Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние проблемы обеспечения точности технологических процессов механообработки в автоматизированных производствах 13
1.1 Общие задачи формирования точности технологических процессов в автоматизированных производствах 13
1.2 Современные системные методы обеспечения качества продукции машиностроения 17
1.3 Состояние и проблемы развития систем автоматизированного управления технологическими процессами в современных условиях 20
1.4 Современное состояние и проблемы обеспечения точности и надежности функционирования металлорежущих станков 30
Выводы 34
ГЛАВА 2 Разработка концепции информационной обратной связи (ИОС) для распределенных контрольных измерений (РКИ) и выбор структур передачи данных и оборудования для ее реализации 37
2.1 Концепция информационной обратной связи в распределенных контрольных измерениях 37
2.2 Анализ структур передачи данных в информационной измерительной системе распределенных контрольных измерений (ИИС РКИ) 41
2.3 Анализ возможностей применения (выбор) СИ с цифровым интерфейсом 47
2.4 Обзор стандартных интерфейсов передачи данных в автоматизированных системах управления производственными процессами 50
2.5 Выбор топологии сети для построения ИИС распределенных контрольных измерений 61
2.6 Модели данных и СУБД для ИИС распределенных контрольных измерений 63
2.7 Построение модели информационных потоков техпроцесса с
применением ИИС распределенных контрольных измерений 68
2.8 Методическое обеспечение выбора подсистем и принципы построения ИИС распределенных контрольных измерений 78
Выводы 92
ГЛАВА 3 Разработка ИИС РКИ 94
3.1 Разработка структуры передачи данных в ИИС распределенных контрольных измерений 94
3.2 Реализация интерфейсов передачи данных для ИИС распределенных контрольных измерений 97
3.3 Средства измерения с цифровым интерфейсом, используемые в ИИС распределенных контрольных измерений 101
3.4 Разработка информационной подсистемы ИИС распределенных контрольных измерений на основе СУБД .104
3.5 Моделирование информационных потоков техпроцесса и работы ИИС распределенных контрольных измерений на примере распределенного техпроцесса изготовления корпусной детали 118
3.6 Разработка функций ИИС распределенных контрольных измерений по статистической обработке измерительных и организационных данных, полученных при выполнении технологического процесса 130
3.7 Результаты проведения экспериментальных исследований ИИС распределенных контрольных измерений при изготовлении корпусной детали .136
Выводы 150
ГЛАВА 4 Анализ путей развития ИИС распределенных контрольных измерений 153
4.1 Аппаратное развитие передачи данных в ИИС
распределенных контрольных измерений .153
4.2 Развитие уровня автоматизации неуниверсальных СИ в ИИС
распределенных контрольных измерений .156
4.3 Развитие ПМО в ИИС распределенных контрольных измерений.158
Выводы .161
Заключение и результаты 163
Список литературы
- Современные системные методы обеспечения качества продукции машиностроения
- Анализ структур передачи данных в информационной измерительной системе распределенных контрольных измерений (ИИС РКИ)
- Реализация интерфейсов передачи данных для ИИС распределенных контрольных измерений
- Разработка функций ИИС распределенных контрольных измерений по статистической обработке измерительных и организационных данных, полученных при выполнении технологического процесса
Современные системные методы обеспечения качества продукции машиностроения
Рассмотрим проблемы формирования точности на примере механообработки, которая на сегодняшний момент является одной из наиболее разработанных, широко применяемых и позволяет обеспечивать наивысшие результаты точности.
Повышение точности достигается путем применения различных подходов [107]. Явным образом точность технологического процесса может определяться средним квалитетом точности. В этом случае под повышением точности технологического процесса понимается переход на более высокий средний квалитет, сужение границ допусков, снижение количества забракованных деталей и т.д. Этот подход в литературе обозначается как «разбраковка».
Другой подход касается вопросов организации ИИС, охватывающей технологический процесс. В этом случае точность технологического процесса зависит от степени автоматизации сбора, обработки результатов, полученных средствами измерения, состояния оборудования, СИ, корректного выстраивания модели поведения технологического процесса, используемых статистических методов регулирования, планомерности выполнения процесса (такта техпроцесса), степени учета и объема измерительной информации, удобства использования и регистрации результатов измерений, повышения объективности контроля, оперативности реакции на различные события и т.д. В литературе подобный подход имеет название «управление точностью».
