Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и проблемы развития АСУ ТП 16
1.1. Основные этапы развития систем автоматизации производственных процессов 16
1.2. Основные проблемы создания современных АСУ ТП 36
1.3. Производство пластмассовых изделий как объект автоматизации 41
1.3.1. Основные технологии переработки пластмасс 41
1.3.2. Основные характеристики объекта автоматизации в целом .51
1.3.3. Задачи и функции АСУ ТП производства пластмассовых изделий, основные нерешенные проблемы 53
1.4. Цель и основные задачи диссертационной работы 59
2. Выбор архитектуры и разработка технических средств АСУТП 63
2.1. Выбор архитектуры АСУ ТП и топологии локальной информационно-управляющей сети 63
2.2. Построение каналов измерения температуры 69
2.3. Разработка периферийных и групповых контроллеров 72
2.3.1. Периферийный контроллер 72
2.3.2. Групповой контроллер 76
3. Математическое моделирование основных задач оперативного планирования и управления интегрированной АСУ производства пластмассовых изделий 80
3.1. Определение оптимальных зон обслуживания и составление календарного графика их работы (оптимизация организации производственного процесса прессования изделий) 80
3.1.1. Описание и формализация задачи 80
3.1.2. Выбор математического аппарата для решения задачи 85
3.1.3. Формирование минимального числа зон обслуживания» необходимых для выполнения месячной программы 93
3.1.4. Составление оптимального календарного (посменного) графика загрузки прессов 99
3.1.5. Экспериментальная проверка алгоритма и проверка эффективности предложенного метода 103
3.2. Задачи диспетчеризации производства 111
3.2.1. Накапливаемые данные о ходе производства 111
3.2.2. Отображение хода производственного процесса на рабочих станциях диспетчера, технолога и администрации 115
3.3. Задачи автоматизации участка таблетирования 117
3.3.1. Общее описание задач 117
3.3.2. Определение оптимальной номенклатуры типономиналов таблеток 122
3.3.3. Стабилизация массы прессуемых таблеток 125
3.3.4. Оперативное планирование работы участка таблетирования 126
3.3.5. Разработка совмещенного таблеточного контроллера 128
4. Оптимизация режимов прессования 138
4.1. Выбор технологических режимов прессования и возможные подходы к его оптимизации 138
4.2. Планирование активных экспериментов по поиску оптимальных режимов прессования 147
4.2.1. Формализация задачи 147
4.2.2. Математический аппарат обработки результатов многофакторного эксперимента и дробный факторный эксперимент 159
4.2.3. Построение комплексного критерия оптимизации 169
4.3. Построение экспертной системы для определения оптимальных режимов прессования 174
4.3.1. Современное состояние и области применения экспертных систем
4.3.2. Выбор и описание прототипнои экспертной системы
Заключение
Литература
Список публикаций П. Н. Ишкова по теме диссертации .
Приложения
- Основные этапы развития систем автоматизации производственных процессов
- Выбор архитектуры АСУ ТП и топологии локальной информационно-управляющей сети
- Определение оптимальных зон обслуживания и составление календарного графика их работы (оптимизация организации производственного процесса прессования изделий)
- Выбор технологических режимов прессования и возможные подходы к его оптимизации
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. Массовое применение пластмассовых изделий и деталей в приборостроении, машиностроении, электротехнике, радиоэлектронике, бытовой технике и других отраслях промышленности привело к тому, что цехи или участки производства пластмассовых изделий имеются почти на каждом промышленном предприятии. Основное технологическое оборудование этих производств (прессы и литьевые машины) на большинстве российских предприятий в силу известных причин уже давно не обновлялось и оснащено устаревшими системами локальной автоматики, которые не могут обеспечить стабильного качества продукции и не приспособлены к подключению к централизованной системе управления. В большинстве случаев прессы и литьевые машины оборудованы аналоговыми системами локальной автоматики, состоящими из автоматических регистрирующих приборов, которые в комплекте со стандартными промышленными термопарами или термометрами сопротивления измеряют, регистрируют и поддерживают на заданном уровне (осуществляя двухпозиционное регулирование) температуру в двух или более точках (на верхней и нижней нагревательных плитах, к которым крепятся соответствующие половины прессформ (или литьевых форм), а также из конечных выключателей, подтверждающих исполнение команд на смыкание и размыкание прессформы, регулируемых реле времени различных конструкций, осуществляющих заданную выдержку времени отверждения, и устройств блокировки, обеспечивающих безопасность работы.
Такие системы автоматики не позволяют регистрировать циклограмму технологического процесса (время выдержки и время выполнения подготовительных операций), а потому не могут гарантировать строгое выполнение предписанных технологических режимов. Наиболее частым нарушением является досрочное размыкание пресса рабочим-оператором с целью увеличения выработки. Такие нарушения никак не контролируются и не регистрируются,
что неизбежно приводит к нарушениям технологического цикла и снижению качества продукции. Кроме того, отсутствие централизованного контроля затрудняют учет количества изготовленной продукции и расхода сырья, диспетчеризацию производства, подсчет сменной выработки каждого рабочего, что в итоге приводит к низкой эффективности управления цехом (или участком) производства пластмассовых изделий. Кроме того, такие средства автоматики являются недостаточно надежными (особенно аналоговые автоматические регистрирующие приборы) и неэффективными с точки зрения оперативного управления производством. Первое приводит к тому, что для поддержания этих систем в работоспособном состоянии приходится содержать мощную службу КИПиА и нести существенные затраты на ремонт и замену износившегося контрольно-измерительного оборудования (включая сюда и регулярные поверки всего парка эксплуатируемых контрольно-измерительных средств и реле времени). Второе является следствием отсутствия централизованного контроля, что затрудняет слежение за выполнением технологических режимов. Для проверки правильности установки уставок по температуре технолог вынужден обойти все рабочие места, а соблюдение выдержек времени он вообще проконтролировать не может. Такое положение приводит к частым нарушениям технологической дисциплины, что, естественно, приводит к снижению качества продукции. Кроме того, отсутствие централизованной системы управления, как уже было сказано, затрудняет оперативное управление производством, что в условиях широкой номенклатуры выпускаемых изделий (которая, как правило, многократно превышает число установленных единиц основного оборудования) существенно снижает эффективность производства.
