технологических процессов (производств): непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные.

К непрерывным относятся химические процессы, про-цессы производства энергии, проката стального листа и др. Для непрерывных процессов характерно использование спе-циализированных установок или агрегатов, таких, как уста-новки для непрерывной разливки стали, теплообменные ус-тановки для подогрева жидкости и т. п. На вход этих ус-тановок непрерывно подается сырье или полуфабрикат. Вы-ходным продуктом могут быть вещество (например, хими-ческие материалы, металлические полуфабрикатов) или энергия (например, электрический ток, жидкий или газооб-разный теплоноситель). Поступление сырья (полуфабри-ката), обработка и выход продукта происходят практически постоянно в течение работы установки. Параметры, кото-рыми характеризуются эти процессы, как правило, непре-рывные величины: температура, давление, расход вещества или энергии, концентрация компонентов в смеси и т. п.

Дискретные процессы характеризуются тем, что обра-батываемые продукты подаются на вход и выдаются на вы-ходе отдельными порциями. Обработка входных продуктов представляет собой циклическую последовательность тех-нологических операций. Выходным продуктом дискретного процесса являются машины и механизмы (либо их узлы), автомобили, тракторы, станки (либо составляющие их агре-33

35) Производственный процесс  связанная материаль-ными потоками совокупность технологических процессов, осуществляемых для производства конечного продукта. На-пример, совокупность всех технологических процессов от производства деталей до сборки готового станка можно назвать производственным процессом изготовления металло-обрабатывающих станков.

Описанная иерархия элементов производственного процесса представлена на рис. 8. Очевидно, если на предприятии выпускается несколько видов конечных продуктов, соответственно можно выделить столько же производственных процессов.

Простейшим звеном производственной сферы предприятия является рабочее место, т. е. часть производственной площади, где рабочий или группа рабочих выполняет определенную технологическую операцию (или группу из нескольких операций). Рабочее место может быть осна-щено одним станком или агрегатом либо группой технологически связанных единиц оборудования.

Группы рабочих мест соединяются в производствен-ные участки, где осуществляется определенный технологи-ческий процесс или отдельная его стадия. Совокупность связанных между собой производственных участков обра-зует наиболее крупное производственное звено  цех. В це-хе осуществляется определенный производственный про-цесс или его относительно законченная часть. Структура производственных участков и цехов может строиться по технологическому, предметному или смешанному принци-пам.

Рис.8. Иерархия элементов производственного процесса

Технологический принцип построения структуры предполагает технологическую однородность производст-венного звена. Технологически однородными являются, на-пример, механообрабатывающий цех, укомплектованный металлорежущим оборудованием; участки штамповки, ли-тья, химической обработки деталей, оснащенные соответст-вующими станками и различным технологическим оборудо-ванием. В таких производственных звеньях можно изготов-лять продукцию с любым технологическим маршрутом, не изменяя плана расположения оборудования, что позволяет улучшить загрузку оборудования, обеспечить взаимозаме-няемость при выходе из строя отдельных агрегатов, манев-рировать рабочей силой на участке. Недостатком техноло-гического принципа является организационная раздроблен-ность выполнения технологического процесса, которая за-трудняет взаимодействие различных звеньев, удлиняет и усложняет транспортные маршруты.

При предметном принципе организации структуры производственное звено выпускает определенное закончен-ное изделие, которое может являться конечным продуктом предприятия или его частью (узлом). Например, на автомо-бильном заводе существуют цехи двигателей, кузовов; на авиазаводе  цехи сборки и испытательные станции для аг-регатов и самолетов в целом. В этих цехах объединено раз-нообразное технологическое оборудование, на котором осуществляют полный процесс изготовления соответст-вующего изделия. При предметном построении структуры создаются благоприятные условия для организации поточ-ного производства, т. е. процесса, при котором не прихо-дится переналаживать оборудование. Основным звеном по-точного производства является поточная линия, на которой оборудование располагается по ходу технологического про-цесса. Предметный принцип построения структуры эффек-тивен при массовом и крупносерийном производстве.

Принцип смешанной структуры (предметно-технологической), предполагает сочетание двух описанных принципов в рамках одного производственного звена.

36) Беспоисковые адаптивные АСУ ТП на базе систем с переменной структурой относятся к классу адаптивных АСУ ТП, которые позволяют реализовать адаптивное логи-ческое управление методами пассивной и активной адапта-ции. Беспоисковые оптимальные адаптивные АСУ ТП ре-шают задачу динамической оптимизации методами беспо-исковой адаптации. Они отличаются от аналогичных поис-ковых систем тем, что адаптация нестационарной системы управления осуществляется под оптимальную эталонную модель. При этом параметры указанной модели вычисляют-ся с помощью поисковых процедур динамической оптими-зации заранее, на этапе проектирования. Таким образом, в этих системах задача поиска оптимального управления за-меняется более простой в вычислительном отношении зада-чей подстройки под оптимальную модель системы.

