Автоматизированное проектирование и обеспечение качества продукции прядильного производства с использованием средств оперативного мониторинга

На пути повышения качества отечественной текстильной продукции традиционно возникают два ключевых препятствия: использование морально и физически устаревшего технологического оборудования [1] и нехватка у предприятий собственных средств на развитие производства [2]. Многие руководители текстильных предприятий считают, что без решения этих вопросов продвижение вперед невозможно в принципе, однако уже в текущей деятельности имеется ряд возможностей для внедрения инновационных решений в основные процессы проектирования и производства, которые не потребуют масштабных капитальных вложений.

Выбор объекта исследования связан с тем, что процессы прядильного производства и характеристики получаемой пряжи оказывают определяющее влияние на технологичность последующих производственных этапов и на качество текстильных материалов и изделий. Существенной проблемой в обеспечении заданного уровня качества пряжи является то, что сырьевой поток на протяжении производственного цикла кардинально трансформируется в результате последовательного воздействия технологического оборудования, приобретая новые формы и определенные свойства. При этом характеристики свойств продукции на соответствующих этапах прядильного производства имеют высокий уровень вариации и одновременно подвержены влиянию многих факторов.

В настоящее время система управления качеством продукции прядильного производства основана на отраслевых стандартах, регламентирующих требования к отдельным показателям качества конечного продукта — пряжи. К недостаткам данной практики следует отнести отсутствие научно обоснованного подхода к установлению требуемых уровней показателей качества промежуточных полуфабрикатов и пряжи, которые бы учитывали технические возможности процессов, осуществляемых на конкретных предприятиях. Наличие таких внутренних нормативов и средств мониторинга их достижения позволило бы уже на ранних стадиях производственного процесса обеспечить уверенность не только в выполнении требований стандартов, но и в выполнении специфических требований потребителя. Предлагаемые в настоящей диссертационной работе организационно-технические решения основываются на принципе постоянного улучшения [3] и в значительной степени отличаются от сложившейся практики проектирования и технического контроля качества продуктов прядильного производства.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы связана с тем, что привлекательность любой организации для потребителей определяется характеристиками ее продукции, уровень которых соответствует установленным требованиям и превосходит уровень аналогичной продукции конкурентов. При этом качество продукции и ее потребительские свойства играют ключевую роль в достижении успеха.

Выстраивая свою сеть процессов, организации пытаются понять требования клиентов, а затем максимально точно и полно их удовлетворить. Зачастую, в организациях различного профиля роль проектирования остается второстепенной, хотя именно данный процесс позволяет преобразовать применимые обязательные требования и пожелания потребителей в конкретные характеристики качества готовой продукции и полуфабрикатов, которые были бы понятны исполнителям работ, контролерам и менеджерам. Особенно остро проблема проектирования стоит в тех отраслях, где продукция на протяжении производственного цикла представляет собой непрерывный поток с изменяющимися свойствами. Наглядным примером является текстильная промышленность и, в частности, прядильное производство. В нем сырьевой поток многократно. трансформируется в результате последовательного воздействия технологического оборудования на соответствующих переходах, приобретая новые формы (кипа, смесь, настил, лента, ровница, пряжа) и определенные свойства (равномерность, чистоту, прочность и др.). При этом свойства продукции или полуфабрикатов, получаемых на каждом переходе, одновременно зависят как от исходных свойств сырья, так и от результатов реализации' предыдущих технологических переходов.

Несмотря на накопленный опыт в научно-обоснованном проектировании свойств пряжи, данное направление характеризуется рядом недостатков. В частности, при проектировании не учитываются требования к качеству пряжи, состоящие в обеспечении необходимой равномерности по толщине, равномерности по прочности и чистоте (отсутствии пороков). Эти свойства не проектируются на практике именно в связи с отсутствием каких-либо научных рекомендаций. Применение известных эмпирических зависимостей в большей степени относится к функции прогнозирования разрывной нагрузки. В то же время процесс проектирования по своей сущности должен иметь другие входные и выходные данные. Входными данными проектирования должны стать минимальные требования к показателям качества пряжи, установленные в стандартах или иные требования к ее свойствам, предъявляемые со стороны потребителей. Выходными же данными проектирования должна быть оптимальная рецептура смеси волокон с учетом наличного волокна и интервальные оценки допустимых значений ключевых показателей качества полуфабрикатов.