Все эти причины и являются основными стимулами к созданию централизованных автоматизированных систем управления производством пластмассовых изделий. Однако, при попытках решения этой проблемы российские предприятия сталкиваются с весьма серьезными трудностями. Эти трудности, с одной стороны, обусловлены отсутствием на российских предприятиях ин-
*
теллектуальных периферийных средств автоматики с цифровым выходом. Это вынуждает либо оборудовать каждую единицу основного технологического оборудования периферийным контроллером, либо использовать только групповые контроллеры, обслуживающие группу компактно расположенных единиц основного технологического оборудования. Но тогда приходится прокладывать к ним многочисленные многопроводные линии связи от каждой единицы оборудования (причем большинство информационных сигналов являются аналоговыми микромощными сигналами от термопар или термометров сопротивления, которые весьма чувствительны к помехам). Стремление повысить надежность системы диктует первый путь. Но он весьма дорог, поскольку современные промышленные контроллеры стоят от 300 до 3000 долларов.
С другой стороны, функции, которые должна выполнять автоматизированная система управления производством пластмассовых изделий, отнюдь не исчерпываются теми функциями, которые в настоящее время выполняются локальными средствами автоматики, а именно:
система должна обеспечивать функции централизованного оперативного контроля, регистрации и наглядного отображения текущей технологической информации по каждой единице оборудования;
она должна обеспечивать текущий и накопительный учет результатов производства, расхода сырья и энергетических ресурсов;
должны учитываться результаты и качество труда каждого основного рабочего;
должен автоматически регистрироваться выработанный ресурс каждой единицы технологической оснастки (прессформ) и основного оборудования;
система должна выполнять функции автоматизированного оперативного и диспетчерского управления производством, что в условиях широкой номенклатуры производимой продукции, различной длительности технологических циклов разных изделий и совмещенных зон обслуживания основного технологического оборудования становится нетривиальной задачей.
Кроме того, возникает очень важная задача определения оптимальных технологических режимов изготовления конкретных изделий в условиях нестабильности свойств исходного сырья. Последняя задача весьма важна как с точки зрения обеспечения высокого качества изделий, так и с точки зрения повышения экономичности производства. В самом деле, совершенно очевидно, что качество изделий напрямую зависит от правильного выбора технологии изготовления и технологических режимов (температуры и давления при различных фазах технологического цикла и времени отверждения). Если исключить протяженные изделия, получаемые методом экструзии (трубы, профили, полосы, листы, пленки) и объемные изделия, получаемые методом экструзии с раздуванием (бутылки, канистры и другие емкости), то могут применяться три основных технологии: прямое прессование, литьевое прессование и литье под давлением. Каждая из этих технологий имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому выбор технологии далеко не всегда однозначен. Кроме того, каждая из технологий допускает широкий диапазон технологических режимов. Между тем, не существует математических моделей и соответствующих им детерминированных алгоритмов, позволяющих даже в рамках одной выбранной технологии определять оптимальные технологические режимы для изготовления изделий заданной конфигурации из заданного материала. Существуют лишь достаточно общие рекомендации по выбору этих режимов в зависимости от свойств сырья, конфигурации и массы изделий. В рамках этих рекомендаций возможно множество вариантов технологических режимов. Их можно задавать различными сочетаниями температуры и удельного давления при различных фазах рабочего цикла, длительности выдержки и конструктив-* ными особенностями прессформ (или литьевых форм). Окончательно выбранный режим доводится опытным путем, пока не будет достигнуто стабильное качество изделий. При этом нет никакой гарантии, что найденный таким путем вариант технологии является оптимальным по производительности (длительности рабочего цикла) и энергоемкости. Более того, сам процесс опытной от-
работки технологических режимов, обеспечивающих удовлетворительное качество продукции, особенно для тонкостенных изделий сложной конфигурации, является длительным и трудоемким. А степень оптимальности найденного таким путем режима остается неизвестной и зависит от опыта и интуиции технолога. Кроме того, ввиду нестабильности свойств сырья, довольно часто приходится корректировать технологические режимы даже при производстве одних и тех же изделий. Учитывая, что показатели качества готовых изделий трудно объективно оценить количественно, а со свойствами сырья и параметрами технологического режима (температурой, удельным давлением и выдержкой отверждения), а также конструктивными особенностями самих изделий и прессформ они связаны весьма сложным и, повидимому, неоднозначным образом, вряд ли можно надеяться на возможность построения детерминированных математических моделей производства пластмассовых изделий, с помощью которых можно было бы однозначно выбирать технологические режимы. Таким образом, данную задачу следует отнести к числу слабо структурированных и плохо формализуемых задач. Без знаний, опыта и интуиции технолога обойтись при ее решении невозможно. Однако помочь технологу принять правильное решение, обсчитать энергоемкость и производительность альтернативных вариантов технологических режимов и максимально уменьшить затраты времени и средств на экспериментальную доводку выбранной технологии вполне возможно. Такая задача типична для экспертных систем и других форм искусственного интеллекта, которые работают на основе не математических, а эвристических моделей.
