автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Теоретические основы структурного анализа и синтеза автоматизированных систем машин полиграфического производства

7. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании проведенного обзора и анализа создания научно-обоснованных автоматизированных систем машин полиграфического производства установлено следующее.

7.1. В настоящее время в полиграфическом производстве имеет место переход от использования операционных машин к использованию сложных систем технологических машин типа гибких автоматизированных комплексов и линий. Этот процесс имеет место не только на крупных полиграфических предприятиях, но и на средних. Также идет процесс интегрирования печатного и брошюровочного оборудования в единую печатно-отделочную автоматизированную линию. В перспективе в одной полиграфической системе машин будут и участки допечатного оборудования на базе цифровой техники.

Возрастает сложность систем вследствие роста числа операций, выполняемых на AJI. Также возрастает их гибкость (технологическая, номенклатурная, по объему, структурная, по переналаживаемости) вследствие уменьшения тиражей продукции, изменения потребности в продукции, изготовленной по различным технологиям, различного формата, объема и отделки.

За последние годы растет степень непрерывности процессов обработки продукции на АЛ, производительность технологических машин и линий.

Указанные факторы ставят особенно актуальной проблему обеспечения надежности и эффективности автоматизированных систем полиграфического производства.

7.2. Основной специфической особенностью БПАЛ и ПО АЛ является наличие потоков отказов технологического характера, вызываемых нарушением функций взаимодействия полуфабрикатов и материалов с рабочими органами и элементами ТПУ и ТСУ АЛ. Эти отказы имеют большую частоту проявления и малое время восстановления. Для уменьшения значительных потерь времени от

326 указанных отказов возникает проблема их компенсации за счет введения в линию накопительных устройств ручного или автоматического действия.

7.3. История проектирования и исследования полиграфических машин сложилась так, что наиболее изученными и исследованными являются технологические машины-автоматы и полуавтоматы. Вопросы проектирования и исследования полиграфических автоматизированных систем машин оказались менее разработанными, поэтому их разработка представляет большую актуальность в силу указанных выше причин.

7.4. С созданием и внедрением подобных систем становится особенно остро проблема обеспечения их требуемой надежности и эффективности, требуемых условий их эксплуатации на этапах проектирования, изготовления и использования, вопросы автоматизации проектирования полиграфических производственных систем машин.

7.5. Анализ предмета исследования по литературным источникам показал, что в настоящее время в различных отраслях промышленности, в том числе и в полиграфическом машиностроении, недостаточно полно с учетом специфических особенностей эксплуатации разработан комплексный подход к оценке надежности, производительности и эффективности систем машин, требований к структуре их построения, режиму эксплуатации в зависимости от широкого круга факторов: потребительских (тираж, объем издания, требования к качеству продукции, красочность, отделка и др.); эксплуатационных (производственных) (сменность, система ремонта и технического контроля); технологических; структурных параметров системы; динамики изменения надежности и производительности за срок службы.

Имеются решения отдельных задач анализа и синтеза систем машин, той или иной степени сложности, точности и комплексности, но недостаточно завершенных и обобщенных, простых и приспособленных для автоматизированного проектирования сложных автоматизированных систем машин полиграфи

327 ческого производства, а следовательно имеется большой потенциал их развития и совершенствования.

В связи с изложенным проблема создания теоретических основ оценки надежности, производительности и эффективности автоматизированных систем машин полиграфического производства, приспособленных для их автоматизированного проектирования является весьма актуальной.

7.6. Главным итогом работы является создание теоретических основ структурного анализа и синтеза и математического описания процессов функционирования броппоровочно-переплетных и печатно-отделочных автоматизированных линий и комплексов машин другой структуры, разработка моделей надежности, производительности и эффективности систем для проведения научно обоснованного их структурного анализа и синтеза в системе автоматизированного проектирования с применением ЭВМ.

Для решения задач структурного анализа и синтеза систем машин полиграфического производства автором разработано следующее.

