Управление технологическими комплексами сборочно-монтажного производства в условиях неопределенности (стр. 1 )

На правах рукописи

СМИРНОВА Мария Сергеевна

Управление технологическими комплексами сборочно-монтажного производства в условиях неопределенности

Специальность 05.13.06 – «Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами

(технические системы)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

Научный руководитель		доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты		доктор технических наук, профессор кандидат технических наук
Ведущая организация		ЗАО «Котлин-Новатор»

Защита состоится « 11 » декабря 2008 г. в « 16 » часов на заседании диссертационного совета Д223.009.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций» Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 10 » ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование систем управление в настоящее время характеризуется активным внедрением современных 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, обусловливают возрастание роли системного подхода, как при моделировании предметной области, так и при обосновании выбора архитектуры комплекса средств автоматизации. 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 производственно-технологическими комплексами составляет математическая модель технологической системы (процесса). В условиях неопределенности вопрос построения достаточно 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  разработки эффективных процедур управления качеством производства электронной продукции рассматривались в трудах Варжапетяна А. Г., Семеновой Е. Г., Меткина Н. П., Илларионова О. И., Шубарева В. А., Кофанова Ю. Н.

Результаты этих исследований важны для обеспечения широкого развития автоматизации технологических комплексов производства электронных модулей.

Несмотря на широкий фронт работ в области проектирования и автоматизации управления ТК производства ЭМ, существующие системы управления технологическими процессами и комплексами в большинстве своем лишь поддерживают 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 дополнительные затраты. Выход из этой 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 (ЭМ);

· сложность моделей ТК 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 управления производственно-технологическими системами усиливается также и тем, что относительный ущерб от брака при кратковременных процессах оказывается больше, чем при долговременных.

Таким образом, актуальной является научная проблема повышения эффективности производства электронных модулей путем разработки методов и средств управления технологическими комплексами, 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 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 устройства.

Благодаря установке компонентов и микросборок с планарными выводами или не имеющими выводов на поверхность печатной платы технология поверхностного монтажа позволяет (в отличии 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 (СМП) 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 ЭМ является их многоуровневое представление с формированием соответствующих моделей и описаний. Говорить о качестве сборки электронных модулей невозможно, не рассматривая состояние компонентной базы, правила и приемы проектирования монтажно-коммутационных оснований, наличие (или отсутствие) технологического оснащения, уровень технологической дисциплины и многое другое.

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

В проблеме обеспечения качества сборки ЭМ 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 проблемы повышения эффективности сборочно-монтажного производства ЭМ подтверждается направлениями из Перечня критических технологий Российской Федерации: «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;

· разработка элементов системы поддержки принятия решений в многокритериальных задачах управления технологическими комплексами сборочно-монтажного производства 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;

· элементы системы поддержки принятия решений в многокритериальных задачах управления технологических комплексов сборочно-монтажного производства на основе нечетких отношений и альтернатив;

· методика структурирования функций качества электронных модулей;

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

· методики и алгоритмы кластерного анализа мультимножеств экспертных оценок;

· методики 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 сборочно-монтажного производства 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 совершенствования отечественной экономики с учетом тенденций развития электронной компонентной базы;

· предложены и разработаны алгоритмы классификации мультимножеств экспертных оценок альтернативных вариантов построения технологических комплексов сборочно-монтажного производства ЭМ;

· 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 компания «Ленинец», -Новатор», , «ТОРЭКС».

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

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 результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных школах-семинарах «Новые информационные технологии» (Москва, 2005, 2007), XXIV научно-технической конференции «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости сложных технических систем» (Серпухов, 2005), научно-практической конференции «Проблемы сертификации и управления качеством» (Красноярск, 2006), IX, X, XI научных сессиях ГУАП (С. 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 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; 8 работ опубликовано без соавторов.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 154 страницы, в том числе 16 таблиц и 22 рисунка. Список использованных источников включает 131 наименование.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель, основные задачи, объект и предмет исследования. Показана научная новизна и практическая ценность выполненной работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту, и примеры практического использования результатов диссертационной работы.

В первой главе уточнены проблемы развития сборочно-монтажного производства для предприятий радиоэлектронной отрасли, которые определяются тенденциями развития радиоэлектронных систем и комплексов, повышением степени их информатизации, расширением спектра решаемых задач, постоянным повышением требований к надежности и эксплуатационной стабильности аппаратуры. Выполненный анализ тенденций развития сборочно-монтажного производства электронных модулей выявил нарастающее влияние фактора неопределенности в управлении технологическими комплексами. Уточнены источники неопределенности и обосновано, что неопределенность в многокритериальных задачах управления технологическими комплексами носит как объективный, так и субъективный характер:

- неопределенность условий вследствие помех и неполноты информации;

- неопределенность требований, которые должны учитываться при принятии решений;

- неопределенность самого решения, которая вводится преднамеренно путем рандомизации решения, либо фигурирует в виде априорных сведений о решении.

