Повышение эффективности функционирования тяжелых станков на основе принципа распределенного ввода-вывода и процедуры динамического отображения состояний

Актуальность работы.

Эффективное внедрение систем автоматизации в машиностроительном производстве, особенно в станкостроении, напрямую зависит от применения не только новых технологий, но и применения новых принципов информационного взаимодействия компонентов системы и реализации на их основе новых программно-аппаратных средств управления не только одним станком, но и комплексом станков, которые образуют единую распределенную систему управления.

Все это требует совершенствования как внутренней структуры управления отдельным станком, так и совершенствования средств коммуникации и информационной связи нескольких станков.

Особенно актуальным является применение этих новых средств для тяжелых станков по следующим причинам.

Значительный парк тяжелых станков до сих пор имеет устаревшие системы управления электроавтоматикой, что в значительной степени снижает надежность работы станков. При этом актуальным фактором является совершенствование механических и гидравлических узлов и внедрение новейших систем управления электроавтоматикой станков на основе программируемых логических контроллеров (ПЛК).

Кроме того, тяжелые станки реализуют ресурсоемкие и сложные технологические процессы, которые состоят из отдельных взаимосвязанных функционально законченных частей, разнесенных на значительные расстояния. Это приводит к необходимости иаличия физически длинных, громоздких линий связи, состоящих из бухт кабелей, систем коммутации, которые подвержены повреждениям и быстрому износу в цеховых условиях, что приводит к частым сбоям и неисправностям в информационных коммутирующих системах связи.

При этом примитивные средства отображения и визуализации на экранах состояний компонент станка не дают полного представления о динамике развития и реализации технологического процесса в режиме реального времени.

В этом контексте актуальной задачей является, во-первых, разработка и применение новых систем управления электроавтоматикой тяжелых станков, на основе применения новейших конфигураций программируемых логических контроллеров (ПЛК), что значительно повышает надежность работы станкаво-вторых, разработка новых методов и средств организации более эффективного процесса управления всеми взаимосвязанными агрегатами станка, например, на основе распределенного ввода —вывода и внедрения систем динамической визуализации процессов в режиме реального временив третьих, разработка общего информационного взаимодействия тяжелых станков и других компонентов производственной структуры, что позволит создать современную единую распределенную систему управления производством, с применением системы SCADA и принципов клиент-серверной структуры.

Основной целью диссертации является повышение эффективности процесса управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера, с реализацией распределенного ввода-вывода и процедуры динамического отображения состояний в режиме реального времени.

Объектом и предметом исследования в данной работе является разработка новых эффективных форм управления тяжелым станком на основе методики построения подсистемы распределенного ввода-вывода компонентами и узлами станка и построения системы динамической визуализации процессов.

Задачи исследования. Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Обосновать критерии выбора структуры и функции программируемого логического контроллера (ПЛК), с применением принципа распределенного ввода-вывода, как наиболее предпочтительной системы управления электроавтоматикой тяжелого станка.

2. Разработать модель и методику проектирования системы управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера (ПЛК) типа S7−300 (Siemens), с реализацией принципа распределенного ввода-вывода и построения автоматизированной подсистемы динамической визуализации процессов в режиме реального времени, что позволило повысить качество процесса управления станков.

3. Разработать прикладной интерфейс для подсистемы динамической визуализации процессов при управлении тяжелым станком в режиме реального времени на примере гидравлического пресса типа П9046Р.

4. Разработать прикладные программные средства поддержки подсистемы распределенного ввода-вывода компонентами и узлами станка и подсистемы динамической визуализации процессов в режиме реального времени.

5. Оценить факторы повышения эффективности процесса управления тяжелым станком на основе внедрения подсистемы распределенного ввода-вывода компонентами и узлами станка и построения системы динамической визуализации процессов в режиме реального времени.

Научная новизна. Новыми научными результатами, полученными в работе, являются:

• установленные функциональные связи между количеством и качеством средств визуализации состояний узлов тяжелого станка и сокращением ресурсов для принятия решений со стороны оператора станка в режиме реального времени.

• модель и методика проектирования системы управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера (ПЛК) типа S7−300 (Siemens), с реализацией принципа распределенного ввода-вывода и построения автоматизированной подсистемы динамической визуализации процессов в режиме реального времени, что позволило повысить качество процесса управления станков.

