Интегрированная автоматизированная система управления производством пластмассовых изделий с совмещенными зонами обслуживания

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 интеллектуальных 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 отработки 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 системы 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:

1. 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).

2. 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 многофакторного эксперимента созданы алгоритмические и программные средства поддержки при проведении экспериментальной доводки технологических 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 изготовления пластмассовых изделий заданной конфигурации из заданного материала и их корректировки при нестабильности свойств сырья.

6. Осуществлена техническая реализация первой очереди автоматизированной интегрированной 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 программирования 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 интегрированной автоматизированной системы управления производством пластмассовых изделий в условиях широкой номенклатуры производимой продукции и совмещенных зон обслуживания основного технологического оборудования.

2. 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.

3. 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. м.

4. Обоснована необходимость и разработана 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.

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 эффективности разработанного алгоритма и реализующих его программных средств для оптимизации оперативного планирования и организации производства дискретно-периодического характера в условиях широкой номенклатуры выпускаемой продукции и совмещенных зонах обслуживания основного технологического 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 системы управления производством пластмассовых изделий, сформулированный с позиций системного подхода с учетом дальнейшей интеграции с корпоративной 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.

3. 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.

4. Критерии и методика количественной оценки качества пластмассовых изделий и эффективности технологического регламента их производства и применение их для поиска оптимальных технологических режимов с использованием 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.

1. 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.

2. 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%.

3. 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.

4. Проведено планирование работ и разработка технического задания на проектирование второй и третьей очередей данной системы, которые должны охватить участок таблетирования, участок термопластавтоматов и программные 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 электромеханикаИТЭМ — 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.

Выводы:

1. Корректировка технологических режимов прессования пластмассовых изделий при вариациях свойств сырья является важной задачей верхнего уровня интегрированной системы автоматизации производства пластмассовых изделий. Она имеет и важное практическое значение, поскольку быстрое определения оптимальных режимов прессования позволит не только добиваться выпуска бездефектной продукции, но и экономить сырье и энергетические ресурсы при повышении производительности процессаи важное научное значение, поскольку создает прецедент автоматизированного решения плохоформализуемых и слабоструктурированных задач в промышленности, к числу которых относится большинство задач оптимального управления технологическими процессами.

2. Развивается два возможных подхода к решению этой задачи. Один основан на теории планирования активного многофакторного эксперимента по поиску оптимальных условий, а другой базируется на создании специализированной экспертной системы.

3. Научная новизна при использовании первого подхода заключается в предложенном комплексном критерии оптимизации и методе его количественной оценки по визуально оцениваемым признакам качества отпрессованного изделия при учете энергоемкости и производительности процесса прессования. Проведенная экспериментальная проверка данного критерия и всего алгоритма в целом показала их достоверность и эффективность.

4. Проведенный сравнительный анализ методов построения экспертных систем в условиях конкретной задачи позволил отдать предпочтение продукционным экспертным системам для построения прототипной специализированной экспертной системы для поиска оптимальных режимов прессования пластмассовых изделий. Первое опробование созданной прототипной ЭС в производственных условиях показало справедливость данного выбора и исходных посылок, легших в ее основу. Окончательная доработка ЭС требует длительного процесса ее практического применения в производственных условиях и сопоставления выдаваемых ею рекомендаций с решениями, принимаемыми технологом. Эта работа запланирована на следующие очереди разработки интегрированной системы автоматизации производства пластмассовых изделий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представленной диссертационной работе с позиций системного подхода рассмотрен и решен ряд вопросов и задач, возникающих при автоматизации производства пластмассовых изделий. Актуальность и новизна работы определяется тем, что, с одной стороны, широкое применение пластмассовых 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, а с другой стороны, учитывая, что основное технологическое оборудование для производства пластмассовых изделий — прессы и литьевые машины, снабжены встроенными средствами локальной автоматики, комплексной автоматизацией производства пластмассовых изделий никто не занимался. Ни в России, ни за рубежом автором не найдено примеров комплексной автоматизации этого производства. В то же время, при системном анализе этой проблемы было выявлено, что помимо традиционных для АСУ ТП задач диспетчеризации и учета результатов производства, здесь возникают весьма важные для практики и представляющие значительный научный интерес задачи оптимальной организации производственного процесса, оперативного планирования производства и компьютерной поддержки поиска оптимальных технологических режимов прессования пластмассовых изделий. Проведенный анализ показал, что решение именно этих задач, выходящих за рамки традиционных задач АСУ ТП, может дать весьма значительный экономический эффект и обеспечивать выпуск высококачественной продукции. Более того, эти задачи являются типичными не только при производстве пластмассовых изделий, но и при любом производстве дискретно-периодического характера. Научная значимость этих задач определяется тем, что для них оказались малопригодными такие традиционные методы решения оптимизационных задач, как методы линейного и нелинейного программирования, комбинаторики и генетические алгоритмы оптимизации. Таким образом, значимость решения этих задач выходит за рамки одного конкретного (хотя и очень широко применяемого) технологического процесса (производства пластмассовых изделий).