Первый подход к повышению точности технологического процесса, несмотря на возможность явной количественной оценки результатов этого процесса, далеко не всегда является экономически целесообразным. Повышение среднего квалитета точности неизбежно ведет к удорожанию детали, что далеко не всегда оправдано, особенно для крупносерийного и массового производства. Поэтому для большинства технологических процессов большое значение принимает именно второй подход к повышению точности. Применение средств измерений с меньшей дискретностью отсчета также не обязательно ведет к повышению точности, так как в современных СИ предельные погрешности измерений могут превышать дискретность отсчета. Построение единой информационной измерительной системы, охватывающий весь техпроцесс, путем корректного выбора ее компонентов и организации информационных потоков внутри нее является хорошей альтернативой повышению среднего квалитета при меньших экономических затратах. Полученная в результате работы такой информационной измерительной системы информация может быть доступна для анализа с разнообразными целями широкому кругу лиц, занятых на производстве. Подобный подход и прототипы соответствующих информационных измерительных систем на данный момент разрабатываются и продвигаются такими фирмами, как Mahr, Mitutoyo и др. [67,105]
Научно-технический прогресс в современном машиностроении идет в направлении дальнейшего повышения качества и технико-экономических характеристик выпускаемой продукции, расширения ее номенклатуры и сокращения цикла разработки и развертывания серийного производства.
По оценкам западных специалистов [4] опережение конкурентов на рынке с представлением товара в две недели позволяет захватить его примерно на 85%. В этих условиях особую роль приобретает эффективное использование технических возможностей базовых элементов технологического процесса механообработки – металлорежущих станков с числовым программным управлением (далее - ЧПУ), и полуавтоматического оборудования с цикловой автоматикой.
Важность комплексного использования передовых технологий для повышения эффективности оборудования характеризует следующий пример [12]. Несмотря на то, что стоимость инструментального обеспечения не превышает 1,5 – 2% расходов в машиностроении, его роль в технологическом процессе гораздо значительнее. При оснащении токарного станка напайным инструментом, его простои составляли более 30% рабочего времени. Появление автоматизированного оборудования и станков с ЧПУ потребовало новых конструкций инструмента, чтобы сократить простои оборудования из-за износа инструмента. Решением проблемы стало применение в этих станках новых резцов и фрез с использованием сменных многогранных пластин из твердого сплава и цельного твердосплавного инструмента, что снизило простои до 3 – 17 % [51].
Современные станки по сравнению с предыдущими поколениями имеют в своем составе высокотехнологическое электронное оборудование, датчики различных типов, позволяющие учитывать в процессе автоматизированной обработки деталей разнообразные стационарные и нестационарные силовые, тепловые и виброакустические воздействия. Однако это приводит к необходимости многопараметрического мониторинга состояния оборудования и обрабатываемых деталей средствами встроенной и внешней контрольно-измерительной аппаратуры.
Основными тенденциями дальнейшего развития металлорежущих станков являются [40]: повышение уровня автоматизации, увеличение рабочих скоростей, применение новых материалов (в конструкции станков и в инструментальном обеспечении), технических решений приводов, датчиков на основе нанотехнологий, экспертных систем выбора режима обработки, адаптивных систем управления и др.
Процессный подход к управлению качеством на предприятии реализован в стандартах ISO серии 9000 и соответствующих им семействе российских стандартов ИСО 9000.
В частности, в стандарте ГОСТ ИСО 9001-2011 "Системы менеджмента качества. Требования" [33] подчеркнута важность постоянного улучшения процессов, основанного на измерении.
Прямые указания на необходимость применения или использования измерительной информации о самых разнообразных спектрах и факторах, перечень задач распределенных ИИС содержатся в стандарте ГОСТ ИСО 9001-2011. В частности, в пунктах 5.1, 5.4, 5.6 («Ответственность руководства») выдвигаются требования учета обобщенных и оперативных данных о производственных процессах, из пункта 6.2.2 следует необходимость получения ИИС оперативных данных о браке по вине обслуживающего персонала и формирования обобщенной статистики о качестве выполнения технологических операций каждым работником; из пункта 6.3 следует потребность в работоспособности аппаратных и программных средств ИИС, точность измерений должна быть подтверждена калибровкой и поверками средств измерений с необходимой периодичностью. Из пунктов 7.5, 7.6, 8.2 следуют требования к аппаратным и программным средствам ИИС.