7.7. Разработана аналитическая модель надежности и производительности однопоточной однофазной АЛ, являющейся структурным элементом многоканальных, многофазных и ветвистых (древовидных) сложных структур АЛ. Данная модель учитывает специфические особенности процесса функционирования БПАЛ и ПО АЛ, а именно, разделение потоков отказов на две группы по характеру, частоте проявления и длительности устранения; сопровождение отказов выпуском бракованной продукции; проведение профилактических ремонтных работ в плановые календарные сроки.

7.8. Разработана модель надежности и производительности двухфазной линии с накопителем, с использованием среднего уровня накопления, являющейся структурной единицей многофазной системы. Основой данной модели является предварительная оценка среднего уровня изделий в накопителе и интенсивности заполнения и опустошения накопителя от среднего уровня, что значительно

328 упрощает графическую модель процесса функционирования линии и систему уравнений, связывающую между собой вероятности состояний агрегатов линии Модель надежности АЛ учитывает также надежность накопителя.

7.9. Разработана модель надежности и производительности двухфазной линии с использованием коэффициента насыщения ее производительности В основу метода оценки надежности двухфазной линии положены закономерности, имеющие место между коэффициентом насыщения производительности и средними параметрами линии.

В процессе формирования модели надежности линии введено понятие насыщения производительности линии. В качестве количественной характеристики процесса насыщения производительности введен коэффициент насыщения производительности линии. Получена зависимость связывающая коэффициент готовности АЛ с коэффициентом насыщения производительности.

Получено дифференциальное уравнение связи коэффициента насыщения производительности линии с параметрами линии и накопителя Модель учитывает надежность накопителя.

Разработанный метод оценки стационарного коэффициента использования двухфазной линии с использованием коэффициента насыщения производительности отличается значительной простотой, что упрощает трудоемкость разработки алгоритма и программы решения задачи оценки надежности многофазной АЛ.

7.10. Разработана модель надежности и производительности многофазной линии с накопителями. В основу метода положено разбиение многофазной системы на двухфазные по принципу вложения, заключающийся в том, что структуры более низкого уровня сложности последовательно вкладываются в структуры более высокого уровня сложности. Коэффициенты готовности структур любой сложности рассчитываются по одним и тем же формулам по методу использования коэффициента насыщения производительности.

329

Предложена формула оценки коэффициента использования накопителя и разработан алгоритм оценки коэффициентов использования накопителей многофазной линии.

7.11. Разработана модель надежности и производительности многоканальной многофазной отделочной и печатно-отделочной AJI универсальной структуры.

Для описания универсальной структуры линии положен кодовый принцип с использованием ключей, которые определяют вид резервирования, количество машин в резервированных комплексах и участках, количество обслуживающего персонала и вид накопителя.

Расчет надежности ПО АЛ и БПАЛ включает три этапа. На первом этапе оцениваются показатели надежности элементов АЛ по специфическим формулам. На втором этапе определяются показатели надежности резервированных комплексов с использованием ключей. На третьем этапе проводится формирование участков и расчет надежности многофазной АЛ.

Данная модель учитывает специфические особенности процесса функционирования ПО АЛ и БПАЛ. Модель приспособлена для структурного анализа и синтеза ПО АЛ и БПАЛ в системе автоматизированного проектирования линий.

7.12. Разработана модель надежности и производительности двухфазной линии с учетом сброса изделий в накопителя.

Освобождение накопителей от запасов изделий перед регламентированными и нерегламентированными перерывами является довольно частым явлением в практике эксплуатации полиграфических АЛ. Это является специфической особенностью процесса функционирования ПО АЛ и БПАЛ.

С учетом описанного явления разработана простая математическая модель надежности двухфазной линии с накопителем, которая позволяет с минимальной трудоемкостью провести оценку нестационарного среднего коэффициента

330 готовности линии для любого момента времени ее функционирования с использованием коэффициента насыщения ее производительности.

