Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ И ПОСТАНОВКА ВОПРОСА СИНТЕЗА ИИС КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ КОНВЕЙЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ. 10
1.1. Классификация ШС. ИИС контроля и диагностики конвейерного оборудования . 10
1.2.Параметры для оценки состояния конвейерного оборудования. Выбор модели измерения и критерия адекватности.
1.3.Выбор и исследование модели состояния объекта контроля. Общий алгоритм функционирования
1.4. Выводы. 38
2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СИНТЕЗА КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ КОНВЕЙЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ. 40
2.1 . Этапы синтеза ШС контроля и диагностики конвейерного оборудования на базе микро-ЭВМ. 40
2.2. Разработка метода оценки геометрических параметров движущихся объектов. 50
2.3. Организация системы отсчета для измерения геометрических параметров движущихся объектов. 61
2.4. Разработка и исследование принципов построения первичных преобразователей систем измерения движущихся объектов.
2.5.Выводы. 78
3. АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ИИС-КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ КОНВЕЙЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.
3.1. Обобщенная модель ИИС. Исследование вопросов по оптимизации системы.
3.2. Вывод аналитического выражения условия ста- Q2 ционарности ИИС на основе использования теории массового обслуживания.
3.3. Анализ- точности ИИС. 89
3.4.Разработка метода повышения точности измерения на основе апроксимации функции скорости движения 102 объекта измерения.
3.5.Метод корректировки обобщенных результатов измерения как результат решения задачи блуждания ресурса по одномерной целочисленной области.
3.6.Аналитическое прогнозирование технического состояния конвейерного оборудования. Разработка номограммы моделей состояния объекта контроля и диагностики.
3.7.Выводы. 122
4.РАЗРАБОТКА И ЭКШЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ШС КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ КОНВЕЙЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.
4.1. Основные принципы построения ШС. 126
4.2.Методы экспериментальных исследований и оценка точности ИИС. 129
4.3.Аппаратная реализация отдельных функциональных блоков ШС.
4.4.Разработка программ моделирования состояния конвейерного оборудования. 153
Правило пользования номограммами моделей состояния конвейерного оборудования.
4.5.Результаты практического использования ИИС контроля и диагностики конвейерного оборудования. 156
4.6.Выводы. 156
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 160
ЛИТЕРАТУРА 165
ПРИЛОЖЕНИЕ 176
- Классификация ШС. ИИС контроля и диагностики конвейерного оборудования
- Этапы синтеза ШС контроля и диагностики конвейерного оборудования на базе микро-ЭВМ.
- Обобщенная модель ИИС. Исследование вопросов по оптимизации системы.
- Основные принципы построения ШС.
Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях современного производства проблема поддержания высокого уровня надежности работы технологического оборудования непосредственным образом связана с задачей дальнейшего роста эффективности и качества народного хозяйства [i] . Сегодня массово-поточное производство характеризуется наличием большого количества транспортной техники, среди которой ведущее место занимают грузонесущие конвейеры ( ГК ). Непосредственная связь процесса производства с работой грузонесущих конвейеров предъявляет весьма высокие требования по надежности к элементам тяговых цепей. Аварии из-за отказов элементов ( узлов соединения ) тяговых цепей приводят к длительным остановам технологических линий,что сказывается на ритме производства и приносит предприятию значительные убытки.
Однако, до настоящего времени контроль состояния ГК не автоматизирован, проводится вручную с помощью шаблонов на работающем конвейере. Как показывает опыт эксплуатации ГК на Волжском автомобильном заводе (г.Тольятти),такой контроль допускает ошибки I и П рода и не позволяет эксплуатировать его до полной выработки моторесурса,так как, согласно существующей технологии, предусмотрена полная замена тяговой цепи при появлении предельно изношенных узлов соединения,более 30$. от всей длины цепи . Кроме того, работа, связанная с проведением контроля, очень трудоемка и не отвечает требованиям техники безопасности.
Таким образом, проблема надежной эксплуатации ГК, зависящей от достоверности метода контроля,его производительности, безопасности проведения и возможности прогнозирования состояния объекта, приводит к необходимости оснащения ремонтных работ средствами автоматического контроля, построенными на базе средств вычислительной техники. Это, в свою очередь, требует всестороннего . изучения закономерностей протекания технологических процессов обслуживания ПС, характеризуемых сложностью взаимодействия ГК со средой, своеобразием и природой возмущающих факторов, отсутствием математических моделей состояния ПС, что является причиной существующего уровня контроля.
