Управление технологическими комплексами сборочно-монтажного производства в условиях неопределенности

Актуальность темы

диссертационной работы. Совершенствование систем управление в настоящее время характеризуется активным внедрением современных информационных технологий в практику управления в различных сферах практической деятельности человека. Многообразие архитектурных решений и относительное удешевление обработки информации создали реальные предпосылки перехода от автоматизации отдельных задач к автоматизации множества производственных процессов.

Вместе с тем повышаются требования к качеству проектных и исследовательских разработок при создании автоматизированных систем. Концепция реинжиниринга производственных процессов и нарастающее внедрение систем с архитектурой «клиент-сервер», являющиеся ведущими тенденциями последних лет, обуславливают возрастание роли системного подхода, как при моделировании предметной области, так и при обосновании выбора архитектуры комплекса средств автоматизации. Таким образом, в теории и практике создания производственно ориентированных систем обработки информации наметилась устойчивая тенденция возвращения к обсуждению методологических вопросов, позволяющая задать теоретические ориентиры, необходимые для более осознанной и конкретной инженерной деятельности.

Постоянное усложнение электронных модулей, тенденция к переходу на мелкосерийное многономенклатурное производство в условиях жестких ограничений на затраты и сроки отработки и переналадки технологических процессов приводит к тому, что управление технологическими комплексами (ТК) осуществляется, как правило, в условиях априорной недостаточности. Неопределенность в процесс управления вносят также погрешности и неполнота измерительной информации, шумы, неоднородность используемых материалов, дрейф параметров технологического оборудования.

Основное содержание алгоритма управления ТК составляет математическая модель процесса. В условиях неопределенности вопрос построения адекватных математических моделей стоит особенно ' остро. Методы разработки адекватных моделей технологических комплексов и процессов производства электронных модулей, а также алгоритмов управления основываются на трудах Бушминского И. П., Лопухина В. А., Даутова О. Ш., Чабдарова Ш. М., Гаскарова Д. В., Ильина В. Н., Львовича Я. Е., Фролова В. Н., Благовещенского B.C. Методы разработки эффективных процедур управления качеством производства электронных продукции рассматривались в трудах Варжапетяна А. Г., Семеновой Е. Г., Илларионова О. И., Шубарева В. А., КофановаЮ.Н. Результаты этих исследований важны для обеспечения широкого развития автоматизации ТК производства электронных модулей.

•Несмотря на широкий фронт работ в области проектирования и автоматизации управления ТК производства электронных модулей, существующие автоматизированные системы управления технологическими процессами и комплексами в большинстве своем способны лишь поддерживать существующий уровень и малоэффективны в период освоения новых изделий, а также в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства.

Отсутствие методологического аппарата и средств автоматизированной обработки информации делает систему управления техническим обслуживанием ТК инертной, не позволяет перейти к эксплуатации технических средств по состоянию, влечет неоправданные дополнительные затраты. Выход из сложившейся ситуации возможен только на основе новых подходов к автоматизации системы управления, и в частности — процессов принятия решения.

Анализ научно-технической и нормативной документации показал:

— методы решения проблем неопределенности ориентированы на серийное производство электронных модулей;

— сложность моделей технологических комплексов и длительный период их адаптации к реальным условиям затрудняют использование моделей в оперативном режиме;

— при разработке моделей управления не все виды неопределенности учитываются и могут быть формализованы традиционными аналитическими и статистическими методами;

— разработка моделей управления в условиях неопределенности, как правило, не рассматривается в непосредственной связи с их технической реализацией.

В условиях мелкосерийного производства необходимость эффективного статистического управления производственно-технологическими системами, включая процессы технологической подготовки и собственно производственные процессы, усиливается также и тем, что относительный (в процентном отношении) ущерб от брака при кратко-временных процессах оказывается больше, чем при долговременных.

Таким образом, актуальной является научная проблема повышения эффективности производства электронных модулей путем разработки методов и средств управления ТК, соответствующих тенденциям развития производства электронных модулей и ориентированных на реальную практику их использования.

Указанная проблема усугубляется объективным развитием технологии монтажа и сборки электронных модулей. Возникновение и развитие технологии поверхностного монтажа (ПМ) связана с объективными тенденциями изменения компонентной базы, габаритные размеры и масса которых становятся существенно меньше, а в случае применения интегральных схем, обусловленном повышенными требованиями к функциональности, к тому же, имеют гораздо большее количество выводов.

Эти габаритные и весовые изменения обусловлены повышением спроса на портативные электронные устройства.

Благодаря установке компонентов и микросборок с планарными выводами или не имеющими выводов на поверхность печатной платы технология поверхностного монтажа позволяет (в отличие от традиционного монтажа в отверстия) достичь большей степени автоматизации, более высокой плотности монтажа, уменьшить объем, снизить стоимость и повысить технические характеристики изделий.

При системном синтезе технологических комплексов сборочно-монтажного производства особую актуальность приобретает задача структурирования требований к их показателям функционирования с целью выбора характеристик элементов комплекса из условия минимизации его стоимости при заданном значении показателя функционирования.

Одним из основных подходов определения качества электронных модулей является их многоуровневое представление с формированием соответствующих моделей и описаний. Действительно, говорить о качестве сборки электронных модулей невозможно, не рассматривая при этом состояние компонентной базы, правила и приемы проектирования монтажно-коммутационных оснований, наличие (или отсутствие) технологического оснащения, уровень технологической дисциплины и многое другое.

Качество сборки электронных модулей является, таким образом, одним из элементов достаточно сложной системы взаимосвязанных и взаимообусловленных явлений и процессов, формирующих технические, эксплуатационные и другие параметры изделия, характеризующие в своей совокупности его качество.

В проблеме обеспечения качества сборки электронных модулей на одно из первых мест выходит методология структурирования потребности потребителя по горизонтали и вертикали для всех уровней проблемы. Эта методология получила название «структурирование функций качества».

Таким образом, создание и эксплуатация производственно-технологических систем, ориентированных на сборку радиоэлектронной и вычислительной аппаратуры, сопровождается значительными проблемами, как общего, так и специфического характера. Используемые сложные и многообразные технологии поверхностного монтажа компонентов электронной аппаратуры находятся в постоянном развитии.

Актуальность решаемой проблемы повышения эффективности сборочно-монтажного производства электронных модулей дополнительно подтверждается следующими направлениями из Перечня критических технологий, утвержденных Президентом Российской Федерации 21 мая 2006 г.: «Базовые и критические военные, специальные и промышленные технологии», «Технологии механотроники и создания микросистемной техники», «Технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления», «Технологии создания электронной компонентной базы».

Цель исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности сборочно-монтажного производства электронных модулей на основе разработки методик и алгоритмов управления технологическими комплексами в условиях недостаточной и/или нечеткой информации об объектах управления и внешних воздействиях.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены следующие задачи исследования:

— анализ состояния и перспектив развития производства электронных модулей в условиях инновационного развития отечественной экономики с учетом тенденций развития электронной компонентной базы;

— разработка методики структурирования (распределения) требований к показателям функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства (СМП) электронных модулей (ЭМ);

— разработка элементов системы поддержки принятия решений в многокритериальных задачах управления ТК СМП на основе нечетких отношений и альтернатив;

— анализ организационно-технических особенностей технологических комплексов сборочно-монтажного производства с учетом конструктивно-технологических особенностей электронных модулей,.

— разработка методик структурирования функций качества электронных модулей;

— разработка математических моделей функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей в нечеткой среде на основе классификации их состояний;

— разработка методик и алгоритмов кластерного анализа мультимножеств экспертных оценок;

— разработка методик и алгоритмов нечеткого управления на примере процессов нанесения и оплавления припойных паст в технологических комплексах сборочно-монтажного производства электронных модулей. Методы исследования. Методологическую и общетеоретическую базу исследований составляют теоретические основы технологии производства радиоаппаратуры, системология, теория принятия решений, методы теории оптимального управления, теории принятия решений, теории множеств и баз данных, теории классификации, численные методы анализа и математического моделирования, теория планирования эксперимента и имитационного моделирования. Основные теоретические результаты подтверждены при внедрении основных выводов и положений диссертационной работы.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

— методика распределения требований к показателям функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей;

— разработка элементов системы поддержки принятия решений в многокритериальных задачах управления ТК СМП на основе нечетких отношений и альтернатив;

— методика структурирования функций качества электронных модулейматематические модели функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей в нечеткой среде на основе классификации их состоянийметодики и алгоритмы кластерного анализа мультимножеств экспертных оценокметодики и алгоритмы «нечеткого» управления на примере процессов нанесения и оплавления припойных паст в технологических комплексах сборочно-монтажного производства электронных модулей.

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие новые научные результаты:

— на основе анализа методологии поддержки принятия решения в технологических комплексах сборочно-монтажного производства электронных модулей уточнена содержательная направленность отдельных этапов процесса поддержки принятия решения и определены потенциальные возможности использования ситуационного подхода к принятию управленческих решений.

— предложены и разработаны методики вероятностной оценки эффективности распределения требований к показателям функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей.

— предложена и разработана методика структурирования функций качества электронных модулей, связывающая запросы потребителя с техническими характеристиками электронных модулей, подлежащими реализации в процессе их проектирования и производства. предложены и разработаны математические модели функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей в нечеткой среде на основе классификации их состояний.

— предложены и разработаны методики и алгоритмы кластерного анализа мультимножеств экспертных оценок альтернативных вариантов технологических комплексов СМП электронных модулей.

— разработаны методики «нечеткого» управления на примере процессов нанесения и оплавления припойных паст в технологических комплексах сборочно-монтажного производства электронных модулей Практическая ценность. Практическая ценность полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

— выполнен анализ состояния и определены перспективы развития производства электронных модулей в условиях инновационного развития отечественной экономики с учетом тенденций развития электронной компонентной базы.

— предложены и разработаны алгоритмы классификации мультимножеств экспертных оценок альтернативных вариантов технологических комплексов СМП электронных модулей.

— предложена и разработана инженерная методика дозирования припойной пасты при автоматизированном нанесении.

— предложена и разработана инженерная методика выбора режимов термических операций в технологии сборки электронных модулей.

— разработана инженерная методика и алгоритм проектирования системы операционного контроля для технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей.

Результаты работы прошли экспериментальную проверку и были внедрены в ОАО «Холдинговая компания «Ленинец», ЗАО «Котлин-Новатор», ООО НПФ «ТОРЭКС», ООО «Пантес», ОАО «Авангард» (г. Санкт-Петербург).

Применение разработанных методик позволило оптимизировать технологические режимы нанесения и оплавления припойной пасты в сборочно-монтажном производстве электронных модулей специального и гражданского применения, уменьшить объем регулировочных работ при сохранении заданной точности выходных параметров электронных модулей и повысить производительность труда на операциях монтажа и сборки электронных модулей.

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по специальностям «Управление качеством» и «Инноватика» в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения.

Апробация.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных школах-семинарах «Новые информационные технологии» (Москва, 2005, 2007), XXIV межведомственной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости сложных технических систем» (Серпухов, 2005), региональной научно-практической конференции «Проблемы сертификации и управления качеством» (Красноярск, 2006), Девятой, Десятой и Одиннадцатой научных сессиях ГУАП (Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2008), Международной научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2007). По материалам диссертационной работы получен грант Правительства Санкт-Петербурга.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 8 статей, из которых 4 опубликовано в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК Минобрнауки РФ, 9 тезисов докладов.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 154 страниц, в том числе 16 таблиц и 22 рисунка.

Список использованных источников

включает 131 наименование.

Результаты работы прошли экспериментальную проверку и были внедрены в ОАО «Холдинговая компания «Ленинец», ЗАО «Котлин-Новатор», ОАО «Авангард», ООО «Пантес», ООО НПФ «ТОРЭКС» (г. Санкт-Петербург).

Применение разработанных методик позволило оптимизировать технологические режимы нанесения и оплавления припойной пасты в сборочно-монтажном производстве электронных модулей специального и гражданского применения, уменьшить объем регулировочных работ при сохранении заданной точности выходных параметров электронных модулей и повысить производительность труда на операциях монтажа и сборки электронных модулей.

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по специальностям «Управление качеством» и «Инноватика» в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе поставлена и решена научно-техническая задача, имеющая важное народно-хозяйственное значение — повышение эффективности сборочно-монтажного производства электронных модулей на основе разработки методик и алгоритмов управления технологическими комплексами в условиях недостаточной и/или нечеткой информации об объектах управления и внешних воздействиях.

Решение этой задачи в рамках данного научного направления позволило определить цели исследования диссертационной работы, в соответствии с которыми получено теоретическое обоснование и практическая реализация методик и алгоритмов управления технологическими комплексами сборочно-монтажного производства электронных модулей в условиях неопределенности.

В процессе анализа предметной области, научных и прикладных исследований принципов организации и эксплуатации технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей, выполненных статистических исследований и реализации экспертных методов, а также компьютерного моделирования при принятии решений получены следующие результаты:

— выполнен анализ состояния и уточнены перспективы развития производства электронных модулей в условиях инновационного развития отечественной экономики с учетом тенденций развития электронной компонентной базы;

— разработана методика структурирования (распределения) требований к показателям функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей;

— предложены и разработаны элементы системы поддержки принятия решений в многокритериальных задачах управления технологическими комплексами сборочно-монтажного производства электронных модулей на основе нечетких отношений и альтернатив;

— уточнены организационно-технические особенности технологических комплексов сборочно-монтажного производства с учетом конструктивно-технологических особенностей электронных модулей,.

— предложена и разработана методика структурирования функций качества электронных модулей;

— разработаны и обоснованы математические модели функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей в нечеткой среде на основе классификации их состояний;

— предложены и разработаны методики и алгоритмы иерархического и неиерархического кластерного анализа мультимножеств экспертных оценок;

— разработаны и обоснованы методики и алгоритмы управления в технологических комплексах сборочно-монтажного производства электронных модулей на примере процессов нанесения и оплавления припойных паст.