автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация технологических комплексов с транспортным запаздыванием, включающим период адаптации исполнительных органов



МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ТРАНСПОРТНЫМ ЗАПАЗДЫВАНИЕМ, ВКЛЮЧАЮЩИМ ПЕРИОД АДАПТАЦИИ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ

Специальность: 05.13.07- Автоматизация технологических процессов и

производств (в промышленности).

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Ю.В. Колоколов Научный консультант кандидат технических наук, доцент А.И. Суздальцев

На правах рукописи

Светкин Сергей Васильевич

УДК 675.1.025.55-52.001.573:1519.854:681.3.069

Орел-1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................... 4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

С ТРАНСПОРТНЫМ ЗАПАЗДЫВАНИЕМ................ 10

1.1 Анализ принципов функционирования технологических комплексов

и формирование задач автоматизации.......................... 10

1.2 Анализ способов и средств преобразования первичной информации о кожах.................................................... 24

1.3 Модели и алгоритмы обработки измерительной информации

о контуре, толщине, площади и ТМК кож....................... 29

Выводы.................................................. 35

ГЛАВА 2 СИНТЕЗ И АНАЛИЗ ПОДСИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ КЛЕЙМЕНИЯ КОЖИ.............................................. 36

2.1 Синтез общей структуры системы управления с транспортным запаздыванием внутри цикла................................. 36

2.2 Анализ управляемости...................................... 52

2.3 Анализ точностных параметров подсистемы измерения площади ... 55

2.4 Синтез подсистемы определения координаты ТМК............... 60

Выводы.................................................. 65

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВСТРЕЧИ ПАССИВНОГО И АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ПРОЦЕССА.......................................... 67

Выводы.................................................. 76

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫМ

ОБЪЕКТОМ С СЕМЬЮ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ.......... 77

Выводы.................................................. 91

ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ТМК..................... 92

5.1 Цель исследования......................................... 92

5.2 Геометрическая модель определения координат ТМК............. 93

5.3 Программная модель определена координат ТМК............... 101

5.4 Проведение исследований и представление результатов........... 109

5.5 Анализ результатов экспериментальных исследований............ 110

Выводы.................................................. 116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................ 117

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .................... 122

Приложение А................................................. 131

Приложение Б................................................. 139

Приложение В................................................. 144

Приложение Г................................................. 159

Приложение Д................................................. 161

Приложение Е................................................. 163

Приложение Ж................................................. 165

Приложение И................................................. 167

ся движущийся пассивный объект и движущийся активный объект и необходимо осуществить между ними взаимодействие в момент их встречи. Примерами комплексов с такими система управления являются технологические комплексы по измерению и клеймению площадей различного вида кож, по измерению и клеймению толщины кож, измерению контура и покраски движущихся плоских изделий, по обнаружению и удалению металлических частиц в движущихся материалах, и др. [32,51-55,60-64,66-70,72-74,77,80]. В частности, технологический комплекс измерения и клеймения кож малопроизводителен из-за ручной ориентации движущейся кожи под неподвижное клеймельное устройство, что приводит, с одной стороны, к остановке комплекса, к возврату и повторному измерению и клеймению этой же кожи, а с другой стороны, к некачественному клеймению, выражающемуся в искажении или отсутствии отдельных цифр в месте клеймения.

Цель диссертационной работы — разработка автоматизированной системы управления клеймельным устройством в технологических комплексах измерения и клеймения кож, включающего автоматическое определение координат технологического места клеймения, автоматическое измерение площади при ограниченном объеме измерительной информации и автоматическое управление исполнительными органами клеймельного устройства, позволяющей повысить производительность комплекса и уменьшить количество брака при клеймении.

Основные задачи исследований:

1 Проведение анализа процессов управления технологическими комплексами по измерению и клеймению параметров мягких кож, по покраске движущихся кож и формирование задач автоматизации.

2 Разработка алгоритмов и моделей:

— преобразования и получения первичной дискретной информации о

коже;

ВВЕДЕНИЕ

На всем протяжении материального производства производительность и качество были и остаются основными факторами, характеризующими экономичность и целесообразность того или иного технологического процесса. Почти всегда повышение производительности ведет к ухудшению качества и наоборот, улучшение качества ведет к снижению производительности. Производительность имеет приоритет в определении научно-технического прогресса, ее повышение осуществляется различными путями и, в частности, распараллеливанием или объединением операций в одной машине, технологическом комплексе или технологической линии, являющимися самостоятельными законченными во всех отношениях технологическими единицами того или иного процесса. Эти технологические единицы могут быть механизированными, полуавтоматизированными и автоматизированными. В большей степени автоматизации поддаются детерминированные циклические процессы, защищенные от внешних воздействий и различного рода помех. Алгоритмы управления ими несложно реализуются на современных ЭВМ, что и породило в последнее десятилетие большое количество исследований не самих процессов, а их моделей.