Таким образом,отсутствие математического описания объектов и процесса взаимодействия с ними требуют создания ИИС контроля и диагностики конвейерного оборудования (ИИС КО) с целью оперативного получения объективной и достоверной информации о техническом состоянии ПС непосредственно в процессе его работы, а так же диагностики для проведения ремонтных работ и построения прогноза при решении задач планирования.
Эти условия позволяют сформулировать необходимые требот вания
1. К методам измерения и контроля: универсальность,возможность измерения параметров объекта в процессе его движения по заданной траектории; возможность оценки и диагностики элементов ПС в темпе движения объекта; отсутствие механического контакта с контролируемым объектом; дифференциальный подход, общая оценка состояния ПС строится на базе оценок состояния каждого отдельно взятого элемента ; возможность оценки объектов с различными геометрическими параметрами.
2. К структуре ИИС КО: простота организации; возможность использования класса средств вычислительной техники.
Частично,из существующих методов,поставленным требованиям отвечает метод триангуляции ввиду таких преимуществ: получение математической модели в удобном аналитическом виде, позволяющей максимально формализовать операции обработки и принятия решений; возможности получения моделей оценок параметров с различными геометрическими образами. Но в настоящее время возмож-ности метода триангуляции в машиностроении распространяются на статичные объекты, и поэтому разработка метода и алгоритмов оценки геометрических параметров движущихся объектов, с учетом современного состояния технических средств информационной и вычислительной техники,и создание на их основе как аппаратных,так и программных средств для рещения задач, в реальном масштабе времени, является актуальной проблемой.
Разработанные в диссертации методы измерения и контроля позволили решить ряд задач контроля и диагностики ІК и при этом исключить ручной контроль, повысить достоверность контроля,вести контроль и диагностику в реальном масштабе времени,получать нужную информацию о техническом состоянии ГК в момент контроля и строить прогноз по его результатам и тем самым-целенаправлен-но влиять на процесс эксплуатации парка ПС. За счет этого годовой экономический эффект от внедрения ЙИС КО на Волжском автомобильном заводе составил 120,1 тыс.рублей.
Постановка^задачи. Целью диссертационной работы является развитие известных,а также разработка и исследование новых методов оценки геометрических параметров динамичных объектов с заданной траекторией движения и создание ИИС на их основе, характеризующейся высоким быстродействием, точностью, универсальностью и простой организацией.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: проведение сравнительного анализа существующих структур информационно-измерительных систем контроля и диагностики для определения архетипа систем; определение математической модели технического состояния объекта контроля и её исследование с целью построения прогноза; разработка метода оценки геометрических параметров динамичных объектов с заданной траекторией движения с целью и на его основе определение математической модели процесса измерения в системе; разработка методов анализа и оценок точностных характеристик системы в целом; разработка метода коррекции результата частного измерения за счет существующей избыточности информации; разработка метода коррекции обобщенных результатов на основе экспериментального определения метрологических свойств системы; исследование и разработка условия стационарности для систем контроля и диагностики динамичных объектов; исследования принципов построения и вариантов реализаций структур ИИС для выбранного класса объектов; разработка ИИС,реализующей и подтверждающей основные положения работы.
Надчная_новизна. I. Обоснована необходимость исследования вопросов классификации с целью определения архетипа системы. Разработан вариант таксонометрической структуры классификации,по которой определен архетип ИИС конвейерного оборудования.
2. Теоретически показана возможность оценки геометрических параметров динамичных объектов с заданной траекторией движения и разработано, защищенное решением о выдаче авторского свидетельства, устройство контроля ресурса цепи для оценки технического состояния цепи при работающем конвейере.
3.Разработаны методы анализа точностных характеристик специализированной ИИС. Получено выражение корректировки частного измерения.
4.Решена задача корректировки обобщенных данных на основе статистического подхода непосредственно в процессе измерения.
5.Показана необходимость и предложен подход к исследованию стационарности режима работы системы в реальном масштабе времени.
6.Разработана методика прогнозирования состояния объекта.