Правда, примеры применения подобных систем в промышленности не только в нашей стране, но и за рубежом пока очень редки, а в производстве пластмассовых изделий вообще отсутствуют. Тем не менее, это весьма благодарная задача, поскольку ее решение позволит не только существенно повысить эффективность производства пластмассовых изделий, но и создаст прецедент внедрения элементов искусственного интеллекта в промышленные сис-
темы автоматизации технологических процессов, где весьма часто встречаются слабо структурированные и плохо формализуемые задачи.
Таким образом, создание интегрированной автоматизированной системы производства пластмассовых изделий, выполняющей все перечисленные дополнительные функции, является актуальной задачей, решение которой позволит существенно повысить эффективность одного из самых массовых видов производств.
Цель и основные задачи работы. Целью диссертационной работы является комплексное решение задач, связанных с созданием автоматизированной интегрированной системы управления производством пластмассовых изделий, позволяющей существенно повысить эффективность производства за счет повышения производительности основного технологического оборудования, экономии сырья и энергетических ресурсов при обеспечении высокого качества продукции.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
С позиций системного подхода и с учетом реальных возможностей предприятия определен перечень функций автоматизированной интегрированной системы управления цехом пластмассовых изделий, охватывающий не только основной технологический процесс, но и подготовительное производство (таблетирование пресс-порошков).
Проведен рациональный выбор топологии локальной информационно-управляющей сети этой системы и программно-технических средств для ее реализации, обеспечивающих выполнение всех необходимых функций при минимуме капитальных затрат.
3. Проведен выбор наиболее адекватного метода решения задачи оптимального оперативного планирования и организации производства дискретно-периодического характера с совмещаемыми зонами обслуживания и разработан оригинальный алгоритм, обеспечивающий поддержку принимаемых решений.
4. С использованием методов математического планирования активного
много факторного эксперимента созданы алгоритмические и программные
средства поддержки при проведении экспериментальной доводки технологи
ческих режимов прессования пластмассовых изделий при вариациях свойств
сырья и освоении производства новых изделий.
5. Разработана прототипная проблемно-ориентированная экспертная
система для решения задач поиска оптимальных технологических режимов из
готовления пластмассовых изделий заданной конфигурации из заданного ма
териала и их корректировки при нестабильности свойств сырья.
6. Осуществлена техническая реализация первой очереди автоматизиро
ванной интефированнои системы управления производством пластмассовых
изделий на Курском ОАО «Электроаппарат».
Методы исследований. Для решения вышеуказанных задач использовались следующие методы исследований:
системный подход и системный анализ всей проблемы;
методы линейного профаммирования и комбинаторики для решения задач оптимального оперативного планирования производства в условиях совмещения зон обслуживания основного технологического оборудования;
методы математического планирования активного многофакторного эксперимента;
методы искусственного интеллекта для решения слабо структурированных и плохо формализуемых задач;
- экспериментальные методы исследования.
Научная новизна.
1. Впервые с позиций системного подхода сформулирован рациональный перечень задач и функций интефированнои автоматизированной системы управления производством пластмассовых изделий в условиях широкой номенклатуры производимой продукции и совмещенных зон обслуживания основного технологического оборудования.
Проведен теоретический анализ пригодности методов линейного программирования и комбинаторики для решения задачи оптимальной организации и* оперативного планирования производства пластмассовых изделий в условиях широкой номенклатуры продукции и совмещенных зон обслуживания основного технологического оборудования и разработан оригинальный алгоритм решения этой задачи, базирующийся на минимизации переборов с учетом совместимости циклограмм технологических процессов прессования различных изделий.
Впервые предложены критерии и методика количественной оценки качества пластмассовых изделий и эффективности технологического процесса их производства, на основе которых разработаны программные средства поддержки при экспериментальном поиске оптимальных технологических режимов прессования. ;
Обоснована необходимость и разработана прототипная экспертная система как составная часть интегрированной автоматизированной системы управления производством пластмассовых изделий для решения плохо форма-лизуе.мых задач поиска оптимальных технологических режимов производства пластмассовых изделий.
Практическая ценность. Практическая ценность диссертационной работы состоит в:
- разработке комплекса программно-технических средств интегрированной автоматизированной системы управления производством пластмассовых изделий, обеспечивающих выполнение всех необходимых функций при минимизации капитальных затрат и учитывающих требования легкой расширяемости системы и сопряжения с общей корпоративной управляющей сетью предприятия, включая разработку специализированных восьмиразрядных периферийных и групповых контроллеров, стоимость которых на порядок ниже стоимости серийно выпускаемых промышленных контроллеров;
- экспериментальном подтверждении высокой экономической эффек
тивности разработанного алгоритма и реализующих его программных средств
для оптимизации оперативного планирования и организации производства
дискретно-периодического характера в условиях широкой номенклатуры вы
пускаемой продукции и совмещенных зонах обслуживания основного техно
логического оборудования;
- разработке рационального ряда типономиналов таблеток пресс-
материала, обеспечивающего возможность исключить операцию взвешивания
дозы пресс-материала при загрузке прессформ;
разработке технических предложений по автоматизации подготовительного производства (таблетирования пресс-материала);
внедрении первой очереди системы на Курском ОАО «Электроаппарат».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Перечень задач и функций интегрированной автоматизированной сис
темы управления производством пластмассовых изделий, сформулированный
с позиций системного подхода с учетом дальнейшей интеграции с корпора
тивной информационно-управляющей системой предприятия.
