Содержание к диссертации
Введение
2. Качество стеклянной бутылки 7
2.1. Производство стеклянной бутылки как объект контроля 7
2.2. Анализ показателей качества в производстве стеклянной бутылки.. 16
2.3. Структура автоматизированной системы контроля качества стеклянной бутылки 25
2.4. Постановка задач исследования 36
3. Статистический контроль химического состава стекольной шихты 41
3.1. Анализ динамики изменений химического состава стекольной шихты 41
3.2. Критерии оценки качества шихты 45
3.3. Статистический контроль химического состава шихты методом контрольных карт 50
3.4. Диагностика причин нарушений границ контрольных карт 59
4. Информационная система измерения и контроля геометрических параметров стеклянной бутылки ... 65
4.1. Формирование информации о толщине стенок стеклянной бутылки 65
4.2. Оптическая система контроля ряда геометрических параметров стеклянной бутылки 76
5. Система обучения операторов контроля качества стеклянной бутылки 99
5.1. Место оператора в современных системах человек - машина 99
5.2 Основы построения обучающей программы 103
5.3. Количественные признаки качества налаженного технологического процесса 105
5.4. Количественные признаки качества разлаженного технологического процесса 107
5.5. разработка комплекса моделей типовых производственных ситуаций 112
Основные результаты работы 120
Список литературы 122
- Производство стеклянной бутылки как объект контроля
- Анализ динамики изменений химического состава стекольной шихты
- Формирование информации о толщине стенок стеклянной бутылки
- Место оператора в современных системах человек - машина
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема качества продукции в стсклогарнои промышленности в настоящее время как никогда имеет огромное значение. И особенно это касается производства стеклянной бутылки, объем производства которой в России составляет около 1800 млн. штук в год в 0,5 л. исчислении. В последние годы в 3-5 раз уменьшилось поступление на российский ринок напитков из-за рубежа, что привело к увеличению в 2 раза загрузки российских заводов. Однако качество российской стеклянной бутылки как по внешнему виду, так и по параметрам в соответствии с ГОСТ остается. И кроме плохого качества сырья и низкого уровня оборудования огромную роль играет отсутствие на заводах полноценных систем контроля качества. По данным ряда фирм США использование таких систем (измерение геометрических параметров стеклянной бутылки) па 5 % увеличивает выход кондиционной продукции. В России серийно в настоящее время не выпускается ни в целом систем контроля качества стеклянной бутылки, ни отдельных систем формирования информации об отдельных параметрах качества. Поэтому разработка информационной системы контроля качества для формирования и передачи оператору информации о качестве сырья и таких параметров как толщина стенок бутылки, несоосность горловины и дна бутылки, а также системы обучения оператора является весьма актуальной.
Цель и задачи работы. Создание автоматизированной системы контроля качества стеклянной бутылки для повышения эффективности производства. Исходя из этой цели нами разрабатывались следующие задачи: разработка информационно-логической схемы и автоматизированной системы коїггроля качества стеклянной бутылки, комплекс алгоритмов статистического контроля химического состава стекольной шихты, разработка информационной системы измерения и контроля ряда геометрических параметров стекляшгой бутылки, разработка системы обучения операторов контроля качества стеклянной бутылки.
Научная новизна работы.
-
Разработана информационно-логическая схема контроля качества стеклянной бутылки.
-
Разработан ряд алгоритмов статистического контроля химического состава стекольной шихты в производстве стеклянной бутылки.
-
Разработан оптический метод получения информации о толщине стенок стеклянной бутылки и алгоритмы обработки такой информации для контроля качества.
-
Разработан оптический метод на основе теории обработки изображений и распознавания образов для получения информации о несоосности
горловины и дна бутылки, размере горловины и размере корпуса
бутылки. 5. Разработаны методические вопросы системы обучения оператора
контроля качества стеклянной бутылки.
Практическая значимость работы. Разработанные принципы построения информационной системы контроля качества стекляшгой бутылки, методы измерения и алгоритмы обработки информации позволяют реализовать эти системы на многочисленных заводах в России, что значительно повышает их эффективность.
