Содержание к диссертации
Введение
2. Анализ производства синтетических волокон и выбор структуры системы автоматического управления процессом обслуживания 10
2.1. Некоторые особенности производства синтетических волокон 10
2.2. Задачи управления при автоматизации обслуживания формовочно-приемных агрегатов 12
2.3. Особенности технологического процесса формования, вытягивания и намотки нити, а также его аппаратурного оформления 18
2.4. Пути использования моделей массового обслуживания при синтезе системы автоматического управления 26
3. Экспериментальное определение вероятностно-временных характеристик формовочно-приемных агрегатов 35
3.1. Актуальность экспериментальных исследований вероятностно-временных характеристик АФП 35
3.2. Методика проведения пассивного эксперимента... 37
3.3. Первичная обработка и предварительный анализ экспериментальных данных 43
3.4. Анализ потоков заявок процесса наработки нити 44
3.5. Идентификация закона распределения вероятностей обрывов нити на агрегате 46
3.6. Идентификация закона распределения вероятностей вызовов на агрегате 64
3.7. Идентификация закона обслуживания рабочих мест формовочно-приемного агрегата 70
4. Синтез системы автоматического управления процессом обслуживания формовочно-приемного агрегата 86
4.1. Разработка математической модели подсистемы "формовочно-приемный агрегат - исполнительный механизм" САУ ПО 86
4.2. Задачи модели СМО подсистемы АФП-ИМ и возможности ее применения 91
4.3. Методика аналитического определения средней интенсивности вызовов разрабатываемого агрегата 94
4.4. Экспериментальная проверка методики аналитического определения средней интенсивности вызовов... 99
4.5. Определение времени наработки средней неполновесной паковки по экспериментальным данным 101
4.6. Математическое моделирование подсистемы АФП-ИМ... 105
4.7. Разработка алгоритма функционирования системы автоматического управления процессом обслуживания. 112
4.8. Структура алгоритма функционирования системы автоматического управления процессом обслуживания 119
4.9. Синтез исполнительного механизма системы автоматического управления процессом обслуживания ... 123
5. Вопросы внедрения результатов работы и перспективы автоматизации обслуживания в производстве синтетических волокон 141
5.1. Математическая модель подсистемы "формовочно-приемный агрегат - автоматический манипулятор" 141
5.2. Внедрение результатов исследований 146
5.3. Выводы 148
- Задачи управления при автоматизации обслуживания формовочно-приемных агрегатов
- Первичная обработка и предварительный анализ экспериментальных данных
- Задачи модели СМО подсистемы АФП-ИМ и возможности ее применения
- Синтез исполнительного механизма системы автоматического управления процессом обслуживания
Введение к работе
Решения ХХУІ съезда КПСС ориентируют на то, чтобы развитие науки и техники еще в большей мере подчинить решению экономических и социальных задач советского общества. В плане одиннадцатой пятилетки предусматривается увеличение выпуска новых машин и оборудования, приборов и средств автоматизации. Для автоматизации и механизации процессов с тяжелыми неблагоприятными условиями труда предусматривается создание и освоение производства новых видов подъемно-транспортного оборудования и автоматических манипуляторов, которые найдет применение практически во всех отраслях народного хозяйства.
В химической и нефтехимической промышленности в XI пятилетке объем продукции увеличивается на 30 33 процента, в частности, выпуск химических волокон и нитей до 1,6 млн.тонн, при повышении производительности труда по отрасли на 28 - 30% [і]. В основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до 1990 года в химической и нефтехимической промышленности предусматривается создание агрегатов большой мощности для выпуска химических волокон.
В производстве химических волокон поставленные задачи выполняются созданием прогрессивного мало операционного оборудования, агрегатов и машин, выполняющих несколько технологических операций, ранее выполнявшихся на отдельных агрегатах.
Переход к мало операционным технологиям и создание высокоэффективного и высокопроизводительного оборудования невозможны без подъема технической вооруженности труда. В текущей пятилетке всемерно внедряется комплексная механизация и автоматизация производственных процессов, сокращается во всех отраслях числен - 6 ность работников, занятых ручным трудом, особенно на вспомогательных и подсобных работах [і] . В основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до 1990 года указывается на необходимость повысить технический уровень и качество средств автоматизации и приборов, существенно увеличить производство автоматических манипуляторов с программным управлением, позволяющих исключить применение ручного малоквалифицированного и монотонного труда.