2. Программно-технические средства для реализации интегрированной
автоматизированной системы, обеспечивающие выполнение всех ее функций
при минимизации капитальных затрат и учитывающие реальный технический
уровень и возможности российских предприятий.
Алгоритмическая модель для решения задачи оптимального оперативного планирования и организации производства дискретно-периодического характера в условиях широкой номенклатуры продукции и совмещаемых зон обслуживания основного технологического оборудования.
Критерии и методика количественной оценки качества пластмассовых изделий и эффективности технологического регламента их производства и применение их для поиска оптимальных технологических режимов с исполь-
зованием методов оптимального планирования активного многофакторного эксперимента.
5. Прототипная экспертная система как составная часть интегрированной автоматизированной системы управления производством пластмассовых изделий для решения плохо формализуемых задач поиска оптимальных технологических режимов производства пластмассовых изделий.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Спроектирована, изготовлена и смонтирована в цехе пластмассовых изделий Курского ОАО «Электроаппарат» первая очередь программно-технических средств интегрированной системы управления, включающая локальную информационно-управляющую сеть, охватывающую периферийные и групповые контроллеры, управляющие прессовым оборудованием, и центральную диспетчерско-технологическую станцию. В настоящее время проводится ее опытная эксплуатация.
Проведено опробование в цеховых условиях программного комплекса верхнего уровня по оптимальной организации и оперативному планированию производства, которое показало возможность при его внедрении повышения производительности труда и экономии энергетических ресурсов не менее, чем на 25 % при сокращении парка основного технологического оборудования не менее, чем на 30 %.
Проведено опробование в цеховых условиях программных комплексов верхнего уровня для поиска оптимальных технологических режимов прессования пластмассовых изделий при освоении новых видов продукции и коррекции технологических режимов при отклонениях свойств сырья, которое показало перспективность данного направления работ и подтвердило основные концепции, на которых они базировались.
Проведено планирование работ и разработка технического задания на проектирование второй и третьей очередей данной системы, которые должны охватить участок таблетирования, участок термопластавтоматов и программ-
ные комплексы верхнего уровня. Завершение всех работ по внедрению системы планируется к концу 2005 г.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на 5-й Международной конф. «Распознавание 2001» (Курск, 2001), на 2-й Международной научно-технической конференции «Информационная техника и электромеханика — ИТЭМ - 2003» (Луганск, 2003) и на IV Международной научно-технической конференции «Кибернетика и технологии XXI века» (Воронеж, 2003), а также на НТС Курского ОАО «Электроаппарат» и расширенном научно-техническом семинаре кафедры «Конструирование и технология электронно-вычислительных средств» Курского государственного технического университета.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 научных статей и докладов, из них 5 в центральных журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х разделов и заключения, изложенных на 170 страницах текста, списка литературы из 60 наименований, 9 рисунков, 10 таблиц и трех приложений.
Основные этапы развития систем автоматизации производственных процессов
Автоматизация промышленного производства прошла сложный путь развития. В разных отраслях промышленности он складывался различным образом. Однако, в целом, можно выделить ряд характерных этапов, которые были типичны для большинства отраслей промышленности. Каждый из этих этапов характеризуется определенной совокупностью решаемых задач и используемыми методами и средствами их решения. А поскольку многие из этих задач переходят из этапа в этап, только решаются различными методами и средствами, а сами этапы могут перекрывать друг друга по времени и даже протекать параллельно, то иногда разграничить эти этапы достаточно сложно и тем более трудно уложить их в жесткие временные рамки. Поэтому предлагаемое ниже деление на этапы является в достаточной степени условным и субъективным и в какой-то мере отражает личные взгляды автора на историю развития автоматизации производственных процессов в промышленности.