Принимая во внимание сказанное выше, разработку новой концепции процесса автоматизированного проектирования требуемого уровня качества продукции в потоковых технологических системах на базе прядильного производства следует считать актуальной.

Цель работы заключается в повышении объективности и оперативности принимаемых решений, касающихся качества продукции прядильного производства, за счет применения методологии автоматизированного проектирования и средств оперативного мониторинга.

Цель работы' заключается в повышении объективности и оперативности принимаемых решений о качестве продукции в технологических процессах прядильного производства за счет применения методологии автоматизированного проектирования продукции и использования средств оперативного мониторинга.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

— проведен анализ современного состояния проблемы проектирования и оценивания качества продукции прядильного производства;

— разработаны основные теоретические положения проектирования продуктов прядильного производства с использованием рекуррентных нейронных сетей;

— разработана методология проектирования критериев приемки и установления допусков на определяющие показатели качества продуктов прядильного производства;

— созданы оптические компьютеризированные методы измерения показателей геометрических и структурных свойств текстильных волокон, учитываемых при осуществлении процесса проектирования;

— разработаны компьютеризированные методы измерения отдельных показателей структурных свойств полуфабрикатов прядильного производства и пряжи;

— сформирован алгоритм и реализовано необходимое программное обеспечение для автоматизированного проектирования сортировок и смесей волокон;

— разработаны элементы пользовательского интерфейса и средства визуализации результатов проектирования допускаемых значений определяющих показателей технологических свойств полуфабрикатов и пряжи.

Основные методы исследований. Высокая степень обоснованности научных положений обусловлена корректным применением комплекса методов теоретических и экспериментальных исследований. На этапе теоретического обоснования технических решений использованы научные методы по управлению качеством, квалиметрии, проектированию свойств продуктов прядильного производства и текстильному материаловедению. На этапе практического воплощения решений широко применялись методы математической статистики, теории вероятностей, кластерного анализа, методы цифровой обработки сигналов и изображений. Экспериментальные исследования предложенных методов мониторинга проводились с помощью оригинальных прикладных программ, созданных на базе системы матричных вычислений МАТЪАВ. Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечивается использованием стандартных методов статистической обработки прямых измерений с определением предельной погрешности измерений.

Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем:

1) по специальности 05.19.02:

— разработан алгоритм автоматизированного проектирования состава смесей текстильных волокон с использованием рекуррентных нейронных сетей;

— сформирована организационная модель процесса проектирования продукции прядильного производства, учитывающая современное функциональное разделение труда;

— разработан единый подход к установлению границ допустимых значений ключевых показателей качества пряжи и полуфабрикатов прядильного производства;

— установлен комплекс математических моделей, описывающих причинно-следственные связи между входными данными проектирования, характеристиками сырья и полуфабрикатов прядильного производства;

— разработаны технические средства неразрушающего контроля показателей структурных свойств полуфабрикатов прядильного производства, ' осуществляемого на работающем технологическом оборудовании;

2) по специальности 05.02.23:

— разработана принципиальная модель автоматизированного процесса проектирования качества продукции прядильного производства и показана его роль в системах обеспечения качества нештучной продукции;

— предложена концепция определения количественных критериев качества продукции в потоковых технологических системах, основанная на оценке ценности, добавленной на соответствующих технологических этапахсоздана методика проектирования допустимых значений определяющих показателей качества полуфабрикатов прядильного производства с использованием методов кластерного анализа и теории статистического регулирования;

— разработаны стандартные образцы и объективные способы поверки методов измерения. показателей геометрических и структурных свойств волокон, обеспечивающие применение данных методов в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений.

Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты позволяют пользователям в автоматизированном режиме реализовать весь комплекс задач проектирования продукции прядильного производства: от установления оптимальной рецептуры смеси волокон до установления проектных нормативов (допустимых границ) определяющих показателей качества промежуточных полуфабрикатов и пряжи. Для информационной поддержки. автоматизированного проектирования создано необходимое программное обеспечение, способное накапливать, анализировать и использовать оперативную информацию о качестве сырьевого потока на различных этапах производственного цикла. Кроме того в результате исследований создана инструментальная база методов измерений показателей геометрических и структурных свойств сырья, полуфабрикатов прядильного производства и пряжи.

Научные результаты использованы при создании системы автоматизированного проектирования продуктов прядильного производства в рамках программы «СТАРТ», финансируемой Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по теме «Разработка методологии автоматизированного проектирования смесей волокон на основе рекуррентных нейронных сетей с использованием данных мониторинга технологических процессов». Практическое внедрение результатов работы осуществлялось в условиях прядильного производства Фурмановской ПТФ № 3 ОАО «ХБК «Шуйские ситцы» (Ивановская обл.). Часть результатов исследования внедрена в учебный процесс ИГТА в виде измерительных стендов для выполнения научно-исследовательских и лабораторных работ аспирантами и студентами. Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и получили положительную оценку: на международных научно-технических конференциях «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2001, 2002, 2004.2008, 2010), ИГТА, Иваново, 2001.2010 гг.- на всероссийских научно-технических конференциях «Проблемы льноперерабатывающего комплекса России», «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях», «Современные наукоёмкие инновационные технологии развития промышленности региона» (Лен-2000.2010), КГТУ, Кострома, 2000.2010 г.- на международной научно-технической конференции «Перспективы использования компьютерных технологий в текстильной и легкой промышленности» (ПИКТЕЛ-2003), ИГТА, Иваново, 2003 г.- на межвузовских научно-технических конференциях аспирантов, магистров и студентов «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2002.2008, Поиск-2010), ИГТА, Иваново, 2002; 2010 гг.- на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы создания и использования новых материалов и оценки их качества», ПАИМС, Москва, 2002 г.- на межрегиональной научно-практической конференции «Региональные производители: их место на современном рынке товаров и услуг», КГТЭИ, Красноярск, 2003 г.- на всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения» (Техтекстиль-2005), ДИТУД, Димитровград, 2005 г.- на VIII, IX и X Всероссийских конференциях-семинарах «Проектирование, контроль и управление качеством продукции и образовательных услуг», СамГТУ, Сызрань, 2005 г., ТГУ, Тольятти, 2006, 2007 гг.- на XI Международной научно-практической конференции «Наука», МГУС, Москва, 2006 г.- на международной научно-практической конференции «Менеджмент качества продукции и услуг», БГТУ, Брянск,. 2007, 2010 гг.- на межрегиональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы потребительского рынка товаров и услуг», ГОУ ВПО «Кировская государственная медицинская академия»,

Киров, 2009 г.- на заселении кафедры «Экономика и управление качеством» Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

