автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование надежности поточных линий прядильного производства и автоматизация принятия управляющих решений

; контрольны? ! ——-—_ -}

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПОТОЧНЫХ ЛИНИЙ ПРЯДИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ

РЕШЕНИЙ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (легкая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Московском государственном текстильном университете имени А.Н Косыгина на кафедре информационных технологий и вычислительной техники.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Севостьянов П. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сапронов М.И.

кандидат технических наук 4 Ордов К.В.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие - Центральный научно-исследовательский институт хлопчатобумажной промышленности (ФГУП ЦНИХБИ).

Защита состоится "_"_2006 г. в_час. на заседании диссертационного совета Д 212.139.03 в Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина по адресу: 119071, Москва, Малая Калужская улица, дом 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. А.Н. Косыгина.

Автореферат разослан "_"_2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., профессор Козлов А.Б.

2255063

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основное направление развития техники и технологии прядильных производств во всем мире и для всех видов волокон ориентировано на максимальную автоматизацию этих производств. Современные прядильные производства организуются так, чтобы максимально исключить малопроизводительный человеческий труд, сократить запасы полуфабриката между переходами, создать полностью автоматизированные и управляемые технологические цепочки от распаковки кип до отгрузки пряжи. При такой высокой насыщенности производства техническими средствами - как технологическим, оборудованием, так и системами управления - на первое место при проектировании производства выходит задача прогнозирования надежности подобных систем. В отличие от классических надежностных задач, в рассматриваемом случае отказы или сбои в работе элементов не выводят систему из строя, а отражаются на стабильности технологического процесса.

Бесперебойная и стабильная работа поточных линий играет важнейшую роль для всего производства в целом вследствие высокой производительности машин линии и непрерывности процессов. Поэтому задача прогнозирования стабильности поточных линий по производительности и исследование влияния на этот показатель структуры и параметров поточных линий имеют важнейшее практическое значение как при эксплуатации существующих, так и при проектировании новых поточных линий.

Учитывая развитие вычислительной техники и повсеместное проникновение информационных технологий в различные области человеческой деятельности, в том числе и в отрасли текстильной промышленности, использование таких технологий является перспективным.

Целью данной диссертационной работы является разработка методологии и комплекса алгоритмов для моделирования наиболее распространенных технологических схем прядильного производства с точки зрения его надежности и влияния этой надежности на стабильность процессов. Предполагается разработать автоматизированную систему моделирования "Технологическое оборудование и система управления", которая позволит повысить эффективность проектирования технологических систем и выбирать более рациональные режимы

: задачи

для уже существующих технологических сист

БИБЛИОТЕКА С.Пе »8 Ш1%чя(

включает следующие этапы: 1) анализ существующих методов исследования стабильности производственных систем; 2) разработку компьютерной модели поточных линий, включая алгоритмы моделирования; 3) проведение компьютерных экспериментов с моделью для исследования влияния структуры, резервов запасов, законов распределения времени сбоев и восстановлений, "старения" оборудования на общую производительность поточных линий; 4) разработку структуры программного комплекса для проектирования и моделирования различных поточных линий.

Предмет исследования. Объектом исследования являются автоматические поточные линии прядильных производств и стабильность их работы по производительности.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы теории вероятностей и вероятностных марковских процессов, математической теории надежности, статистического компьютерного моделирования, математической статистики, компьютерной обработки информации с использованием баз данных и компьютерной графики, методы создания графических интерфейсов и программных комплексов.

Научная новизна работы. В результате выполнения диссертационной работы решена задача разработки методологии исследования и алгоритмов для моделирования работы поточных линий прядильного производства с точки зрения его надежности и влияния этой надежности на стабильность производственных процессов. В работе впервые:

1. разработаны алгоритмы моделирования работы поточных линий;

2. создана компьютерная модель имитации работы поточных линий для анализа их стабильности по производительности;

3. предложены и обоснованы методики планирования, проведения и обработки результатов компьютерных экспериментов для исследования производственной стабильности;

4. с помощью построенной компьютерной модели и выполненных с ней экспериментов установлены основные факторы, влияющие на колебания производительное™. ( Практическая значимость и реализация результатов работы

1. Разработана и программно реализована автоматизированная система моделирования надежности и стабильности поточных линий;

2 Получены оценки основных надежностных показателей для ряда существующих и перспективных схем поточных линий хлопкопрядильного производства, позволяющие прогнозировать и сравнивать между собой стабильность работы этих линий;

3. Предложены критерии стабильности поточных линий по производительности, которые были использованы при сравнении различных схем поточных линий;

4. Разработанные алгоритмы моделирования, методики исследования и показатели надежности могут быть применены: при проектировании новых поточных линий; при оценке эффективности существующих поточных линий и выборе способов их модернизации; при анализе источников нестабильности работы поточных линий.

Разработанная на основе построенных в диссертационной работе алгоритмов программная система является удобным и доступным инструментом для квалифицированного пользователя при решении поставленных задач.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Всероссийской научной конференции "Информационные технологии в образовательной, научной и управленческой деятельности" (Инфотекстиль - 2004); на Всероссийской научно-технической конференции "Текстиль 2004"; на межвузовской научно-технической конференции в ИГТА, 2004г.; на 60-й Юбилейной научной сессии Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А С. Попова, посвященной Дню Радио 2005г.

Разработки, выполненные в диссертации, использованы в ООО "Русин-текс" при оценке стабильности производственного оборудования с учетом его выхода из строя и износа и в учебном процессе МГТУ имени А.Н. Косыгина при изучении курсов "Математические методы обработки данных", "Моделирование систем", "Методы прикладного моделирования", а также при выполнении курсового и дипломного проектирования. Публикации.

По результатам работы опубликовано 6 работ и получено Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 4702 "Система моделирования поточных линий прядильного производства".

Объем работы.

Работа состоит из введения и четырех глав с выводами, общих выводов, списка литературы, включающего 70 наименований и 5-ти приложений. Работа изложена на 197 страницах печатного текста, в том числе текст без приложений на 150 страницах, материал иллюстрирован 33 таблицами и 73 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследований, указываются цель и задачи диссертационной работы, приводятся основные этапы решения поставленной задачи, перечисляются наиболее существенные результаты исследований.

В первой главе рассматриваются вопросы, связанные с особенностями проектирования поточных линий прядильного производства, осуществляется анализ структуры существующих поточных линий, исследуются вопросы оценки надежности и стабильности поточных линий по производительности, приведены существующие методы моделирования систем, обоснован выбор метода имитационного статистического моделирования для решения поставленной задачи исследования.

Изучение литературных источников, посвященных вопросам построения автоматических и автоматизированных поточных линий, показывает, что обеспечение надежности работы создаваемой поточной пинии при ее проектировании является первоочередной задачей. При этом решать вопросы построения надежных поточных линий необходимо, учитывая следующие условия и ограничения:

1. Требования к надежности отдельных машин поточной линии;

2. Особенности технологии получения продукта производства;

3. Требования к показателям стабильности и точности технологических процессов;

4. Особенности организации технологических и производственных процессов и их эффективности.

Стабильность и точность технологических процессов определяется, как способность поточных линий обеспечивать на своем выходе заданный уровень производительности с минимальными вариациями при требуемом качестве производимого продукта

Аналитические методы для решения задач прогнозирования надежности

и стабильности работы поточных линий являются в целом непригодными, поскольку не позволяют провести расчет надежности для столь сложных систем. Наиболее эффективным является метод имитационного статистического моделирования.

Основанием для этого выбора явились следующие причины:

1. Значительная сложность и практическая невозможность применения аналитических методов для оценки надежности АЛЛ;

2. Необходимость оценки надежности и стабильности работы АЛЛ на стадии предпроектных и проектных исследований;

3. Невозможность проведения натурных экспериментов с различными вариантами АЛЛ в течение длительных промежутков времени;

4. Разнообразие технологических схем АПЛ;

5. Необходимость оперативной оценки надежное™ и стабильности работа различных вариантов технологической схемы АПЛ.

Во второй главе приведены разработанные алгоритмы моделирования, выполнена верификация построенной базовой компьютерной модели с помощью марковской модели, предложены модификации алгоритмов моделирования поточных линий с учетом износа технологического оборудования.

Компьютерные модели позволили изучать влияние надежности отдельных машин, составляющих технологическую цепочку, структуры поточной линии, износа оборудования, законов распределения интервалов времени наработки на отказ и восстановления на колебания производительности всей системы. Основу моделей составляют алгоригмы моделирования различных поточных линий.

Основной моделирующий алгоритм имеет вид .

1. Задание начальных параметров: Tmod, Gmm„ tf, t'\

V = p,f, = 0,b, = 0.

2. Определение максимальной производительности системы Gmm.

3. /"= 0, где i =0,...,(#-1).

4. Генерация интервала до ближайшего события lt и определение ближайшего события для каждой машины /"= t,. К п.6.

5. Генерация интервала t„,„ до ближайшего события и определение Г =Г +t .

min nun mm

6. Поиск ближайшего события = шт(1,"}.

7. Изменение системного времени = О )•

8. Идентификация события, которое произошло с машиной.

9. Анализ события (изменение производительности поточной линии).

. Расчет О, и О".

10. Если системное время > Т^, то к п. 11. Иначе к п. 5.

11 .Конец алгоритма.

Здесь: - системное время; Тт011 - время моделирования; N - число машин; й, - текущая производительность всей системы.

Также для моделирования работы машин использованы следующие обозначения- 0„0,„, - номинальная производительность /-той машины; - среднее время наработки на отказ для /-той машины; - среднее время ремонта для /той машины; - время очередного события для /-той машины; б" - текущая производительность /-той машины; / - флаг состояния /-той машины (0 - работает, 1 - вышла из строя, 2 - выключена); Ь, - число выходов из строя /-той машины.

Приведенный алгоритм представляет общую схему моделирования любой поточной линии хлопкопрядильного производства, имеющей параллельно-последовательную структуру.

Рис. 1. Модель поточной линии. На рис. 1 приведена схема основной моделируемой поточной линии. Здесь машины: 0 - кипный питатель для химического волокна, 1,.. кипные питатели для хлопка, (Мк+1),..., - цепочка очистителей, N^+N<,+1 - сме-

совая машина, (Ык+Ы0+2),... ,(N-1) - кардочесальные машины (ЭД, - число очистителей в очистительной цепочке).

Для такой поточной линии моделирование событий осуществляется следующим алгоритмом:

1. Определение числа вышедших из строя кардочесальных машин (№ь).

2. Если N1 = или 1, то С, = 0 и к п.16.

3. /оч = 0.

4. Проверка работоспособности последовательной цепочки очистителей

5. Если хотя бы один из очистителей вышел из строя, то флаг/ч = 1.

6. Если /ч = 1 и/о - 1, то О, = 0 и к п.16

7. Определение числа вышедших из строя кипных питателей

8. Если = Ик и/о = 1, то в, = 0 и к п. 16.

9. Если Икь Ф Ык и/ч Ф 1, к п.10. Иначе к п.11.

10.Если/ = 2, то/ = 0, /= 0,..., (Ы -1). К п. 12.

11 .Если/ = 2, то/ = 0, /= + N. +1),..-1). 12.0пределение С,.

13.Если Л^ = Л/* и/в = 0, то в" -- и к п. 15.

14.Распределение производительности С, по кипным питателям 1,...,%

15.Распределение производительности О, по кардочесальным машинам.

16.Конец алгоритма.

В данном случае блоки 1,...,(К|(+Ыи) могут быть выделены в подсистему. Это необходимо для определения максимально возможной и текущей производительности всей поточной линии.

Текущая производительность поточной линии равна нулю в трех случаях:

1. вышеуказанная подсистема вышла из строя и кипный питатель для химического волокна неисправен;

2. неисправна смесовая машина;

3. неисправны все кардочесальные машины.

Определение максимальной производительности для поточной линии, приведенной на рис. 1, осуществляется следующим алгоритмом:

1. Определение максимально возможной производительности кипных питателей 1,...,Ык (б^).

2 Определение максимально возможной производительности подсистемы =

3. Определение максимально возможной производи! ельности чесальных машин (б^).

4. Определение максимально возможной производительности подсистемы и кипного питателя для химического волокна (С,^1+0^).

5. - тт{ОГ- + О^О^Щ + Мо +1 ),0'ж).

6. Конец алгоритма.

Здесь Ст% - максимальная производительность цепочки очистителей, которая определяется как минимальная из номинальных производительностей входящих в нее очистителей.

Определение текущей производительности О, для моделируемой поточной линии, если система работает (б, > 0), выполняется следующим алгоритмом:

1. Определение числа работающих кипных питателей 1,.. (ккор) и суммы их номинальных производительностей (О^).

2. Определение числа работающих чесальных машин (ксор) и суммы их номинальных производительностей

3. Если ** = 0 или/„ = 1,/ = 2 (/ = + Ио),1 * 1). Иначе к п.8.

4. = +

5. Если <7, > Отхстт, О, =

6. Еслио;<с„а;=(1+<)с;.

7. Если а; <в„ а, =с;. Иначе о; =о,. к п. 14.

8. Определение максимально возможной на данный момент производительность подсистемы С™1"":

8.1. О^лш^), у = + *.);

8.2. =

8.3. Если С*"* > - С^, = - ;

8.4. Если о; с; =(1 + с,*)о;;

8.5. Если Gl < G;r\ с;;- = Окщ . Иначе C/f = G^.

9. Если/0 = 0, то G™'- = G^'+G)Jom0.

10. G, = mmlG^GJJV, + JV. +1)}. 11 EoihG,>G_, G,=G_.

12. Если G; <G,, G; = (I + c;)G;.

13.Если G;<G,, G, =G;.Иначе G^-G,.K n.14.

14.Конец алгоритма.

В случае учета старения оборудования основной моделирующий алгоритм дополняется после п.9 блоком изменения tf:

'= 0) • • •. (^V -1); если/ = 0, /,' =

(1 +

гДе Ра ~ процент старения оборудования.

В третьей главе приводится методика исследования и результаты экспериментов с компьютерными моделями, оценивается влияние различных факторов на колебания производительности поточных линий.

Все эксперименты разделены на 5 групп: 1) влияние структуры поточной линии; 2) влияние надежности отдельных машин; 3) влияние резервов запасов; 4) влияние законов распределения интервалов времени наработки на отказ и интервалов времени восстановления; 5) влияние износа оборудования.

О, 964'/

2 3 4

ЧМОЯО 0ЧЯ09Я9*ЛЯй ;

50.0 40,0 * SO,О fc 20,0 10,0 0,0

О,9546

3 4

чмало ощшащягтлтя

Рис. 2 - Изменение характеристик поточной линии при изменении числа очистителей/рыхлителей в последовательной цепочке.

Выявлено влияние числа машин в последовательной технологической цепочке на среднюю производительность поточной линии На рис. 2. представлены зависимости средней производительности поточной линии и коэффициента вариации по производительности от числа очистит елей/рыхлителей Уменьше-

ние производительности поточной линии с увеличением длины последовательной цепочки не является очень значимым

Эрлаига якслонвнц. Су-50»

закон распределения

Рис. 3 - Зависимость средней производительности от закона распределения интервалов времени наработки на отказ и времени восстановления.

Значительное увеличение средней производительности наблюдается при использовании в качестве закона распределения интервалов времени наработки на отказ и времени восстановления законов, отличных от экспоненциального (равномерного или закона Эрланга с коэффициентами вариации по времени 25% и 50%). Диаграмма изменения производительности поточной линии представлена на рис.3.

Рис. 4. Изменение средней производительности поточной линии при увеличении резерва запаса.

Установлена существенная зависимость частоты изменения состояний системы от размера резерва запасов по производительности. С увеличением возможности превышения номинальной производительности для параллельных машин с 0% до 50% частота изменения состояний уменьшается в 9,5-10,25 раз. Зависимости частоты изменения состояний и производительности поточной линии (с интервалом ±сг0) от размера резерва запасов приведены на рис.4. Увеличение вероятности выхода из строя при превышении номинальной производительности параллельных машин не учитывается (графики слева) и учитывается (графики справа).

0,9856

.« 32,0

Рис. 5. Изменение характеристик поточной линии при увеличении процента

старения оборудования. Результаты исследования влияния процесса старения на стабильность работы поточной линии приведены на рис.5.

В четвертой шанс спроектирована сгруктура программного комплекса для моделирования работы поточных линии хлопкопрядильного производства, структура данных для хранения характеристик технологических машин, состава поточных линий и результатов моделирования, перечислены основные задачи, решаемые с его помощью, описана работа с программой

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. В результате выполнения научных исследований решена важная научно-техническая задача разработки методологии и комплекса алгоритмов для моделирования наиболее распространенных технологических схем прядильного производства с точки зрения его надежности и влияния этой надежности на стабильность процессов Создана автоматизированная система моделирования "Технологическое оборудование и система управления", которая позволяет повысить эффективность проектирования технологических систем и выбирать более рациональные режимы для уже существующих технологических систем.

2. На основании анализа структуры поточных линий прядильного производства разработаны алгоритмы компьютерного моделирования для исследования стабильности поточных линий по производительности.

3. Разработанные алгоритмы позволяют оценивать надежность отдельных машин и поточной линии в целом с точки зрения колебаний производительности, а также числа сбоев системы. При этом учитываются надежностные характеристики отдельных машин, составляющих технологическую цепочку: номинальные и максимальные производительности, среднее время наработки на отказ и среднее время ремонта, а также законы распределения времени наработки на отказ и времени ремонта.

4. Построенные алгоритмы моделирования обеспечивают возможность получения большого числа выходных характеристик работы системы: среднюю О, максимальную и минимальную С^ производительности поточной линии, коэффициент вариации по производительности Ос, относительное отклонение реальной производительности от максимально возможной АО, среднее число к, изменения состояний поточной линии, отнесенное ко времени моделирования. Широкий спектр выходных данных позволяет в достаточной мере характеризовать стабильность работы поточных линий.

5. Для проверки правильности построенных алгоритмов моделирования произведено сравнение результатов моделирования с аналитическими решениями. Установлено, что различие результатов лежит в пределах статистической погрешности, что позволяет считать компьютерную модель адекватной и использовать ее для исследования систем.

6. Эксперименты с разработанными моделями показали малые затраты времени на моделирование, что подтверждает эффективность использования методов компьютерной статистической имитации поточных линий.

7. Установлена зависимость надежности и стабильности работы поточных линий от их структуры и производительности отдельных блоков. С уменьшением числа переходов с 6-ти до 3-х производительность поточной линии увеличивается на 12%. Увеличение числа параллельных элементов не гарантирует повышения средней производительности всей поточной линии.

8. Если распределения времен наработки на отказ и восстановления отличны от показательного, то средняя производительность поточных линий

увеличивается на 10-11%. При этом частота изменения состояний системы уменьшается примерно в 8 раз.

9. Наблюдается существенная зависимость частоты изменения состояний поточной линии от запасов производительности отдельных машин. С увеличением запаса для параллельно работающих машин с 0% до 50% частота изменения состояний линии уменьшается в 10 раз. При этом производительность поточной линии заметно возрастает, только если вероятность выхода из строя машины не зависит от загруженности этой машины.

10. На основе разработанных алгоритмов и моделей создан моделирующий программный комплекс, позволяющий выполнять все функции, связанные с проектированием новых и оптимизацией существующих поточных линий.

11. В составе моделирующего комплекса разработана структура и программно реализована база данных для хранения информации по исследованным вариантам поточных линий и результатам моделирования. Предусмотрена возможность варьирования структуры исследуемой поточной линии, механизм управления параметрами технологических машин и режимами моделирования, модуль управления экспериментами, графические средства просмотра и анализа результатов. Моделирующий комплекс прошел проверку и отладку и зарегистрирован в Отраслевом фоцде алгоритмов и программ, per. №4702.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Забродин Д.А. Исследование надежности и стабильности производственных систем методами компьютерного моделирования. Тезисы доклада на Всероссийской научной конференции "Информационные технологии в образовательной, научной и управленческой деятельности (Инфотекстиль 2004)" - Москва, МГТУ имени А Н. Косыгина, 2004 - с.69.

2. Забродин Д.А., Севостьянов П.А. Исследование влияния структуры и некоторых параметров поточных линий на стабильность их работы методами компьютерного моделирования. Тезисы доклада на Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль 2004)" - Москва, МГТУ имени А.Н. Косыгина, 2004 - с.235.

16

№25921

3. Забродин Д.А. Применение мет надежности систем хлопкопряди межвузовской научно-техническ« витию текстильной и легкой прс во, ИГТА, 2004 - с.275.

4. Забродин Д.А., Севостьянов П.А

ности поточных линий по произ

логия текстильной промышленное™ ляо, ¿им, с. izt-izo.

5. Забродин Д А., Севостьянов П.А. Исследование производственной стабильности и надежности автоматизированных поточных линий хлопкопрядильного производства методами компьютерного моделирования. //Доклад на 60-й научной сессии РНТОРЭС им. A.C. Попова, посвященной Дню Радио. Выпуск: LX-1. - Москва, 2005. ,

6. Забродин Д.А. Система моделирования поточных линий прядильного производства. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 4702 в отраслевом фонде алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий.

7. Забродин Д.А., Севостьянов П.А. Компьютерный анализ стабильности поточных линий по производительности при вариациях их параметров и структуры. Сборник научных трудов аспирантов, вып. №10 - М.: МГТУ имени А.Н. Косыгина, 2005 - с.43-48.

Подписано в печать 19.01.06 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печл. 1,0 Заказ 23 Тираж 80 МГТУ им. А.Н. Косыгина, 119071, Москва, ул. Малая Калужская, 1

Введение.

Глава 1. Стабильность производственных систем и методы ее исследования.

1.1. Поточные линии прядильного производства и особенности их проектирования.

1.2. Анализ структуры некоторых поточных линий хлопкопрядильного производства.

1.3. Исследование причин нестабильности работы поточных линий

1.4. Методы исследования и обеспечения надежности технологического оборудования.

1.5. Основные методы моделирования систем.

1.6. Методы исследования надежности и стабильности работы автоматических поточных линий.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Алгоритмы моделирования надежности поточных линий хлопкопрядильного производства.

2.1. Марковская модель поточной линии.

2.2. Алгоритмы моделирования поточных линий.

2.3. Верификация компьютерной модели.

2.4. Учет старения оборудования при моделировании поточных линий

Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование влияния надежностных характеристик оборудования на производственную стабильность поточных линий.

3.1. Выбор показателей оценки влияния факторов.

3.2. Исследование влияния структуры поточной линии на ее производительность.

3.3. Исследование влияния надежности отдельных машин на надежность всей поточной линии.

3.4. Исследование влияния резервов запасов на производительность поточной линии.

3.5. Исследование влияния законов распределения времени наработки на отказ и времени восстановления на производительность поточной линии.

3.6. Исследование влияния износа оборудования на производительность * поточной линии.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Разработка автоматизированного программного комплекса для моделирования поточных линий.

4.1. Средства и возможности автоматизированного комплекса.

4.2. Структура данных.

4.3. Структура программного комплекса.

4.4. Работа с программным комплексом.

4.4.1. Запуск программного комплекса.

4.4.2. Выбор поточной линии.

4.4.3. Задание параметров моделирования.

4.4.4. Изменение структуры поточной линии.

4.4.5. Изменение характеристик машин.

4.4.6. Просмотр результатов моделирования.

4.4.7. Проведение экспериментов.

Выводы но главе 4.

В течение уже нескольких десятилетий в хлопкопрядильном производстве всех ведущих стран в области текстильной промышленности, в том числе и России, используются автоматизированные поточные линии, которые предусматривают объединение нескольких машин нескольких переходов прядильного производства в единую поточную линию, управляемую автоматизированным центром, что позволяет повысить производительность и обеспечить более высокое качество продукции [56].

Актуальность темы. Основное направление развития техники и технологии прядильных производств во всем мире и для всех видов волокон ориентировано на максимальную автоматизацию этих производств. Это означает, что современные прядильные производства организуются так, чтобы максимально исключить малопроизводительный человеческий труд, сократить запасы полуфабриката между переходами, создать полностью автоматизированные и управляемые технологические цепочки от распаковки кип до отгрузки пряжи. При такой высокой насыщенности производства техническими средствами - как технологическим оборудованием, так и системами управления - на первое место при проектировании производства выходит задача прогнозирования надежности подобных систем. В отличие от классических надежностных задач, в рассматриваемом случае отказы или сбои в работе элементов не выводят систему из строя, а отражаются на стабильности технологического процесса.

Бесперебойная и стабильная работа поточных линий играет важнейшую роль для всего производства в целом вследствие высокой производительности машин линии и непрерывности процессов. Поэтому задача прогнозирования стабильности поточных линий по производительности и исследование влияния на этот показатель структуры и параметров поточных линий имеет важнейшее практическое значение как при эксплуатации существующих, так и при проектировании новых поточных линий.

Учитывая развитие вычислительной техники и повсеместное проникновение информационных технологий, в том числе и в отрасли текстильной промышленности, использование таких технологий является перспективным.