Одной из важнейших проблем одиннадцатой и двенадцатой пятилеток является проблема трудовых ресурсов. В этой пятилетке приток трудовых ресурсов на производство сократился, многие предприятия испытывают острую потребность в рабочих кадрах. В следующей пятилетке в народное хозяйство придет на 8 млн. человек меньше [2] . В настоящее время в народном хозяйстве ручным трудом занято около 4-5 млн. человек. Это и есть тот резерв, за счет которого должен восполняться дефицит трудовых ресурсов. На Июньском (1983 г.) Пленуме ЦК КПСС было подчеркнуто:"...для повышения эффективности производства необходимо резко сократить использование ручного труда, прежде всего путем комплексной механизации" [з]. Есть и другая социальная причина, которая также настоятельно подталкивает к быстрейшей автоматизации и механизации производства. Сейчас в стране 8Ь% населения со средним образованием, в середине 80-х годов выйдет на пенсию поколение, которому война помешала закончить десятилетку и получить высокую квалификацию. К концу одиннадцатой пятилетки на производство придут люди только со средним образованием и, естественно, они будут стараться овладеть какой-либо перспективной специальностью, а желающих заниматься тяжелым трудом будет все меньше [3]. Производственники все активнее заявляют:"... с каждым годом все труднее находить кадры для выполнения малоквали - 7 фицированных, монотонных тяжелых работ..." [V]. Это по данным паспортизации ручного труда в производстве синтетических волокон, проведенной на предприятиях подотрасли, уровень ручного труда составляет в настоящее время Ц-6% [5 ]. В основном, это трудовые операции, связанные с перемещением нитей в виде паковок или в контейнерах, а также операции по заправке нитей на текстильных агрегатах или обработке паковок, то есть поиск нити на паковке, отматывание нити с паковки, закрепление нити на паковке или патроне и операции, связанные с контролем качества нити. Механизация и автоматизация именно этих трудоемких технологических операций в производстве синтетических волокон и является основной задачей подотрасли синтетических волокон, выполнение которой повысит производительность труда, эффективность использования оборудования и освободит рабочие руки для решения других народнохозяйственных задач. Вместе с тем автоматизация и механизация трудоемких операций в производстве синтетических волокон позволит освободить прядильщиц, перемотчиц, ставильщиц и работниц аналогичных профессий от интенсивного монотонного физического труда, а также, учитывая острый дефицит рабочих рук, вводить в строй новые мощности по производству волокна, не привлекая дополнительных трудовых ресурсов. То есть, механизация и автоматизация трудоемких технологических операций в производстве синтетических волокон позволяют производить реконструкцию производств и вводить новые технологии и оборудование, в принципе неработоспособные без средств механизации и автоматизации. Таким образом, актуальность и необходимость механизации и автоматизации на предприятиях подотрасли совершенно очевидна. В данной диссертационной работе рассматриваются теоретические и практические вопросы механизации и автоматизации трудоемких технологических процессов на примере процесса
- 8 смены паковок на рабочих местах высокоскоростного формовочно-приемного агрегата (АФП) для производства полиамидных нитей, а целью работы является разработка системы автоматического управления процессом обслуживания на примере АФП и синтез автоматического манипулятора для смены паковок.
Основными теоретическими результатами данной работы являются:
- экспериментальное определение закона распределения вероятностей обрывов нити на высокоскоростных АФП;
- экспериментальное определение закона распределения вероятностей вызовов на высокоскоростных АФП;
- экспериментальное определение закона обслуживания для высокоскоростных АФП;
- разработка математической модели подсистемы АФП исполнительный механизм применительно к процессу наработки паковок;
- разработка структурной схемы системы автоматического управления процессом обслуживания АФП и подобных машин.