Разработанные научно-технические продукты, в т. ч. лабораторный измерительный комплекс «МиниЛАБ-1» демонстрировались на выставках: Ивановский инновационный салон <<�ИННОВАЦИИ-2004>> (г. Иваново, 15−17 декабря 2004 г.) — Ивановский инновационный салон <<�ИННОВАЦИИ-2005″ (г. Иваново, 14−16 декабря 2005 г.) — Ивановский инновационный салон «Инновации — 2006» (г. Иваново, 6−7 декабря 2006 г.) — Ивановский инновационный салон «ИННОВАЦИИ-2007» (г. Иваново, 12−14 декабря 2007 г.) — II Всероссийский молодежный инновационный конвент (С.-Петербург, 910 декабря 2009 г.) — IV Петербургский партнериат «Санкт-Петербургрегионы России и зарубежья. Межрегиональное и международное сотрудничество малого и среднего бизнеса» (г. С.-Петербург, 10−12 марта 2010 г.) — Ивановский инновационный салон «ИННОВАЦИИ-2010» (г. Иваново, 30 сентября-01 октября 2010 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 80 печатных работ. Из них одна монография, одна статья в журнале «Стандарты и качество», 23 статьи в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», одна статья в журнале «Текстильная промышленность» (журналы, входящие в перечень ВАК), две статьи в журнале «Методы менеджмента качества», четыре статьи в журнале «Вестник ИГТА», семь статей в сборниках материалов семинаров и конференций различного уровня, четыре патента РФ на изобретение, один патент РФ на полезную модель, три свидетельства ФИПС об официальной регистрации программы для ЭВМ, одно свидетельство ОФАП о регистрации разработки, остальные публикации — тезисы конференций различного уровня.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и пяти приложений. Работа изложена на 464 страницах машинописного текста, включает 137 рисунков, 115 таблиц. Библиографический список состоит из 253 наименований. Приложения составляют 56 страниц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе предложена новая концепция проектирования продукции прядильного производства, которая учитывает оперативную информацию, получаемую в ходе технического контроля. Эффективность процесса проектирования обеспечивается разработкой компьютерных средств мониторинга качества волокнистого сырья, промежуточных полуфабрикатов и пряжи, обладающих более высокой производительностью и информативностью. С учетом поставленной цели диссертационной работы по повышению объективности и оперативности принимаемых решений о качестве продукции в технологических процессах прядильного производства, получены следующие научные и практические результаты:

1) предложена принципиальная модель процесса автоматизированного проектирования качества продукции прядильного производства, позволяющая проектировать оптимальный состав перерабатываемых смесей и гибко устанавливать внутренние нормативные значения определяющих показателей качества полуфабрикатов и исходного сырья.

2) разработан алгоритм и программное обеспечение компьютерного проектирования состава рабочих смесей волокон с использованием рекуррентных нейронных сетей, учитывающий до пяти критериев оптимизации и накопленные данные о результативности технологических процессов.

3) на основе корреляционно-регрессионного анализа с использованием данных оперативного мониторинга установлены математические модели, описывающие причинно-следственные связи между входными данными проектирования, характеристиками сырья и полуфабрикатов прядильного производства.

4) с использованием методов кластерного анализа и теории статистического регулирования создана методика проектирования предельных допустимых значений ключевых технологических показателей качества пряжи и полуфабрикатов прядильного производства.

5) разработан новый метод косвенного измерения характеристик протяженности текстильных волокон, основанный на анализе цифровых изображений проб волокон нового вида, обладающий расширенными функциональными возможностями и производительностью.

6) предложен новый объективный метод инструментального определения показателей зрелости хлопковых волокон посредством компьютерной обработки цифровых изображений в поляризованном свете с использованием гибридных математических фильтров.

7) на основе метода измерения показателей протяженности волокон составлена методика определения уровня распрямленности волокон в кардной и выпускной ленте, учитывающая анизотропию по протяженности волокон в прямом и обратном направлениях движения продукта.

8) разработан экспресс-метод определения параметров засоренности кардного прочеса и технологической смеси волокон посредством распознавания образов инородных примесей на цифровом изображении поверхностного слоя.

9) разработано устройство и метод динамического измерения показателей структурных свойств пряжи на основе анализа потокового видеоизображения’движущейся нити, позволяющий существенно расширить номенклатуру измеряемых параметров при общем сокращении трудоемкости измерений.

10) разработаны средства метрологического обеспечения измерения показателей структурных свойств волокон, полуфабрикатов прядильного производства и пряжи, обеспечивающие применение получаемых результатов в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений.