автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация выбора смазочно-охлаждающих технологических средств и систем их применения в машиностроении на основе интегральной базы данных

На правах рукописи

Бугримова Ольга Владимировна

АВТОМАТИЗАЦИЯ ВЫБОРА СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И СИСТЕМ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ БАЗЫ ДАННЫХ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 4 МАР 2011

Москва 2011

4841521

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «Станкин».

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Худошина Марина Юрьевна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Веселов Олег Вениаминович

кандидат технических наук Новикова Ирина Александровна

Ведущая организация:

ОАО «Московский абразивный завод»

Защита состоится гг^> 20/Ут. в ¿2"часов ¿¿КЛминут

на заседании диссертационного ^совета Д 212.142.03 при ГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «Станкин» по адресу 127994, Москва, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Автореферат разослан 20г^/г.

Учёный секретарь диссертационного совета, к.т.н., доц. Е.Г. Семячкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Автоматизация технологических процессов является важнейшим фактором обеспечения их высоких показателей качества, что особенно важно при анализе большого объёма информации, которая определяет эти показатели. Всё это в полной мере относится к технологическим процессам, реализуемым с применением смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Присутствие СОТС при реализации технологических процессов существенно усложняет обеспечение требуемых показателей качества средствами автоматизации из-за необходимости организации представления информации об основных характеристиках СОТС, системах их применения, технологических режимах, оборудовании для реализации технологических процессов и др. Эти вопросы могут быть решены посредством использования интегральных баз данных, аккумулирующих всю необходимую информацию, включая информацию об экологических показателях и показателях безопасности технологических процессов, и выбора СОТС и систем их применения с учётом этой информации.

Однако, использование интегральных баз данных, наряду с обеспечением высокого качества технологических процессов, является трудоёмким процессом и требует достаточно высокой квалификации пользователя. Поэтому работа, направленная на автоматизацию выбора СОТС и систем их применения при реализации машиностроительных технологических процессов на основе интегральной базы данных является актуальной.

Целью работы является повышение эффективности технологических процессов, реализуемых с применением СОТС посредством автоматизации выбора этих средств и систем их применения на основе интегральной базы данных.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

1. Установить взаимосвязи между показателями качества технологических процессов с использованием СОТС с учётом экологических показателей и показателей безопасности, основными характеристиками СОТС, систем их применения, технологических режимов и оборудования для реализации технологических процессов.

2. Разработать формализованное описание представления информации о характеристиках СОТС, систем их применения, технологических режимов и оборудования для реализации технологических процессов и связей между ними.

3. Разработать алгоритм выбора СОТС и систем их применения на основе формализованного описания представления информации.

4. Разработать методику принятия решения по выбору СОТС и систем их применения на основе комплексного критерия оценки выбора.

5. Разработать структуру интегральной базы данных для реализации методики принятия решений по выбору СОТС и систем их применения.

Методы исследования

При исследовании применялись основные положения теории автоматического управления, технологии машиностроения, системного подхода, теория баз данных, элементы теории множеств, теории графов, инженерной экологии.

Научная новизна работы заключается в:

установлении взаимосвязей между показателями качества технологических процессов с использованием СОТС с учётом экологических показателей и показателей безопасности, основными характеристиками СОТС, систем их применения, технологических режимов и оборудования для реализации технологических процессов;

формализованном описании представления информации о

характеристиках СОТС, систем их применения, технологических режимов и

4

оборудования для реализации технологических процессов и связей между ними;

алгоритме выбора СОТС и систем их применения на основе формализованного описания представления информации.

Практическая значимость работы заключается в:

методике принятия решений по выбору СОТС и систем их применения;

методике построения структуры интегральной базы данных для реализации методики принятия решений по выбору СОТС и систем их применения.

Реализация работы

1. Результаты работы были использованы при выполнении научно-исследовательской работы по теме «Разработка информационной экспертной системы по выбору смазочно-охлаждающих технологических сред, систем их утилизации и регенерации для предприятий станкостроения» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы» (направление «Станкостроение»).

2. Результаты работы были использованы на предприятии ОАО МТЗ ТРАНСМАШ при выборе СОТС и элементов системы регенерации.

3. Результаты работы использованы в ГОУ ВПО МГТУ "Станкин" в учебном процессе по специальностям 220301 "Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)", 280202 "Инженерная защита окружающей среды", 280102 "Безопасность технологических процессов и производств".

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. Международных конференциях "Производство. Технология. Экология - ПРОТЭК", Москва, ГОУ ВПО МГТУ "Станкин" в 2005, 2006, 2007, 2008 гг.

2. Научно-методической конференции "Машиностроение - традиции и инновации" (МТИ), ГОУ ВПО МГТУ "Станкин", г. Москва, 2008, 2010 гг.

3. Международных научно-практических конференциях "Математика, информатика, естествознание в экономике и в обществе", Московская финансово-юридическая академия, Московский университет государственного управления, г. Москва, 2005, 2006, 2007, 2009,2010 гг.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы

Работа состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, списка использованной литературы (77 наименований) и четырёх приложений; изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 110 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены предмет и объекты исследований, дана характеристика диссертационной работы.

В первой главе проведён аналитический обзор предметной области, которую составляет технологическая система, включающая СОТС. Её характеризует информация о технологических, экологических и экономических параметрах СОТС, технологиях их применения, о характеристиках систем подачи, регенерации и рекуперации СОТС, о технологических процессах, оборудовании, инструменте, обрабатываемых материалах, режимах обработки, автоматизации и контроле качества. Проанализированы существующие методы представления информации об исследуемых системах, позволяющие установить в них взаимосвязи. К ним относятся: когнитивные технологии в системах автоматизированного проектирования, онтологический метод представления знаний, математические методы (логико-информационный подход к построению

моделей структур исследуемых систем, метод организации полихроматических множеств и др.) и инструментальные средства.