Практическая значимость работы заключается в использовании большей части разработок в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах ( в лаборатории механизации и автоматизации Всесоюзного научно-исследовательского института синтетических волокон) при выдаче исходных требований на автоматизацию трудоемких технологических процессов в производстве синтетических волокон, в частности:
- для технологического процесса получения полиамидной текстильной нити с совмещением операций формования, вытягивания и текстурирования при скорости 1500 2500 м/мин;[б]
- для технологического процесса получения полиамидной кордной ткани и капроновых нитей; [5 ]
- при разработке автоматического манипулятора смены паковок МСП-І и МСП-2 конструкции ВНИИСВ, прошедших макетные испытания на Даугавпилсском ПО "Химволокяо".
Диссертация состоит из шести разделов изложенных на страницах машинописного текста с 18 иллюстрациями и 16 таблицами, содержит список литературы 115 наименований и 6 приложений.
Задачи управления при автоматизации обслуживания формовочно-приемных агрегатов
Большая масса паковок и высокая скорость наработки нити делают невозможным выполнение процессов обслуживания, которые являются трудоемкими технологическими процессами, вручную, как это сейчас происходит на всех предприятиях отрасли. Наиболее трудоемким в цикле обслуживания является съем наработанных паковок с намоточных устройств рабочих мест агрегата, транспортировка их за пределы фронта обслуживания АФЇЇ и установка паковок на межцеховое транспортное устройство. Так, например, на разрабатываемом в настоящее время агрегате совмещенного формования, вытягивания и текстурирования полиамидного коврового жгута со скоростью до 2500 м/мин 15 необходимо снять [18] паковок массой б кг за 5 минут. Теоретически это могут выполнить пять операторов, они же должны делать перезаправку нити в случае ее обрыва, при этом площадь зоны обслуживания возрастет приблизительно в 5 раз, и это в строго кондиционируемом цехе. Таким образом, применение автоматических и полуавтоматических устройств смены паковок становится актуально необходимым. Существенную, а в некоторых случаях определяющую роль в разработке и внедрении средств автоматизации трудоемких технологических процессов (АТТП) играют социальные факторы: дефицит на предприятиях отрасли трудовых ресурсов; ограничения по допустимой интенсивности труда, накладываемые нормативными документами Минздрава СССР и ВЦСПС; очевидная непривлекательность монотонного интенсивного физического труда при выполнении операций обслуживания.
Разработка средств АТТП, как у нас в стране, так и за рубежом, находится в настоящее время в начальной стадии. В основном разработкой устройств смены паковок (УСП) и систем управления, использующих УСП в качестве исполнительного механизма, занимаются такие западные фирмы, как: /4LUK0L0R, IWKA» Вагтад- все ФРГ; Rieten АВ. швН -Швеция; iScagua- Италия; $0ЇМй- Франция и другие [іІ-І4]. В социалистических странах УСП разрабатываются только в ГДР EXTJMA [іб] и у нас в стране в ЛМО им. К.Маркса [17], ВНИИМСВ [18] и в НПО "Химволокно", а также во ВНИИСВ [5J.
Применение УСП на предприятиях отрасли еще не получило широкого распространения. Это объясняется тем, что на предприятиях установлены машины, которые нарабатывают паковки небольшой массы и при низких скоростях, и поэтому интенсивность работы обслуживающего персонала невелика. Из отечественных разработок уже прошли стадию испытания несколько исполнительных механизмов (имеется в виду УСП) систем АТТП, разработанные МО им. К.Маркса [17] и ВНИЙСВа. Испытанные манипуляторы выполняют только одну операцию -съем наработанных паковок, остальные выполняет оператор, но несмотря на это, они существенно облегчают работу оператора, взяв на себя наиболее трудоемкую операцию. Такие манипуляторы по предложенной в работе [19] классификации занимают промежуточное положение между ручными манипуляторами и автоматическими системами, функционирующими без участия человека. Применение автоматических систем обслуживания АФЇЇ требует оснащения агрегата множеством автоматических устройств, разработка которых в настоящее время чаще всего экономически неоправдана, так как количество высвобождающегося персонала так мало, что целесообразно оставить выполнение части операций за ним. Поэтому реальным и обоснованным на ближайшее будущее является разработка и внедрение автоматизированных систем, включающих УСП и оператора [19].