Данный метод оценки нестационарного среднего коэффициента готовности линии характеризуется значительно низкой трудоемкостью решения задачи по сравнению с использованием для этой цели численного метода решения системы дифференциальных уравнений. Также данный метод может быть использован для оценки надежности многофазной линии с нестационарным периодом функционирования, что значительно повышает эффективность использования предлагаемого метода оценки надежности АЛ.

7.13. Разработаны принципы составления алгоритмической статистической имитационной модели процесса функционирования гибких автоматизированных полиграфических производственных систем машин с учетом широкого крута структурных, технологических и производственных факторов.

Каждое состояние элемента системы, а также скачки из состояния в состояние предлагается описать дискретными единичными функциями состояний и скачков. Связь между потоками событий по определенным факторам установлена с помощью коэффициентов прерывания (влияния). С помощью указанных дискретных функций и матрицы коэффициентов прерывания по определенным формулам рекуррентным соотношениям определяются времена состояний и системы, параметры процесса функционирования и характеристики надежности и производительности системы.

Предлагаемая статистическая имитационная модель имеет более простой механизм синхронного времени и учитывает специфические особенности процесса функционирования ПО АЛ и БПАЛ, а именно, выпуск при отказах бракованных изделий и сброс изделий из накопителей перед длительными перерывами. Она позволяет исследовать процесс функционирования системы со структурой любой сложности, в том числе разветвленных и древовидных, с учетом широкого крута структурных, технологических и производственных факторов.

331

Кроме того, модель учитывает надежность любых элементов, участвующих в процессе функционирования системы.

7.14. Разработана технико-экономическая модель броппоровочно-переплетных и печатно-отделочных автоматизированных линий. Технико-экономическая модель (ТЭМ) представляет аналитическую модель линии универсальной структуры. ТЭМ включает модель надежности и производительности (МНП) линии универсальной структуры и блоки расчетов статей текущих эксплуатационных затрат и технико-экономических показателей (ТЭП) эффективности, блоки интегрирования и оптимизации. ТЭМ учитывает широкий круг факторов, характеристик материалов, полуфабрикатов и продукции, а также включает расчеты затрат, связанных с рассеиванием бракованных материалов, полуфабрикатов и готовой продукции на операциях по причине отказов машин.

Особенностью ТЭМ является то, что технико-экономические показатели линии и статьи затрат связаны с надежностью элементов АЛ.

7.15. Разработаны методика оценки потенциальной надежности, производительности и эффективности автоматизированной системы машин и ее элементов и методика оптимального распределения надежности между ее элементами.

В процессе оптимизации требований к надежности, производительности и эффективности системы с использованием МНП и ТЭП устанавливается верхняя граница уровня надежности и производительности системы и входящего в нее оборудования и соответствующая верхняя граница капитальных вложений для достижения указанного уровня надежности.

В качестве критерия оптимизации принят максимум прибыли за срок службы системы с учетом динамики изменения надежности и производительности системы на периодах приработки, нормальной эксплуатации и интенсивного износа.

332

Предложено зависимость стоимости системы и ее элементов от уровня надежности аппроксимировать асимптотическими функциями типа экспоненциальной. Положен следующий принцип определения показателя степени экспоненциальной зависимости: исходя из экономической целесообразности, стоимость объекта с надежностью, равной надежности дублированной замещением объекта, не должна превышать стоимости этой дублированной системы, составленной из этих объектов.

Для решения задачи разделения надежности системы между ее элементами положена экспоненциальная зависимость коэффициента готовности элемента от его стоимости. Для определения показателя степени данной зависимости положен тот же принцип, который был использован для системы.

Положено эффективность денежных инвестиций в повышение надежности оценивать коэффициентом передачи по технико-экономическому параметру. Получено выражение коэффициента передачи по интенсивности потерь времени на восстановление элемента.