Выполнен сравнительный анализ патентно-информационных исследований в рассматриваемой предметной области, а также в области информационных систем и баз данных, предназначенных для поддержки принятия решений при проектировании технологических систем. Технический уровень и тенденции развития в данных областях в настоящее время свидетельствуют о том, что одно из важных направлений компьютеризации инженерной деятельности развивается на базе персональных специализированных объектно-ориентированных рабочих мест.

Проанализированы результаты работ ведущих учёных по этим направлениям, в том числе А.П. Бабичева, Е.Г. Бердичевского, В.Н. Брюханова, Е.М. Булыжева, A.C. Верещаки, Н.И. Веткасова, Г.Д. Волковой, В.П. Вороненко, Ю.С. Дубровского, Г.Б. Евгенева, Ю.Г. Звенигородского, Ю.А. Зеленкова, Е.С. Киселёва, М.Г. Косова,

B.Н. Кошенкова, Г.Т. Малиновского, В.Г. Митрофанова, Г.Р. Муслиной,

C.И. Плитмана, Ю.М. Соломенцева, А.Г. Схиртладзе, В.К. Старкова, JI.B. Худобина, М.Ю. Худошиной, Л.Э. Шварцбурга и др.

На основе проведённых исследований, с учётом выявленных проблем, сформулирована цель диссертационной работы, определены задачи, обоснованы их новизна и практическая значимость.

Во второй главе проведено исследование взаимосвязей в технологической системе с применением СОТС и выявлены связи между её технологическими и экологическими показателями. Разработана система технологических и экологических ограничений, накладываемых на установленные связи. Осуществлена формализация представления информации. Разработана математическая модель, отражающая данные связи и ограничения.

Для выявления этих связей выбираются показатели всех элементов технологической системы с применением СОТС, имеющих важное значение при описании её свойств и исследованные в первой главе. Особенность данной задачи состоит в том, что она ориентирована не только на технологические, но и на экологические показатели. Поэтому проведён анализ взаимосвязей свойств технологической системы с применением СОТС и факторов их воздействия на окружающую среду по следующим позициям: воздействие на персонал (организм человека) и окружающую среду (атмосферу, воздух рабочей зоны, гидросферу), ресурсосбережение (энергосбережение, экономия инструмента и СОТС), пожаробезопасность.

Рис. 1. Логическая цепочка зависимости фактора воздействия газо-аэрозольной смеси на воздух рабочей зоны от свойств технологической системы

Для выявления технологических, экологических и токсикологических показателей факторов воздействия, а также причин и источников их возникновения, были построены логические цепочки зависимостей этих факторов от свойств технологической системы, прямо или косвенно указывающих на возможность их возникновения. На рис. 1 приведён пример построения одной из таких цепочек для фактора "Воздействие газоаэрозольной смеси на воздух рабочей зоны". Каждый блок этой схемы конкретизирован, например, на рис. 2 представлена детализация блока "химический состав".

Рис. 2. Свойства СОТС характеризующие химический состав СОТС и его изменение

9

По результатам построения логических цепочек составлена сводная таблица (табл. 1) о факторах воздействия технологической системы, включающей СОТС, на окружающую среду. Анализ их характеристик свидетельствует о том, что технологические процессы с применением СОТС оказывают существенное влияние на окружающую среду и поэтому они используются в качестве экологических ограничений при выборе СОТС. Их особенность состоит в том, что они задаются не только непосредственно в виде экологических показателей, но и опосредованно, через технологические параметры. Экологические ограничения, которые обеспечивают безопасность персонала и окружающей среды, характеризуются рядом параметров технологической системы с применением СОТС, с помощью которых можно оценить токсичность применяемых СОТС в различных условиях обработки, уровень энергосбережения при реализации технологических процессов,пожаро- и взрывобезопасность производства, связанную с применением СОТС. Помимо экологических ограничений существуют технологические и экономические. Они устанавливают требования к режимам, оборудованию, технологии с точки зрения производительности и качества процесса производства или с позиции повышения экономической эффективности технологического процесса.

Таблица 1. Факторы воздействия технологической системы, включающей СОТС, на

персонал и окружающую среду

Факторы воздействия технологической системы с применением СОТС на персонал и окружающую среду Экологические и токсикологические показатели факторов воздействия Источники и причины возникновения факторов воздействия,свойства технологической системы, определяющие экологические показатели факторов воздействия

Воздействие на атмосферу, воздух рабочей зоны веществ газо-аэрозольной смеси, выделяющейся в процессе резания. Попадание данных веществ в организм человека через дыхательные пути Состав газо-аэрозольной смеси, поступающей в воздух рабочей зоны, концентрация химических веществ газо-аэрозольной смеси в воздухе рабочей зоны. Токсикологические характеристики веществ газо-аэрозольной смеси: класс опасности, предельно допустимая концентрация (ПДК), средняя смертельная концентрация СЬ50, коэффициент возможного ингаляционного отравления (КВИО), зона острого действия, зона хронического действия. Химический состав и агрегатное состояние СОТС, температура подаваемого СОТС, способ подачи СОТС, количество подаваемого СОТС, вид обрабатываемого материала, температура заготовки, инструмента в зоне резания, режим резания

Факторы воздействия технологической системы с применением СОТС на персонал и окружающую среду Экологические и токсикологические показатели факторов воздействия Источники и причины возникновения факторов воздействии, свойства технологической системы, определяющие экологические показатели факторов воздействия

Попадание СОТС и продуктов термоокислительной деструкции СОТС в организм человека через кожу Токсикологические характеристики СОТС: класс опасности, средняя смертельная доза при нанесении на кожу ВЬ5о, коэффициент возможного ингаляционного отравления (КВИО), зона острого действия при нанесении на кожу, зона хронического действия при нанесении на кожу. Химический состав и агрегатное состояние СОТС, температура подаваемого СОТС, способ подачи СОТС, количество подаваемого СОТС, наличие систем регенерации