Повышение качества и эффективности управления технологическими комплексами сборочно-монтажного производства электронных модулей обеспечивается разработкой и использованием методик и алгоритмов управления, основанных на системном учете особенностей таких комплексов и позволяющих работать с качественной или неполно определенной информацией. Динамика параметров ТК СМП описывается очень сложными зависимостями, а учет дополнительных факторов характеризующих технологию сборки, еще в большей степени усложняет его модель.

Усложнение модели динамики ТК СМП приводит к соответствующему усложнению закона управления, к увеличению сложности его аппаратной реализации и, как следствие, к увеличению стоимости системы управления.

С учетом сложности технологических объектов, взаимосвязи качества продукции и производительности при управлении ТК сборочно-монтажного производства электронных модулей обоснована необходимость системного подхода к разработке методик и алгоритмов управления такими комплексами. Основу такого подхода составляет представление технологических процессов сборочно-монтажного производства и устройств управления единой системой, допускающей отражение, как количественных характеристик объекта управления, так и качественных оценок альтернативных вариантов организационно-технической реализации технологических комплексов.

Теоретической базой реализации системного подхода к разработке методик и алгоритмов управления ТК СМП ЭМ определен математический аппарат теории нечетких множеств, требующий дальнейшего развития и совершенствования. При управлении ТК СМП ЭМ задача выбора оптимального управления среди альтернативных вариантов в условиях неопределенности не имеет отработанной методологической основы.

При заданном значении показателя характеристики элементов комплекса выбираются из условия минимизации функции , например, стоимости или сроков модернизации производства, себестоимости объектов сборки, трудоемкости, энергозатрат и т. п. Математическая формулировка задачи имеет вид:

(1)

где – набор характеристик элемента ТК: , Ф – показатель функционирования, F – функция стоимости.

Обосновано использование упрощающих гипотез о зависимости показателей функционирования от моментов отказов элементов ТК СМП, при этом условные значения показателей функционирования определяются линейной комбинацией дисперсий ошибок их функционирования, что позволило определить общий вид приближенной зависимости показателя функционирования от характеристик надежности и точности этих элементов.

Применение гипотезы об экспоненциальной зависимости характеристик элементов ТК от его «стоимости» позволяет определить общий вид функции стоимости, а параметры функции определяются методом наименьших квадратов на основе обработки данных о прототипах.

Разработаны элементы системы поддержки принятия решений в задачах управления ТК СМП на основе нечетких отношений и альтернатив.

Для построения множества недоминируемых альтернатив R использовано нечеткое отношение строгого предпочтения Rs с функцией принадлежности:

(2)

где – функция предпочтения нечеткого отношения нестрогого предпочтения на множестве альтернатив А.

Нечеткое подмножество недоминируемых альтернатив определяется с учетом важности критериев:

(3)

Окончательно альтернатива а0 выбирается из множества четко недоминируемых альтернатив:

. (4)

Выполненный во второй главе анализ тенденций и перспектив развития электронной компонентной базы по показателям степени интеграции, количества выводов, быстродействия и миниатюризации подтвердил развитие технологий корпусирования ИС (табл. 1), совершенствование технологий и оборудования сборочно-монтажного производства и необходимость разработки методик и алгоритмов эффективного управления технологическими комплексами сборочно-монтажного производства в направлении уменьшения размеров, массы, повышения плотности монтажа, быстродействия и снижения стоимости электронных модулей.

Таблица 1

Параметры корпусов компонентов электронных модулей

Компоненты, монтируемые в отверстия
Группа	Типы корпусов в группе	Габариты корпусов, мил	Шаг выводов мм
С одним рядом выводов SIL	TO-92TO-202, TO-220 и др.	380x190, 1120x135,420x185…	2,54
С двумя рядами выводов DIL	MDIP, CerDIP	250x381…577x2050	2,54
С радиальными выводами	TO-3, TO-5, TO-18	-	-
С осевыми выводами		-	-
Решетки — Grid	CPGA, PPGA	286x286…2180x2180 мил	0,5…2,54
Компоненты, монтируемые на поверхность
С двумя рядами выводов DIL	«SOT-23, SSOP, TSOP, SOIC»	55x120…724x315 мил	0,635…0,762
С выводами по сторонам квадратного корпуса — Quad Package	LCC, CQJB, CQFP, CerQuad, PLCC, PQFP	350х350 мил …20x20 мм	0,5…1,27
Решетки — Grid	BGA, uBGA	-	0,75 мм (uBGA)
1 mil = 0,0254 мм

Организационно-технические специфика технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей заключается в многоальтернативности вариантов реализации и требует системного учета конструктивно-технологических особенностей современной и перспективной электронной компонентной базы при различном расположении их на монтажно-сборочных основаниях.