автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Повышение достоверности контроля технологических параметров и быстродействия информационно-измерительных систем прокатных станов

донецким государственный технический университет

Субботин Олег Владимирович

удк 681.518.3:621.771

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

Специальность 05.11.16 - информационно-измерительные системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Донецк-2000

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Донбасской государственной машиностроительной академии Министерства образования и науки Украины.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

I Саганда Иван Михайлович!, профессор кафедры автоматизации производственных процессов Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Болычевцев Алексей Дмитриевич, заведующий кафедры автоматики и радиоэлектроники Харьковского инженерно-педагогического института, г. Харьков;

кандидат технических наук Уваров Сергей Вильевич, директор АОЗТ «КАТРИС», г. Краматорск.

Ведущая организация: Национальный технический университет Украины

«КПИ» Министерства образования и науки Украины кафедра автоматизации экспериментальных исследований, г. Киев.

Защита состоится «10» октября 2000 г. в 14 час. на заседании специализированного ученого совета К 11.052.03 при Донецком государственном техническом университете по адресу: г. Донецк, ул. Артема, 58, корп. I, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донецкого государственного технического университета по адресу: г. Донецк, ул. Артема, 58, корп. 2.

Автореферат разослан «5 » сентября 2000 г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета К11.052.03

кандидат технических наук, доцент

К621~52'0%0

Мокрый Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рациональное использование металла и экономия ресурсов - важнейшие народнохозяйственные задачи. Их необходимо решать на всех этапах металлургического производства путем достоверного и оперативного контроля за ходом технологического процесса.

В Украине на 21 металлургическом предприятии функционирует более 20 прокатных станов, работа которых все еще связана со значительными материальными потерями. Расчеты показали, что потери металла при резке проката составляют 4...5% от общего количества прокатанного металла, что обусловлено инерционностью фотоэлектрических измерительных каналов обнаружения, быстродействие которых составляет 0.01...0.05 с. Это позволяет производить резку с точностью ±10 мм только при скорости до 2 м/с. В соответствии с современными требованиями к информационному обеспечению систем контроля технологических параметров прокатных станов, обусловленных значительным увеличением скоростей прокатки (более 20 м/с) и реза (более 2.8 м/с), быстродействие средств первичного контроля должно быть увеличено до 0.001 с (более чем в 10 раз). При этом точность реза увеличится до ±5 мм, что даст экономию 25...40 тыс. тонн металла в год на каждом стане. Более того, существующие фотоэлектрические измерительные преобразователи аналогового и импульсного типа при работе в условиях интенсивных оптических и электромагнитных помех, обеспечивая вероятность появления ошибки контроля на уровне 10"3, не отвечают в полной мере требованиям высокой помехозащищенности и достоверности формируемой информации. Это зачастую приводит к аварийным ситуациям в работе прокатного стана (забуривание, заклинивание слябов в исполнительных устройствах, поломка оборудования) и, как следствие, к значительным материальным потерям. В настоящее время, повышение достоверности контроля осуществляется путем повышения мощности сигнала или увеличением длины импульсной последовательности, что увеличивает энергозатраты и снижает быстродействие.

Эти обстоятельства предопределили первоочередное решение задач повышения достоверности измерительной информации и быстродействия информационно-измерительных систем (ИИС) контроля технологических параметров прокатных станов за счет применения системного подхода, включающего разработку методологических, структурно-алгоритмических и аппаратных средств повышения достоверности и быстродействия их измерительных каналов с целью повышения эффективности систем контроля и производительности прокатных станов.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертация выполнена согласно тематики научно-исследовательской работы, которая проводилась на кафедре «Автоматизация производственных процессов» ДГМА - «Исследование и разработка средств технической диагностики производственных процессов» (отчет о НИР/ДГМА; № ГР 019611024080), в которой автор принимал участие в разработке средств технической диагностики измерительных преобразователей.

Целью работы является повышение достоверности контроля технологических параметров путем кодирования и быстродействия ИИС за счет минимизации длины кода для повышения производительности прокатных станов.

Идея работы заключается в привлечении цифровых методов обработки оптических информационных сигналов для повышения достоверности контроля технологических параметров прокатки и увеличения быстродействия фотоэлектрических измерительных преобразователей, что повысит эффективность информационных систем, даст экономию ресурсов и материальных средств, например, за счет уменьшения отходов металла при резке проката.

Объектом исследования является ИИС стана горячей прокатки для организации технологической и транспортной автоматизации.

Для реализации идеи и достижения цели были поставлены и решены следующие основные задачи.

1. Исследовать существующие и разработать новые методы повышения достоверности измерительной информации с применением кодирования и цифровой фильтрации оптического сигнала.

2. Разработать оптимальную структуру кодовой последовательности сигналов в фотоэлектрическом измерительном преобразователе, обладающую высоким быстродействием и помехоустойчивостью.