Поступление СОТС и продуктов их деструкции в сточные воды предприятия и почву Концентрация компонентов СОТС и продуктов их деструкции в сточных водах предприятия и в почве ПДК данных веществ в воде и в почве Химический состав и агрегатное состояние СОТС, способ подачи СОТС, количество подаваемого СОТС, наличие систем регенерации и рекуперации СОТС

Потребление ресурсов:

Энергопотребление Силы трения при резании, работа резания. Смазочное и диспергирующее действия СОТС. Химический состав и агрегатное состояние СОТС, способ подачи СОТС, количество подаваемого СОТС, вид обрабатываемого материала, температура заготовки, инструмента в зоне резания, режим резания

Расход режущего инструмента Износ инструмента. Силы трения при резании. Смазочное, охлаждающее и демпфирующее действия СОТС. Химический состав и агрегатное состояние СОТС, способ подачи СОТС, количество подаваемого СОТС, вид обрабатываемого материала, температура заготовки, инструмента в зоне резания, режим резания

Расход СОТС Количество отработанного СОТС. Степень загрязнения СОТС, стойкость СОТС. Химический состав и агрегатное состояние СОТС, температура подаваемого СОТС, способ подачи СОТС, количество подаваемого СОТС, вид обрабатываемого материала, температура заготовки, инструмента в зоне резания, режим резания, наличие систем регенерации и рекуперации

Пожаро- и взрывобезопасность Температура вспышки СОТС Химический состав и агрегатное состояние СОТС

На основе логических цепочек, информация, составляющая предметную область исследований и необходимая для принятия решений по выбору СОТС и систем их применения, организуется в массивы по наиболее значимым объектам предметной области:

1. СОТС (СОТС).

2. Системы применения СОТС (СПр).

2.1. Системы подачи СОТС (СП).

2.2. Системы регенерации СОТС (СРег).

2.3. Системы рекуперации СОТС (СРек).

2.4. Системы контроля параметров СОТС (CK).

3. Технологическая система (за исключением СОТС и систем их применения) (ТС).

Для формализации описания характеристик элементов в технологической системе и связей между ними используются элементы теории множеств и теории графов. Обозначив через Э множество элементов всех массивов информации, перечисленных выше, представим его в виде объединения множеств:

СОТС и СП и СРег и СРек и CK и ТС.

Множество ограничений NOR, содержащихся в нормативных документах - ГОСТ, ТУ, СанПиН, правилах, инструкциях - является объединением подмножеств нормативных ограничений NORs:

NOR = и NOR, (.? е S),

где S - количество элементов в системе.

Взаимосвязи элементов системы отображены в виде графа, обладающего некоторыми свойствами обыкновенного графа, но являющегося ориентированным

с=(э,и),

где U - множество рёбер принадлежит множеству неупорядоченных пар различных элементов U cz .

Вершины графа э,у е Э смежны при э,у е U и несмежны, если 3,yeU, где у - произвольная выборка из множества Э,у е Э.

Структурная схема наложения ограничений на элементы и связи предметной области представлена в виде подграфа G'= {Э и NOR,U'), начальные вершины которого - множество элементов предметной области Э, а конечные вершины образуют множество нормативных ограничений NOR = и NOR,.

sei s

Между множеством элементов предметной области и множеством нормативных ограничений устанавливается соответствие

SN0R: Э NOR.

В этом случае элементы предметной области образуют область отправления соответствия Snor, а множество NOR - область прибытия соответствия SNOr. Кроме того, установлены соответствия между множествами, представляющими информационные массивы предметной области:

Sb СОТС ТС; S4: СРег -> (Э \ СРег \ CK);

S2: СП СОТС; S5: СРек ->• (Э \ СРек \ CK);

S3: СП -v ТС; S6: CK -> (Э \ CK).

При выполнении запросов формируются выходные массивы информации. Обозначив множество запросов к БД через 3, соответствие между запросами и элементами предметной области представим как S3: 3 Э.

Для отражения связей в технологической системе с применением СОТС строится математическая модель. Предметную область данной модели составляют элементы технологической системы с применением СОТС. При её формировании выделяются наиболее общие свойства и соотношения. В ней рассматриваются два способа задания множеств: перечислением, в виде матриц для описания входов, и порождающей процедурой для промежуточных результатов и выходов.

Массивы информации заданы в виде одноимённых матриц, строки

А

которых соответствуют показателям , которые описывают различные

состояния элемента соответствующего множества. Показатель состоит

из идентификатора , который воспринимается информационной системой как ключ, идентификаторов элементов, составляющих нижний уровень в иерархии связей данного элемента, а также наименований характеристик, необходимых для описания элемента. Этим характеристикам присваиваются значения из соответствующих подмножеств. Показатель описывается с помощью множества

К; А V.., о)

где -4t, - идентификатор показателя; j = 1, ..., 1 - число состояний элемента

Ак • Aki ,...,Ак _ идентификаторы элементов, являющихся структурными

компонентами данного элемента; а1'»я24>—>ая^ - характеристики объекта

Ак . Характеристики могут быть количественными, качественными, в форме диапазонов значений или в семантической форме. Именно эти характеристики являются связующим звеном для фиксирования и увязывания связей в математической модели представления информации.

Ограничения на элементы предметной области и их взаимосвязи задаются порождающими процедурами вида Э'={х)Р(х)},

где Э' - подмножество состояний элементов предметной области, соответствующее ограничениям, -4t, 6 Э ; Р(х) - булева функция, показывающая соответствие или несоответствие состояния элементов предметной области заданным ограничениям.

При определении структурных взаимосвязей элементов, помимо задания множеств Э и U, задаётся трёхместный предикат Р. Инцидентор Р

удовлетворяет следующим условиям: определён на всех упорядоченных тройках элементов э, и, у, где э,у еЭ, и е11

(Уи е и\3э,у е Э){Р(э,и,у) & (Уз',/е Э)[Р(э\и,у') (э = э'&у = у) V (э = >> & ^ = э']} Поскольку рассматривается ориентированный граф, то для любого и е и истинно высказывание (\/э,.у е Э)[р(э,и,у) -> Р(у,

Рис. 3. Функциональная модель предметной области 15

Математическая модель предметной области строится на основе данных, полученных в результате функционального и концептуального моделирования.