Анализ структур передачи данных в информационной измерительной системе распределенных контрольных измерений (ИИС РКИ)
На современных машиностроительных производствах в условиях постоянно расширяющейся номенклатуры производимых деталей и ограниченных производственных мощностей существенное значение принимает понятие распределенных контрольных измерений. Под контрольными измерениями понимаются измерительные процедуры, результаты которых используются для управления точностью (в данном случае слово «контрольные» трактуется аналогично английскому слову «control» - «управление»). Под распределенными измерениями понимаются процессы измерения и допускового контроля параметров обрабатываемой детали, имеющие распределенный во времени и/или пространстве характер. В данном случае под распределенным во времени понимается измерение или контроль одного параметра обрабатываемой детали на одном оборудовании, но на разных стадиях технологического процесса (например, черновое и чистовое фрезерование); под распределенным в пространстве имеется в виду измерение или контроль одного параметра обрабатываемой детали на разных стадиях технологического процесса и на разном оборудовании (например, фрезерование и шлифование поверхности).
В ходе выполнения технологического процесса возникает необходимость получения и обработки множества информационных потоков, касающихся данных измерений, состояния оборудования и режущего инструмента, учета качества работы оператора станка, состояния измерительного инструмента и т.д. При этом указанные компоненты оказывают интегральное влияние на точность геометрических параметров обрабатываемой детали, в связи с чем появляется возможность на основании результатов геометрических измерений, полученных в течение некоторого времени, делать определенные выводы о качестве технологического процесса в целом.
В этой связи существенное значение принимает понятие информационной обратной связи. Под ней понимается передача и обработка информационных потоков опосредованным образом, в результате чего информация меняется качественно (например, по накопленным за некоторый промежуток времени результатам измерения одного геометрического параметра детали делаются выводы о точности режущего инструмента, точности настройки оборудования, эффективности работы оператора станка и т.д.). Функциональное назначение информационной обратной связи – это формирование управляющих воздействий на отдельные компоненты техпроцесса, основанных на собранных в ходе работы ИИС информационных данных о широком спектре факторов, которые влияют на ее функционирование. Управляющие воздействия при этом могут быть в виде реакции на выход за пределы допустимых значений определенных параметров в результате сбора данных в конкретный момент времени (например, выход за пределы допуска измеренного значения внутреннего радиуса обрабатываемой детали, нарушение температурного режима обработки и т.д.), так и в виде выявления проблемных мест на основе статистических данных, собранных в течение продолжительного времени работы системы.
Информационная обратная связь служит для своевременной корректировки выявленных нарушений технологического процесса, выявления трендов, установления точных причин возникновения брака. Источники сведений о системе изложены в стандарте ГОСТ ИСО 9001-2011 [33]. Использование информационной обратной связи способно повысить качество изготовления деталей за счет своевременного обнаружения брака (это позволяет либо провести повторную обработку размера, если выявленный брак является исправимым, либо прервать техпроцесс обработки детали при неисправимом браке – благодаря этому деталь не будет проходить дальнейшие стадии обработки). От того, как реализована информационная обратная связь, зависит весь ход технологического процесса.
Для задачи анализа структур передачи данных в ИИС распределенных контрольных измерений с информационной обратной связью важное значение принимают следующие понятия: сервисный запрос - служебный сигнал одного из узлов структуры передачи данных о необходимости считать, обработать информацию, произвести настройку, поверку, внести коррективы в программу выполнения операций и т.д.; очередь выполнения - это порядок обработки сигналов, поступающих в один момент времени с нескольких устройств; он может задаваться как по порядку, так и по весовым коэффициентам; приоритет - это свойство, принадлежащее тому или иному узлу, характеризующее положение его сервисного запроса в очереди выполнения по отношению к другим; сервисные запросы с высокоприоритетных узлов обрабатываются в первую очередь, даже если они поступили позже запросов с более низким приоритетом. В ИИС распределенных контрольных измерений с информационной обратной связью теоретически возможно большое количество узлов, формирующих сервисные запросы, потому данному понятию отводится большое значение.