В настоящее время еще не применяются общепризнанные методики разработки как исполнительных механизмов, так и самих систем управления процессом обслуживания. Разработки УСП базируются, в основном, на практическом опыте конструкторов, использующих технические данные агрегатов для расчета усредненных значений технических характеристик УСП. В качестве критериев оценки функционирования систем подразумевается использование уровня быстродействия исполнительного механизма, но так как промышленных испытаний еще не проводилось, определенных выводов сделать нельзя.
Такой подход к разработке исполнительных механизмов систем и самих систем управления трудоемкими технологическими процессами уже сейчас не является рациональным J20]. Разработка УСП, проектирование, изготовление, монтаж, наладка и испытания в реальных условиях без предварительного математического моделирования требуют значительных материальных и людских затрат, а также далеко отодвигают сроки внедрения средств автоматизации в производство. Разработка УСП без предварительного моделирования не позволяет одновременно с ним вести разработку всей системы управления [21].
Математическое моделирование процесса обслуживания формовочноприемных агрегатов, а также и других машин по получению и переработке синтетических волокон невозможно без исследования автоматизируемого агрегата как объекта управления, а также и процесса его обслуживания, в котором участвуют оператор и устройство смены паковок. Поэтому целью диссертационной работы является разработка системы автоматического управления процессом обслуживания формовочно-приемных агрегатов и синтез УСП на основе математической модели [22] .
Согласно сформулированной цели, и учитывая специфику производства, в работе ставятся и решаются следующие задачи: - исследование технологического процесса наработки волокна и процесса обслуживания агрегата как объекта управления; - обоснование и разработка структуры системы автоматического управления процессом обслуживания (САУ ПО) агрегата; - математическое описание процесса формования и вызовов на рабочих местах АФП и процесса обслуживания АФП; - разработка математической модели подсистемы АФП-УСП; - разработка алгоритма функционирования САУ ПО; - синтез устройства смены паковок и разработка алгоритма функционирования УСП;
Первичная обработка и предварительный анализ экспериментальных данных
Результаты наблюдений в журнале представляют собой запись текущего времени событий с их фиксацией в эти моменты времени. На первом этапе их обработки целесообразно для удобства последующих расчетов перевести текущее время в интервалы времени с обозначением событий, произошедших в них. В результате получаем значение интервалов времени для каждого рабочего места (см. таблицу ПІ в приложениях).
Таблица ПІ является первичной статистической информацией, полученной в результате пассивного эксперимента.
Рассмотрим данные места № I по таблице ПІ. Время наработки паковки номинальной массы на местах с I по 6 составляет 155 минут, в таблице ПІ для первого места максимальный интервал времени наработки составляет 219 минут, а минимальный 105 минут. Объясняется это тем, что каждое рабочее место агрегата оснащено счетчиком времени наработки, который включается оператором после заправки нити, а по достижении заданного значения времени наработки счетчиком, включается оптическая сигнализация на рабочем месте, но наработка нити продолжается. Останавливает рабочее место оператор, причем, он может это сделать сразу же при обнаружении оптического сигнала, но может и позже, через интервал времени случайной длительности, так как сигнал может быть не замечен, или оператор заметил сигнал, но занят на каком-либо другом рабочем месте. Наработка нити может быть прекращена оператором, если еще не сработал счетчик времени и паковка не наработалась до номинальной массы в том случае, если оператор производил обслуживание рабочего места соседнего с рассматриваемым и решил сменить паковки "заодно" и на этом рабочем месте. Так как интервалы времени на которые искусственно изменяются интервалы наработки являются случайными величинами, то их влияние на среднее значение интенсивности появления заявок является не существенным и согласно предельной теореме случайных потоков, эти интервалы не изменяют закона распределения вероятностей заявок [59] Наработка нити на рабочих местах агрегата осуществляется в соответствии с требованиями технологии, подразумевающими стабильность параметров процесса. Средства автоматики обеспечивают стабильность технологических параметров, которые могут изменятся в допустимых пределах, а значения каждого параметра в определенный момент времени являются случайной величиной,не выходящей из допустимой зоны вариации, с постоянным математическим ожиданием. Следовательно, процесс наработки нитей является стационарным случайным процессом [32]. Если рассматривать поток заявок на обслуживание рабочих мест агрегата как производный технологического процесса, то он так же является стационарным. В первом приближении поток заявок на обслуживание рабочих мест агрегата можно считать однородным, так как любое место необходимо обслуживать, независимо от того, произошла ли наработка полновесной паковки или на месте произошел обрыв и сменяться будет неполновесная паковка. Поток появления заявок является ординарным, так как нет причин вызывающих две и более заявок на одном или нескольких рабочих местах одновременно. Поток заявок является потоком без последствия, так как очевидно отсутствие вероятностной зависимости последующего течения процесса от предыдущего. Например, окончание наработки полновесной паковки на одном рабочем месте, то есть появления на нем вызова на обслуживание, не влечет за собой окончание наработки на каком-либо другом рабочем месте, за исключением редких случаев, когда оператор сам прекращает наработку на соседнем месте, не дожидаясь сигнала.