Существует много технологических производств со сложными системами управления, в частности, производства, работающие циклами, при этом система управления осуществляет измерение параметров в первой половине цикла и вырабатывает алгоритм управления, а само управление осуществляется во второй половине цикла [31,50]. Среди таких систем малоисследованными являются системы, когда внутри цикла существует транспортное запаздывание, то есть, между измерением и управлением необходимо осуществить не только временное запаздывание, но и перенос информации на величину транспортного запаздывания. К такого типа системам можно отнести следующее: когда имеет-

— определения координат контура, площади, области расположения и координат центра технологического места клеймения кожи.

3 Проведение теоретических исследований процесса взаимного перемещения в точку встречи кожи и клеймельного устройства.

4 Разработка и оптимизация алгоритмов управления исполнительными органами клеймельного устройства в период их адаптации внутри транспортного запаздывания.

5 Проведение экспериментальных исследований на имитационной модели точности определения площади и координат технологического места клеймения при различной ориентации кожи.

6 Разработка общей структурной схемы автоматизированной системы управления технологическими комплексами клеймения кожи и выработка рекомендаций по проектированию подсистемы измерения площади кожи.

Методы исследований. При решении диссертационных задач использовались методы системного анализа, теория конечных автоматов, методы синтеза оптимальных систем с обратной связью, методы геометрического и математического моделирования с применением ПЭВМ, схемотехническое моделирование, алгебра Буля, теория решения дифференциальных уравнений.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

1 Впервые разработаны способ, модель и программа определения координат технологического места клеймения, учитывающие ориентацию кожи относительно направления ее движения и включающие формирование области технологического места клеймения на основе памяти типа FIFO с оптимальным объемом информации за счет использования координат середин сечений в исходной измерительной информации, что позволяет автоматизировать процесс перемещения клеймельного устройства в заданную координату.

2 Установлена эмпирическая зависимость между скоростями перемещения кожи и клеймельного устройства, позволяющая при заданной скорости пе-

ремещения кожи и неизменных конструкторско-технологических параметрах комплекса выбрать скорость клеймельного устройства постоянной, что упрощает систему управления и силовую часть привода перемещения клеймельного устройства.

3 Разработан алгоритм и структура управления исполнительными органами клеймельного устройства с периодом адаптации внутри транспортного запаздывания, основанные на использовании теории конечных автоматов (язык ЛСА) и многокритериальной оптимизации, что позволяет автоматически осуществлять адаптацию исполнительных органов клеймельного устройства задолго до встречи его с технологическим местом клеймения, тем самым влияя на качество клеймения.

4 Экспериментально установлены оптимальные значения элемента разложения площади, удовлетворяющие по точности одновременно подсистемы измерения площади и подсистемы определения координат технологического места клеймения, что позволило сформулировать методику проектирования измерительной части автоматизированной системы управления технологическими комплексами и получить исходные данные для проектирования механизма поворота клеймельного устройства.

5 Разработан способ автоматического управления подвижным клей-мельным устройством и общая структурная схема автоматизированной системы управления технологическими комплексами клеймения кожи, защищенные патентом РФ.

Практическая ценность работы заключается в том, что сформулированные задачи автоматизации технологических комплексов, сформулированное свойство управляемости для данного класса автоматизированных систем управления технологическими комплексами и предложенные критерии оценки, устанавливающие связь между потоками измерительной информации и физическими параметрами исполнительных органов системы, дают исследователям более

целостное представление и позволяют расширить понимание процессов управления другими комплексами, что может стать отправной точкой для дальнейших исследований в этой области.

Разработанные способ и программная модель определения координат центра технологического места клеймения, внедренные в учебный процесс ОрелГТУ, позволяют проводить исследования точностных параметров при проектировании аналогичных автоматизированных систем управления технологическими комплексами в научно-исследовательских и проектных организациях. В частности, методика проектирования подсистемы измерения площади кож используется в проектах орловского НИИлегмаш.

Предложенный способ и устройство управления клеймением кож и рекомендации по его реализации средствами микропроцессорной техники широко используются в учебном процессе ОрелГТУ в курсовых и дипломных проектах, а также являются насущной потребностью при обновлении устаревшего оборудования на кожевенных заводах.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены, одобрены на: научно-технических конференциях ОрелГТУ в 1996-1998 г.г., Межвузовской научно-технической конференции: Микроэлектроника и информатика—97, а также на научных семинарах кафедры КиПРА ОрелГТУ в 1996-1999 г.г. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ и получено решение о выдаче патента на способ управления клеймением площади кож.

На защиту выносятся следующие положения:

1 Геометрическая и программная модели автоматического определения области и координат технологического места клеймения движущейся кожи, позволяющие формировать исходную информацию для перемещения и поворота клеймельного устройства.

2 Результаты теоретических исследований процесса взаимного перемещения в точку встречи кожи и клеймельного устройства, устанавливающие эмпирическую зависимость между их скоростями и влияющие на свойство управляемости автоматизированной системы управления клеймельным устройством.

3 Оптимизированный алгоритм, критерии оптимизации и структурная схема управления исполнительными органами клеймельного устройства в период их адаптации внутри транспортного запаздывания, обеспечивающие управляемость автоматизированной системы управления клеймельным устройством с минимальными затратами электроэнергии.

4 Результаты экспериментальных исследований на программной модели параметров точности измерения, позволяющих обеспечить совместную работу подсистем определения координат технологического места клеймения и измерения площади с погрешностью, не превышающей значений по ГОСТ.

5 Методика проектирования подсистемы измерения площади кож.

6 Способ управления клеймением площади кож и схема автоматизированной системы управления технологическими комплексами клеймения кожи.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ТРАНСПОРТНЫМ ЗАПАЗДЫВАНИЕМ

1.1 Анализ принципов функционирования технологических комплексов и формирование задач автоматизации

Автоматизация технологических процессов в различных отраслях народного хозяйства, и, в том числе, в легкой промышленности, является стержнем научно-технического прогресса. Техническое перевооружение промышленности, ускоренное внедрение новых интенсифицированных технологических процессов невозможно без использования современного высокопроизводительного оборудования и средств вычислительной техники, комплексной механизации и автоматизации [19]. Основными видами продукции легкой промышленности являются одежда, обувь, меховые и кожгалантерейные изделия. Выпуск этой продукции обеспечивается швейной, обувной, кожевенной и меховой подотраслями, а также подотраслью полимерных пленочных материалов и искусственной кожи [32].

Автоматизация производств легкой промышленности должна соответствовать современным требованиям к системам управления производственными комплексами, учитывать специфику технологии отрасли и возможности применяемых средств контроля и управления. Научно-технический прогресс в промышленности определяется степенью совершенствования технологии, внедрением принципиально новых технологических процессов, модернизацией оборудования, прежде всего автоматизированного, с микропроцессорными и компьютерными системами контроля и управления, широким применением автоматизированных систем управления технологическими участками, цехами, предприятиями и т.д.

Технологические процессы в кожевенном производстве весьма многообразны по существу происходящих в них физических и химических изменений, видам сырья, временных режимов [32]. В кожевенном производстве сырьем являются шкуры животных с большой неоднородностью по партиям. Их обработка связана с жидкостными операциями (отмойка, мездрение, дубление и т.д.), использованием растворов кислот, солей и щелочей. Между жидкостными операциями полуфабрикат подвергается механической обработке (разбивка, строгание, шлифование и т.п.), после жидкостных следуют отделочные операции. Наличие различных по характеру работ технологических процессов (жидкостные операции - партионные, механические - поштучные) существенно затрудняет автоматизацию кожевенных предприятий. В настоящее время уровень автоматизации оборудования на большинстве кожевенных предприятий невысок.

Наиболее эффективное применение автоматизации возможно там, где преобладает ручной труд, на труднодоступных и опасных участках, на окончательных операциях для обработки больших массивов информации, а также на участках, где происходит неэффективное расходование сырья и материалов. К таким участкам относятся, в частности, выходная технологическая операция на кожевенных заводах — процесс покраски и сушки кож, а также измерение и клеймение толщины и площади кож.

Клеймение кож (нанесение основных параметров на поверхность кожи) является заключительной технологической операцией при производстве кож и от ее качества зависят экономические показатели, влияющие на взаимоотношения изготовителя и покупателя. Немаловажное значение имеет и производительность выполнения данной операции. Максимальная производительность может быть достигнута тогда, когда операции измерения и клеймения объединены в едином комплексе и максимально автоматизированы. Такие комплексы существуют в России (машины МК-20-1 для измерения площади хромовых кож и МКЖ-20-2 для измерения площади жестких кож) и за рубежом [34-

38,52,62] и осуществляют автоматическое измерение площади и нанесение (клеймение) ее на саму кожу. Качество клеймения определяется не только геом