Радиальная структура более гибкая, в ней вводится центральный узел управления (контроллер), посредством которого осуществляется передача информации между функциональными элементами, которые соединены с контроллером посредством индивидуальных шин. С помощью контроллера, в роли которого может быть ЭВМ, осуществляется изменение качественного и количественного состава взаимодействующих функциональных элементов, настройка режима их работы. Благодаря этому появляется возможность подстраивать функции ИИС под конкретные производственные нужды, что сильно расширяет область применения. При этом связь между элементами и контроллером может осуществляться по инициативе обеих сторон, таким образом, появляется возможность формирования запросов на обслуживание со стороны функциональных элементов. Контроллер единовременно способен обрабатывать сигнал лишь с одного элемента, если сигналов очереди несколько, то для них устанавливаются приоритеты, что позволяет качественно разделять функциональные элементы между собой. Радиальная структура позволяет добиваться достаточно простой адресации и быструю идентификацию того или иного устройства, с которого или на который поступает сигнал. Однако с ростом количества функциональных элементов ИИС значительно повышается сложность контроллера, что может вызвать технические затруднения. К тому же большое значение имеет длина линий связи, которая вырастает с каждым подключенным устройством (рис. 8).
Реализация интерфейсов передачи данных для ИИС распределенных контрольных измерений
Выбор используемого протокола передачи данных от средств измерения с цифровым интерфейсом к рабочей станции во многом зависит от количества средств измерения, одновременно подключенных к рабочей станции, от внешних условий (электромагнитные наводки, планировка цехового помещения), удаленности СИ от рабочей станции, объема передаваемых измерительных данных и требуемой скорости. В целом, передача данных от СИ к рабочей станции может быть организована двумя способами – проводным и беспроводным. Преимуществом беспроводного способа является отсутствие необходимости проведения коммуникаций, высокая степень удобства, однако не всегда есть возможность организации беспроводной связи в условиях машиностроительного производства, так как от большого количества работающего оборудования, в т.ч. станков, неизбежно возникают электромагнитные наводки, которые могут внести сильные искажения в передаваемый беспроводной сигнал, что приведет к потере измерительной информации. Кроме того, рабочая станция может находиться в относительном удалении от места проведения измерений, что может влиять на скорость передачи данных и качество связи. Протоколы передачи данных разнятся в зависимости от конкретного производителя средства измерения – от IrDA (ныне устаревшие), Bluetooth, Wi-Fi, Wireless USB до протоколов стандарта IEE 802.15.4, таких как ZigBee, Wireless HART и MiWi. В частности, средства измерения с цифровым интерфейсом фирмы Mitutoyo используют беспроводную систему связи U-Wave, которая имеет рабочее расстояние до 20 метров, поддерживает запрос данных с ПК, имеет емкость батареи на 400000 результатов измерений, а самое главное – поддерживает легкий экспорт данных в Microsoft Excel.
Проводной способ передачи данных характеризуется возможностью обеспечения защищенности передаваемой измерительной информации благодаря внешним защитным слоям кабеля, что может быть крайне важно в условиях машиностроительного производства, однако сам факт наличия кабеля как средства передачи данных влечет за собой проблемы, связанные с разводкой коммуникаций и связанные с этим проблемы, а также вероятность физического повреждения кабеля, что приведет к потере данных. Однако за счет простоты и распространенности проводные методы передачи измерительной информации можно считать основными в ИИС
распределенных измерений.
На производстве в условиях сильных электромагнитных наводок требования к помехозащищенности линий связи достаточно высоки. Таким образом, внедрение беспроводного интерфейса на основе Wi-Fi будет сопряжено с ощутимыми трудностями и потерями информации, вследствие чего использование этой технологии не рекомендуется.
Беспроводной интерфейс Bluetooth, в свою очередь, лишен подобных недостатков, а возможность создания соединения «pointo-multipoint» идеально подойдет для передачи измерительных данных с нескольких СИ на плату сбора данных (в том случае, если объем передаваемой информации невелик, так как для Bluetooth характерна небольшая скорость передачи данных).