Таким образом, поток заявок на обслуживание рабочих мест агрегата в первом приближении обладает всеми свойствами простейшего потока: ординарностью, стационарностью и отсутствием последействия, то есть подчиняется распределению Пуассона [59] .
Задачи модели СМО подсистемы АФП-ИМ и возможности ее применения
Числовые и вероятностные характеристики модели СМО позволяют решать большинство технических задач, возникающих во всех стадиях разработки подсистемы АФП-ИМ, а также являются основой для разработки системы автоматического управления процессом обслуживания. При разработке подсистемы АФП-ИМ модель СМО позволяет решить следующие задачи: провести количественный анализ работы действующего АФП с целью выяснения степени загруженности операторов, потерь волокна по вине операторов, определения резерва повышения производительности агрегата, определения рабочих мест агрегата, работающих с пониженной производительностью, с повышенной обрывностью. Экспериментальные данные пассивного эксперимента на агрегате позволяют определить практическую минимальную обрывность нити и максимальную производительность агрегата; при разработке средств автоматизации обслуживания действующего АФІЇ модель СМ0 позволяет получить скоростные характеристики разрабатываемого устройства смены паковок и промоделировать работу подсистемы АФП-ИМ, получив еще в процессе разработки параметры работы АФП при применении разрабатываемых средств автоматизации; для действующего АФП провести выбор ИМ по характеристикам ИМ и АФП и на основе сравнения показателей работы АФП со всеми вариантами ИМ произвести выбор лучшего ИМ системы обслуживания.
Перечисленные задачи, решение которых возможно с применением модели СМ0 предполагают, что автоматизируемый агрегат является действующим, то есть можно получить его вероятностно-временные характеристики, проведя пассивный эксперимент. Но более важной и актуальной задачей является применение модели СМО в процессе совместной разработки АФП и средств автоматизации обслуживания - ИМ систеш обслуживания [79,8б]. Это становится возможным только при разработке методики аналитического определения вероятностно-временных характеристик. Доказать строго математически по техническим данным агрегата, что распределение вероятностей вызовов подчиняется какому-либо распределению невозможно без многочисленных предположений и допущений, умаляющих правдивость доказательства. А вот проведением аналогии между разрабатываемым агрегатом и высокоскоростным агрегатом формования полиамидной текстильной нити, для которого установлен пуассоновский закон распределения можно прийти к конкретному выводу. При этом всегда необходимо помнить, что в теории систем массового обслуживания доказана теорема о том, что сумма независимых ординарных стационарных потоков с любым последействием получается сколь угодно близкой к простейшему потоку, причем эта близость увеличивается с увеличением числа слагаемых [8l].
В предыдущем разделе диссертационной работы было показано, что закон распределения вызовов и обрывов нити на рабочих местах агрегата подчиняются распределению Пуассона, так как уже на каждом месте число составляющих потока, вернее число потоков причин, вызывающих "случайность" вызовов и обрывов, достаточно велико. Сумма потоков со всех рабочих мест агрегата закономерно приводит к полученному распределению.В последнее время было проведено экспериментальное определение распределения вероятностей вызовов на крутильной машине КОЭ-315 в производстве синтетического волокна и, несмотря на то, что на вход машины поступает нить в виде паковок определенной массы, в отличие от АФП, где поступает "бесконечная нить" - поток вызовов на обслуживание также является простейшим (результаты еще не опубликованы).