В двухуровневой АСЭМ эталонная модель.

37) Производственное предприятие как система управле-ния состоит из управляющей и управляемой подсистем, свя-занных между собой каналами передачи информации и об-разующими вместе единое целое (рис. 13). Управляемую подсистему (объект управления) можно условно рассматри-вать как преобразователь ресурсов, на вход которого посту-пают сырье, материалы, полуфабрикаты, рабочая сила и т. п., а выход представляет собой поток готовых изделий.

Рис.13. Обобщенная структура производственного предпри-ятия как системы управления

Все информационные связи производственной подсис-темы с внешней средой можно условно представить двумя входными и одним выходным информационными каналами. На один из входных информационных каналов поступают государственный план, установленный предприятию, ди-рективы вышестоящих организаций, нормативы использо-вания материалов, энергии и т. п. Совокупность этих све-дений определяет цель управления.

Все возмущающие воздействия на производственную систему, поступающие из внешней среды, показаны на ри-сунке в виде второго информационного входа. Такие факто-ры, как нарушение сроков поставок или снижение качества сырья, материалов, полуфабрикатов, изменение условий сбыта продукции, нарушение договорных обязательств смежников и др., могут служить примерами возмущающего воздействия внешней среды. Заметим, что возмущающие воздействия могут возникать и внутри производственной системы, например поломки оборудования, случайные на-рушения технологических режимов или снижение качества продукции. Информационный выход производственной системы представляет собой канал для передачи отчетов овыполнении планов, сводок и других видов отчетной ин-формации во внешние управляющие организации более вы-сокого ранга, например министерство или объединение, в состав которого входит данное предприятие.

Как в любой системе управления, управляющая и управляемая подсистемы связаны информационными каналами, по которым передаются управляющие воздействия и сведения о состоянии объекта управления. Формальная постановка задачи управления предприятием требует конкретизации понятий, введенных в п. 1.2. Допустим, что рассматривается предприятие с дискретным производством. Компонентами вектора состояния х(f) могут являться представленные функциями времени объем выпуска и реализации продукции, величины запасов материалов и сырья на складах, значения уровней незавершенного производства по цехам завода, режимы работы технологического оборудования.

Цель управления предприятию в целом задается вышестоящей организацией с использованием основных плановых и технико-экономических показателей, таких, как объем реализации продукции и ее номенклатура, прибыль, рентабельность, степень загруженности оборудования и др. Для формального представления цели управления в виде (2) необходимо, чтобы все целевые показатели выражались через компоненты вектора состояния. Следует отметить, что определение и формализация конкретной цели управления даже для небольшого предприятия  задача весьма сложная.

Для осуществления производственных функций предприятию выделяются трудовые, финансовые и материаль-ные ресурсы. Величина каждого вида ресурсов ограничена. В рамках этих ограничений предприятие может маневриро-вать ресурсами, распределяя их между подразделениями с целью достижения определенных текущих значений тех-нико-экономических показателей. Таким образом, функ-ции, описывающие распределение ресурсов, можно рас-сматривать как управляющие воздействия u(t).

Компонентами вектора управления являются также производственные задания подразделениям предприятия (цехам, участкам, рабочим местам) на изготовление опреде-ленных деталей в заданные моменты времени. В качестве компонентов вектора возмущающих воздействий f(t) вы-ступают интенсивности отказов оборудования, величины

браков, срывы поставок сырья и полуфабрикатов и т. п. Для того чтобы компоненты векторов х(t) и u(t) были ре-альны с точки зрения производственно-технических воз-можностей предприятия, на них накладываются ограниче-ния типа (3). Так, например, следует учитывать допустимую производительность оборудования, наличие необходимых материалов, инструментов и др. Описанные схема произ-водственной системы и формальная постановка задачи управления весьма обобщенны и условны. Они не раскры-вают внутреннего строения системы, а лишь иллюстрируют ее внешние и некоторые укрупненные внутренние связи, характеризуют их природу и назначение, т. е. являются макроописанием производственного предприятия.

С позиций микроанализа предприятие представляет собой сложную систему управления. Ее сложность обу-словлена наличием многих единиц разнообразного обору-дования, связанного между собой материальными, энерге-тическими и информационными потоками, а также тем, что элементами производственной системы являются люди — производственный и управленческий персонал.

