CC BY
3
УДК 681.518
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-490-491
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА РАБОТЫ СТАНОЧНОГО
ПАРКА ПРЕДПРИЯТИЯ
А.В. Анцев, Е.С. Янов, М.С. Воротилин
В статье рассмотрены некоторые решения и применяемость технологий контроля, обработки и анализа данных в процессе работы оборудования и созданных на их основе продуктов - информационно-измерительных систем, предназначенных для повышения эффективности эксплуатации технологических систем. В качестве примера зарубежных продуктов, успешно применяемых в качестве диагностики процесса резания и адаптивного управления режущим инструментом, изучены системы Omative (Израиль), Montronix (Германия), Marposs (Италия), Prometec (Германия), SKF Enlight Collect IMx-1 (Швеция). Также рассмотрены представленные на рынке отечественные продукты: Foreman (Ленинградское отделение Центрального научно-исследовательского технологического института), АИС Диспетчер (Твинс технологии), Winnum CNC (WINNUM), Навиман (Солвер) и CNC-VIZION (Интерактивные Промышленные Системы). Отдельно упомянуты такие продукты как DPA (Экстенсив-Автоматизация), Оптимум (Цифровые промышленные технологии) и Черный ящик (КАМ-СОФТ-ИНЖИНИРИНГ). Рассмотренные решения в виде MDC/MDA систем, систем вибродиагностики резания материалов и их распространение в промышленности следуют в русле приведенных трендов и вызовов, но информационно-измерительные системы для большинства все еще являются новым западным веянием в России, достаточно дорогостоящим и требующим зрелости предприятий для такого рода внедрения.
Ключевые слова: информационно-измерительная система, MDC, MDA, мониторинг, инструмент, станок.
В условиях современного рынка машиностроительные производства сталкиваются с необходимостью повышения качества и снижения себестоимости выпускаемой продукции. Конкурентная среда предъявляет требования к непрерывному совершенствованию выпускаемых изделий с точки зрения внедрения продуктовых, технологических и организационных решений. Применяемые для этого методики бережливого производства, теории ограничений, построения «умного производства» и другие в большей степени затрагивают рассмотрение и изменение имеющихся производственных технологических систем. Согласно ГОСТ 27.004-85 технологическая система - совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения, предметов производства и исполнителей для выполнения в регламентированных условиях производства заданных технологических процессов или операций.
Стоит отметить, что в настоящее время технологические системы (станочное оборудование) создаются все более сложными и становятся взаимосвязанными только благодаря наличию такого основного звена, как человек. Примерно 20-30 % отказов систем напрямую или косвенно связаны с ошибками человека, в т. ч. с неправильно принятыми решениями; 10-15 % всех отказов непосредственно связаны с ошибками человека [1], поэтому на производстве возникают проблемы, которые нарастают как снежный ком.
При этом не стоит забывать и о технической стороне вопроса, так как в основе всех операций механической обработки резанием лежит режущий инструмент, работающий в более чем 48% случаев на нерациональных режимах резания, при этом только 57% инструментов используются до достижения расчетного периода стойкости
[2]. Несвоевременная замена режущего инструмента приводит к увеличению затрат на его закупку, увеличивает вероятность возникновения брака, что влечет за собой простои оборудования и снижение производительности, а предприятие терпит убытки или недополучает прибыль.
Рассмотрим некоторые решения и применяемость технологий контроля, обработки и анализа данных в процессе работы оборудования и создаваемого на их основе продукта - информационно-измерительной системы (ИИС), предназначенной для повышения эффективности эксплуатации технологических систем.
Безусловно, стоит отметить развитие ИИС иностранными компаниями, среди которых можно отметить известные на отечественном рынке: Asset Monitor, Великобритания; CIMCO MDC-Max, Дания; Cybermonitor Япония; Fadector, Финляндия; easyOEE, Германия; UltiMonitor, США; FactoryWiz Monitoring, США; IQMS, США; Kiwiplan, США; MachineMetrics Inc, США; Scytec, США; Multi-DNC, США; Predator MDC, США; FACTORYMINER, Австрия; SkyMars, Тайвань; Shoplogix, Канада; NCSIMUL MONITOR, Франция; Shop Floor Data Collection, Великобритания.