В алгоритм оптимального распределения надежности между элементами системы положен следующий принцип: полагается, что экономически целесообразно направлять средства на повышение надежности тех элементов, которые обеспечат наибольший выходной эффект в повышение надежности системы, т.е. целесообразно повышать надежность элементов, обладающих большим коэффициентом передачи по технико-экономическому параметру.

Разработано два алгоритма, обладающие такой реализационной возможностью. В основу 1-го алгоритма положено распределение надежности системы между ее элементами с использованием коэффициента передачи по интенсивности потерь времени на восстановление элемента, по которым выделяется элемент, обладающий большим значением коэффициента передачи. Сущность 2-го алгоритма заключается в том, что распределение надежности системы сложной структуры между ее элементами проводится с использованием коэф

333 фициента передачи по технико-экономическому показателю, в качестве которого могут быть приняты себестоимость, приведенные затраты, прибыль и т.п.

Разработано программное обеспечение на базе созданных методов, моделей и алгоритмов оценки надежности, производительности и эффективности ПО АЛ и БПАЛ. Разработанные математическое и программное обеспечения реализованы при выполнении конкретных БПАЛ и ПО АЛ, а также в учебном процессе.

В ходе экспериментальных исследований в производственных условиях и на ЭВМ получены следующие результаты.

7.16. Получены значения характеристик надежности и производительности машин и линий-аналогов: рулонной печатной офсетной машины ПОК-84, пе-чатно-подборочной машины ПООК-168, броппоровочно-переплетных автоматизированных линий: «Темп», «Гольф», «Нормбиндер», «Элерман», «ЬВУ-650», «Колбус-Систембиндер», «Зиглох», «Колбус-Компакт-2000», «Фречиа-Смайт», «Книга», «Книга -2-270».

7.17. Для удобства сравнительного анализа структур ПО АЛ и оценки степени их предпочтения предлагается скалярный относительный показатель экономической эффективности (ОПЭ). Для объективности выбора варианта структуры характер отношений между вариантами структур оценивался при сравнении ОПЭ с относительной погрешностью показателя при заданной вероятностью доверительной вероятности.

7.18. В качестве примера проведено исследование на ЭВМ надежности, производительности и эффективности функционирования печатно-отделочной линии для изготовления книг в мягком переплете с бесшвейным скреплением и влияние на эффективность различных структурных, потребительских и производственных факторов. При этом получены следующие результаты.

7.18.1. В факторном пространстве определены области эффективности и предпочтительности предлагаемых вариантов структур ПОАЛ. Выявлено влия

334 ние факторов на степень предпочтительности структур ПО АЛ и показатели ее эффективности.

7.18.2. В факторном пространстве определены зоны эффективности ручных и автоматических накопителей, рациональные и оптимальные емкостные, стоимостные и надежностные параметры накопителей, коэффициенты роста и степени насыщения производительности ПОЛ с использованием накопителей.

Результаты расчетов технико-экономических показателей (ТЭП) с использованием МНП и ТЭП позволили получать функциональную связь между коэффициентом роста производительности^ и коэффициентом насыщения производительности Кп для различных тиражей и объемов продукции и структур линии. Для линии со структурой ^згД! получены функциональные зависимости между <рдвр и Кн.

Для анализа эффективности автоматических накопителей разработан графоаналитический метод, позволивший с использованием МНП и ТЭМ и графических построений определить оптимальные емкости накопителей и надежности накопительных устройств и придающий определенную наглядность.

7.18.3. В определенном факторном пространстве определены оптимальные номинальные производительности ПО АЛ и коэффициенты запаса производительности. Проведен анализ влияния на оптимальную производительность ПО-АЛ рассматриваемых факторов.

7.18.4. В качестве показателя оптимизации потенциальной надежности и производительности ПО АЛ и ее участков был принят экономический эффект, который мог бы быть получен за моральный срок службы.