Разработанные методы получения информации о толщине стенок, несоосности горловины и дна стеклянной бутылки дают возможность изготавливать такие системы для заводов, а их реализация на лазерных устройствах и микропроцессорной технике обработки информации делают их быстродействующими, высокоточными и конкурентоспособными по сравнению с лучшими зарубежными аналогами.
Разработанная система обучения операторов контроля качества стеклянной бутылки имеет практическую направленность и большие перспективы в улучшении деятельности операторов качества на заводах по производству стеклотары.
Апробация работы. Основные положения диссертационной рабогы докладывались на XX юбилейной наушо-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТГТУ (г. Тверь, 1997 г.), на ежегодном съезде Инженерного общества (Кувейт, 1999 г.), на П международной конференции «Повышение эффективности тешюобменных процессов и систем» (г. Вологда, 2000 г.).
Публикации. По результатам исследований и разработок опубликовано 6 печатных работ в российских и международных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из пяти разделов, заключения и списка литературы.
Диссертация изложена на 131 странице, из которых 10 страниц списка литературы, включающего 119 наименований. Работа содержит 3 таблицы и 44 рисунка.
Производство стеклянной бутылки как объект контроля
Качество продукции в современную эпоху стало одним из важнейших факторов, характеризующих направленность социально-экономического развития общества. Обеспечение и повышение качества продукции -сложная проблема, решение которой связано как с осуществлением специфической, целенаправленной деятельности по установлению, формированию и поддержанию необходимого уровня качества продукции, так и совершенствование системы управления и, в первую очередь, контроля за качеством продукции. Такие системы имеют высокую эффективность, но их создание и внедрение наталкивается на сложности, связанные с получением, передачей и переработкой первичной информации. [1, 2, 7, 8, 32]. Это в полной мере относится и к производству стеклянной бутылки.
Кризис 1991-1994 г.г. усугубил и без того низкий технический уровень стеклотарного производства и неудовлетворительное качество отечественной стеклянной тары. Начиная с 1995 г. наметилась тенденция к увеличению объема инвестиций в стеклотарную промышленность как со стороны отечественных, так и, особенно, зарубежных фирм (чешских, немецких, бельгийских, турецких). Благодаря этим финансовым вливаниям в 1997 -1999 г.г. введены в действие новые современные производства бутылок на ряде стекольных заводов: Московском электроламповом, Анопинском и "Красное Эхо" (Владимирская обл.), Салаватском (Башкортостан), "Экран" (Новосибирская обл.). Суммарные мощности введенных в действие производств составили около 450 млн. бутылок в год в 0,5 л исчислении. Кроме перечисленных выше, к предприятиям с высоким техническим уровнем относятся "Стеклозавод им.9 Января" (Тверская обл.), построенный в 80-х годах и оснащенный оборудованием фирмы "Heye-Gla3" (Германия), Спировский завод "Индустрия" (Тверская обл.), а также ряд других предприятий.
После августовского кризиса 1998 г. поступление на российский рынок пива и алкогольных напитков из-за рубежа уменьшилось в 3-5 раз. Следствием этого стало закономерное увеличение доли российской продукции на рынке. Если во втором квартале 1996 г. производственные мощности российских спиртовых и ликеро-водочных заводов были загружены на 35-45%, то во втором квартале 1999 г. - на 75-80%. Это связано также еще и с принятием ряда законодательных актов. В частности, принятое Постановление правительства РФ № 943 "Об упорядочении ввоза и реализации на таможенной территории РФ алкогольной продукции иностранного производства", а также Указ Президента РФ "О государственной монополии на производство спирта" значительно ограничили оборот алкогольной продукции теневых производителей. По официальным данным прирост производства алкогольных и безалкогольных напитков в первой половине 1999 г. по сравнению с аналогичным периодом прошлого года составил 18%. Таким образом, дефицит стеклянной тары к середине 1999 г. резко усилился. Объем производства стеклянных бутылок в России составляет ориентировочно около 1800 млн. штук в год в 0,5 л исчислении. Установленная мощность стекольных заводов по производству бутылок в России составляет примерно 2400 млн. штук в год. Импорт бутылок по официальным данным Российской таможни составляет 650 млн. штук в год. Для обеспечения