Однако, новизна диссертационной работы заключается не только в создании первого в России прецедента комплексной автоматизации производства пластмассовых изделий и решения в рамках этой проблемы перечисленных выше оптимизационных задач, но и в разработке программно-технического комплекса для реализации системы. Проведенный анализ современного индустриального подхода к созданию систем автоматизации технологических процессов, базирующийся на применении серийно выпускаемых универсальных промышленных контроллеров типа coft-PLC и softlogic и единой системы программирования (SCADA-системы), показал, что применительно к системам с большим количеством периферийных контроллеров и весьма простыми функциями, возлагаемыми на них, такой подход является экономически весьма расточительным. Поэтому, не отвергая самого принципа индустриального подхода к созданию систем автоматизации, автор видит выход в том, чтобы дополнить гамму серийно выпускаемых промышленных контроллеров простейшими 8-разрядными контроллерами, которые можно было бы конфигурировать под конкретные задачи, а SCADA-системы развивать в направлении поддержки решения задач оптимального управления, оперативного планирования производства и автоматизации поиска оптимальных технологических режимов. Именно с этих позиций и разрабатывался комплекс программно-технических средств для создаваемой системы.

Таким образом, основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Проведенный анализ истории автоматизации производственных процессов выявил пять основных этапов ее развития и характерные особенности каждого из них, что позволило выработать системный подход к решению тех проблем, которые возникают на современном этапе.

2. Анализ применяемых технологий изготовления пластмассовых изделий и особенностей объекта автоматизации в целом позволил сформулировать задачи, которые должна решать интегрированная АСУ производства пластмассовых изделий, и определить возможные методы их решения.

3. С учетом выявленных недостатков современной индустриальной технологии создания АСУ ТП, заключающейся в использовании промышленных серийных контроллеров типа soft-PLC или softlogic и универсальных SCADA-систем для «сквозного» программирования всей системы, проведено проектирование программно-технического комплекса создаваемой системы на базе 8-разрядных специализированных контроллеров, обеспечивающего многократную экономию капитальных затрат при сохранении основных достоинств индустриальной технологии создания АСУ ТП, таких как: открытость и легкая расширяемость создаваемой системы, использование современных сетевых технологий для построения локальной информационно-управляющей сети и применение персональных компьютеров в качестве операторских и диспетчерско-технологических станций.

4. Впервые сформулирована и решена задача оптимального планирования и организации производства дискретно-периодического характера в условиях широкой номенклатуры производимой продукции и совмещенных зон обслуживания основного технологического оборудования. Проведена экспериментальная проверка в цеховых условиях эффективности разработанного алгоритма ее решения, которая показала возможность сокращения действующего парка основного технологического оборудования на 30%, повышения производительности труда основных рабочих на 20%, экономии энергетических ресурсов не менее чем на 25%.

5. При автоматизации вспомогательного производства проведена замена объемного дозирования пресс-порошка при производстве таблеток автоматическим весовым дозированием и рационализирована номенклатура производимых таблеток, что позволит полностью устранить брак из-за неточности дозирования, сократить расход сырья и полностью устранить операции взвешивания пресс-материала при прессовании изделий.

6. Предложено в функции периферийных контроллеров для оснащения таблеточных машин ввести подсчет количества изготовленных таблеток каждого номинала и их неразрушающий контроль на наличии металлических включений. Выбран тип металлообнаружителя, наиболее пригодный для данных целей, и теоретически обоснован метод защиты от случайных помех путем временной селекции сигналов.

7. Развито два возможных подхода к решению задачи корректировки технологических режимов прессования пластмассовых изделий при вариациях свойств сырья. Один из них основан на теории планирования активного многофакторного эксперимента по поиску оптимальных условий, а другой базируется на создании специализированной экспертной системы. Научная новизна при использовании первого подхода заключается в разработке комплексного количественного критерия оптимизации и методе его оценки по визуально оцениваемым признакам качества отпрессованного изделия и параметрам технологического процесса прессования. Проведенная экспериментальная проверка данного критерия и всего алгоритма в целом показала их достоверность и эффективность. На основе второго подхода реализована и опробована в производственных условиях прототипная экспертная система, базирующаяся на использовании продукционных моделей.

8. На основе положений, изложенных в диссертации, в настоящее время создается интегрированная система автоматизации производства для цеха пластмассовых изделий Курского ОАО «Электроаппарат». Закончены работы по первой очереди системы и разработаны технические задания на вторую и третью очереди системы.