В ходе эксперимента на математической модели ПО АЛ были получены графики зависимостей зон потенциальных коэффициента общего использования К%Ц*, производительности <2рЫ линии и средних частот потоков отказов по 1-ой со£?\ и 2-ой соЕ?2 группам отказов печатно-подборочной машины (в каче

336

1. Артоболевский И.И., Ильинский Д.Я. Основы синтеза систем машин автоматического действия. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - 280 с.

2. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности: Пер. с англ./ Под ред. Б.В. Гнеденко. М.: Сов. Радио, 1975. 468 с.

3. Барлоу Р., Прошан Ф. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность: Пер. С англ. И.А. Ушакова. М.: Наука, 1985.

4. Барныч Ю.А. Экономическая эффективность комплексной механизации поточных линий для изготовления книг: Дис.канд. экон. Наук. М., 1966.

5. Бездудный Ф.Ф., Либерман Л.А., Смирнов И.Н. Расчет надежности производственных систем в текстильной и легкой промышленности. М.: Легкая индустрия, 1977. -240 с.

6. Бобров В.И. Некоторые вопросы дальнейшего повышения надежности поточной линии "БЗР-2БТГ-ВЗ'7/ Полиграфия. М., 1974, № 8. С. 13-15.

7. Бобров В.И. Исследование и улучшение эксплуатационных параметров надежности и эффективности переплетно-броппоровочных автоматических линий: Дис.канд. техн. наук. М., 1975.

8. Бобров В.И. Оценка надежности и производительности однопоточной автоматической линии (АЛ) методом статистического моделирования. В кн.: Вопросы техники и технологии полиграфического производства: Сб. Трудов/ ОмПИ. Омск, 1975. С. 64-68.

9. Бобров В.И. О влиянии накопления межучастковых заделов полуфабрикатов на производительность переплетной автоматической линии в составе БЗР-БТГ-ВЗ// Полигр. Пром-сть. Реф. информация (ЦБНТИ по печати), 1976, № 3(82). С. 17-20.

10. Бобров В.И. К вопросу об оценке надежности и производительности однопоточной автоматической линии (АЛ) методом статистического моделирования. В кн.: Броппоровочно-переплетные машины: Межвуз. сб. науч. статей. Вып. 1. М.: МПИ, 1977. С. 32-35.

11. Бобров В.И. Статистическое моделирование работы многопоточной автоматической линии (АЛ) на ЭЦВМ// Полиграфические машины автоматы/ НИСИ. Новосибирск, 1978. С. 35-39.

12. Бобров В.И. Построение модели автоматической линии с резервированными замещением элементами// Полиграфические машины автоматы/ НИСИ. Новосибирск, 1978. С. 64-69.

13. Бобров В.И. Построение статистической модели автоматической линии (АЛ) с накопителями между участками// Полиграфические машины автоматы/ НИСИ. Новосибирск, 1978. С. 83-89.

14. Бобров В.И. Классификация простоев броппоровочно-переплетных машин// Полиграфические машины автоматы/ НИСИ. Новосибирск, 1978. С. 94-99.

15. Бобров В.И. К вопросу о надежности и производительности однопоточной жесткосблокированной броппоровочно-переплетной автоматической линии (АЛ). В кн.: Полиграфические машины автоматы: Межвуз. сб. трудов. Омск: ОмПИ, 1979. С. 145-149.

16. Бобров В.И. Анализ структурных схем подборочных машин. В кн.: Полиграфические машины автоматы: Межвуз. сб. трудов. Омск: ОмПИ, 1979. С. 127-134338

17. Бобров В.И., Банкет Л.А. Расчеты технико-экономической эффективности в дипломном проекте: Учеб. пособие. Омск: Изд. ОмПИ, 1981. 80 с.

18. Бобров В.И. Особенности оценки надежности комплекта полиграфического оборудования в условиях эксплуатации. В кн.: Полиграфические машины автоматы: Сб. статей/ ОмПИ. Омск, 1985. С. 25-32.

19. Бобров В.И. Основные положения оценки требований к надежности броппоровочно-переплетных машин// Всесоюзное совещание по методам расчета полиграфических машин автоматов: Тезисы докл. Львов, 1987. С. 74-75.