Проводной интерфейс USB в совокупности с USB-концентратором -это наиболее скоростной и распространенный способ соединения нескольких измерительных приборов с платой сбора данных при условии, что расстояния для передачи информации невелики, так как с увеличением расстояния значительно падает уровень сигнала, и он более подвержен воздействию помех. Для решения этой проблемы рекомендуется использовать интерфейс RS-232C, имеющий широкое распространение и лишенный многих недостатков USB, несмотря на некоторое устаревание.
С точки зрения создания сети между рабочими местами и сервером более целесообразно использование протокола Ethernet, обеспечивающего высокую скорость передачи данных и достаточную помехозащищенность вкупе с возможностью соединения рабочих машин на большом расстоянии. С дальнейшим развитием интерфейса Thunderbolt станет возможно его повсеместное внедрение и решение проблемы коммутации в ИИС распределенных измерений.
Вывод. Для решения поставленных задач наиболее целесообразно использовать интерфейс USB для соединения средств измерения с рабочими местами посредством концентратора; Ethernet для соединения рабочих мест с центральным контроллером и образования производственной локальной сети. При наличии технической возможности RS-232C следует использовать для передачи управляющих воздействий и корректировок на средства измерения непосредственно с рабочих мест.
В виду того, что второй уровень иерархии структуры передачи данных ИИС представляет собой по сути компьютерную локальную сеть, возникает необходимость в выборе ее топологии с учетом специфики решаемых задач.
Следует прежде всего упомянуть о методах обмена информацией между частями ИИС – это особенно важно в виду того, что при распределенных во времени и пространстве измерениях структура передачи измерительной информации ограничена следующими условиями: [79] 1) в ходе технологического процесса один и тот же элемент ИИС может быть задействован неоднократно как во времени, так и в пространстве – сеть должна это учитывать; 2) время обработки сигнала с каждого элемента ИИС, равно как и время ответной реакции, должны быть как можно меньше – то есть сеть должна обладать высокой производительностью; 3) любые конфликты в сети должны быть полностью исключены; 4) приоритет всех элементов ИИС должен быть одинаков; 5) информация, поступающая на каждый элемент ИИС, не должна быть избыточной во избежание сбоев (например, один элемент ИИС не должен получать управляющие воздействия, предназначены для другого элемента); 6) поиск неисправностей и обрывов в сети должен быть максимально упрощен; при этом неисправность отдельных элементов ИИС не должна влиять на работу всей системы в целом; простота в обслуживании.
Этим условиям полностью удовлетворяет топология «звезда», когда отдельные рабочие станции (физически находящиеся возле каждого рабочего места – станка машиностроительного производства – и соединенные с набором СИ посредством цифрового интерфейса) присоединены к центральному узлу (в роли которого может выступать сервер или коммутатор) [78, 64]. Эта топология широко известна и весьма распространена благодаря простоте и удобству создания и обслуживания. В качестве недостатка следует упомянуть относительно большее количество кабеля, требуемого для прокладки такой сети (по сравнению с сетями на основе топологий «кольцо» или «шина»), а также зависимость работоспособности всей сети от работоспособности центрального узла. В виду наличия большого количества резервных систем последняя проблема отходит на второй план.
Разработка функций ИИС распределенных контрольных измерений по статистической обработке измерительных и организационных данных, полученных при выполнении технологического процесса
На рисунке 20 представлена схема второго уровня иерархии передачи данных в ИИС распределенных контрольных измерений с информационной обратной связью. Этот уровень построен по магистральному принципу – к центральному контроллеру (серверу) посредством магистрали (локальной вычислительной сети) подключены рабочие места (РМ). Каждое рабочее место представляет собой совокупность контроллера и средств измерений, то есть первый уровень иерархии передачи данных. Первично обработанные измерительные данные с каждого рабочего места посредством локальной сети передаются на центральный контроллер, представляющий собой сервер. Сервер обеспечивает хранение, обработку информации, содержит таблицы с допусками, поправками и т.д., а также формирует управляющие воздействия и заключение о годности/негодности каждого измеренного значения в соответствии с табличными значениями. С целью предотвращения возможной потери данных возможно введение резервных и дублирующих систем, что является оправданным, так как структура ИИС распределенных контрольных измерений с информационной обратной связью является структурой централизованного типа. Благодаря этому система сохраняет свою работоспособность даже при выходе из строя отдельных рабочих мест по тем или иным причинам.
Результаты. Рассмотрена структура передачи данных в ИИС РКИ с информационной обратной связью. Установлено, что для реализации такой ИИС подходит двухуровневая иерархическая структура, где первый уровень иерархии представляет собой магистрально-радиальную структуру передачи данных, а второй уровень иерархии – магистральную структуру. Первый уровень иерархии – связь между СИ и рабочим местом посредством концентратора, второй уровень иерархии – связь между рабочими местами и центральным контроллером (сервер).
На основании изложенного материала и с учетом разработанной в параграфе 3.1 структуры передачи информации в ИИС распределенных контрольных измерений с информационной обратной связью, проблема реализации интерфейса передачи данных разделяется на четыре части: 1) реализация интерфейса передачи данных от СИ к концентратору; 2) реализация интерфейса передачи управляющих воздействий от контроллера к СИ (при наличии возможности); 3) реализация интерфейса передачи данных по магистрали первого уровня иерархии (от концентратора к контроллеру); 4) реализация интерфейса передачи данных по магистрали второго уровня иерархии (от сервера к рабочим местам и обратно). Реализация интерфейса передачи данных от СИ к концентратору определяется техническими возможностями СИ и реализованной в них поддержкой тех или иных интерфейсов. В частности, продукция фирм Mahr, Sylvac, Mitutoyo поддерживает следующие интерфейсы вывода данных: Digimatic, OPTO RS-232С, USB, беспроводная передача данных. С учетом выработанных в параграфе 2.8 рекомендаций, в ИИС распределенных контрольных измерений целесообразно использование интерфейса USB для соединения СИ с концентратором, так как именно этот интерфейс в настоящее время наиболее широко используется, имеет хорошие характеристики соотношения «скорость передачи данных/надежность/возможная длина линий связи/цена», имеет хорошо проработанный стандарт. Кроме того, подключение по USB открывает возможность питания электроэнергией СИ, что гарантирует их работоспособность даже при низком заряде батарей. Реализация интерфейса передачи управляющих воздействий от контроллера к СИ также зависит от СИ. Например, в цифровой измерительной головке ABSOLUTE Digimatic ID-H фирмы Mitutoyo канал управления реализован через RS-232C. Так как интерфейс RS232C разработан давно, имеет широкое распространение, позволяет организовывать протяженные линии связи (что особенно важно с учетом выбранной структуры передачи данных первого уровня иерархии в параграфе 3.1) и обеспечивает высокую степень защиты передаваемых данных (имеющий большой значение показатель для управляющих каналов связи), а также с учетом относительной немногочисленности СИ, поддерживающих отдельные каналы управления, этот интерфейс является оптимальным вариантом для рассматриваемой задачи.
Реализация интерфейса передачи данных по магистрали первого уровня иерархии (от концентратора к контроллеру) является продолжением задачи выбора интерфейса передачи данных от СИ к концентратору. То есть, для USB-входов концентратора наиболее уместно реализовать и USB-выход с него, с целью сохранения максимальной целостности данных и минимизации промежуточных обработок измерительного сигнала. Более того, благодаря использованию USB-интерфейса возможна реализация нескольких уровней концентраторов, что значительно увеличивает максимальное количество подключаемых устройств. К тому же USB концентраторы на данный момент имеют очень широкое распространение.
Наконец, реализация интерфейса передачи данных по магистрали второго уровня иерархии (от рабочих мест к центральному контроллеру-серверу) является задачей организации локальной сети. В настоящее время самым распространенным протоколом для этой цели является протокол Ethernet стандарта IEEE группы 802.3. В качестве среды передачи сигнала целесообразно использование оптоволоконных линий, обеспечивающих высокую скорость передачи данных. Реализация второго уровня иерархии передачи данных в ИИС распределенных контрольных измерений с информационной обратной связью в виде локальной сети вида «клиент-сервер» с дублирующими системами и резервным копированием данных позволяет свести к минимуму риски потери данных, а за счет централизованной структуры обработки и управления исключается возможность рассинхронизации информации на рабочих местах и центральном контроллере. Для обеспечения работы локальной сети и обслуживания сервера и рабочих мест необходим системный администратор.