Что касается определения средней интенсивности вызовов разрабатываемых АФП, то разработка методики аналитического определения среднего значения интенсивности приводится в следующем разделе работы.
Синтез исполнительного механизма системы автоматического управления процессом обслуживания
В результате анализа числовых характеристик математической модели подсистемы ИМ-АФП, алгоритма функционирования САУ ПО АФП, а также вероятностно-временных характеристик автоматизируемого объекта (АФП) мы имеем следующие исходные данные на разработку конструкции исполнительного механизма системы - устройства смены паковок: необходимо обеспечить выполнение исполнительным механизмом совместно с оператором цикл обслуживания за минимальное времяТмин =1,5 минут, при этом предусмотреть возможность выполнения цикла обслуживания за Тном =2,5 минуты и Т макс =3,5 минут, что соответствует трем скоростям работы ИМ:
Итак, основная задача обеспечить выполнение цикла обслуживания за Тмин =1,5 минуты, при этом необходимо учитывать, что оператор может провести перезаправку нити, одевание на паковко-держатель патрона минимум за 45-50 секунд, как показывает экспериментальный анализ работы операторов. Следовательно, на выполнение операций съема наработанной паковки УСП остается около 40 секунд (Тсп,мин =90" № 50)" = (40 45") ). При средней скорости движения манипуляторов промышленных роботов [94,95,98] около 0,5-1,0 м/сек на операцию съема паковок будет затрачено не больше 5 секунд.
Если остановить выбор на конструкции стационарного устройства смены паковок, а также УСП разработаны, например, западногерманской фирмой "Бармаг" в нескольких вариантах [99,ЮО], то степень загрузки такого устройства будет меньше 0,001: где J\ - средняя интенсивность вызовов для всего АФП, мин; Тцикл - время работы УСП за один цикл обслуживания, мин; N - число рабочих мест агрегата. При этом степень загрузки системы обслуживания составляет
Такое соотношение степени загрузки системы и степени загрузки исполнительного механизма, как и сама очень низкая степень загрузки ИМ не могут считаться удовлетворительными для реальной системы автоматизации. Стоимость такой системы с УСП на каждом рабочем месте значительно превышает все другие возможные варианты, следовательно, вариант ИМ на каждом рабочем месте отклоняется. Теперь проверим, удовлетворяет ли поставленным требованиям УСП перемещающееся вдоль фронта обслуживания агрегата и выполняющее по вызовам с рабочих мест смену паковок. Подобные устройства смены паковок разрабатываются и разработаны несколькими зарубежными фирмами [16,101,102] , правда, технико-экономические данные, обычно в публикациях не приводятся. Отсутствуют также сведения о промышленном их изготовлении и практическом применении на действующих производствах синтетических волокон. Б текстильном производстве натуральных нитей и тканей автоматическими устройствами смены паковок перемещающимися вдоль фронта обслуживания и производящими последовательную смену паковок оснащено за рубежом всего 2.% ткацких станков, у нас в стране такие устройства еще не нашли практического применения из-за небольшой массы паковок и их неэкономичности при малых скоростях наработки [юз] .
На выполнение цикла обслуживания УСП должно затрачивать не больше 40-45 секунд при максимальной интенсивности обслуживания. Скорость продольного движения УСП не должна превышать 0,5 м/сек из соображений безопасности для обслуживающего персонала [95,98, 104], так как УСП и оператор перемещаются и выполняют обслуживание в одной зоне. При длине фронта обслуживания Іфр.о =20 метров длина среднего пробега УСП к месту обслуживания не превышает Lofc/i IO метров и тогда можно определить время, затрачиваемое УСП на передвижение к месту вызова: оно не превышает 20 секунд. Учитывая, что принятая скорость продольного движения .является максимально допустимой, прибавим приблизительно десять секунд к теоретическому времени продольного движения на разгон и торможение УСП:
Зная время съема паковокTcn«5 , мы получаем время выполнения минимального цикла обслуживания