Отдельно можно выделить зарубежные продукты, успешно применяемые в качестве диагностики процесса резания и адаптивного управления режущим инструментом: Omative, Израиль (с 2018 г. принадлежит Siemens)
[3]; Montronix, Германия [4]; Marposs, Италия [5]; Prometec, Германия (принадлежит Sandvic c 2018 г.) [6]; SKF Enlight Collect IMx-1, Швеция [7].
Omative создан израильской компанией с одноименным названием. Система адаптивного управления и контроля АСМ реагирует на изменения условий резания и автоматически изменяет подачу на предельно разрешенный для каждой операции уровень. В случае необходимости ACM останавливает станок из-за перегрузки или в случае фиксации поломки инструмента. Система отслеживает состояние режущего инструмента и информирует о необходимости смены инструмента, что позволяет избежать дорогостоящих поломок инструмента или необоснованных преждевременных замен. Экспертная система (а проще говоря, воплощенная в программном обеспечении математическая модель) постоянно измеряет текущую величину нагрузки на шпинделе, рассчитывает образцовые величины значений подачи для каждого конкретного инструмента и материала заготовки и в режиме реального времени регулирует подачу. Уменьшение момента на шпинделе ведет к наращиванию подачи, в то время как увеличение нагрузки ведет к уменьшению подачи, что особенно важно для грубой и получистовой обработки, когда колебания нагрузки существенны.
Также постоянно отслеживается вибрация работающего станка в режиме реального времени и анализируются параметры вибрации с целью выдачи предупреждающих сообщений или остановки оборудования в случае
495
появления вибраций выше приемлемых, не допуская таким образом возможный выход из строя станка, детали и инструмента. В процессе управления технология учитывает многочисленные факторы, влияющие на процесс резания: параметры резания, реальную нагрузку на инструмент, уровень износа инструмента, характеристики материала и др. Большим количеством реальных кейсов подтверждено, что использование решения существенно снижает время обработки, предотвращает поломки инструмента, нанесение ущерба деталям и станкам, а также минимизируют простои производства. Выпускается в различных конфигурациях (чисто программные решения для новых систем ЧПУ и программно-аппаратные для более старых) и подключаются к любым станкам с ЧПУ.
Montronix - это немецкое решение в области мониторинга технологических процессов и контроля аварийных ситуаций. Позиционируется как система противоаварийной защиты станков и контроля технологического процесса. Включает в себя механические датчики и электронно-аналитические блоки со специализированным программным обеспечением. Система может быть индивидуально укомплектована датчиками мощности, крутящего момента, либо датчиками вибрации. Датчики устанавливаются на исполнительные механизмы станка максимально возможно близко к зоне резания. Данные с датчиков передаются в программно-аппаратную часть для анализа и последующей реакции. В ходе работы станка контролируются силовые и вибрационные параметры техпроцесса. В случае возникновения непредвиденных ситуаций (столкновение, ошибка управляющей программы, нарушение технологического процесса и т. п.) система выполняет оперативное аварийное отключение станка, либо корректирует параметры работы станочного оборудования (в зависимости от предварительно произведенных настроек). Основное применение: противоаварийная защита станка, диагностика вращающихся узлов станка, мониторинг технологического процесса, адаптивный контроль режимов резания (заметим разницу между контролем и управлением - имеет место хороший маркетинговый ход).
Среди многообразия вошедших в Marposs продуктов, сама компания позиционирует в качестве передового решения мониторинга режимов резания продукты, созданные немецкой компанией Artis (приобретена Marposs в 2008 г.). Среди решений: защита оборудования, как и у Montronix, мониторинг состояния вращающихся узлов, мониторинг инструмента и процесса обработки. Состояние инструмента можно оценивать по сигналам цифровых или аналоговых датчиков. По мнению Artis, в большинстве случаев достаточно индивидуально установленных пределов для сигналов усилия на шпинделе или по оси подачи, чтобы надежно выявить износ инструмента. Многокритериальный контроль нескольких сигналов, например, сигналов усилия и вибрации возможен при использовании нескольких модулей системы и, в основном, используется для обнаружения самых незначительных отклонений в процессе обработки. Все пределы износа инструмента могут устанавливаться индивидуально пользователем для активизации предупреждающих или аварийных сигналов, когда сигнал от датчика достигнет предела, установленного для конкретного инструмента. Резкое усиление сигнала может означать столкновение или повреждение инструмента. В этом случае, система контроля посылает сигнал в систему управления станком. При накапливаемом износе инструмента сигнал постоянно усиливается. Если он слабее, чем ожидалось, то это может означать, что инструмент отсутствует или заготовку обрабатывают по второму разу.