Первый этап состоял в создании локальных систем автоматического контроля и управления отдельными технологическими установками, агрегатами и линиями на основе релейного (позиционного) регулирования, аналоговых систем автоматической стабилизации и жесткого временного регулирования каждого из технологических параметров в отдельности с использованием реле времени, механических и электромеханических временных программаторов. Начало этого этапа можно отнести к 50-м годам прошлого века, а конец указать весьма сложно, т.к. такие системы продолжают создаваться и в настоящее время. Пользовательская часть таких систем представляла собой местные приборные щиты с регистрирующими приборами, индикаторными лампочками и органами управления. Для технологических процессов непрерывного и непрерывно-периодического типа основными функциями таких систем являются: автоматический контроль и регулирование параметров, логическое управление (в том числе, процессами пуска и останова), блокировка и защита. При дискретном характере производства — программно-логическое управление (стан к и-автоматы, автоматические линии, роторные и роторно-конвейерные комплексы с жестким временным управлением без использования цифрового программного управления). Такие системы еще не называли АСУ ТТЛ, хотя они выполняли важнейшие функции нижнего уровня современных АСУ ТП. В качестве основных средств автоматического контроля и регистрации технологических параметров на этом этапе использовались концевые выключатели и разнообразные датчики неэлектрических величин в комплекте с вторичными автоматическими регистрирующими приборами, которые, как правило, снабжались и устройствами для задания уставок контролируемых величин и позиционного их регулирования по данным уставкам. Для повышения качества регулирования отдельных величин применялись автономные автоматические регуляторы, осуществляющие регулирование по пропорциональному, пропорционально-интегральному (ПИ), пропорционально-дифференциальному (ПД) или пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) законам регулирования. Для этих целей выпускались (и продолжают выпускаться) разнообразные промышленные датчики (первичные преобразователи) различных физических величин (температуры, давления, силы, расхода и уровня жидких и сыпучих сред, перемещения, позиционирования и т.п.), промежуточные преобразователи, вторичные автоматические измерительные и регистрирующие приборы, автоматические регуляторы и исполнительные устройства [1, 2]. В рамках единой государственной системы приборов (ГСП) были созданы даже агрегатные комплексы технических средств локальной автоматики: КТС ЛИУС (комплекс технических средств локальных информационно-управляющих систем), АСКР (агрегатные средства контроля и регулирования), АКЭСР (агрегатированныи комплекс электрических средств регулирования) [1]. Такие системы использовались для управления сравнительно простыми технологическими объектами с небольшим числом регулируемых параметров (обычно в пределах одного десятка) и простыми законами и алгоритмами регулирования. Характерной чертой таких систем являлось то, что каждый из регулируемых параметров контролировался и регулировался независимо от всех остальных. Ни о какой общей математической модели управляемого технологического процесса, учитывающей взаимосвязи контролируемых и регулируемых параметров, вопрос даже не ставился.
Второй этап можно характеризовать созданием и активным внедрением в промышленность систем централизованного автоматического контроля и регулирования технологических процессов без использования ЭВМ. Потребность в создании таких систем обуславливалась усложнением самих технологических процессов, сопровождаемым резким увеличением числа контролируемых параметров, влияющих на качество выходного продукта. Построение систем автоматического контроля и регулирования таких техпроцессов по прежнему принципу: «для каждого параметра — своя система контроля и регулирования» приводило к очень громоздким, дорогим, ненадежным и неудобным в эксплуатации системам, усложнению диспетчерского управления такими системами. Поскольку раздельный автоматический контроль, регистрация и регулирование каждого технологического параметра в отдельности уже далеко не всегда могли обеспечить правильное протекание процесса, а для выработки правильных управляющих воздействий необходимо было оценить текущее состояние технологического процесса в целом по целому комплексу технологических параметров, приходилось все контрольно-измерительные и регистрирующие приборы встраивать в единый пульт диспетчерского управления и вести к нему огромное число коммуникаций от датчиков и исполнительных устройств, встроенных в технологическое оборудование. Такие пульты диспетчерского управления с десятками и сотнями контрольно-измерительных приборов, сигнальных лампочек, электрифицированных мнемосхем, регуляторов, приборов дистанционного управления и другого оборудования разрастались до необозримых размеров, что очень затрудняло работу диспетчера, требовало от него высокого внимания и напряжения. Кроме того, поддержание всего этого оборудования и коммуникаций в работоспособном состоянии обходилось весьма дорого. Для этого приходилось содержать многочисленную группу КРИТ и автоматики и тратить значительные средства на техническое обслуживание и ремонт таких систем. Это и послужило стимулом для создания и серийного производства машин централизованного контроля и регулирования (МЦКР) технологических процессов. Первые отечественные МЦКР появились в 60-е годы, а наиболее массовое их внедрение в промышленность приходится на 70-е годы. Наиболее распространенными их типами были: МАРС-100, МАРС-200, МАРС-300, МАРС-1500, МАРС-УБ, АМУР-80, АМУР-К, «Сокол», «Сигнал», «Зенит» и др. [1, 3].
Выбор архитектуры АСУ ТП и топологии локальной информационно-управляющей сети
Проведенный в п.п. 1.1 и 1.2 анализ тенденций развития архитектуры АСУ ТП [18-25] показал, что практически все современные АСУ ТП строятся как распределенные иерархические системы с использованием цифровых сетевых технологий, т. к. такая архитектура в наибольшей степени отвечает требованиям повышения надежности и живучести системы, сокращения капитальных затрат на ее разработку и внедрение, одновременно удовлетворяя принципам открытости системы и унификации программно-технического обеспечения. При этом стремятся к исключению или максимальному сокращению длины аналоговых коммуникационных линий, что существенно удешевляет прокладку коммуникаций и повышает надежность системы. Полное их исключение возможно лишь при полном переходе на интеллектуальные средства полевой автоматики. Это означает, что все датчики и исполнительные устройства должны снабжаться цифровым интерфейсом, ориентированным на подключение к цифровой полевой шине.