7.Предложены алгоритмы аппаратного и программного синтеза компонентов ИИС на основе разработанного подхода к оценке геометрических параметров динамичных объектов.
Основные положения, выносимые..на защиту.
I.Качество любой информационно-измерительной системы может быть выражено с помощью архетипа, формализованного согласно разработанной в диссертации таксонометрической классификации ИИС.
2.Сформулированные и доказанные принципы организации системы отсчета для ИИС конвейерного оборудования необходимы и достаточны для осуществления процесса измерения с целью получения оценок геометрических параметров динамичных объектов с заданной траекторией движения.
3.Нормирование метрологических характеристик и оценку точности результатов измерения ИИС КО целесообразно и возможно проводить непосредственно в процессе измерения на основании статистического подхода.
4.Методы анализа метрологических характеристик системы, разработанные в диссертации, позволяют решать как прямую задачу анализа показателей точности измерения системы,так и обратную задачу выбора параметров системы,обеспечивающих требуемую точность измерения.
5.Организация ИИС КО требует проверки на условие стационарности. Выведенное в диссертации условие стационарности ИИС КО непосредственным образом связано с процессом выбора параметров системы.
6.Моде ль прогнозирования состояния объекта контроля, исследованная в диссертации, определяет алгоритм обработки и представления результатов измерения.
Классификация ШС. ИИС контроля и диагностики конвейерного оборудования
Информационная техника,быстро развивающаяся в последние годы,является разделом технической кибернетики и занимается изучением вопросов,связанных со сбором,накапливанием,хране-нием,поиском, передачей через каналы связи, преобразованием и обработкой по определенным законам информации, материальным носителем которой являются сигналы 8] . Важнейшим разделом информационной техники является информационно-измерительная техника ( ИИТ ), занимающаяся вопросами получения опытным путем количественно определенной информации о разнообразных объектах материального мира [92] . Техническими средствами ИИТ являются информационно-измерительные системы (ИИС).
Целесообразность рассмотрения тех или иных вопросов, связанных с исследованием создаваемых ИИС,зависит во многом от сущности (архетипа) системы. Познанию сущности системы во многом способствует систематизация существующих знаний по представлению ИИС в виде классификации. Естественно, такая систематизация должна давать целостное представление,а так как целостность любой системы определяется присущей ей структурой,то,естественно, первое назначение классификации-дать представление в виде структуры частей, компонентов. К тому же,классификация должна быть естественной,т.е. долдна определяться общей сущностью всего класса рассматриваемых систем,и потому,при построении новых вариантов классификаций, они должны выделять сущностные стороны. Выбрать лучшую из существующих классификаций-это значит выяснить её эффективность. Известно,что эффективность классификации определяется, прежде всего, простотой описания класса систем (внешняя система), которая позволяет достаточно просто найти место для вновь создаваемой системы (внутренняя система) в строю известных систем и через отношение к внешней системе перейти к её экспликации ( уточнению ). Процесс экспликации внутренней системы позволяет выявить структуру и произвести её членение, а исследование структуры членения позволяет обнаружить существенные свойства системы и привести к выбору её естественных членений и глубины.
Этапы синтеза ШС контроля и диагностики конвейерного оборудования на базе микро-ЭВМ
Современное состояние технической базы ИИС порождает ряд новых концепций в построении систем контроля и диагностики, в частности,одна из них связана с синтезом систем, ядром которых является микро-ЭШ. Изложению вопросов, связанных с задачей синтеза ИИС на базе микро-ЭШ, мы предпошлем краткое рассмотрение причин столь широкого использования микро-ЭШ (МЭ). Как отмечено в работах [з,41,53,55,68,82,103].интенсивность использования МЭ в измерительной технике объясняется прежде всего рядом новых качеств,вносимых ею в решение измерительных задач.
Что же дает качественно нового система микро-ЭВМ?
Анализ первого опыта использования средств микропроцессорной техники для решения задач измерения,контро ля и диагностики показывает,что сегодня проявили себя твкие качества как:
- автоматическая самодиагностика ИИС;
- автоматическая калибровка и коррекция погрешности;
- шинная организация структуры ИИС;
- реализация функций обработки и управления с помощью микро-ЭШ;
- вычисление дополнительных параметров по первичной измерительной информации;
- удобство в представлении результатов измерения,обработки и диагностики.