Попытки описать производственное предприятие еди-ной моделью и построить единый алгоритм управления в виде (4) часто оказываются несостоятельными. Модель и алгоритм либо не удается составить, либо они оказываются настолько сложными, что их практическое использование невозможно. Это связано, прежде всего, с тем, что размер-ности векторов состояния х(t) и управления u(t) даже для небольшого предприятия измеряются тысячами либо десят-ками тысяч переменных. Число связей между перемен-ными, которые необходимо учитывать при построении мо-дели, обычно на два-три порядка превышает число пере-менных. Современные методы и средства управления ре-шать такие задачи не в состоянии.

Одним из методов преодоления сложности решения задач большой размерности является их декомпозиция. Де-композицией называют разбиение исходной задачи боль-шой размерности на совокупность взаимосвязанных задач меньшей размерности, решение которых с заданной степе-нью точности соответствует решению исходной задачи. Применительно к сложной системе управления декомпози-ция заключается в разбиении сложного объекта управления на подсистемы и в организации в каждой из них подсис-темы управления. Совокупность подсистем управления и способ их взаимосвязи образуют структуру системы управ-ления.

Структуры сложных систем управления, как правило, строятся с использованием иерархического и функциональ-ного принципов выделения подсистем. Рассмотрим иерар-хию строения производственной системы управления. Ус-ловимся считать простейшим элементом управляемой под-системы отдельный станок, механизм или агрегат. Каждый простейший элемент рассматривается как элементарный объект управления, а его совокупность с управляющим ор-ганом  как элементарная система управления. Объедине-ния простейших элементов образуют более крупные объ-екты управления (технологическая линия, участок, бригады), объединение которых образует еще более крупные объекты управления (технологическая установка, цех, группа цехов).

Таким образом, в зависимости от масштабности объектов управления в производственной системе можно выделить иерархические уровни (рис. 14). Системы управления каждого уровня представляют собой подсистемы системы более высокого уровня. Каждый уровень характеризуется особенностями целей и операций управления. Первый (ниж) уровень иерархии состоит из множества систем управления отдельными технологич операциями.

40) Адаптация или адаптивная идентификация в фильтре осуществляется на основе настраиваемой модели объекта и методов беспоисковой адаптации. Инвариантные АСЭМ реализуют настройку параметров регулятора по разомкну-тому циклу. В отличие от них беспоисковые АСИ осуществляют с помощью беспоисковых алгоритмов идентификации адаптацию контура управления по возмущению. Беспоисковые адаптивные АСУ ТП на базе систем с переменной структурой относятся к классу адаптивных АСУ ТП, которые позволяют реализовать адаптивное логическое управление методами пассивной и активной адаптации. Беспоисковые оптимальные адаптивные АСУ ТП решают задачу динамической оптимизации методами беспоисковой адаптации. Они отличаются от аналогичных поисковых систем тем, что адаптация нестационарной системы управления осуществляется под оптимальную эталонную модель. При этом параметры указанной модели вычисляются с помощью поисковых процедур динамической оптимизации заранее, на этапе проектирования. Таким образом, в этих системах задача поиска оптимального управления заменяется более простой в вычислительном отношении задачей подстройки под оптимальную модель системы.

41) На производственном предприятии осуществляется сложный процесс превращения материалов, сырья, полуфабрикатов в готовую продукцию. Осуществление этого процесса требует выполнения ряда функций, совокупность которых принято называть производственно-хозяйственной деятельностью предприятия. Основными функциями явл.:-производство готовой продукции, вспомогательного оборудования, инвентаря, инструментов и выполнение ремонтных работ;-техническая под-готовка производства;-материально-техническое обеспечение;-организационно-трудовая подготовка производства;-финансово-бухгалтерская деятельность;-реализация готовой продукции.

Производство готовой продукции сосредоточено в специальных цехах, совокупность которых принято называть основным производством предприятия. В цехах основного производства организуется производственный процесс, т. е. превращение исходных продуктов (сырья, материалов, полуфабрикатов) в готовую продукцию. Производство вспомогательного оборудования, инвентаря, инструментов и выполнение ремонтных работ осуществляются в цехах вспомогательного производства. Состав функций вспомогательного производства зависит от специфики и характера производственного предприятия.