3. Разработать оптимальную структуру фотоэлектрического измерительного преобразователя для обнаружения объекта любого теплового состояния в экстремальных условиях прокатного производства с высокой достоверностью и быстродействием.

4. Разработать модуль средств получения первичной информации для информационно-измерительной системы прокатного стана, повышающий быстродействие системы и достоверность контроля.

Методология и методы исследования. Достоверность и эффективность разработок на всех стадиях работы оценивалась на основе теоретических и экспериментальных исследований с использованием теории измерений и теории ошибок, статистических методов исследования процессов, теории информации и кодирования (в частности обнаружения сигналов), теории передачи и обработки цифровой информации и методов математического моделирования.

Научная новизна полученных результатов-.

1. Быстродействие преобразователя увеличивается более чем в 10 раз и соотношение сигнал-помеха в 1.5-2.3 раза по отношению к аналоговым и импульсным сигналам за счет применения цифровых методов обработки сигналов в фотоэлектрических измерительных преобразователях.

2. Разработана оптимальная структура цифровой кодоимпульсной последовательности сигналов, обладающая высокой реальной помехоустойчивостью и быстродействием при минимальной длине кода.

3. Разработана методика оценки достоверности приема оптических кодированных сигналов в фотоэлектрических измерительных преобразователях, что дает возможность оценить действие случайных оптических и электромагнитных помех на измерительные каналы ИИС.

4. Предложена оптимальная структура цифрового фотоэлектрического измерительного преобразователя с кодоимпульсной модуляцией оптического сигнала для автоматического получения измерительной информации для ИИС.

5. Разработана измерительная часть ИИС контроля технологических параметров прокатных станов на базе фотоэлектрического измерительного преобразователя

с цифровой фильтрацией кодоимпульсного оптического сигнала для обнаружения объектов любого теплового состояния.

Таким образом, научное значение заключается в разработке методов и алгоритмов повышения достоверности контроля технологических параметров и быстродействия измерительного преобразователя; структур универсальных дискретных фотоэлектрических преобразователей с возможностью исправления ошибок при приеме информации; в привлечении специальных критериев оценки достоверности получаемой первичной информации по величине энергетического отношения сигнал-помеха; в разработке оптимальной структуры дискретного сигнала, что в совокупности содействует дальнейшему развитию и росту эффективности ИИС контроля технологических параметров прокатных станов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: конкретным использованием математического аппарата, адекватностью разработанных моделей реальным процессам, что подтверждается достаточно хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (в пределах 11%).

Практическое' значение полученных результатов состоит в разработке методики расчета оптимальной структуры кодового сигнала, удовлетворяющего заданным требованиям помехозащищенности и быстродействия, методики расчета фотоэлектрического измерительного преобразователя с цифровой фильтрацией оптического кодоимпульсного сигнала, что в совокупности позволило повысить качественные показатели и реальную помехоустойчивость преобразователя при работе в экстремальных условиях прокатных цехов, макета цифрового фотоэлектрического преобразователя как первичного элемента ИИС.

Личный вклад. Автором лично разработаны модель и алгори£м функционирования дискретного фотоэлектрического преобразователя, методика определения оптимального веса и структуры кодового информационного сигнала для получения максимальной помехоустойчивости и быстродействия, методика оценки достоверности контроля применительно к цифровым сигналам, быстродействующий модуль средств получения первичной информации для ИИС контроля технологических параметров прокатного стана, спроектирован и исследован макет фотоэлектрического измерительного преобразователя с цифровой фильтрацией кодоимпульсного оптического сигнала.

Реализация работы. Основное содержание диссертационной работы составляют результаты исследований, которые проводились на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Донбасской Государственной Машиностроительной Академии за период с 1995 по 2000 год. В работе также использованы результаты исследований, полученные на этой кафедре ранее.

Основные научные положения, методика и рекомендации по выбору оптимальных параметров и характеристик цифровых измерительных преобразователей с целью повышения достоверности и быстродействия контроля используются в ОАО НИИПТмаш (г. Краматорск) и внедрены на харьковском АО «АВТРАМАТ».

Методика построения и исследования моделей систем контроля на ЭВМ применяется на практических занятиях, при дипломном и курсовом проектировании. Основные научные положения, методы и алгоритмы построения фотоэлектронных устройств используются в соответствующих курсах лекций (электроника и микро-

схемотехника, конструирование и монтаж систем управления, технология измерений и приборы).

Апробация. Основные разделы диссертационной работы прошли апробацию на 5-ти научно-технических конференциях:

- на межвузовской научно-технической конференции «Новые экономические отношения и кадровое обеспечение производства» (г. Краматорск, 1996 г.);

- на межвузовской республиканской научно-технической конференции «Кадровое обеспечение производства в условиях рынка (проблемы организации и содержания подготовки специалистов)» (г. Краматорск, 1997 г.);

- на всеукраинской научно-технической конференции «Перспективные технологии и оборудование обработки давлением в металлургии и машиностроении» (г. Краматорск, 1998 г.);

- на первой международной конференции «Наука 1 освгга "98» (Днепропетровск-Одесса-Харьков-Запорожье, 1998 г.);

- на международной научно-технической конференции «Проблемы и практика управления в экономических системах» (г. Краматорск,1998 г.);

Публикации. Основные положения и результаты исследований изложены в 11 печатных работах, в том числе 6 статей в фаховых изданиях Украины. Получен один патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений. Работа содержит 166 страниц основного текста, в том числе 5 Таблиц, 41 рисунок, список использованых источников из 116 наименований, а также 6 приложений на 50 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ . Во введении обоснована актуальность и сформулирована основная идея работы, определена научная новизна и практическая ценность работы, приведены сведения о реализации и апробации результатов диссертационной работы.

В первом разделе проведен анализ систем комплексной автоматизации станов горячей прокатки и индустриальных оптических и электромагнитных помех, затрудняющих работу первичных измерительных преобразователей.

Анализ показал, что объем необходимой производственной информации определяется техническими задачами контроля объектов: наличия, положения, геометрических и габаритных параметров, скорости, температуры, качества гидросби-ва, реализация которых осуществляется с помощью специализированных первичных преобразователей, основанных на различных физических принципах работы, что обуславливает их значительное количество и разнообразие на технологической линии прокатного стана (сотни единиц). Применение аналоговых информационных сигналов в измерительных преобразователях затруднено наличием преимущественно непрерывных возмущающих воздействий, что обусловлено спецификой теплотехнического производства. При применении одиночных импульсов, энергия передаваемых сигналов эквивалентна, а в некоторых случаях значительно меньше энергетических характеристик среды их распространения. При работе таких устройств в экстремальных условиях значительно повышается вероятность появления ошибок I-го и П-го рода - ложной тревоги Рлт. и пропуска сигнала Рпр.

Рл.т.(5)=Р5(0) = Р " Х„ ; Р= Р0(б) = р " + Х„ , (1)

¡=1

¡=1

где - действующие помехи, Хп - пороговый сигнал ограничения.

Появление этих ошибок обусловлено низкой помехозащищенностью измерительных преобразователей и, как следствие, низкой достоверностью получаемой первичной информации. Это приводит к возникновению аварийных ситуаций в работе прокатного оборудования, приводящих к значительным материальным потерям. Таким образом, повышение достоверности контроля является важнейшей производственной задачей. С другой стороны, большое количество датчиков на объекте определяет повышенные требования к быстродействию системы управления, так как эффективность системы управления прокатного стана определяется скоростными и качественными показателями используемых первичных преобразователей.

Доказано, что наиболее приемлемым способом контроля параметров объектов является фотоэлектрический, обеспечивающий необходимую помехозащищенность, достоверность контроля и точность измерения. Указанный способ реализуется в фотоэлектрических измерительных преобразователях. Контроль наличия объектов основан на обнаружении бинарного оптического сигнала, причем формирование сигналов о контроле осуществляется самим контролируемым объектом как при работе на просвет, так и при оптической локации.

Однако, существующие фотоэлектрические преобразователи аналогового и импульсного типа при работе в экстремальных условиях термических цехов в значительной степени подвержены действию оптических помех и электромагнитных возмущений, приводящих к искажению информационного сигнала.

Выявлено, что при обнаружении объектов в режиме оптической локации на основе синхронного накопления «пачки» импульсов более чем на порядок повышается соотношение сигнал-помеха, что повышает достоверность измерительной информации:

где ЬфО) - реакция фильтра на сигнал, Т„ - время импульса, 1пр- время приема.

Вместе с тем, большое количество информационных импульсов в «пачке» (несколько сотен) значительно снижает быстродействие системы контроля.

Таким образом, возникла необходимость в разработке оптимальной структуры информационного оптического сигнала, удовлетворяющего определенным энергетическим требованиям, условиям быстродействия и помехозащищенности, при этом кодирование информации позволяет значительно повысить помехоустойчивость первичного преобразователя. Помехоустойчивые фотоэлектрические преобразователи обычно работают при активном способе контроля, со специальными излучателями, создающими оптический сигнал со свойствами, существенно отличающимися от свойств оптических помех.

Проведенный анализ позволил определить основные тенденции развития информационно-измерительных систем контроля технологических параметров прокатного стана, сформулировать цель и задачи исследования, а также предложить

(2)

новые подходы к повышению быстродействия контроля и достоверности получ мой первичной информации.

Во втором разделе исследованы и обобщены способы приема одиночных с налов и последовательности импульсов, повышающие помехоустойчивость изме; тельного преобразователя. Для приема случайной последовательности дискрета сигналов передатчика (для решения задачи обнаружения) используются различи приемные устройства и методы, число которых очень велико. Основной зада1 рассмотрения методов приема является определение рабочих характеристик при« ного устройства, которые показывают зависимость вероятности ошибок обнару; ния от энергетических, соотношений в канале связи и других параметров, котор влияют на эту вероятность:

а=ЯРош)иЬоН"), (3)

где ho3=E/No, Е - энергия сигналов, No - двусторонняя спектральная плотность i мехи, а - аргумент интеграла вероятности Ф(а).

Предложена методика оценки достоверности приема кодоимпульсных от ческих сигналов, основанная на совместном анализе рабочих характеристик прие ника и энергетических показателей передаваемых сигналов. Согласно предложе ному методу задаются желаемой вероятностью ошибки приема кодоимпульснс сигнала - Рош. По зависимости а =^Р0Ш) определяется аргумент интеграла верояп сти Ф(а). Из установленного значения а по зависимости ho2=f(a) определяется м нимальное значение энергетического отношения сигнал-помеха ho2. С другой ст роны, предложен аналитический метод определения оптимального веса w кодов последовательности по энергетическим показателям действующих помех и пере/ ваемых сигналов. Отношение выходной мощности сигнала к мощности его на вхо приемника определяется квадратом импульсной характеристики кодовой послед вательности

= = ¿h2(nT)=w2. (4)

Рср.вх. Оох П=0

Чем больше вес кодовой комбинации w, тем больше отношение Рср вых/Рср вх, а сл довательно и отношение сигнал-помеха.

Очевидно, что w2«ho2. Для сигналов с пассивной паузой величина h0 характ ризует минимальные энергетические затраты на передачу единицы информации заданной вероятностью ошибки Рош. А величина w, в свою очередь, определяет м нимальное значение веса кодоимпульсной последовательности, энергетические п казатели которой эквивалентны h0. Тогда, достоверность правильного приема код вой последовательности определяется ее весом w (количеством единичных импул сов) при заданной вероятности ошибки (рисунок 1). Увеличение веса кодовой koi бинации повышает энергию выходного сигнала в w2 раз, а флюктуирующие помел складываются по мощности, что ведет к повышению соотношения сигнал-поме? только в w раз.

Разработанный метод позволяет определить оптимальный вес w кодовой п< следовательности по заданной величине вероятности появления ошибки, не обр; щаясь к энергетическим расчетам действующих помех и передаваемых сигналов. Н основании предложенной методики разработана оптимальная структура кодовог

сигнала с высокими качественными показателями. При этом аналитически доказано, что оптимальное значение веса кодовой комбинации \у>5.

О

0.5 10'1 Ю"2

ю-3

Рош

Рисунок 1 - Рабочие характеристики приемника Рош= для сигналов с пассивной паузой - зависимость вероятности появления ошибки от веса кодовой комбинации

Для устройств с одним передатчиком и одним приёмником наиболее эффективен и максимально помехоустойчив код с удвоением элементов. Он характеризуется введением дополнительных символов для каждого символа информационной части комбинации, причём единица дополняется нулём, а нуль - единицей. Исходная комбинация 11111 преобразуется в вид 10 10 10 10 10. Код позволяет обнаруживать все ошибки, за исключением, когда имеют место две ошибки в парных элементах (сочетания вида 0 0 или 1 1) - двоичной ошибки. Помехоустойчивость кода высока за счет увеличения избыточности и применения устойчивой структуры исходного кода, где нет чередования элементов, что в свою очередь позволяет упростить процедуру кодирования и декодирования.

Исследованы способы цифровой фильтрации оптического сигнала. При применении цифровых фильтров достигается высокая точность преобразования информации, а также увеличивается быстродействие системы контроля. На основании структуры предложенного кодоимпульсного информационного сигнала х(пТ) разработан нерекурсивный цифровой фильтр, уравнение которого 9

у(пТ) = 1Ькх(пТ - кт)= Ь9х((п - 9)Т)+Ь7х((п-7)Т) +

к=0 , (5)

+ Ь5х((п - 5)Т)+ Ь3х((п - 3)Г)+ Ь,х((п - 1>Г)

где Ьк - матрица коэффициентов фильтра, Ьк=х(пТ)={0,1,0,1,0,1,0,1,0,1}, к - длина кода.

Третий раздел. Информационная задача обнаружения объекта контроля решается с помощью теории статистических решений (метод проверки статистических гипотез Г). Приемное устройство на основании принятой реализации уф определяет, какой именно из сигналов в ней содержится (Б. или Б:), а следовательно, какой элемент цифровой последовательности был передан (X) или Х2) — двухальтернатив-ное решение. Для канала с постоянными параметрами и аддитивной помехой п(1) по реализации

у(1)=5,(1)+п(1), 0<1<хо (6)

проверяют статистические гипотезы П

Г1: Хг(0=1, при у(0>Хп - «да», Г2: Х2(0=0, при у(0<Хп - «нет». Из-за наличия помех Б^) может принимать либо значение сигнала Б]^) с вероятностью р(5|), либо значение Б^) с вероятностью р^). Выбор гипотезы осуществляется на основании величины Д, характеризующей правдоподобность той или иной гипотезы - отношении правдоподобия:

Л = -^ехр -^?[У(0-52(0] Л . (7)

Р\?2) о Лго о ]

Выражение Д принципиально решает задачу оптимального различения двух сигналов по критерию минимальной вероятности появления ошибки, так как в этом выражении функционально связаны все известные и неизвестные величины. Д>1 - принят сигнал Д<1 - принят сигнал Бци).

В практической реализации при когерентном оптимальном приёме на выходе приёмника образуется напряжение их, зависящее от энергии принятого сигнала Е и спектральной плотности белого шума Ы0. Это напряжение следует сравнивать с пороговым Ц,, определяющим минимальное напряжение принимаемого сигнала, и, в соответствии с результатом сравнения, автоматически принимается решение: их>и„ - принят сигнал Б [(О, их<и„ - принят сигнал БгО).

В результате принят критерий оптимальности структуры преобразователя -высокая помехозащищенность, обеспечивающая нужную достоверность контроля в экстремальных условиях (критерий минимума ошибки). Разработана структура приемника оптического сигнала, оптимального по предложенному критерию.

В результате комплексного подхода к разработке фотоэлектрических измерительных преобразователей составлена обобщенная модель такого устройства на основе цифровой обработки сигналов. Предложенная модель одинаково эффективна и реализуема в условиях оптической локации и работы на просвет, что свидетельствует об ее универсальности. Разработана математическая модель дискретного фотоэлектрического измерительного преобразователя, отражающая суть процессов преобразования информационного сигнала при его прохождении в электронном тракте преобразователя (рисунок 2).

Исследования моделей измерительных преобразователей и информационно-измерительных систем на их основе для формирования производственной информации по контролю объектов труда позволяют реализовать следующий алгоритм работы кодоимпульсных фотоэлектрических измерительных преобразователей.

оо

1. Генерирование кодовой последовательности: ЩпТ) = £Х(пТ),

п=0

оо

со средней мощностью Ри(пТ) = £и(пТ).

п=0

Р1

Р2

ЕЗ

Р4 л_

Р5

Рб

~ Г

Р7 А

М та (V) {У*}

К . .к, и КРОС к ФПУ оос РУ ВУ ь

ад т) Р(п1) ЦпТ) Ц(пТ) -► Ц,,К(пТ) фТ)

{МКпТМ

Р*фу

{Р*и)

~вьк

Р(п1КпТ,Ш) \ ЦпТН(ВЦ1у^Р[14пТ) \ Ць^пТМпХпРгьиг,)

К — кодирующее устройство, И - излучатель, КРОС - канал распространения оптического сигнала, ФПУ - фотоприемное устройство, СОС - схема обработки информационного сигнала, РУ - решающее устройство, ВУ - выходное устройство, 14 - операторы преобразования оптического информационного сигнала в измерительном канале

ю

Рисунок 2 - Математическая модель дискретного измерительного канала

ю

2. Искажение сигнала в среде распространения за счет действия дестабилизирую-

00

щих факторов различного происхождения и§= .с средней мощностью

¡=0.

3. Прием кодоимпульсной последовательности сигналов:

и(пТ) = 1Ь(пТ) + £§(пТ) = «+ ¿§(пТ). п=0 ¡=1

4. Обработка принятой последовательности:

00

а) определение корреляционного интеграла г|(х) = X ЩпТ) Х(пТ) ;

п=0

СО 2

б) определение удельной энергии последовательности Ре = ХЬ (пТ);

п=0

в) определение порогового значения напряжения ип(пТ) =1/2*ХЬ2(пТ)=1/2*1и(пТ);

г) определение удельной энергии порогового сигнала Р„ = 1/2*Ре-

5. Формирование сообщения о результате контроля кодоимпульсного оптического сигнала:

а) корректировка принятого сообщения по заданной импульсной характеристи-

00

ке приемника Н(пТ) = £Ь(пТ);

п=0

б) оценка принятого сообщения

и.«(пТ) = Ьесли и>и" [О,если и<Уп

в) формирование сообщения для выходного устройства (дисплея) 0(пТ) = Хивых(пТ)*К(пТ).

Предложенная модель дискретного информационного канала отображает структуру оптимального фотоэлектрического измерительного преобразователя с цифровой фильтрацией кодоимпульсного оптического сигнала (рисунок 3). Временные диаграммы, поясняющие алгоритм работы приемника кодоимпульсных сигналов представлен на рисунке 4.

Для реализации разработанных принципов, методов и средств повышения достоверности и быстродействия контроля составлена методика инженерного расчета дискретного ФЭИП с цифровой фильтрацией кодоимпульсного оптического сигнала, а также разработана аппаратная реализация преобразователя основанная на принципах, предложенных в диссертационной работе.

В четвертом разделе по результатам исследования составлена расчетная модель и проведены исследования цифрового ФЭИП как элемент ИИС контроля технологических параметров прокатного стана. Экспериментальные исследования преобразователя подтвердили адекватность аналитических исследований реальным процессам, происходящим в ФЭИП и соответствие ожидаемых результатов фактическим в пределах 11%.

Рисунок 3 -

Структура оптического локатора в качестве ИП для обнаружения объектов при использовании

кодоимпульсного оптического сигнала

Выявлены и проанализированы основные источники помех, влияющие на достоверность формирования измерительной информации в информационной системе. Применение комбинирования структурно-алгоритмических и программно-аппаратных средств обеспечивает повышение достоверности контроля и быстродействия и, следовательно, эффективности ИИС в целом.

Предложена обобщенная структура информационно-измерительной системы для контроля технологических параметров прокатного стана. Исследованы способы сбора неоднородной измерительной информации с распределенных по технологическому объекту первичных преобразователей, что позволило разработать модуль средств получения первичной измерительной информации с однотипных первичных преобразователей для ИИС (рисунок 5).

Технический эффект заключается в. повышении достоверности контроля объектов более чем в 2.3 раза при одновременном увеличении быстродействия преобразователя более чем в 10 раз. Это позволяет поднять эффективность ИИС при режимной, технологической и транспортной автоматизации прокатного производства.

Рассмотрены возможные области применения предложенных измерительных преобразователей в системах автоматизации процессов прокатки.

В пятом разделе проведен сравнительный анализ эффективности функционирования ИИС, построенной на базе дискретного фотоэлектрического измерительного преобразователя с цифровой фильтрацией кодоимпульсного оптического информационного сигнала. Определены основные источники экономической эффективности разработанного ФЭИП и системы на его основе.

В приложениях приведены документы об использовании результатов диссертационной работы, вспомагательный материал, касающийся моделей и аппаратной реализации цифрового ФЭИП и канала распространения оптического сигнала.

Заключение. Проведенные исследования позволили получить новые научно обоснованные теоретические и экспериментальные результаты, которые при их совместном применении повышают качество функционирования информационно-измерительной системы контроля технологических параметров прокатного стана за счет значительного увеличения быстродействия и достоверности контроля,

ВЫВОДЫ

1. Исследовано и проанализировано действие помех промышленного происхождения на информационный канал. Сформулированы энергетические и частотные требования к оптическим информационным сигналам.

2. Доказана эффективность применения дискретных сигналов в фотоэлектрических измерительных преобразователях. Установлено, что дискретизация сообщений позволяет избавиться от оптических и электромагнитных помех, а кодирование информации позволяет повысить достоверность контроля за счет уменьшения вероятности появления ошибок 1-го и 2-го рода более чем в 2 раза.

3. Разработана методика оценки достоверности приема оптических информационных сигналов в фотоэлектрических измерительных преобразователях (ФЭИП). Доказано, что достоверность правильного приема цифровой последовательности определяется количеством единичных импульсов при заданной вероятности ошибки, что свидетельствует о реальной возможности достичь высокой помехоустойчивости ФЭИП.

То ЩпТ)

5

иЕ(пТ) иик(пТ) Н(пТ) 0(пТ)

II -► п ,

^--Г РТЧЧ' Г |"П"П-Г-,-Г, /1 г п ,

^-гл-П-гт- 1-П-1 _ •ттП—- г ип п-----ь

1 п

п п п п г

р -ь.

пТ пТ пТ пТ

исправлена

их(пТ) - генерирование кодовой последовательности {х}, £ - действующая помеха, иЕ(пТ) - напряжение на входе ФПУ, Н(пТ) - импульсная характеристика фильтра, О(пТ) - формирование сообщения для выходного устройства (дисплея), ип- пороговый сигнал, То - период дискретности

Рисунок 4 - Диаграмма сигналов приемника кодоимпульсных сигналов

5,(0 $2(1)

5,(0

ЗД 5*|(0

ФЭИП ФЭИП

2 3

ФЭИП ФЭИП

1+1 ¡+2

К

иос

X

Интерфейсный узел

мх

Магистраль ИИС

ФЭИП| - фотоэлектрический измерительный преобразователь, К — коммутатор, ИОС - источник образцовых сигналов, 8, - информационный оптический сигнал, МХ| - автономный модульный мультиплексор

Рисунок 5 - Структура измерительной части ИИС в модульном исполнении

ik

4. Разработана, оптимальная структура кодового оптического сигнала, обладающая высокими качественными показателями, определяющими ее значительную помехозащищенность. Оптимизация длительности кода позволяет сократить количество импульсов в пачке до минимума (не менее 5-ти импульсов), уменьшая длительность сигнала более чем в 20 раз (при синхронном накоплении более 256-ти импульсов), повышая быстродействие преобразователя в 10 раз по сравнению с аналогичными.

5. Разработано структурно-алгоритмическое обеспечение элементов ИИС и аппаратная реализация измерительной части системы, повышающие достоверность и быстродействие контроля объектов в зоне визирования. Предложена функциональная схема кодового измерительного преобразователя как элемента измерительной части ИИС контроля технологических параметров прокатного стана. Разработанный преобразователь реализует цифровую фильтрацию кодового оптического сигнала.

6. Доказано, что оптимизация модуля средств получения первичной информации повышает быстродействие системы более чем в 2 раза по сравнению с существующими вариантами структурной организации измерительной части ИИС.

7. Разработаны, исследованы и использованы экспериментальные образцы ФЭИП как первичные элементы ИИС контроля технологических параметров прокатного стана, в которых реализованы предложенные в диссертации методы и средства повышения быстродействия и достоверности контроля.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Субботин О.В., Сагайда И.М., Никитин В.Е. Особенности вероятностной оценки достоверности контроля параметров объектов труда фотоэлектрическим способом // «Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении»: 36. научн. тр. ДГМА, вып.№4. - Краматорск, 1998. - С.294-297.

2. Субботин О.В., Сагайда И.М., Никитин В.Е. Способы формирования производственной информации в фотоэлектрических измерительных преобразователях (ФЭИП) II «Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении»: 36. научн. тр. ДГМА, вып.№4. - Краматорск,

1998. - С.386-390.

3. Субботин О.В. Моделирование фотоэлектрических измерительных преобразователей для систем автоматизации технологических процессов // «Надежность инструмента и оптимизация технологических систем», № 9. - Краматорск: ДГМА,

1999,-С. 171-176.

4. Субботин О.В., Сагайда И.М. Информационное обеспечение систем управления прокатными станами // Сб. научн. работ ВУГУ, № 2. - Винница, 2000.

5. Субботин О.В. Повышение производительности прокатных станов // «Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении»: 36. научн. тр. ДГМА - Краматорск, 2000. - С. 405-407.

6. Субботин О.В. Повышение помехоустойчивости информационно-измерительных устройств // «Проблемы и практика управления в экономических системах».Сб. научн.тр.. Выпуск№110(177).-Краматорск, 1998.-С.51-52.

7. Патент на винахщ 23114А, 6G01B21/02. Пристрш для автоматичного контролю po3Mipm об'екта / А. I. Панкратов, I. М. Сагайда, О. В. Суботж (УкраТна). -№95104658; заявлено 24.10.95; надрук. 30.06.98. Бюл. №3.

8. Субботин О.В. Цифровые фотоэлектрические преобразователи // Сборник трудов 1-й международной конференции «Наука 1 освп-а "98». Том №7 (физико-математические и технические науки). Октябрь 1998. - С.290.

9. Субботин О.В. Фотоэлектрические измерительные преобразователи (ФЭИП) для систем контроля объектов труда // Сборник трудов 1-й международной конференции «Наука 1 ос в ¡та "98». Том №7 (физико-математические и технические науки). Октябрь 1998.-С.294.

10. Сагайда И.М., Субботин О.В. Фотоэлектрические первичные преобразователи (ФЭГТП) для автоматизации производственных процессов // «Новые экономические отношения и кадровое обеспечение производства»: тез. докл. межвуз. рес-публ. НТК - Краматорск; ДГМА, 1996. С. 95-96.

П.Субботин О.В. Повышение помехоустойчивости фотодатчиков при помощи цифровой фильтрации оптического сигнала // «Новые экономические отношения и кадровое обеспечение производства»: тез. докл. межвуз. республ. НТК - Краматорск; ДГМА, 1996. С. 113-114. 12. Субботин О.В. Опыт и перспективы развития фотоэлектрических измерительных преобразователей // «Кадровое обеспечение производства в условиях рынка»: матер, докл. межвуз. республ. НТК, - Краматорск; ДГМА, 1997. С.122-123.

Личный вклад автора в публикациях, написанных в соавторстве, заключается в следующем: [1] - постановка задачи, выбор методов математического анализа, разработка теории и методики вероятностной оценки достоверности контроля; [2] -разработка положений по систематизации способов и средств контроля объектов труда; [4] - обобщение результатов исследований по созданию помехоустойчивых фотоэлектрических измерительных преобразователей. Разработка методологических аспектов построения систем сбора и обработки производственной информации при работе в экстремальных условиях теплотехнических производств на базе таких устройств; [7] - разработка и аппаратная реализация структурных блоков устройства автоматического контроля размеров объектов и средств их взаимосвязи; [10] -критический анализ способов и средств контроля объектов труда.

АНОТАЦ1Я

Суботш О.В. «Пщвищення В1'ропдносп контролю технолопчних параметр1в та швидкодп ¡нформашйно-вим1рювальних систем прокатних сташв». - Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук за спещ-алынстю 05.11.16 — 1нформацшно-вим!рювальш системи. - Донецький державний техшчний ушверситет, Донецьк, 2000.

Дисертащя присвячена побудов1 ¡нформацшно-вим1рювальних систем контролю технолопчних параметрш прокатного стану на баз1 фотоелектричних пристро-Ув з великою швидкод1ею та дшсною стшю'стю до похибок на баз1 цифрових фшьт-р1в. Досшджеш та розроблеш нов1 методи зниження похибки контролю технолопчних параметр1в об'еклв праш за рахунок тдвшцення надшносгп вим1рювапьних пе-ретворювач1в в екстремальних умовах.

Розроблеш методи шдвищення вфопдносп первинноТ ¡нформацп за допомо-гою кодування. Наведеш практичш дослщження дискретного фотоелектричного перетворювача.

Розроблено структурно-алгоритм1Чне забезпечення елеменпв 1ВС 1 апаратну эеалпащ'ю вимфювальноУ частини системи, як! пщвищують достов1'ршсть ! швид-

ксхшю контролю об'екпв. Запропоновано функцюнальну схему кодового вим1рюва-льного перетворювача як елемента вим1рювальноТ частини 1ВС контролю техноло-пчних парам етр'т прокатного стана.

Ключов1 слова: фотоелектричний перетворювач, оптичний сигнал, збурення, в1рогщна оцшка, цифровий фшьтр, ¡нформашйно-вим1рювальна система.

АННОТАЦИЯ

Субботин О. В. «Повышение достоверности контроля технологических параметров и быстродействия информационно-измерительных систем прокатных станов». - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 - Информационно-измерительные системы. - Донецкий государственный технический университет, Донецк, 2000.

Работа прокатных станов связана со значительными материальными и энергетическими потерями. Это обусловлено спецификой металлургического производства. Установлено, что основные потери металла на прокатном стане возникают из-за высокой инерционности фотоэлектрических информационных каналов обнаружения металла, которые снижают общее быстродействие информационно-измерительной системы прокатного стана. В результате снижается точность реза проката, а также увеличивается поле допуска при обрезке некондиционных концов полосы.

Работа первичных средств контроля происходит в условиях сильных оптических и электромагнитных помех, что резко снижает достоверность первичной информации о состоянии контролируемого объекта. Это приводит к аварийным ситуациям в работе прокатного стана и, как следствие, к значительным материальным убыткам из-за поломки оборудования и потерям металла. *

Следовательно, повышение быстродействия фотоэлектрических измерительных преобразователей и достоверности получаемой первичной информации является актуальной задачей.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности ИИС прокатных станов за счет повышения достоверности и быстродействия контроля. Изучены и разработаны новые методы повышения быстродействия и достоверности контроля технологических параметров объектов за счет создания фотоэлектрических устройств с высокой реальной помехозащищенностью на основе цифровых фильтров. Изучены и разработаны новые методы повышения достоверности первичной информации путем кодирования.

Применение аналоговых информационных сигналов в измерительных преобразователях затруднено наличием преимущественно непрерывных возмущающих воздействий, что обусловлено спецификой теплотехнического производства. Наибольшую помехозащищенность дает применение дискретных сигналов. При этом кодирование информационного сигнала позволяет избавиться от случайных аналоговых и части импульсных помех, не попадающих в частотное окно пропускания -значительно снизить общую накопленную ошибку во время приема и добиться реальной высокой помехоустойчивости разработанного преобразователя.

Установлено, что достоверность правильного приема кодовой последовательности определяется ее весом уу (количества единичных импульсов) при заданной

вероятности ошибки. При этом увеличение веса кодовой комбинации повышает энергию выходного сигнала в w2 раз.

На основании принятого критерия оптимальности структуры преобразователя — высокая помехозащищенность, обеспечивающая достоверность и точность контроля в экстремальных условиях (критерий минимума ошибки), разработана структура приемника оптического сигнала, оптимального по предложенному критерию.

Для реализации разработанных принципов, методов и средств повышения достоверности и быстродействия контроля составлена методика инженерного расчета дискретного ФЭИП с цифровой фильтрацией кодоимпульсного оптического сигнала как элемента информационной системы, а также разработана аппаратная реализация предложенных принципов. Проведены экспериментальные исследования дискретного фотоэлектрического измерительного преобразователя.

Разработан быстродействующий модуль средств получения первичной информации для ИИ С прокатного стана, повышающий быстродействие системы и достоверность контроля технологических параметров.

Ключевые слова: фотоэлектрический преобразователь, оптический сигнал, помеха, вероятностная оценка, цифровой фильтр, информационно-измерительная система.

ANNOTATION

Subbotin O.V. «Increasing converters reliability and information-measuring systems rate». - Manuscript.

Thesis for obtaining of Candidate's degree on specialty 05.11.16 - Information-measuring systems. - Donetsk state technical university, Donetsk, 2000.

The thesis is devoted to making the information systems on the base of photoelectric devices with high rate and real noiseproof factor on the base of numerical filters. Study and new method development of reducing inaccuracy of checking the technological parameters of objects of labor to the account of raising noise-immunity measuring converter in extreme conditions.

Working out the methods of increasing accuracy and reliability the beginning information by means of coding. There is investigate specified above measuring.

Keywords: photoelectric measuring converter, optical signal hindrance, probabilistic evaluation, numerical filter, information system.