Это стало возможным, благодаря противопоставлению аппаратным средствам ИИС программного обеспечения микро-ЭШ. Суть этого противопоставления (дуализма) 4]] сводится к следующему.
Любой процесс, реализуемый программным путем, может быть преобразован в эквивалентный процесс, реализуемый аппаратными средствами". Так как связь аппаратных средств и программного обеспечения очевидна,то всегда должны существовать программное управление аппаратными средствами и аппаратура, при помощи которой реализуются программные алгоритмы. В связи с этим следует указать на такую особенность приведенного дуализма,а именно-степень влияния изменения алгоритма работы,не оговаривая причину изменения на средства ИИС. Нетрудно показать,что программная реализация алгоритма позволяет вносить значительные изменения, в то время.как возможность изменения существующего аппаратного представления алгоритма практически отсутствует.
Обобщенная модель ИИС. Исследование вопросов по оптимизации системы
Функция автоматического управления состоит в идентификации объектов, находящихся в аварийном состоянии,и,таким образом,может принимать два значения: - "Г - воздействие на объект контроля; - "О" - отсутствие воздействия.
Поскольку автоматическое управление качественным состоянием конвейерного оборудования осуществляется во времени, то объектом измерения в момент і оказываются некоторые параметры случайного процесса,где время и период измерения варьируют в зависимости от характеристик движущегося объекта. При этом точность измерений значений статистических характеристик и время, затрачиваемое на обработку, в конечном итоге,определяют качество управления. Поэтому в главу угла рассмотрения вопросов оптимальности поставим требования точности по формуле 1.20 и требование по интенсивности обработки информации,поступающей от объекта.
Согласно существующей литературы [l7,39,47,69,87,9lj,noc-вященной вопросам эффективности сиетем,оптимальность может быть оценена с помощью обобщенных и частных критериев в количественном или в качественном виде [90 46] В количественном виде оптимальность есть величина потенциально ограниченная [87J .
Основные принципы построения ШС
Практика разработки и эксплуатации информационно-измерительных систем конвейерного оборудования,а именно: передвижной диагностический комплекс [74] .система контроля цепей "Электроника СКЦ " [42,57] , система контроля приводных станций [42] показала целесообразность использования в качестве основных следующие принципы:
1.Использование одноплатных микро-ЭВМ в качестве ядра ИИС КО.
2.Блочность структуры ИИС.
3.Введение элементов функциональной диагностики блоков ИИС.
4.Максимальное использование ресурсов ЭВМ.
5.Использование микро-ЭВМ одного семейства.
6.Модульность программного обеспечения ИИС КО.
Как показано в работе [42], реализация принципов построения ИИС производится в три этапа.
Первый этап - этап " проигрывания" системы в составе отладочного комплекса. Передвижной отладочный комплекс включает: многоплатную микро-ЭВМ"Электроника С5-02", телетайп,дисплей и источники питания. Это позволяет эффективно и достаточно быстро в условиях непосредственной связи с объектом контроля решить ряд важных задач:
- проверить правильность математической модели объекта и на основе этого - принципы контроля и его достоверность;
- разработать и уточнить алгоритм функционирования ИИС для различных режимов её работы;
- выбрать структуру системы и определить состав аппаратных средств;
- определить ряд параметров проектируемой системы(объем необходимой памяти для реализации алгоритма функционирования ИИС, быстродействие микро-ЭВМ);
- проверить правильность разработок нестандартных технических средств ИИС;
- разработать программное обеспечение системы: программы обработки результатов измерения контролируемых параметров, программы управления информационными процессами внутри системы, программы статистической обработки, программы вывода информации. При этом обращается внимание на минимизацию объема и времени выполнения программ;
- провести комплексную отладку проектируемой системы, например, по методике [бб] , на реальном объекте в составе передвижного диагностического комплекса. Особое внимание необходимо обратить на работу с измерительной частью (датчиком)в условиях промышленных помех и принять меры по борьбе с ними.
Второй этап - этап замены многоплатной модели микро-ЭВМ одноплатной микро-ЭВМ и памятью (ПИЗУ или ПЗУ). На этом этапе необходимо решить вопрос выбора конкретной микро-ЭВМ,наличия необходимых органов управления, количество знако-разрядов для организации цифрового дисплея, принципы кодирования выводимой информации на цифровой дисплей.