Учитывая, что в настоящее время технологическое оборудование на данном объекте автоматизации (цехе пластмассовых изделий), описанном в п. 1.3.2, как и на большинстве российских предприятий, не оснащено интеллектуальными средствами полевой автоматики, полного исключения аналоговых коммуникаций обеспечить невозможно, т.к. это потребовало бы полного переоснащения технологического оборудования новыми средствами автоматического контроля и управления. А для максимального сокращения длины аналоговых коммуникаций необходимо каждую единицу технологического оборудования дооснастить периферийным контроллером, осуществляющим считывание показаний всех установленных на управляемом оборудовании датчиков, непосредственное автоматическое управление им и связь с вышестоящим уровнем системы. Поскольку общее число единиц технологического оборудования велико (более ста единиц) и размещено оно в цехе более или менее компактными группами, образующими производственные участки, то в целях повышения живучести системы и сокращения общей длины коммуникаций, целесообразно для каждой такой компактной группы оборудования (участка) устанавливать групповой контроллер, концентрирующий ту информацию от обслуживаемых периферийных контроллеров, которую необходимо передать на верхний уровень системы, и обеспечивающий обратную передачу на обслуживаемые контроллеры инструкций по используемым технологическим режимам из центральной диспетчерско-технологической станции. Причем, при выходе из строя центральной диспетчерско-технологической станции (или канала связи между ней и групповым контроллером) последний должен брать на себя ее функции по обслуживанию данного сегмента сети.
В итоге мы приходим к трехуровневой иерархической архитектуре, нижний уровень которой образован периферийными контроллерами, размещаемыми непосредственно на управляемых технологических установках, средний уровень - групповыми контроллерами, объединяющими и упорядочивающими потоки информации между группой обслуживаемых им периферийных контроллеров и центральной диспетчерско-технологической станцией, построенной на базе ПК и представляющей верхний уровень системы.
Выбор топологии информационно-управляющей сети, связывающей все уровни системы, в общем случае диктуется требованиями по обеспечению необходимой пропускной способности, допустимой задержки сообщений, возможностью расширения (наращивания) системы, ее живучести и экономическими соображениями [23-25]. Имеется четыре базовые топологии (шинная, кольцевая, древовидная и звездообразная) и их комбинации. Проведем их краткий сравнительный анализ применительно к данному конкретному случаю.
Требования по пропускной способности определяются интенсивностью циркулирующих в сети потоков информации. Проведенные предварительные расчеты интенсивностей информационных потоков между периферийными и групповыми контроллерами и между последними и центральной диспетчер-ско-технологической станцией, определяемые задачами, решаемыми на разных уровнях АСУ ТП [39], показали, что интенсивность этих потоков будет невысокой и с ними вполне смогут справиться даже самые низкоскоростные шины. А, поскольку в режиме реального времени с регламентируемой задержкой работают только периферийные контроллеры при управлении технологическими объектами, а при обмене информацией с групповыми контроллерами допустимы значительные задержки, также как и при обмене информацией между групповыми контроллерами и центральной диспетчерско-технологической станцией, то и с этих позиций выбор топологии не является критичным. Требованиям по расширяемости системы в той или иной мере отвечают все базовые топологии, поэтому и они не являются определяющими. Требования по живучести системы обеспечиваются, в основном, выбором трехуровневой распределенной архитектуры вычислительной сети и дублированием в групповых контроллерах той информации, которую они пересылают с верхнего уровня на нижний и обратно. Следовательно, доминирующими при выборе топологии сети являются экономические соображения. С этих позиций наиболее выгодной является двухуровневая шинная топология сети [40-42], представленная на рис. 2.1. Первая очередь системы состоит из пяти сегментов, каждый из которых связывает группу периферийных контроллеров, устанавливаемых непосредственно на каждой единице управляемого технологического оборудования, со своим групповым контроллером. Внутри сегментов используется полевая цифровая шина, реализованная на двух витых парах с опторазвязкой, что обеспечивает дуплексную связь. Ввиду низкой интенсив ности потоков информации, циркулирующей в каждом сегменте сети, выбран стандартный интерфейс RS-232. Предусмотрена возможность подключения к каждому сегменту системы до 30 периферийных контроллеров, хотя реально подключено 16. это обеспечивает возможность дальнейшего расширения системы по каждому сегменту.
Определение оптимальных зон обслуживания и составление календарного графика их работы (оптимизация организации производственного процесса прессования изделий)
Поскольку выдержки времени на отверждение изделий, во время которых прессовщик не принимает непосредственного участия в процессе, достаточно велики (могут составлять от полуминуты до десятка минут), то целесообразно поручать ему обслуживание нескольких прессов, с тем, чтобы использовать время его вынужденного простоя для обслуживания соседних прессов. При этом необходимо таким образом согласовать циклограммы работы прессов, входящих в зону обслуживания, чтобы прессовщик мог за время выдержки одного пресса последовательно обслужить все остальные прессы своей зоны.
В п. 1.3.1 уже рассматривались основные технологии, применяемые при производстве пластмассовых изделий и технологические операции, из которых они состоят. Офаничиваясь технологиями прямого и литьевого прессования, которые выполняются на прессовом оборудовании, где и актуальна данная задача, можно видеть, что основными технологическими операциями при применении этих технологий являются: - дозирование и загрузка прессформы пресс-материалом; - запирание прессформы, впрыск материала в оформляющую полость прессформы (при литьевом прессовании) и выдержка под давлением до отверждения прессуемого изделия; - раскрытие прессформы, извлечение из нее изделия, и ее подготовка к следующему циклу прессования.