Для графического представления функциональной модели, устанавливающей функциональные связи между объектами предметной области, в работе была адаптирована нотация Иордона Де Марко (рис. 3). На схеме информационные объекты представлены в прямоугольниках, а осуществляемые функции - в овалах.

Концептуальная модель предметной области идентифицирует объекты-сущности функциональной модели и конкретизирует типы связей между ними (рис. 4). Для её графического отображения использован и адаптирован "гибрид" нотаций Чена и Мартина. Такая модель строится для каждого из объектов - элементов предметной области, - и разбивается на фрагменты по их технологическому назначению.

сотс

Система Система Система Система

подачи СОТС регенерации рекуперации контроля

СОТС СОТС параметров

СОТС

Технологическая система (за исключением СОТС и систем их применения)

Рис. 4. Концептуальная модель предметной области

В третьей главе разработано методическое обеспечение выбора СОТС и систем их применения, включающее алгоритм и методику выбора на базе комплексного критерия.

В соответствии с разработанным алгоритмом выбора (рис. 5), на основе заданных пользователем ограничений параметров поиска (блок 1), из всего множества исходных вариантов П = {<у,,...,гуп} выделяется некоторое подмножество вариантов решений О.' ={а>1,...,а>к}, к<п (блок 3). Дальнейший поиск выполняется уже в этом подмножестве путём оценки вариантов выбора по комплексному критерию (блок 4). Она осуществляется в рамках данного алгоритма по технологическим, экологическим и экономическим параметрам технологической системы с использованием СОТС по разработанному алгоритму оценки (рис. 6). Если выбранный вариант не устраивает пользователя, то процесс принятия решения возобновляется с новыми, уточнёнными или изменёнными параметрами до получения конечного результата.

Комплексный критерий сформирован с учётом установленных ограничений на связи и требований к параметрам СОТС. Он представляет собой набор параметров, характеристик СОТС и систем их применения, и может меняться в зависимости от определяемой пользователем значимости этих параметров в ходе формирования запроса.

Для выбора из подмножества О* одного или нескольких лучших решений используется адаптированная модель оценки вариантов, учитывающая предпочтения пользователя, основанная на методе "взвешенных критериев". Задаются параметры комплексного критерия, и каждому параметру присваивается вес в зависимости от степени его значимости. Оценивается каждый из вариантов образованного ограничениями подмножества решений О*. Каждый вариант обладает совокупностью признаков, характеризующих его свойства. Каждому признаку ставится в соответствие числовая оценка с помощью некоторого

Рис. 5. Укрупнённый алгоритм выбора СОТС и систем их применения

1. Задание параметров комплексного критерия

2. Присвоение весов параметрам комплексного критерия

_I_

3. Оценка вариантов из полученного наложением ограничений подмножества по заданным критериям выбора и задание весов

этим вариантам

_I_

4. Получение интегральной оценки для каждого из вариантов _±_

5 Ранжирование вариантов по весу, выбор варианта с наибольшим весом в качестве предлагаемого решения

Рис. 6. Укрупнённый алгоритм оценки вариантов выбора по комплексному критерию

отображения <р: е.=(р{Nt)\ i = \,...,k, где е. - оценка альтернативы Щ по критерию <P(Ni). Эта информация составляется по результатам предварительно проведённой экспертизы, а также по нормативам и экспериментальным данным. Каждый вариант оценивается по отдельным составляющим комплексного критерия и его интегральная оценка осуществляется путём умножения полученной оценки на вес данного критерия и последующим суммированием полученных значений для каждого варианта выбора. Варианты с наибольшими суммарными весами и являются решениями задачи принятия решения.

Приведённый алгоритм положен в основу разработки методики выбора СОТС и систем их применения по комплексному критерию.

В четвёртой главе представлена программная реализация процесса выбора СОТС. Программной реализацией работы является создание базы данных (БД) "ЭКО СОТС". На её основе разработана информационно-поисковая система (ИПС). Она является средством поддержки принятия решений, и на её основе реализуется процесс автоматизации выбора СОТС. Особенность базы данных состоит в том, что она интегрирует в себе всю многообразную информацию, необходимую для принятия решений по выбору СОТС и систем их применения. Поля таблиц БД "ЭКО СОТС" представляют собой реализацию параметров комплексного критерия. Инструментом создания БД является СУБД Microsoft Access.

На основе описанной во второй главе математической модели представления информации разработана структура интегральной БД "ЭКО СОТС" (рис. 7) и изложена методика её построения. Для построения БД использовались правила порождения реляционных отношений в соответствии с концептуальной моделью. Структура БД составлена массивами информации, оформленными в таблицы. Таблицы имеют различную спецификацию: таблицы, объединяющие сведения об элементах предметной области; таблицы, описывающие связи между элементами;

таблицы, необходимые для подтверждения источников и достоверности информации, а также дополнительные таблицы. Каждая строка какой-либо таблицы БД описывает определённое состояние системы, представленной этой таблицей. Всего БД содержит 84 таблицы.

^—------------------------------------------------------1

Рис. 7. Структура БД "ЭКО СОТС". Названия основных таблиц даны полужирным шрифтом, названия связывающих таблиц - полужирным курсивом

Для поиска информации с конкретизацией значений параметров используются запросы к БД. Составлены массивы наиболее часто используемых запросов к БД. Предусмотрено также создание индивидуальных запросов. Все запросы подразделяются на простые и сложные. Простые касаются поиска информации об интересующем свойстве объекта или системы по одному или нескольким параметрам, которые определяются пользователем. Сложные запросы реализуют целевой запрос, касающийся совокупности показателей, характеризующих определённое свойство какой-либо системы, например, степень токсичности СОТС. (При этом пользователю не обязательно знать, совокупностью каких именно параметров характеризуется данное свойство.)

Выбор решения осуществляется информационно-поисковой системой на основе БД "ЭКО СОТС" по схеме, представленной на рис. 8. Пользователь принимает решение по установлению ограничений на использование СОТС в виде формализации задания и реализации запроса. Через посредство диалога осуществляется выборка из массивов БД и упорядочение информации в соответствии с заданием. Система предоставляет вариант решения, который оценивается в соответствии с выбранным критерием. Обращения повторяются до получения приемлемого варианта. В соответствии с этой схемой реализован алгоритм функционирования ИПС на основе БД "ЭКО СОТС" (рис. 9). Он предусматривает первоначальное формирование БД в соответствии с информационным моделированием, затем дальнейшее развитие и совершенствование БД путём обновления и пополнения массивов при поступлении дополнительной информации в процессе эксплуатации технологических систем с применением СОТС. Накопление информации в БД планируется осуществлять посредством размещения её в локальных сетях предприятий, а также в сети Интернет и возможности добавления данных определённым кругом пользователей - специалистов в данной области. В соответствии с алгоритмом пользователь последовательно проходит этапы принятия решения в ходе диалога путём запросов к БД до принятия полученного решения.

Рис. 8. Схема функционирования ИПС на основе БД "ЭКО СОТС" в процессе диалога с пользователем

Рис. 9. Алгоритм функционирования ИПС на основе БД "ЭКО СОТС"

БД "ЭКО СОТС" и методика принятия решений были апробированы на машиностроительном предприятии ОАО МТЗ ТРАНСМАШ, в цехе "Производство грузовых воздухораспределителей" (ПГВ), для выбора СОТС и систем их применения для 28 токарных автоматов и полуавтоматов. Марка СОТС, применяемая в цехе: МР-7. Система очистки: индивидуальная, включающая сетчатый и магнитный фильтры.

Пользователем БД "ЭКО СОТС" был задан ряд ограничений -параметров, входящих в комплексный критерий, - в рамках которых необходимо осуществлять поиск (табл. 2).

Таблица 2. Ограничения, накладываемые на варианты выбора

Технологические ограничения Экологические ограничения Экономические ограничения

1. Оборудование: токарные автоматы. 2. Количество оборудования: 28 штук. 3. Материал заготовок: конструкционные углеродистые и легированные стали, высокопрочные стали. 4. Режим резания: средний, тяжёлый. 1. Класс опасности СОТС не выше IV. 2. Тонкость очистки СОТС: условный диаметр частиц не более 10 мкм. 3. Содержание серы - не более 6 % (масс.) 4. Содержание хлора - не более 14 % (масс.) 1. Капитальные затраты - не более 800 ООО руб. 2. Текущие расходы - не более 500 000 руб./год.

На основе заданных ограничений был сформирован и выполнен запрос к БД, в результате чего сформировалось подмножество вариантов выбора СОТС и систем их регенерации, удовлетворяющее ограничениям. На рис. 10 представлен результат выполнения запроса к БД "ЭКО СОТС": перечислены накладываемые ограничения и определены названия СОТС, тип системы применения СОТС (централизованная, групповая или индивидуальная) и название фильтра, используемого в системе регенерации, соответствующие этим ограничениям.

.11 И ' й ' л л л-

Наяваиме Тип системы Названия Фимьтра Наименование Кол-во па- Наименование Наимено- К пасс Тонкость Макс г.одерж-в Макс сояерж-в Кал Тек

СО ГС применения СО ТС оборудования обируцо- материала вание рек. (жаснмл и очистки, серы, % ияора, X вяокепия. зетра! и.

еания резания СОТС мкм (масс.) (масс.) РЧЙ. руб./год

► ¡АЗМОЛМР-?В|' ::Ц ент р али эованиая Вакуум фильтр 28: конструкционная сталь ;СР«МЛ..... ■[IV .............V::.....................2. ..................... 600 ООО.ООр 55 ООО.ОС-р.

:азмол мр-7в ;: Ц ентра лизованная .Вакуум-Фильтр ::Тсжарные автоматы ■ 20: Легированная сталь :Средний <14 .............V:;.....................'2; 0 600 ООО.ООр. 55 ООО.ООр.

¡ариан мр-п :: Ц ект р алм эованная ; Фильтр пресс ¡Токарные автоматы 28: конструкционная сталь .............У;;...............1,5 ..................... 200 ООО.ООр 80 ООО.ООр

¡АРИАН МР-11 •: Ц ент ра лизованная ■Фияьтр-пррсс "Токарные автоматы 2ё:.:Пегирпеанная сталь ¡Средний .■(V .............У;;...................У, К 0 200 ШО.ППр 80 ООО.ООр ;

;ариан МР-99 ¡: 11 ент р али® ованная | Гравитационный фильтр - 28:¡Конструкционная сталь Средний ¡¡IV ............У:!.....................'5 ...................1.6 40] ООО.ООр 55 ООО.ООр.

•АРИАН МР-9Э ¡: Ц ентра лизованная Гравитационный Фильтр "Токарные автоматы 20::Легированная сталь :Средний ............ ..........V.............Б; ..............Г6 40] ООО.ООр 55 ООО.ООр .

:мл-1 •:'Ц ент р али зоеанная Вакуум фильтр :: Токарные автоматы 28:¡конструкционная сталь ¡Средний ¡IV 1-: 2 0 600 000.00р. 55 ООО.ООр

¡МЛ-1 Ц ентра лизованная Вакуум-фильтр ::Токарнь>е автоматы • 2Й:: Легированная сталь ¡Средний "............. 1:: 2; 0 600 Оии.иОр Ь5 000 [II !р :

;АЗМОЛ МР-7В Ц ент р а лизое анная : В аку ум-фильт р Ток арные автоматы : 28::Легироеамная сталь :Тя*елый •IV .........1!!....................2 0 6СЮ 000.00р. 55 ООО.ООр.

¡АРИАН МР-И •: и ентрализованная Фильтр-пресс ::Т окзрные автоматы : 29,-¡Легированная сталь ¡Тяжелый ¡.IV 1:: 1.5' 0 200 ООО.ООр 80 ООО.ООр.'

¡АРИАН МР-9Э •• Ц ентр агмэов анная Гравитационный чадльтр •Токарные автоматы ; 234Легированная сталь ЦтольЛ ¡¡IV V:: 1.6 4С0 СОО.ОСр. СЛ ООО.ООр.

1МП-1 |:Централизоеднная .Вак уум-фильтр •:Т с*арные автоматы 2Й-;Легированная сталь ¡¡IV 1:: 2 0 КОЗ ШП.ООр 55 ООО.ОПр

! Запись: [77). ; |.........1 {Т](Н1

Режим 4юрмы .

Рис. 10. Форма БД "ЭКО СОТС""Выполиение запроса по заданным ограничениям"

Далее пользователем определены наиболее важные для решения задачи выбора параметры комплексного критерия и задан их вес (табл. 3,4).

Таблица 3. Параметры комплексного критерия, заданные пользователем

Производственные критерии Экологические критерии Экономические критерии

1. Возможность обработки латуни и чугуна (кроме вышеперечисленных сталей). 1. Кислотное число: min 2. Содержание серы: min 3. Содержание хлора: min 4. Температура вспышки: min 5. Тонкость очистки СОТС: max 6. Степень очистки СОТС: max 1. Капитальные затраты: min 2. Текущие расходы: min.

Таблица 4. Оценка параметров комплексного критерия пользователем

Критерии Вес критерия

Возможность обработки латуни 10

Возможность обработки чугуна 10

Кислотное число: min 4

Содержание серы: min 7

Содержание хлора: min 7

Температура вспышки: min 6

Тонкость очистки СОТС: max 5

Степень очистки СОТС: max 5

Капитальные затраты 4

Текущие расходы 8

Для каждого из вариантов получена интегральная оценка (рис. 11). В результате наибольший по величине вес по комплексному критерию получил вариант:

СОТС: АРИАН МР-11; система регенерации: централизованная система с фильтр-прессом.

■: V да?

. • :.:. И5 5ап5 5еЫ .т £

шж

. Ж Л Ц

41 Л 3

л- .

Ш{

НаэеэнмеСОТС

применения СОТС

Интегральнля оценка

дзмол мн-гв

. азмол мр-?е

: Ц ентра лн эова»*1 ая

;АРИАН МР-9Э

IЦ е иг ра /иэованная

: Ц е иг ра .и юважа«

АЗМОЛ МР ТВ

:Цектраги5овл1ц.эя

'Решимфгармы ....

Рис. 11. Форма БД "ЭКО СОТС" "Оценка вариантов выбора по комплексному критерию"

Основные выводы и результаты работы

1. В диссертации решена задача рационального выбора СОТС и систем их применения, имеющая существенное значение для машиностроения, и реализованная с использованием разработанной интегральной БД «ЭКО СОТС», особенностью которой является объединение технологических, экологических и экономических показателей технологической системы с использованием СОТС.

2. Установленные взаимосвязи между элементами технологической системы с применением СОТС позволили учесть, наряду с другими показателями качества технологических процессов с использованием СОТС, показатели воздействия этих процессов на окружающую среду и человека.

3. Разработанная математическая модель представления информации о характеристиках СОТС, систем их применения, технологических режимов и оборудования для реализации технологических процессов и связей между ними позволила обоснованно сформировать структуру данных и набор ограничений на элементы и связи.

4. Разработанные алгоритм и методика принятия решений автоматизированного выбора СОТС и систем их применения позволили осуществлять выбор и оценку вариантов по комплексному критерию, учитывающему технологические, экологические и экономические показатели качества технологических процессов с применением СОТС.

5. Использование результатов работы на предприятии ОАО МТЗ ТРАНСМАШ показало возможность применения разработанных алгоритма и методики для автоматизированного принятия решений по выбору СОТС и систем их применения при реализации технологических процессов.

6. Результаты работы использованы в ГОУ ВПО МГТУ "Станкин" в учебном процессе по специальностям 220301 "Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)", 280202 "Инженерная защита окружающей среды", 280102 "Безопасность технологических процессов и производств".

28

Список печатных работ

Публикации в изданиях из перечня ВАК:

1. Худошина М.Ю., Бугримова О.В. Выбор и эксплуатация масляных СОТС с точки зрения обеспечения безопасности производства // Научно-практический и научно-методический журнал "Безопасность жизнедеятельности". М.: Изд-во "Новые технологии", "Безопасность жизнедеятельности", 2006. - с. 32 - 34.

2. Худошина М.Ю., Бугримова О.В. Этап концептуального проектирования базы данных по смазочно-охлаждающим технологическим средствам, системам их применения и утилизации // Вестник МГТУ "Станкин". Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ "Станкин", №1 (9), 2010. -186 е.: ил.-с. 150- 154.

3. Худошина М.Ю., Бутримова О.В. Разработка принципов создания информационной системы для минимизации воздействия смазочно-охлаждающих технологических средств на окружающую среду. Научно-практический и научно-методический журнал "Безопасность жизнедеятельности", №4 (112). М.: Изд-во "Новые технологии", "Безопасность жизнедеятельности", 2010. - с. 39 - 42.

Публикации в других изданиях:

4. Худошина М.Ю., Бутримова О.В. Повышение экологичности производства за счёт решения проблем, связанных с использованием СОТС // Производство. Технология. Экология. Сборник научных трудов 8 в 3-х тт. Том. 3: Труды международной конференции "ПРОТЭК'05", 14 - 16 сентября 2005 г.; г. Москва /Под ред. член-корр. РАН Ю.М. Соломенцева и проф. Л.Э. Шварцбурга. - М.: "Янус-К", 2005 - 236 с. - с. 495 - 503.

5. Бутримова О.В. Тенденции развития современных СОТС и технологий их применения // Производство. Технология. Экология. Сборник научных трудов 8 в 3-х тт. Том. 3: Труды международной конференции "ПРОТЭК'05", 14 - 16 сентября 2005 г.; г. Москва /Под ред. член-корр. РАН Ю.М. Соломенцева и проф. Л.Э. Шварцбурга. - М.: "Янус-К", 2005 -236 с.-с. 504-510.

6. Худошина М.Ю., Бутримова О.В. Повышение экологического качества производства за счёт усовершенствования очистки смазочно-охлаждающих технологических средств // Математика, информатика, естествознание в экономике и в обществе / Труды международной научно-практической конференции. - М.: МФЮА, 2005. - 178 с. - с. 111 -114.

7. Бутримова О.В. Влияние плотности и вязкости жидкой среды на работу гидроциклона // Производство. Технология. Экология. Сборник научных трудов №9 в 3-х тт. Том 2: Москва / Под ред. Под ред. член-корр. РАН Ю.М. Соломенцева и проф. Л.Э. Шварцбурга. - М.: "Янус-К", 2006 - 467 с.-с. 326-331.

8. Худошина М.Ю., Бугримова O.B. Технический уровень и тенденции развития в области регенерации жидких СОТС // Математика, информатика, естествознание в экономике и в обществе / Труды международной научно-практической конференции. - М.: МФЮА, 2006. -189.-с. 121-125.

9. Бугримова О.В. Базы данных по смазочно-охлаждающим технологическим средствам в системах автоматизированного проектирования // Экологическая безопасность как ключевой фактор устойчивого развития . Сб. докладов / Одиннадцатая международная экологическая конференция студентов и молодых учёных. Москва, МГГУ. 2007 г. Том 2. - Смоленск, Ойкумена, 2007. - 174 с. - с. 65 - 67.

10. Худошина М.Ю., Бугримова О.В. База данных по смазочно-охлаждающим технологическим средствам: функции, структура, формы представления информации // Производство. Технология. Экология. Сборник научных трудов 10 в 3-х тт. Том 2: Москва / Под ред. член-корр. РАН Ю.М. Соломенцева и проф. Л.Э. Шварцбурга. - М.: "Янус-К", 2007 г. - с. 406 - 409.

11. Худошина М.Ю., Бугримова О.В. Применение базы данных по смазочно-охлаждающим технологическим средствам при проектировании технологических процессов // Математика, информатика, естествознание в экономике и в обществе / Труды международной научно-практической конференции. - М.: МФЮА, 2007. -205 с.-с. 104-108.

12. Бугримова О.В. Методика расчёта разделяющей способности гидроциклона II Производство. Технология. Экология. Сборник научных трудов №11 в 2-х тт. Том 1: Москва / Под ред. член-корр. РАН Ю.М. Соломенцева и проф. Л.Э. Шварцбурга. - М.: "Янус-К", 2008. - 288 с. - с. 43 - 45.

13. Худошина М.Ю., Бугримова О.В. База данных по смазочно-охлаждающим технологическим средствам как элемент информационно-справочной и информационно-управляющей систем // Производство. Технология. Экология. Сборник научных трудов №11 в 2-х тт. Том 1: Москва / Под ред. член-корр. РАН Ю.М. Соломенцева и проф. Л.Э. Шварцбурга.-М.: "Янус-К", 2008.-288 с.-с. 118-121.

14. Худошина М.Ю., Бугримова О.В. База данных по смазочно-охлаждающим технологическим средствам: формирование, структура, функционирование в едином информационном пространстве // Вестник МГТУ "Станкин". Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ "Станкин", №3 (3), 2008. 145 е.: ил. - с. 45 - 51.

15. Бугримова О.В. Формирование таблиц базы данных по смазочно-охлаждающим технологическим средствам // Вестник МГТУ "Станкин". Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ "Станкин", 4 (4), 2008. - 208 е.: ил. - с. 166 - 172.

16. Худошина М.Ю., Бугримова O.B. Функциональное и концептуальное моделирование предметной области при создании информационной базы "ИБ СОТС" // Управление качеством машиностроительных технологических процессов формообразования: исследования и монографии / В.И. Серебряков, Л.Э. Шварцбург. - М.: ГОУ ВПО МГТУ "Станкин", 2009. - 218 с. - с. 67 - 78.

17. Худошина М.Ю., Бугримова О.В. Методология создания экспертной диалоговой системы по экологически обоснованному выбору СОТС // Математика, информатика, естествознание в экономике и в обществе / Труды международной научно-практической конференции. Том 1. - М.: МФЮА, 2009.-с. 116-120.

18. Худошина М.Ю., Бугримова О.В. Структура представления экологической, технологической и экономической информации по СОТС в экспертной системе // Математика, информатика, естествознание в экономике и в обществе / Труды международной научно-практической конференции. Том 2. - М.: МФЮА, 2009. - с. 116 - 120.

Отпечатано в ООО "РВК.ру", 2011 г. Заказ № 1045 Тираж: 100 экз.

Введение.

Глава 1. Анализ структурных элементов технологической системы с применением СОТС.

1.1. Анализ элементов технологической системы.

1.1.1. Характеристики смазочно-охлаждающих технологических средств.

1.1.2. Характеристики систем применения СОТС.

1.1.2.1. Системы подачи СОТС.

1.1.2.2. Системы регенерации и рекуперации СОТС.

1.2. Аналитический обзор информационных систем и баз данных по СОТС и 30 системам их применения.

1.3. Методы анализа взаимосвязей в технологической системе с применением 40 СОТС.

Глава 2. Исследование взаимосвязей в технологической системе с применением СОТС.

2.1. Анализ взаимосвязей технологических и экологических параметров технологической системы с применением СОТС.

2.2 Разработка системы ограничений, накладываемых на взаимосвязи технологических и экологических параметров технологической системы с ^ применением СОТС.

2.3. Формализация описания технологической системы с применением СОТС

2.4 Разработка информационной модели технологической системы с применением СОТС.

Глава 3. Разработка методического обеспечения автоматизации выбора СОТС и систем их применения.

3.1. Разработка комплексного критерия оценки вариантов выбора.

3.2. Разработка алгоритма выбора СОТС и систем их применения.

3.3 Оценка вариантов по выбору СОТС.

3.4. Разработка методики выбора СОТС и систем их применения по 93 комплексному критерию.

Глава 4. Программная реализация процесса выбора СОТС

4.1 Разработка структуры БД "ЭКО СОТС".

4.2 Формирование таблиц БД "ЭКО СОТС".

4.3. Формирование запросов к БД "ЭКО СОТС".

4.4. Алгоритм функционирования БД "ЭКО СОТС" в диалоге с пользователем.

4.5 Направления использования и перспективы применения интегральной 112 БД "ЭКО СОТС".

4.6 Использование БД "ЭКО СОТС" и методики принятия решений на примере выбора СОТС и систем их применения на предприятии t ОАО МТЗ "ТРАНСМАШ".

Результаты работы использованы в учебном процессе по специальностям 280202 "Инженерная защита окружающей среды", 280102 "Безопасность технологических процессов и производств", 220301 "Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)".

Заключение

В диссертации решена задача, имеющая существенное значение для машиностроения и заключающаяся в рациональном выборе СОТС и систем их применения на основе разработанной интегральной БД "ЭКО СОТС", особенностью которой является интеграция технологических, экологических и экономических показателей технологической системы с использованием СОТС, а также установление системы ограничений на взаимосвязи данных показателей.

Установлены связи между элементами технологической системы с применением СОТС, особенностью которых является учёт взаимного влияния технологических и экологических параметров и системы ограничений, накладываемых на данные связи.

Информационное моделирование позволило установить информационную структуру предметной области, представляющей технологическую систему с использованием СОТС, и набор ограничений на элементы и связи.

Разработаны алгоритм и методика принятия решений по выбору СОТС и систем их применения с использованием структуры предметной области.

Разработан комплексный критерий, увязывающий технологические и экологические показатели и, на его основе, алгоритм оценки вариантов выбора с использованием метода взвешенных критериев, что позволило подготовить автоматизацию выбора СОТС и систем их применения.

Разработана структура и реализована интегральная БД "ЭКО СОТС" как средство для автоматизации выбора СОТС, которая обеспечивает формирование запросов по технологической системе с применением СОТС, предоставляя детализированную информацию, выявляя цепочки взаимосвязанных характеристик СОТС и обеспечивая визуализацию результирующей информации.

Показана возможность применения разработанной БД "ЭКО СОТС" и разработанной методики принятия решений на практике для выбора СОТС и элементов системы регенерации на предприятии ОАО МТЗ ТРАНСМАШ. Результаты данной работы рекомендуются к использованию на предприятиях машиностроительного производства.

1. Агальцов В.П. Базы данных. Учебник. В 2-х книгах. Книга 1: Локальные базы данных, 2009. 352 с.

2. Алексеев C.B., Усенко В.Р. Гигиена труда. — М.: Медицина, 1988. 576 е.: ил.

3. Анюхина Г. М., Перфилова JI. М. Оборудование для эксплуатации СОЖ. J1., 1988. 49 с.

4. Баранов Д.А., Блиничев В.Н., Вязьмин A.B. и др.; Под ред. Кутепова A.M. Процессы и аппараты химической технологии. Т.2. М.: "Логос", 2002. 600 с.

5. Батищев Д.И., Шапошников Д.Е. Многокритериальный выбор с учетом индивидуальных предпочтений. Нижний Новгород, 1994.

6. Белов П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр "Академия", 2003.-512 с.

7. Белов C.B., Ильницкая A.B., Козьяков А.Ф. и др. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов / Под общ. ред. C.B. Белова. 3-е изд., испр. и доп. М.: Высшая школа, 2001.-485 е.: ил.

8. Беляев В.И., Худошина М.Ю. Моделирование системы город окружающая среда (логико-информационный подход). HAH Украины, Морской гидрофизический институт. - Севастополь, 1994. - 336 с.

9. Бердичевский Е.Г. Смазочно-охлаждающие средства для обработки материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1984. 224 с.

10. Булыжев Е.М., Богданов А.Ю., Богданов В.В. и др. Математическое моделирование и исследование технологии и техники применения смазочно-охлаждающих жидкостей в машиностроении и металлургии / Под. общ. ред. Булыжева Е.М. -Ульяновск: УлГТУ, 2001.- 126 с.

11. Брюханов В.H., Схиртладзе А.Г., Вороненко В.П. Автоматизация производства: Учеб. для сред. проф. учеб. заведений / Под ред. Соломенцева Ю.М. М.: Высшая школа, 2005. - 367 е.: ил.

12. Верещака A.C., Кушнер B.C. Резание материалов: учебник. М.: Изд-во "Высшая школа", 2009.-535 с.

13. Виноградов С. Н., Таранцев К. В. Выбор и расчёт фильтров. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000,- 116 с.

14. Дунаев В.В. Базы данных. Язык SQL. СПб.: БХВ-Петербург, 2006. - 288 е.: ил.

15. Евгенев Г.Б. Интеллектуальные системы проектирования : учеб. пособ. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 334 с.

16. Еремин В.Г., Сафронов В.В., Схиртладзе А.Г., Харламов Г.А. Безопасность' жизнедеятельности в машиностроении / Под ред. Ю.М. Соломенцева М.: Высшая школа, 2002.-310 е.: ил.

17. Ерусалимский Я.М. Дискретная математика: учеб. пособ. М.: Вузовская книга, 2009. -287 с.

18. Ефремова О.С. Аттестация рабочих мест по условиям труда в организациях: рекомендации и нормативные документы. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Издательство "Альфа-Пресс", 2009. - 640 с.

19. Занько Н.Г., Ретнев В.М. Медико-биологические основы безопасности жизнедеятельности: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр "Академия", 2004. 2-е изд., стер. - 288 с.

20. Зарубин B.C. Математическое моделирование в технике: Учеб. для вузов / Под ред. B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. 2-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.-496 с.25.