42) Любую автоматическую систему управления технологическим процессом (АСУ ТП) можно в конечном итоге разделить на 3 основных уровня иерархии. Самым нижним уровнем является уровень датчиков и исполнительных механизмов, которые устанавливаются непосредственно на технологических объектах. Их деятельность заключается в получении параметров процесса, преобразовании их в соответствующий вид для дальнейшей передачи на более высокую ступень (функции датчиков), а также в приеме управляющих сигналов и в выполнении соответствующих действий (функции исполнительных механизмов). Средний - уровень производственного участка. Его функции: - сбор информации, поступающей с нижнего уровня, ее обработка и хранение; - выработка управляющих сигналов на основе анализа информации; - передача информации о производственном участке на более высокий уровень. Верхний уровень в системе автоматизации занимает т.н. уровень управления. На этом уровне осуществляется контроль за производством продукции. Этот процесс включает в себя сбор поступающих с производственных участков данных, их накопление, обработку и выдачу руководящих директив нижним ступеням. Атрибутом этого уровня является центр управления производством, который может состоять из трех взаимопроникающих частей: - операторской части, - системы подготовки отчетов, - системы анализа тенденций. Операторская часть отвечает за связь между оператором и процессом на уровне управления. Она выдает информацию о процессе и позволяет в случае необходимости вмешательство ход автоматического управления. Обеспечивает диалог между системой и операторами. Система подготовки отчетов выводит на экраны, принтеры, в архивы и т.д. информацию о технологических параметрах с указанием точного времени измерения, выдает данные о материальном и энергетическом балансе и др. Система анализа тенденций дает оператору возможность наблюдения за технологическим параметрами и делать соответствующие выводы. На верхнем уровне АСУ ТП размещены мощные компьютеры, выполняющие функции серверов и обеспечивающие анализ и хранение всей поступившей информации, а также визуализацию информации и взаимодействие с оператором. Основой программного обеспечения верхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - системы управления и доступа к данным).

 

43) Совокупность сложного управляющего органа и сложного объекта управления называют сложной системой управления. Сложные системы управления имеют следующие важные особенности: 1. Число параметров, которыми описывается сложная система, весьма велико. Многие из этих параметров не поддаются количественному описанию и измерению.

2. Цели управления не поддаются формальному описанию без существенных упрощений. Цели являются функциями времени. Система может состоять из подсистем, каждая из которых имеет собственную цель управления. В процессе управления собственные (локальные) цели подсистем нужно согласовывать с общей (глобальной) целью системы, что, как правило, является сложной задачей. 3. Трудно или даже невозможно дать строгое формальное описание сложной системы управления. Как правило, основной задачей при моделировании таких систем является поиск разумного упрощения их описания.

44) В иерархических АСИ каждый уровень иерархии системы управления технологическими линиями и участками непрерывного производства имеет соответствующую АСИ с идентификатором в цепи обратной связи. Двухуровневые АСУ ТП с прогнозирующей моделью, используют настраиваемую модель для быстрого по сравнению с переходным процессом в объекте регулирования расчета программного управления и его реализации в реальном масштабе времени

44 46

В экстремальных АСУ ТП, которые относятся к поисковым системам, осуществляется поддержание режима технологического агрегата вблизи точки экстремума критерия качества в статическом режиме. В таких системах присутствуют пробные сигналы, что ограничивает область их применения. Поисковые оптимальные адаптивные АСУ ТП решают также задачу динамической оптимизации на основе поисковых процедур минимизации критерия качества управляемых динамических технологических объектов управления. Адаптивные системы с идентификатором (АСИ) реализуют эффективное в АСУ ТП управление по возмущению с помощью настраиваемой модели объекта.

 

 

45) Системы управления весьма разнообразны, и их целесообразно разбить на классы. Рассмотрим классификацию систем управления по трем следующим признакам: степень автоматизации функций управления; степень сложности и степень определенности.

В зависимости от степени автоматизации функций управления различают ручное, автоматизированное и автоматическое управление. При ручном управлении все функции процесса выполняются человеком - оператором. Автоматизированным называют процесс управления, в котором часть функций выполняется человеком, другая часть -автоматическими устройствами. При автоматическом управлении все функции выполняются автоматическими устройствами. Соответственно принято различать автоматизированные и автоматические системы управления. По степени сложности системы управления делят на простые и сложные. Строгого определения, позволяющего четко разделить эти системы, не существует. Понятие «сложная система» возникло как отражение факта существования в реальном мире таких объектов, достаточно полное описание которых либо затруднительно, либо совсем невозможно. Интуитивно представление о сложной системе можно получить, рассмотрев свойства систем, состоящих из большого числа элементов. Пусть система состоит из п элементов. Максимальное число направленных связей между элементами, очевидно, равно п (п -1). Число комбинаций связей (по типу «связь есть», «связь отсутствует») определяется значением 2n(n-1). Это значит, что система из трех элементов может иметь число комбинаций связей 64, система из четырех элементов - 4096, а система из десяти элементов -1,24-1027. Если считать (упрощенно), что состояние системы определяется наличием или отсутствием тех или иных связей в системе, то легко представить, как быстро растет число возможных состояний системы при сравнительно небольшом увеличении количества составляющих ее элементов. Сложной принято называть такую систему, которую трудно или невозможно изучать путем исследования ее всех возможных состояний. Естественно, такую характеристику сложности нужно рассматривать лишь как ее иллюстрацию. На практике приходится учитывать качественные особенности связей, их существенность и ряд других факторов, котор могут упростить или еще более услож исследование системы.