Разработчиком системы Prometec является немецкая компания, а большая часть клиентской базы приходится на мировую автомобильную промышленность. Как система контроля, она отслеживает выполнение процесса с заданными параметрами (остановит станок, если инструмент отсутствует, сломался или столкнулся с заготовкой, выдаст предупреждения об износе инструмента и угрозе его поломки, если параметры рабочего процесса отклонятся от заданных). Контролируются сила (момент), порождаемый конструкцией шум (вибрации) и активная мощность. Эти данные берутся либо от ЧПУ станка, либо от устанавливаемых датчиков. По информации от Sandvic в будущем регулировка для компенсации износа и подстройки режимов обработки будет выполняться автоматически без участия оператора. В первую очередь это планируется реализовать при циклах глубокой расточки и расточки больших диаметров.
SKF Enlight Collect IMx-1 - это масштабируемая и простая в настройке сеть с ячеистой топологией для сбора данных и обнаружения общих проблем с технологическим оборудованием. Она состоит из автономного беспроводного датчика вибрации и температуры с питанием от встроенной батареи, шлюза связи и сетевого маршрутизатора, программного обеспечения для визуализации и анализа трендов изменения данных, а также приложения для мобильных устройств. Датчик представляет собой сборщик данных и передатчик, которые объединены в одно компактное устройство с питанием от батареи. SKF Enlight Collect IMx-1 может обнаруживать дисбаланс, перекос, превышение температуры, ослабление крепления, вибрации, вызванные электрическими дефектами и ранние стадии повреждений подшипников и зубчатых передач.
Россия, возможно благодаря политике импортозамещения, интереса государства к тематике промышленного интернета вещей и инициативе Индустрия 4.0, в части количества разработок систем MDA, оказалась на втором месте после США, где исторически располагается наибольшее число разработчиков MDC/MDA [8]. В последние годы иностранные разработчики систем мониторинга были вытеснены в этой связи с отечественного рынка [9]. Представленные на рынке отечественные продукты имеют отличающиеся подходы к организации интерфейсов, ценообразованию и политике лицензирования. Далее представлено сравнение возможностей и характеристик продуктов с проведением анализа сильных и слабых сторон.
Foreman [10] (права на Foreman приобретены ГК Цифра) был первым отечественным решением для мониторинга станочного оборудования и дал пример для подражания (и копирования) другим отечественным разработчикам, став на определенном этапе самой распространенной системой мониторинга станков с ЧПУ в России. Разработкой занималось Ленинградское отделение Центрального научно-исследовательского технологического института (ЛО ЦНИТИ). Компания вышла с первым в мире приложением для мониторинга станков при помощи наручных часов Apple Watch с дополнительной функциональностью, смартфонов и планшетов на iOS и Android. Предложила одно из первых доступных решений для энергомониторинга станков и масштабируемую платформу собственной разработки с единым и простым интерфейсом базового приложения мониторинга. Также особенностями продукта является наличие собственной аппаратной части, большое количество авторитетных партнеров, поддержка СУБД в т. ч. SQL Server, Oracle, PostgreSQL, экспорт отчетов во множество форматов, доступ к облачной версии системы мониторинга промышленного оборудования.
В настоящее время АИС Диспетчер [11] занимает лидирующие позиции на рынке среди проектов по мониторингу станочного парка. Ключевым фактором здесь явилось его приобретение ГК Цифра и проводимая ей поли-
тика. Система позволяет подключаться к станку напрямую и сейчас поддерживает практически все распространенные системы ЧПУ. Модуль «Контроль инструмента» является опцией. Используя модули «Контроль инструмента» и «Вибромониторинг», можно не только идентифицировать инструмент и отслеживать его местоположение, учитывать реальное время работы инструмента, анализировать использование инструмента с привязкой к режимам резания, но и предсказывать износ и поломки инструмента для быстрой замены и сокращения времени на обслуживание и ремонт. Вибромониторинг также может использоваться отдельно от инструмента оборота, в этом случае он позволяет выявлять отклонения в работе основных узлов оборудования (шпинделя, ШВП, направляющих, электродвигателей, зубчатых и ременных передач). Продукт объединил в себе лучшие наработки и практики «Станкосервис» и «ЛО ЦИИТИ».