Следует заметить, что поскольку размыкание пресса по окончании заданной выдержки под давлением производится автоматически, то при невыполнении данных неравенств технологический процесс нарушаться не будет. Просто пресс после автоматического раскрытия будет простаивать в ожидании выполнения ручных операций, которые выполняются непосредственно прессовщиком. Таким образом, невыполнение данных неравенств будет приводить к дополнительному простою основного оборудования, а значит, к снижению удельной производительности (на одну единицу основного оборудования) и увеличению удельной (на одно изделие) энергоемкости производства (поскольку во время этой паузы температурные режимы нагревательных плит пресса продолжают поддерживаться). С другой стороны, если неравенства выполняются с большим запасом, то это будет приводить к простоям самого прессовщика, т.е. к снижению производительности его труда. Поэтому расчет оптимальных зон обслуживания желательно проводить, исходя из замены этих неравенств приближенными равенствами (учитывая, что длительность вспомогательных операций, выполняемых непосредственно прессовщиком, не может быть задана точно, допустимо невыполнение этих равенств на 10-15 %, но не свыше 0,5 мин.).
Поскольку ki должно быть целочисленным, то его следует округлить. При округлении в меньшую сторону будет обеспечиваться максимальная за грузка прессов (но прессовщик будет загружен не полностью, и будет отсутствовать возможность повышения производительности его труда). При округлении в большую сторону возможно некоторое сверхнормативное простаивание прессов, что будет стимулировать прессовщика к повышению интенсивности труда и снижению длительности ручных операций, которая безусловно зависит от уровня его мастерства.
Приближенное равенство означает необходимость округления отношения ТСМ/ТЦІ (в сторону уменьшения) до ближайшего целого числа.
Для обеспечения ритмичной работы прессовщика в течение всей рабочей смены желательно не проводить изменений зон обслуживания и номенклатуры изготавливаемых изделий в течение всей смены, а поскольку номенклатура изделий, входящих в месячное задание, превышает число единиц основного оборудования, то вообще обойтись без таких изменений невозможно, но их надо проводить только после выполнения месячного задания по данному виду номенклатуры. С учетом этого за одну рабочую смену на каждом прессе будет изготовлено п(СМ изделий каждого вида.
Обозначим месячную производственную программу цеха как N = Nj+ +N2 + ... +JV) + ... +NM, где Nt - объемы по каждому виду изделий. Тогда, зная число П( изделий, изготавливаемых за одну смену по каждому виду но менклатуры, легко найти необходимое число рабочих смен для изготовления месячной производственной программы по каждому виду номенклатуры:
Здесь необходимо округлять до ближайшего целого числа в сторону увеличения, поскольку месячная программа по каждому виду номенклатуры должна быть безусловно выполнена, а из «лишних» изделий будет формироваться (или пополняться) нормативный запас.
На основании всех указанных соотношений должен рассчитываться посменный месячный график работы цеха. Исходными данными для этого являются: - месячное производственное задание по объему и номенклатуре - посуточный график отгрузки готовой продукции (по номенклатуре и объему); - число рабочих смен в данном месяце {W)\ - число действующих в данном месяце единиц прессового оборудования {/7,}, j = 1,2, ... ,/ (с указанием мест их размещения); - списочный состав основных рабочих-прессовщиков (с указанием находящихся в отпуске или отсутствующих по болезни); - имеющиеся ограничения по изготовлению номенклатуры изделий на определенном прессовом оборудовании; - имеющиеся ограничения по размещению зон обслуживания на территории цеха.
Обязательным условием при этом является полное выполнение месячного задания по номенклатуре и объему продукции, с обеспечением выполнения заданного графика посуточной отгрузки продукции (при этом, по каждому виду номенклатуры должен поддерживаться трехсуточный запас готовой продукции, из которого допускается расходовать на покрытие графика посуточной отгрузки не более двухсуточного запаса). Критерием оптимизации является максимальная эффективность производства. В данном случае этот критерий будет выражаться минимизацией вынужденных простоев основного оборудования (возникающих из-за сверхнормативной длительности выполнения вспомогательных операций) вследствие плохой согласованности циклограмм прессования изделий, изготавливаемых в каждой зоне обслуживания, и исключением вынужденных простоев основных рабочих (как полных, так и частичных, когда его зона обслуживания меньше оптимальной). При этом должны учитываться только простои включенного оборудования. Если при расчете такого графика выявляется избыток производственных мощностей, то либо должно сокращаться число рабочих смен в месяце, либо в каких-то сменах должны полностью аннулироваться некоторые зоны обслуживания (с отключением соответствующих прессов).
Выбор технологических режимов прессования и возможные подходы к его оптимизации
В настоящее время применяется две модификации технологии прессования пластмассовых изделий: прямое и литьевое прессование. При прямом прессовании реактопластов имеется возможность регулирования следующих технологических параметров: - температура матрицы пресс-формы; - температура пуансона пресс-формы; - время выдержки под давлением; - удельное давление прессования; - наличие и число подпрессовок. При переработке реактопластов рекомендуются следующие значения указанных технологических параметров [44]: - температура пресс-формы — 410 - 455 К (137-192С); - время выдержки под давлением - 100 - 200 с на каждый мм толщины стенки изделия; - удельное давление прессования - 15 - 80 Мпа;
Как видим, эти рекомендации оставляют весьма широкое поле выбора конкретных значений этих параметров, которые в значительной степени зависят от рецептуры используемого пресс-материала, конфигурации и геометрических размеров изделия и особенностей конструкции пресс-формы. Более конкретные рекомендации носят скорее качественный, а не количественный характер.