20. Бобров В.И. Надежность и производительность броппоровочно-переплетных автоматов и автоматических линий в процессе эксплуатации: Учеб. пособие. Омск: Изд. ОмПИ, 1988. 84 с.

21. Бобров В.И. Броппоровочно-переплетные автоматические линии: Учеб. пособие. Омск: Изд. ОмПИ, 1988. 84 с.

22. Бобров В.И., Коновалова О.Н. Статистическое исследование надежности ниткошвейных машин типа 381.831. В кн.: Полиграфические машины - автоматы. Омск: ОмПИ, 1985, с, 111-120.

23. Бобров В.И. Аналитический метод расчета надежности автоматизированной линии с накопителями между участками. В кн: Вопросы технологии полиграфического производства: Сб. научных статей/ ОмПИ. Омск, 1991. С. 2936.

24. Бобров В.И., Плоткин М.М. Определение условий эффективного функционирования печатно-отделочной линии ПБЛ-1// Всесоюзное совещание по339методам расчета полиграфических машин автоматов: Тезисы докл. Львов, 1991. С. 86-87.

25. Бобров В.И. Оптимизация требований к надежности автоматизированных линий бропдоровочно-переплетных машин// Всесоюзное совещание по методам расчета полиграфических машин автоматов: Тезисы докл. Львов, 1991. С. 88-89.

26. Бобров В.И. Анализ эксплуатационной надежности броппоровочно-переплетных линий с бесшвейным скреплением блоков// Полиграфия. М., 1993 С. .

27. Бобров В.И. Оптимальное распределение надежности между элементами гибкой автоматизированной линии/ ОмГТУ. Омск, 1993. Деп. в ВИНИТИ, 12.03.93, №601-В93.

28. Бобров В.И. Оценка надежности двухучастковой линии с использованием среднего уровня накопления/ Омск, 1993. Деп. в ВИНИТИ, 09.06.93, № 1574-В93.

29. Бобров В.И. Построение аналитической модели надежности гибкой автоматизированной линии на основе закономерностей средних параметров/ Омск, 1993. Деп. в ВИНИТИ, 09.06.93, № 1575-В93.

30. Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Статистической моделирование. М.: Наука, 1982. 286 с.

31. Ефимов М.В., Толстой Г.Д. Автоматизация технологических процессов в полиграфии: Учебник. М.: Книга, 1989. 512 с.

32. Ильинский Д.Я., Ипполитов A.B. Основы расчета и проектирования технологических машин и линий легкой промышленности: Учеб. пособие для вузов. М.: Легпромбытиздат, 1989. 448 с.

33. Инструкция определения экономической эффективности внедрения в народное хозяйство новой полиграфической техники/ ВНИИПолиграфмаш. М., 1978.-207 с.

34. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем: Пер. с англ./ Под ред. И.А. Ушакова. М.: Мир, 1980. 604 с.

35. Кац Г.Б., Ковалев А.П. Технико-экономический анализ и оптимизация конструкций машин. М.: Машиностроение, 1981.-214с.

36. Когаев В.П. Расчета на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиностроение, 1977. 232 с.

37. Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. М.: Советское радио, 1975. 472 с.

38. Кузнецов М.М., Волчкевич Л.И., Замчалов Ю.П. Автоматизация производственных процессов/ Под ред. Шаумяна: Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 1978.-432 с.

39. Куликов Г.Б. Еще раз об использовании гибких производственных систем в полиграфии// Полиграфия, 1986. № 9. С. 9-10.

40. Куранов А.Р., Султан-Заде Н.М., Схиртладзе А.Г. Имитационное моделирование потоков заказов и отказов в ГПС. М.: МГЦНТИ, 1988. Вып. № 357. -4 с.

41. Левин A.A. Некоторые вопросы анализа структурных схем автоматических линий// Станки и инструменты. М., 1958, № 3.374