Winnum CNC [12] позиционируется, как платформа промышленного интернета, позволяющая не только собирать данные и обмениваться ими, но и использовать их путем применения любых создаваемых внутри платформы приложений. Особенности системы: современная мощная и гибкая платформа промышленного интернета; поддержка прямого подключения большого количества систем ЧПУ, включая Haas, Okuma OSP-PX, Mazak Mazatrol, Arumatic; поддержка большинства СУБД; использование облачных технологий хранения данных; доступность создания практически любых приложений внутри предоставляемого сервиса на языке Java делает его привлекательным для настройки в соответствии с решаемыми задачами и спецификой производства; наличие встроенного редактора приложений и 3D сцен; гибкость программного обеспечения; хорошие организация и набор инструментов практически для любых производств и отраслей промышленности; российская разработка.
Разработчиком системы Швиман [13] является инженерно-консалтинговая компания Солвер. Ранее считался самым дорогим программным продуктом среди отечественных разработок, но комплект поставки включал приобретение полного пакета продукта вместе с планшетом, в то время как у других компаний составляющие (модули) приобретались за отдельную плату. Интересным решением является управление действиями эксплуатационного персонала на основе нормирования технологических процессов. В режиме реального времени изготовления деталей отображается текущее состояние изготовления партии деталей. Для достижения заданных временных показателей с нужным качеством функционал настроен на осуществление поддержки производственной деятельности путем предоставления персоналу необходимых наглядных инструкций, в том числе с применением быстрой оцифровки видеоряда лучших практик требуемых действий. Это применяется для сокращения периода наладки оборудования (сокращения подготовительно-заключительного времени), позволяя выполнять эти процессы в заданные нормы времени и делая их повторяемыми.
Разработчиком CNC-VIZION [14] является российская компания «Интерактивные Промышленные Системы», учредители которой также принимают участие в деятельности известной фирмы «СФТ Групп». Первый пилотный проект был выполнен в 2016 г., как и у «Winnum». Из особенностей стоит отметить предоставляемый удаленный сервис диагностики станков и разработанная система интеллектуальных статусов оборудования, которые определяются независимо от оператора.
Также стоит упомянуть о таких продуктах как DPA (Discrete Processes Automation) компании «Экстенсив-Автоматизация», Оптимум компании «Цифровые промышленные технологии» и Черный ящик компании «КАМ-СОФТ-ИHЖИHИРИHГ».
Рассмотренные решения в виде MDC/MDA систем, систем вибродиагностики резания материалов и их распространение в промышленности следуют в русле приведенных трендов и вызовов. Ба рынке развитых промышленных стран MDC/MDA системы являются частью привычных для него MES-систем. Ба российском рынке MDC/MDA системы позиционируются в качестве самостоятельных решений для производств. Ба современных западных предприятиях собранные с помощью MDC данные о текущем состояния оборудования зачастую передаются в MES, которая в свою очередь использует их для оперативного планирования и коррекции производства. MES-системы для большинства все еще являются новым западным веянием в России, достаточно дорогостоящим и требующим зрелости предприятий для такого рода внедрения.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук МД-4372.2022.4.
Список литературы
1. Шубинский И.Б. Функциональная надежность информационных систем. Методы анализа. М.: «Журнал Hадежность», 2012. 296 с.
2. Астахов В.П. Принцип наименьшей энергии пластической деформации при разрушении как основа понимания и оптимизации обработки металлов резанием // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 8-1. С. 141-153.
3. Системы Адаптивного Регулирования OMATIVE ACM для металлообрабатывающих станков с ЧПУ. Техническая Спецификация [Электронный ресурс] URL: https://intechnology.ru/img/file/11-03-2015/08-09-2015/omative acm i ais dispetcher tehnicheskaya speciaifkaciya.pdf (дата обращения: 10.08.23).