Важнейшим технологическим параметром является удельное давление прессования. Под действием давления прессования происходит уплотнение пресс-материала, его дополнительный разогрев (как за счет внутреннего трения между его частицами, так и за счет экзотермической реакции отвержде ния), пластикация материала, его формование, удаление побочных продуктов (газов) реакции отверждения и само отверждение. Выбор величины удельного давления прессования должен производится с учетом следующих факторов: текучести пресс-материала, отношения высоты к толщине стег-гкы изделия, осуществления предварительного подогрева пресс-материала, температуры пресс-формы.
Текучесть пресс-материала зависит от типа и содержания отвер» эк дающих, связующих, типа наполнителя и его структуры, степени предварительной поликонденсации связующего и содержания влаги в пресс-мате;р иале. Текучесть пресс-материала, в принципе, может быть определена с помощью специальных испытаний. Однако такие испытания достаточно трудоемки и дают невысокую точность, а главное, этот параметр может меняться в значительных пределах даже внутри одной партии поставки, что приводит к. невысокой достоверности результатов таких испытаний. Общая качественная связь между текучестью пресс-материала и необходимым удельным давлением прессования очевидна: низкая текучесть высокое давление прессования, высокая текучесть — низкое давление прессования.
На выбор удельного давления прессования оказывает влияние и величина отношения высоты к толгцине боковых стенок изделия. Чем выисге это отношение, тем больше должно быть давление прессования, чтобы пресс-материал заполнил все зазоры между матрицей и пуансоном. Естественно, что при этом должна учитываться и величина текучести пресс-матер ЇЇ ал а и скорость отверждения, а последняя зависит как от степени предварительной поликонденсации пресс-материала, так и от температуры пресс-формы _
Предварительный высокочастотный подогрев пресс-материала позволяет в значительной степени (на 40-50 %) снизить необходимое давление прессования.
Температура пресс-формы также влияет на выбор удельного давления прессования. При высокой температуре пресс-формы материал быстрее разогревается и пластифицируется, что требует меньшего удельного давления прессования. Но при тонких и высоких стенках высокая температура пресс-формы и ее медленное смыкание (что соответствует выбору низкого удельного давления прессования) могут привести к слишком быстрому отверждению материала в этих стенках и, как следствие, недоформовке изделия.
Поэтому при выборе температуры пресс-формы следует учитывать и ее взаимосвязи с удельным давлением прессования, и скорость отверждения данного пресс-материала, и геометрические параметры изделия.
При переработке быстро отверждающихся пресс-материалов и медленном смыкании пресс-формы (т.е. при небольшом удельном давлении прессования) следует выбирать низкую температуру пресс-формы и, наоборот, при медленно отверждающихся пресс-материалах и быстром смыкании пресс-формы следует работать при высокой температуре пресс-формы. Кроме того, при выборе температуры пресс-формы следует учитывать и теплоту экзотермической реакции отверждения в общем балансе тепла. Это дополнительное тепло будет наиболее сильно сказываться при изготовлении толстостенных изделий, т.к. теплопроводность пресс-материала существенно ниже теплопроводности металла пресс-формы, что и будет приводить к перегреву внутренних слоев пресс-материала за счет экзотермического эффекта реакции отверждения. А следствием этого перегрева будет термическое разложение этих внутренних слоев, что приводит к резкому снижению и механических, и электрических свойств материала, и к появлению газовых пузырей в стенках изделия. Поэтому температуру пресс-формы следует выбирать не только в зависимости от отношения высоты к толщине стенки, но и от абсолютного значения толщины стенок изделия.
Выбор времени отверждения должен производится с учетом температуры пресс-формы и толщины стенок изделия. Чем выше температура пресс-формы, тем меньше требуемое время отверждения. Согласно эмпирически найденной зависимости скорости реакции отверждения от температуры ее протекания, повышение температуры протекания реакции на каждые 10 К приводит к увеличению скорости реакции отверждения в два раза. А по 140 скольку, в общем времени цикла прессования основную долю составляет время отверждения (приближенно оно равно времени выдержки под давлением), то отсюда следует, что для повышения производительности процесса желательно повышать температуру отверждения, что можно сделать путем повышения температуры пресс-формы. Конечная степень отверждения определяет физико-механические, электрические и другие эксплуатационные свойства готового изделия. Но поскольку прямых методов исследования степени отверждения не существует, то приходится судить о ней по тем или иным косвенным параметрам. Чаще всего о достаточности времени отверждения судят по внешнему виду отпрессованных изделий. Если изделие имеет гладкую блестящую поверхность без трещин, недопрессовок и расслоений, то это свидетельствует о достаточной степени отверждения. Наличие на поверхности изделий вздутий (выпуклостей, полых внутри) свидетельствует о недостаточной степени отверждения. Одним из объективных косвенных параметров, характеризующих степень отверждения, является ударная вязкость. При увеличении времени выдержки ударная вязкость монотонно увеличивается до определенного максимального значения, причем, чем выше температура отверждения, тем быстрее достигается это максимальное значение. Однако для проведения испытаний на ударную вязкость требуются образцы специальной формы. Поэтому по результатам таких исследований трудно судить о необходимом времени отверждения для конкретных изделий. Кроме того, это достаточно трудоемкий и длительный метод, требующий, к тому же, дополнительного оборудования. Поэтому такой метод может применяться лишь при первоначальном определении технологических режимов прессования. Могут применяться и другие методы определения степени отверждения, но и они недостаточно достоверны и оперативны. Поэтому технологи предпочитают назначать время отверждения с некоторым запасом.
Похожие диссертации на Интегрированная автоматизированная система управления производством пластмассовых изделий с совмещенными зонами обслуживания