• принцип организации структуры управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе модификации традиционной подсистемы ввода-вывода ПЛК в структуру распределенной системы управления, с вынесением блоков ввода-вывода непосредственно на устройства станка, что увеличивает надежность эксплуатации тяжелого станка;

• метод расширения функций контроля состояний узлов станка и повышения качества принятия решения при работе станка на основе построения подсистемы динамической визуализации состояний и процессов работы тяжелого станка в режиме реального времени.

Методы исследований.

При решении задач, поставленных в работе, были использованы следующие методы: теории автоматического управления, аппарат объектно-ориентированного подхода при разработке приложений, методы построения распределенных приложений.

Практическая значимость.

Практическая значимость работы заключается в повышении эффективности функционирования тяжелого станка на основе разработки распределенной системы управления электроавтоматикой и создания программной поддержки прикладного интерфейса по динамической визуализации процессов станка в режиме реального времени.

Реализация работы'.

Разработанные в работе модели, методика проектирования и реализации подсистемы ввода-вывода ПЛК, как распределенной системы управления, построенной по принципу локальной шины и реализация подсистемы динамической визуализации процессов станка в режиме реального времени внедрены на «Коломенском заводе тяжелых станков», а также используются в учебном процессе студентов по специальности 220 301 «Автоматизация технологических процессов и производств». Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы публиковались и докладывались на заседаниях кафедры КСУ, на Международном форуме информатизации МФИ-2007// Труды международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии». 16−18 октября 2007 г., в 3-х т.т. ТЗ. — М.:МЭИ, 2007; на международном семинаре «Конкурентоспособность машиностроительной продукции и производств», Москва, ГОУ МГТУ «Станкин», 2005 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано. .6. работ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, изложенных на 131 странице машинописного текста, содержит 62 рисунка и 0 таблиц, список использованной литературы из 22 наименований и 2 приложений на 3 страницах. Общий объем работы — 136 страниц.

Основные выводы по диссертационной работе.

1. Решена задача повышения эффективности процесса управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера (ПЛК) с распределенным вводом-выводом и процедурой динамического отображения состояний узлов станка в режиме реального времени, что позволило увеличить производительность оборудования.

2. Установлены функциональные связи между количеством и качеством средств визуализации состояний узлов тяжелого станка и сокращением ресурсов для принятия решений со стороны оператора станка в режиме реального времени, а также связи качества управления электроавтоматикой тяжелого станка и архитектурой построения системы ввода-вывода ПЛК в виде распределенной сетевой системы.

3. Предложена модель и методика проектирования системы управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе применения программируемого логического контроллера (ПЛК) типа S7−300 (Siemens), с реализацией принципа распределенного ввода-вывода и построения автоматизированной подсистемы динамической визуализации процессов в режиме реального времени, что позволило повысить производительность тяжелого станка.

4. Разработан алгоритм контроля состояний станка с прикладным интерфейсом управления подсистемой динамической визуализации процессов, в режиме реального времени, на примере гидравлического пресса модели П9046Р.

5. Определен принцип организации структуры управления электроавтоматикой тяжелых станков на основе модификации традиционной подсистемы ввода-вывода, с вынесением блоков ввода-вывода ПЛК непосредственно на устройства станка и разработан метод расширения функций контроля состояний узлов на основе построения подсистемы динамической визуализации состояний и процессов работы оборудования в режиме реального времени, что увеличивает надежность эксплуатации тяжелого станка.

6. Разработано прикладное программное обеспечение по функционированию подсистемы распределенного ввода-вывода и подсистемы визуализации состояний станка в режиме реального времени.

7. Показано, что введение в эксплуатацию на Коломенском заводе тяжелых станков системы управления компонентами и узлами тяжелого станка на основе внедрения подсистемы распределенного ввода-вывода и построения системы динамической визуализации процессов в режиме реального времени позволяет повысить общую эффективность технологического процесса станка и, в частности, уменьшить количество отказов на 40%.

8. Разработанные методы и программное обеспечение по управлению электроавтоматикой тяжелых станков на основе распределенного ввода-вывода и динамического отображения состояний рекомендуется к применению в отраслях машиностроения.