потребностей производителей алкогольных и безалкогольных напитков необходимо примерно 3800 млн. шт. бутылок в год. Одним из последствий финансового кризиса 1998 г. является существенное снижение себестоимости стеклянной тары в России по сравнению с другими странами. Это позволило снизить цены на бутылки в долларовом исчислении и обеспечить при этом устойчивую прибыль стекольных заводов. Некоторые производители высококачественной стеклянной тары получили возможность экспортировать свою продукцию и воспользовались ею. Характеризуя рынок стеклянной бутылки в целом, следует отметить следующие его особенности. Существует большой неудовлетворённый отечественными производителями спрос на бутылки, оцениваемый величиной примерно 1,5 млрд. штук в год. Большой дефицит имеет место в восточных регионах России. Доставка туда бутылок из Европы требует больших дополнительных расходов. Производители пива заинтересованы в замене импортной бутылки на отечественную по более приемлемым ценам. В тоже время, при поставке бутылок более высокого качества для элитных минеральных вод, безалкогольных и, особенно, алкогольных напитков цена имеет меньшее значение, тем более, что цена на эти напитки имеет тенденцию к росту. Тем не менее, российские производители напитков также заинтересованы в отечественных поставщиках бутылок (как стандартных, так и оригинальных) для снижения издержек своего производства и оперативных поставок. При этом очень важную роль играет качество поставляемой тары, особенно её внешний вид, что могут обеспечить далеко не все российские заводы. Качество стеклянной бутылки, как и других стеклоизделий зависит от качества сырья и технологии приготовления шихты, так и от всего технологического процесса - стекловарения, автоматов по производству бутылки, качества и износоустойчивости стеклоформ, качества отжига. И на всех стадиях огромное значение имеет современное, точное, быстродействующее оборудование контроля. Здесь: Cat, Сс, С , Сш - векторы химического состава сырьевых материалов, состава стекла, стеклобоя, шихты. Химические элементы присутствуют в стекле в виде окислов, в сырье и в шихте, в виде различных химических соединений (окислов, карбонатов и т.д.). Х- вектор отвеса сырьевых материалов. R - вектор режима варки стекла. qf - вектор физических свойств стекла. АССМ, АС" - вектор отклонения химического состава сырья и шихт. АХ - вектор ошибок отвесов сырьевых материалов. AR - вектор флуктуации режимов варки стекла. А"- вектор показателей качества (геометрические размеры).
Анализ динамики изменений химического состава стекольной шихты
Технологический процесс производства стекольной шихты включает в себя операции транспортировки сырьевых материалов со склада в накопительные бункеры дозаторов, дозирование компонентов шихты весовыми дозаторами, транспортировку отвешенных компонентов в смеситель и перемешивание в смесителе. Из смесителя готовая шихта транспортируется к приемному бункеру стекловаренной печи. Среди факторов, вызывающих отклонения химического состава готовой шихты от заданного можно выделить следующие: 1. Ошибки расчетов отвесов сырьевых материалов, обусловленные погрешностями измерения содержания основных веществ и примесей в сырье. 2. Неконтролируемые изменения химического состава сырьевых материалов. 3. Изменение влажности сырьевых материалов. 4. Ошибки весовых дозаторов (случайные и систематические). 5. Потери при транспортировке от дозаторов в смеситель. 6. Плохое перемешивание, расслоение и заминание шихты в смесителе. Отклонения химического состава, обусловленное причинами 1 и 2 носят, как правило систематический характер. Остальные факторы вызывают отклонения состава как систематические так и случайные, причем обусловленные ими колебания состава лежат в широком частотном диапазоне. , Так по результатам исследований [47, 48, 56, 57, 64, 80] на предприятиях, производящих техническое стекло, различаются низкочастотные (период более 4-х часов) и среднечастотные (период менее 4-х часов) отклонения, а так же высокочастотные колебания от замеса к замесу. Режим контроля химического состояния предлагается выбирать таким образом, чтобы отфильтровать высоко- и среднечастотные колебания и выявить систематические низкочастотные с целью их дальнейшей коррекции.
Такая классификация слишком условна. Границы частотных диапазонов зависят от типов оборудования составного отделения и режимов его работы. Не учитывается связь с колебаниями химического состава стекла и управляющие воздействия по коррекции состава стекла.
Экспериментальными исследованиями установлено, что случайные колебания концентраций компонентов шихты от замеса к замесу, обусловленные в основном погрешностями дозаторов, распределены нормально и лежат в пределах ±0.3- 0.5% вес, что соизмеримо с точностью анализа химического состава и классом точности дозирующего оборудования составного отделения. Наблюдаются среднечастотные колебания состава с периодом 3-4 часа, т.е. 0.5 смены, вызванные очевидно тем, что два раза в смену производится оперативный контроль состава сырьевых компонентов, имеющих высокую гигроскопичность, и соответствующая коррекция уставок дозаторов. Наблюдались также отдельные выбросы, связанные с отказом дозаторов, отсутствием сырья в бункерах запаса, расслоением и заминанием части шихты в смесителе. Они могут превышать 3-=-5 % вес. Зарегистрированы систематические отклонения состава шихты в пределах ±0.5-г2% вес, появление которых коррелирует со сменами партий сырья и расстройками дозаторов. Можно выделить три наиболее существенных вида изменений состава шихты по отношению к заданному значению: 1. Высокочастотный случайный нормально распределенный шум в пределах паспортной точности работы дозаторов, погрешностей отбора проб и анализов состава шихты и сырья. 2. Скачкообразные изменения концентраций одного или нескольких компонентов с амплитудой до 5% вес, обусловленные отказами дозирующего оборудования, сменой партии сырья и реже нарушением работы смесителей. 3. Низкочастотные медленно изменяющиеся отклонения химического состава от задания, которые можно объяснить накапливанием ошибки в дозаторах за счет износа и загрязнения деталей этих устройств, а так же неконтролируемым дрейфом свойств сырьевых материалов, например, изменением их влажности. В первом приближении эти изменения в окрестности текущего времени можно аппроксимировать линейной зависимостью. Длительность нарушений вида 2 и 3 зависит от частоты проведения контрольных и профилактических мероприятий в составном отделении и находится в пределах от одного замеса до нескольких смен. Влияние случайных составляющих вида 1 на химический состав и физические свойства стекла проверялись экспериментально путем проведения регулярных замеров и сопоставления состава шихты, сырья, стекла и физических свойств стекла, а также путем математического моделирования на ЭВМ. В результате установлено, что флуктуации в пределах паспортных погрешностей дозаторов не приводят к выходу состава и свойств стекла за установленные допуски. Ошибки, обусловленные остальными видами нарушений, могут вызвать за допусковые колебания состава и свойств стекла. С целью оперативной оценки состояния процесса приготовления шихты и своевременного обнаружения возникающих нарушений могут быть использованы алгоритмы контроля состава шихты, основанные на применении контрольных карт [3]. Данный метод контроля позволяет путем статистической обработки данных последовательных измерений состава шихты обнаружить появление нарушений состава, обусловленных отказами и систематическими изменениями характеристик оборудования составного отделения и сырья и отделить их от шума, вызванного случайными погрешностями дозаторов и измерительной системы в установленных пределах.
Требуемая частота контроля состава шихты (1 раз в 8 часов) при построении контрольных карт определяется с учетом динамических свойств стекловаренной печи и ограниченной точности анализа химического состава стекла. При этом предполагается, что изменения состава происходят скачкообразно и некоррелированны между собой.
С целью оценки погрешности измерений, обусловленных наличием коррелированных составляющих изменений состава шихты вида 3 проведено исследование зависимости ошибки анализа состава шихты от частоты опроса по методике, предложенной в [66], основанной на экспериментальном определении автокорреляционной функции вектора химического состава шихты. По данным серии 40 измерений состава шихты с периодом 4 часа установлено, что время спада автокорреляционной функции составляет 4-=-8 смен. Следовательно, флуктуации состава шихты вида 3 носят низкочастотный характер. При этом в случае контроля состава с периодом 8 часов погрешности, обусловленные связью между соседними измерениями при ступенчатой экстраполяции результатов измерений, составляют 0.2-=-0.4% вес, т.е. соизмеримы со случайными погрешностями дозирования и анализа химического состава. Следовательно, коррекция выбранного интервала опроса не требуется.
Формирование информации о толщине стенок стеклянной бутылки
Одним из важнейших параметров качества стеклянной бутылки является толщина стенок. Как уже выше отмечалось, этот параметр заложен в ГОСТ и в настоящее время контролируется либо механическим путем в лаборатории, либо индукционным методом, либо оптическим методом. На большинстве российских заводов в лаборатории бутылку разбивают и измеряют толщину стенок.
В потоке, т.е. в производственном цикле эти методы использоваться не могут. Имеется в литературе информация о более современных методах [97]. В 1992 г. Летенко Д.Г., Савватеевым В.Н. и др. разработан прибор для измерения толщины прозрачных пленок на поверхности полупроводников.
Прибор предназначен для измерения толщины диэлектрических пленок, в частности для определения толщины тонких слоев собственного окисла на кремнии. В основу метода положено измерение коэффициента отражения света интерферометром Фабри-Перо, образуемым внешней поверхностью пленки и границей раздела пленка - подложка. Этот коэффициент зависит от толщины пленки и угла падения луча. Толщина пленки может быть определена из значений коэффициента отражения, полученных для трех различных углов падения [96]. Информация считывается с цифрового вольтметра, измеряющего падение напряжения в цепи кремниевого фотодиода при засветке последнего тремя отраженными от пленочной структуры лучами. Для обслуживания измерений разработан комплект программных средств. В него входит программа, предназначенная для точного определения углов падения после юстировки с помощью набора эталонных образцов, а так же программа вычисления толщины пленки. Возможно прямое сопряжение измерительной схемы прибора с системой автоматизированной обработки сигнала. Основными достоинствами прибора являются высокая скорость и надежность измерений при относительно низкой стоимости и возможности гибкого сопряжения с действующими технологическими системами. Этими же авторами разработан быстродействующий лазерный интерференционный измеритель толщины прозрачных жидких и твердых пленок. Интерференционный метод измерения толщины пленок основан на измерении зависимости коэффициента отражения пленкой лазерного луча от угла падения, которая вследствие интерференции в пленке имеет периодический характер. Толщина пленки определяется из углового расстояния между максимумами этой зависимости. При исследовании жидких пленок объект должен оставаться неподвижным, поэтому для измерения обычно используется конструкция в виде пантографа, на одном из плеч которого установлен лазер, а на другом -фотоприемник. Из-за неизбежных зазоров в сочленениях устройство имеет минимальное время измерений 10 с. и позволяет измерять только стабильные во времени пленки. В ряде случаев основным параметром прибора, обуславливающим его применение, является время измерения толщины в заданной точке. Это имеет место, например, при проведении измерений толщины в большом количестве точек на поверхности пленки или при измерениях изменяющейся во времени толщины пленок, например жидких. В приборе, время измерений удалось сократить до 4 мс. Однако при этом интенсивность лазерного излучения достигает 100 Вт/см , что делает прибор неприменимым во многих случаях. Для сокращения времени измерений без использования световых потоков высокой интенсивности была разработана оптико-механическая схема с несферической оптикой, которая позволяет изменять угол падения лазерного луча от 5 до 70 за время меньшее 1 мс, что позволяет контролировать быстроизменяющуюся толщину пленок. При непрерывном изменении угла падения луча лазера на пленку в указанном угловом диапазоне на экране наблюдается зависимость, по которой путем элементарных вычислений определяется толщина пленки. Эти методы не могут применяться для толщин прозрачных сред более 0,2 мм (а толщина стеклянной бутылки в норме находится около 2 мм). Кроме того, нам необходимо получать информацию о движущемся объекте, чтобы можно было производить отбраковку в потоке. Нами принят следующий метод получения информации о толщине стенок стеклянной бутылки. В результате падения луча (рис.4.1.) от источника излучения (ОКГ -оптико-квантовый генератор) на объект измерения, образуется два луча: 1. отраженный от передней стенки, 2. отраженный от задней стенки в результате преломления. Полученные лучи падают на различные фотодиоды линейной фото диодной матрицы. Обработка сигналов от каждого фотодиода ведется последовательно с помощью ПЗС (прибор зарядовой связи). При падении луча на фотодиод, его напряжение резко увеличивается по сравнению с пороговым. В результате получаем последовательность двух импульсов, каждый из которых расположен в интервале, соответствующем определенному фотодиоду. Расстояние от одного до другого фотодиода заранее известно. Таким образом, зная на какие фотодиоды падают лучи, можно рассчитать расстояние между точками падения лучей.
Место оператора в современных системах человек - машина
Контроль качества стеклянной бутылки в ходе ее выработки осуществляется с помощью автоматических измерительных устройств, систем сбора и передачи информации и обработки и отображения информации с помощью ЭВМ. Таким образом, система контроля качества является системой человек-машина (СЧМ) [81,107, 108, ПО].
Главным компонентом СЧМ является человек-оператор, т.е. человек, осуществляющий трудовую деятельность, основу которой составляет взаимодействие с объектом воздействия, машиной и средой на рабочем месте при использовании информационной модели и органов управления.
Вторым компонентом СЧМ является машина, представляющая совокупность технических средств, обеспечивающих процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации. Третий компонент СЧМ - среда на рабочем месте - формируется совокупностью физических, химических, биологических, психологических и социальных факторов, воздействующих на оператора СЧМ на его рабочем месте в ходе его деятельности. В общем случае деятельность как процесс, осуществляемый оператором для достижения поставленных перед СЧМ целей, включает в себя функции управления и контроля, обслуживания, осваивания и использования этой системы [ПО, 111, 114]. В зависимости от характера и значимости выполняемых оператором функций все СЧМ могут быть разделены на четыре класса. К первому классу относятся СЧМ, в которых оператор выполняет всю совокупность указанных функций. При этом первые три носят явно выраженный характер, а функции использования совмещаются с функциями управления и контроля. Ко второму классу относятся СЧМ, в которых функции управления выполняются оператором только в случае нарушения режима автоматического управления. Остальные функции оператора в системах этого класса идентичны предыдущим. В СЧМ третьего класса функции управления полностью автоматизированы. Это приводит, с одной стороны, к исключению указанных функций и сокращению объема функций по осваиванию СЧМ в деятельности оператора, а с другой - к существенному возрастанию значимости функции использования. Функции технического обслуживания идентичны аналогичным в СЧМ предыдущих классов. СЧМ четвертого класса функционируют без участия человека в управлении и обслуживании. Для деятельности оператора в составе СЧМ этого класса характерно еще большее сокращение функций осваивания и еще более существенное возрастание функций использования. Человек принципиально отличается от любого, даже «интеллектуального» автомата тем, что он в любую свою деятельность вкладывает определенный смысл, выходящий за пределы функций СЧМ. Он всегда имеет некоторую «метацель» социального или личностного характера, определяющую его «взаимоотношение» с машиной [114]. Человек может принять или не принять цель функционирования СЧМ, может ее трансформировать в соответствии с критериями не только назначения СЧМ, но и с определенными моральными принципами, чувством ответственности, своим личным пониманием последствий функционирования СЧМ. По сравнению с автоматом, человек обладает в более широких пределах такими положительными свойствами, как адаптируемость (приспосабливаемость), обучаемость, избирательность, самонастра-иваемость, эвристичность, способность работать в конфликтных ситуациях, 101 способность решать альтернативы малой вероятности (т.е. реагировать на неожиданные маловероятные события), способность работать в условиях неопределенной и недостаточной информации, способность временного и пространственного восприятия, способность сведения отдельных разнородных элементов информации в единое целое и т.д. Благодаря этим свойствам человек в общей теории систем рассматривается как многофункциональная, самопрограммирующаяся, активная социально-биологическая система. Реализация указанных свойств человека в процессе конкретной деятельности происходит при наличии у него специфических, присущих только высокоорганизованной системе, особых качеств (характеристик), и в первую очередь: - заранее сформированных связей и структур (например, навыков, приобретаемых в трудовой деятельности и в специальном обучении оператора); - обратных связей, позволяющих корректировать реализуемые в процессе деятельности результаты (например, в ходе ручного сопровождения сигналов); - способности прогнозирования ожидаемых условий и результатов деятельности (например, построение внутренней модели деятельности); - дифференциации анализаторных систем (например, возможности приема информации раздельно по зрительному, слуховому и другим каналам); - интеграции субъективного органа (формирование образа на основе информации, поступающей от анализаторов человека и созданной концептуальной модели); - способности к идентификации информации (например, отождествление информационной модели с реальными объектами) и т.д. Перечисленные качества позволяют человеку более успешно, чем техническим средствам, выполнять ряд функций и, в частности, осуществлять [112].