Целью данной диссертационной работы является разработка методологии и комплекса алгоритмов для моделирования наиболее распространенных технологических схем прядильного производства с точки зрения его надежности и влияния этой надежности на стабильность процессов. Предполагается разработать автоматизированную систему моделирования "Технологическое оборудование и система управления", которая позволит повысить эффективность проектирования технологических систем и выбирать более рациональные режимы для уже существующих технологических систем. Процесс решения этой задачи включает следующие этапы:

- анализ существующих методов исследования стабильности производственных систем;

- разработку компьютерной модели поточных линий, включая алгоритмы моделирования;

- проведение компьютерных экспериментов с моделью для исследования влияния структуры, резервов запасов, законов распределения времени сбоев и восстановлений, старения оборудования на общую производительность поточных линий;

- разработку структуры программного комплекса для проектирования и моделирования различных поточных линий.

Предмет исследования. Объектом исследования являются автоматические поточные линии прядильных производств и стабильность их работы по производительности.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы теории вероятностей и вероятностных марковских процессов, методы математической теории надежности, метод статистического компьютерного моделирования, методы математической статистики, методы компьютерной обработки информации с использованием баз данных, компьютерной графики, методы создания графических интерфейсов и программных комплексов.

Научная новизна работы. В результате выполнения диссертационной работы решена задача разработки методологии исследования и алгоритмов для моделирования работы поточных линий прядильного производства с точки зрения его надежности и влияния этой надежности па стабильность производственных процессов. В работе впервые:

1. разработаны алгоритмы моделирования работы поточных линий;

2. создана компьютерная модель имитации работы поточных линий для анализа их стабильности но производительности;

3. предложены и обоснованы методики планирования, проведения и обработки результатов компьютерных экспериментов для исследования производственной стабильности;

4. с помощью построенной компьютерной модели и выполненных с ней экспериментов установлены основные факторы, влияющие па колебания производительности.

Практическая значимость п реализация результатов работы.

1. Разработана п программно реализована автоматизированная система моделирования надежности н стабильности поточных липни;

2. Получены оценки основных надежностных показателен для ряда существующих и перспективных схем поточных линии хлопкопрядильного производства, позволяющие прогнозировать н сравнивать между собой стабильность работы этих липни;

3. Предложены критерии стабильности моточных линии но производительности, которые были использованы при сравнении различных схем поточных линии;

4. Разработанные алгоритмы моделирования, методики исследования и показатели надежности могут быть применены:

- при проектировании новых поточных линий;

- при оценке эффективности существующих поточных линий и выборе способов их модернизации;

- при анализе источников нестабильности работы поточных линий. Разработанная на основе построенных в диссертационной работе алгоритмов программная система является удобным и доступным инструментом для квалифицированного пользователя при решении поставленных задач.

Разработки, выполненные в диссертации, использованы в ООО "РУСИНТЕКС" при оценке стабильности производственного оборудования с учетом его выхода из строя и износа, для прогнозирования колебаний производительности технологических цепочек, а также в учебном процессе МГТУ имени A.M. Косыгина при изучении курсов "Математические методы обработки данных", "Моделирование систем", "Методы прикладного моделирования", при выполнении курсового и дипломного проектирования.

Общие выводы

1. В результате выполнения научных исследований решена важная научно-техническая задача разработки методологии и комплекса алгоритмов для моделирования наиболее распространенных технологических схем прядильного производства с точки зрения его надежности и влияния этой надежности на стабильность процессов. Создана автоматизированная система моделирования "Технологическое оборудование и система управления", которая позволяет повысить эффективность проектирования технологических систем и выбирать более рациональные режимы для уже существующих технологических систем.

2. На основании анализа структуры поточных линий прядильного производства разработаны алгоритмы компьютерного моделирования для исследования стабильности поточных линий по производительности.

3. Разработанные алгоритмы позволяют оценивать надежность отдельных машин и поточной линии в целом с точки зрения колебаний производительности, а также числа сбоев системы. При этом учитываются надежностные характеристики отдельных машин, составляющих технологическую цепочку: номинальные и максимальные производительности, среднее время наработки на отказ и среднее время ремонта, а также законы распределения времени наработки на отказ и времени ремонта.

4. Построенные алгоритмы моделирования обеспечивают возможность получения большого числа выходных характеристик работы системы: среднюю G, максимальную GmM и минимальную Gmin производительности поточной линии, коэффициент вариации по производительности CvG, относительное отклонение реальной производительности от максимально возможной AG, среднее число kt изменения состояний поточной линии, отнесенное ко времени моделирования. Широкий спектр выходных данных позволяет в достаточной мере характеризовать стабильность работы поточных линий.

5. Для проверки правильности построенных алгоритмов моделирования произведено сравнение результатов моделирования с аналитическими решениями. Установлено, что различие результатов лежит в пределах статистической погрешности, что позволяет считать компьютерную модель адекватной и использовать ее для исследования систем.

6. Эксперименты с разработанными моделями показали малые затраты времени на моделирование, что подтверждает эффективность использования методов компьютерной статистической имитации поточных линий.

7. Установлена зависимость надежности и стабильности работы поточных линий от их структуры и производительности отдельных машин. С уменьшением числа переходов с 6-ти до 3-х производительность поточной линии увеличивается на 12%. Увеличение числа параллельных элементов не гарантирует повышения средней производительности всей поточной линии.

8. Если распределения времен наработки на отказ и восстановления отличны от показательного, то средняя производительность поточных линий увеличивается на 10-11%. При этом частота изменения состояний системы уменьшается примерно в 8 раз.

9. Наблюдается существенная зависимость частоты изменения состояний поточной линии от запасов производительности отдельных машин. С увеличением запаса для параллельно работающих машин с 0% до 50% частота изменения состояний линии уменьшается в 10 раз. При этом производительность поточной линии заметно возрастает, только если вероятность выхода из строя машины не зависит от загруженности этой машины.

10. На основе разработанных алгоритмов и моделей создан моделирующий программный комплекс, позволяющий выполнять все функции, связанные с проектированием новых и оптимизацией существующих иоточных линий.

II. В составе моделирующего комплекса разработана структура и программно реализована база данных для хранения информации по исследованным вариантам поточных линий и результатам моделирования. Предусмотрена возможность варьирования структуры исследуемой поточной линии, механизм управления параметрами технологических машин и режимами моделирования, модуль управления экспериментами, графические средства просмотра и анализа результатов. Моделирующий комплекс прошел проверку и отладку и зарегистрирован в Отраслевом фонде алгоритмов и программ, per. №4702.

1. Бондаренко Д.А. Новое в технике и технологии прядильного производства. -М.: ВИПКлегпром, 1986. - 52с.

2. Будников В.И., Раков А.П., Терюшнов А.В. Прядение хлопка (часть первая). -М.: Ростехиздат, 1962. -436с.

3. Будников В.И., Раков А.П., Терюшнов А.В. Прядение хлопка (часть вторая). М.: Ростехиздат, 1963. - 396с.

4. Гончаров В.Г., Усенко Б.В., Палютин П.П. Агрегирование машин в поточные линии в хлопкопрядильном производстве. Обзор. М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1975. -39с.

5. Волчкевич JI.H. и др. Автоматы и автоматические линии. Часть 1. Основы проектирования. М.: Высшая школа, 1976. - 229с.

6. Кузнецов М.М. и др. Автоматизация производственных процессов. -М.: Высшая школа, 1978. -431с.

7. Шаумян Г.А. Автоматы и автоматические линии. -М.: Машгиз, 1961.

8. Шаумян Г.А., Кузнецов М.М., Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов. -М.: Высшая школа, 1967. -471с.

9. Ушакова H.J1., Авроров В.А. Системный анализ технологических средств машин прядильного производства // Прогрессивная техника и технология прядильного производства. Межвуз. сб. науч. тр. Иваново: ИГТА, 1995. - с.85-88.

10. Ю.Ушакова H.JI. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Иваново: ИГТА, 1999.

11. П.Севостьянов А.Г. Составление смесок и смешивание в хлопкопрядильном производстве. -М.: Гизлегпром, 1954. 192с.

12. Жоховский В.В., Осьмин Н.А. Приготовительно-прядильное оборудование. ИНТ "Машины и оборудование для текстильной промышленности", т.5., 1983.-216с.

13. Временное положение о службах надежности на предприятиях и в организациях. Минлегпищемаш, 1966.

14. М.Гнеденко Б.В., Беляев Б.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965. 524с.

15. Проников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1969. -591с.

16. Райкин АЛ. Элементы теории надежности технических систем. М.: Советское радио, 1978. - 280с.

17. П.Глазунов Л.П., Грабовецкий В.П., Щербаков О.В. Основы теории надежности автоматических систем управления Ленинград: Энерго-атомиздат, 1984. - 208с.

18. Ушаков И.А. Построение высоконадежных систем. М.: Знание, 1974.

19. Барлоу Р., Прошан Ф. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность. М.: Наука, 1985. 327с.

20. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. М.: Мир, 1980.-604с.

21. Диллон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем. -М.: Мир, 1984. 318с.

22. Логинов А.В. Оптимизация технологической схемы автоматичекой однопереходной системы прядения хлопка методами статистческой имитации. Дисс. . канд. техн. наук. -М.: МТИ, 1988.

23. Худых М.И. Эксплутационная надежность и долговечность оборудования текстильных предприятий. М.: Легкая индустрия, 1980. - 334с.

24. Беленький С.И. Повышение надежности текстильного оборудования. М.: Легкая индустрия, 1969. - 524с.

25. Пирогов К.М., Вяткин Б.А. Основы надежности текстильных машин. -М.: Легпромбытиздат, 1985. 256с.

26. Соболев М.Г. Износ, амортизация и восстановление текстильного оборудования. М.: Легкая индустрия, 1976. - 215с.

27. Вяткин Б.А. Исследование надежности ткацких станков. Известия вузов. Технология текстильной промышленности, 1974, №2, с.67-71.

28. Миронов А.В. Влияние повышения надежности чесального оборудования на увеличение выпуска полуфабрикатов и экономию материальных ресурсов. /Проблемы экономии материальных и трудовых ресурсов в текстильной и швейной промышленности. Иваново: 1986, с.57-61.

29. Войнов К.Н. Прогнозирование надежности механических систем. JI.: Машиностроение, 1978. - 208с.

30. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем М.: Высшая школа, 1998.-320с.

31. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем Искусство и паука. - М.: Мир, 1978.-418с.

32. Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Статистическое моделирование. М.: Наука, 1982-296с.

33. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978. -399с.

34. Бусленко Н. П., Калашников В.В., Коваленко И. Н. Лекции но теории сложных систем. М.: 1973 439с.

35. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1997 - 238с.

36. Горский Л.К. Статистические алгоритмы исследования надежности. -М.: Наука, 1970.-400с.

37. Севостьянов П.А. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МТИ, 1985.

38. Севостьянов А.Г., Севостьянов П.А. Моделирование технологических процессов (в текстильной промышленности): Учебник для вузов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 344с.

39. Ваганов Ю.С. Имитационная модель поточной линии хлопкопрядения "кипа-чесальная лента". Тезисы докладов ВНТК "Бернадосовские чтения". - Иваново: 1983.

40. Грачев А.В. Имитационное моделирование разрыва волокон в прядении.-М.: МТИ, 1987.- 19с.

41. Гусев В.В., Сахшок М.А. Сущность имитационного моделирования сложных систем. Киев: 1972. - 18с.

42. Ушакова И.Л. Проектирование структуры автоматизированной поточной линии. Иваново: 2001, №6, с.80-83.

43. Лычкина Н.Н. Современные тенденции в имитационном моделировании. Вестник университета, серия Информационные системы управления №2 -М.: ГУУ, 2000.

44. Надежность технических систем: Справочник / Беляев Ю.К. и др.; под ред. И.А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985.

45. Официальный сайт фирмы Triitzschler http://www.truetzschler.de.

46. Кокс Д.Р., Оукс Д. Анализ данных типа времени жизни. М.: Финансы и статистика, 1988. 192 с.

47. Вептцель Е.С. Теория вероятностей: Учебник для вузов. 6-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 1999 - 576с.

48. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методология. 2-е изд., стер. - М.: Наука, 1988 - 206с.

49. Длин A.M. Математическая статистика в технике. 3-е изд., перераб. -М.: Сов. Наука, 1958.

50. Дунин Барковский И.В., Смирнов Н.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М., 1969.

51. Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Курс статистического моделирования. М.: Наука, 1976-319с.

52. Крамер Г. Математические методы статистики. М.: изд. и тип. Гос. изд. иностр. лит. Образцовая тип. им. Жданова, 1948 - 632с.

53. Забродин Д.А., Севостьянов П.А. Компьютерное моделирование стабильности поточных линий по производительности. // Известия вузов. Технология текстильной промышленности №6, 2004, с. 124-126.

54. Забродин Д.А. Система моделирования поточных линий прядильного производства. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 4702 в отраслевом фонде алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий.

55. Забродин Д.А., Севостьянов П.А. Компьютерный анализ стабильности поточных линий по производительности при вариациях их параметров и структуры. Сборник научных трудов аспирантов, вып. №10 М.: МГТУ имени А.Н. Косыгина, 2005 - с.43-48.

56. Нейлор Т. Машинные имитационные эксперименты с моделями экономических систем. М.: Мир, 1975. — 500с.

57. Лоу A.M., Кельтон В.Д. Имитационное моделирование. Классика CS. СПб, М., Киев: Изд. Группа BHV, 2004. 847с.

58. Голинкевич Т.А. Прикладная теория надежности: Учебник для вузов по спец. "Автоматизированные системы управления". 2-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985 - 168с.

59. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных производственных систем. -4-е изд., перераб.и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1986.

60. Kontinuierlich arbeitende spinnereivorbereitungsau lage mit Mikroprozes-sortenerungs und Regelsystem. "Text. - Prax. int.", 1983, 38, N9, 916917.

61. ASTM, Standard Test Method for Spinning Tests on the Cotton System for Measurement of Spinning Performance, in Annual Book of ASTM Standards, 1991.

62. Close C.M. and Frederick D.K. Modeling and Analysis of Dynamic Systems, Houghton Mifflin Company, NJ, 1978.

63. Schneider H.H. Predicting Processing Characteristics of Cotton and Yam Properties, Melliand Textilber, Int. Textile, 1996.

64. Hirano O. and Sawada H., New Spinning Machine (MVS 810), J. Textile Mach. Soc. Jpn. 53, 30-33 2000.1. Приложен

65. УТВЕРЖДАЮ" Проректор по учебной работе

66. Московского государственного1. АКТо внедрении результатов научных исследований в учебный процесс

67. Зав. кафедрой ИТ и ВТ им. А.Н. Косыгинад.т.н., проф.С

68. Ученый секретарь кафедры ИТ и ВТ к.т.н., проф.1. П.А. Севостьянов1. A.M. Иваново результатах эксплуатации автоматизированного моделирующего программного комплекса «Система моделирования поточных линий прядильного производства»

69. Исполнитель работы, аспирант.1. Забродин Д.А.

70. ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮгосударственный координационный центр информационных технологий

71. ОТРАСЛЕВОЙ ФОНД АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ1. Р EFмет4702 ,;.

72. Настоящее свидетельство выдано на разработку:

73. Система моделирования поточных линий прядильного производствазарегистрированную в Отраслевом фонде алгоритмов и программ. Дата регистрации: 28 апреля 2005 года Автор: Забродин Д.А.

74. Организация-разработчик:Московский государственный текстильныйуниверситет имени А.Н, Косыгина1. Директор Е.Г. Калинкевич1. Руководитель ОФА1Х1. А.И.Галкнна1. Дата выдачи ОТ. Qg.rv