4. MONTRONIX - активная система защиты вашего станка от аварий и перегрузок [Электронный ресурс] URL: https://promzyfra.ru/articles/montronix-aktivnaya-sistema-zashchity-vashego-stanka-ot-avariy-i-peregruzok/ (дата обращения: 10.08.23).
5. MARPOSS adaptive control for monitoring systems // Precision equipment for measurement, inspection and test Marposs [Электронный ресурс] URL: https://www.marposs.com/eng/product/adaptive-control-for-monitoring-systems (дата обращения: 10.08.23).
6. PROMETEC GmbH - Система Монитора Процесса PROMOS // Каталог продуктов Siemens IA_DT [Электронный ресурс] URL: http://www.aqad.ru/index.php?tree=1000000&tree2=9990284&tree3=10007955&tree4=7500380&tree5=7500306&tree6=75 00290 (дата обращения: 10.08.23).
7. Системы мониторинга состояния оборудования // SKF. [Электронный ресурс] URL: https://www.skf.com/kz/products/condition-monitoring-systems (дата обращения: 10.08.23).
8. Куркова Ю., Васильев А., Ловыгин А., Степанов В. Системы мониторинга станков с ЧПУ в России. Обзор технологий и рынка // САПР и графика. 2016. № 12. С. 24-31.
9. Нестерова А., Самойлова Т. MES-системы на российском рынке промышленности: от истоков к будущему // ИСУП. 2010. № 2(26). С. 51-53.
10. Ловыгин А. СМПО Foreman - промышленный Интернет для российских предприятий // САПР и графика. 2017. № 2. С. 37-42.
11. Диспетчер - Система мониторинга промышленного оборудования и промышленных машин // Цифра -технологии цифровизации для повышения эффективности промышленности. [Электронный ресурс] URL: https://www.zyfra.com/product/dispatcher (дата обращения: 10.08.23).
12. WINNUM Станки - мониторинг, контроль и анализ работы станков с ЧПУ и без. Цифровой двойник производства // Компания WINNUM - глобальный поставщик решений для Промышленного Интернета Вещей. [Электронный ресурс] URL: https://winnum.io/solution/ncmachines/ (дата обращения: 10.08.23).
13. Naviman - Навигационная система управления производством // СОЛВЕР Инженерный консалтинг. [Электронный ресурс] URL: https://www.solver.ru/products/proizvodstvennaya-navigatsiya/ (дата обращения: 10.08.23).
14. CNC-Vision - мониторинг станков и оборудования (контроль и диспетчеризация) // CNC-Vision. [Электронный ресурс] URL: http://cnc-vision.ru (дата обращения: 10.08.23).
Анцев Александр Витальевич, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Янов Евгений Сергеевич, канд. техн. наук, докторант, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Воротилин Михаил Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, проректор по научной работе, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
INFORMATION AND MEASURING SYSTEMS FOR MONITORING THE OPERATION OF THE ENTERPRISE'S
MACHINERY
A.V. Antsev, E.S. Yanov, M.S. Vorotilin
The article discusses some solutions and the applicability of technologies for monitoring, processing and analyzing data during the operation of equipment and products created on their basis - information and measuring systems designed to increase the efficiency of operation of technological systems. As an example of foreign products successfully used as diagnostics of the cutting process and adaptive control of cutting tools, the systems Omative (Israel), Montronix (Germany), Marposs (Italy), Prometec (Germany), SKF Enlight Collect IMx-1 (Sweden) are studied. Also considered are domestic products on the market: Foreman (Leningrad branch of the Central Scientific Research Institute of Technology), AIS Dispatcher (Twins technologies), Winnum CNC (WINNUM), Naviman (Solver) and CNC-VIZION (Interactive Industrial Systems). Separately mentioned are such products as DPA (Extensiv-Automation), Optimum (Digital Industrial Technologies) and Black Box (CAM-SOFT-ENGINEERING). The considered solutions in the form of MDC/MDA systems, vibration diagnostics systems for cutting materials and their distribution in industry follow the current trends and challenges, but information-measuring systems for the majority are still a new Western trend in Russia, quite expensive and requiring maturity of enterprises for this kind of implementation.
Key words: information-measuring system, MDC, MDA, monitoring, tool, machine.
Antsev Alexander Vitalyievich, doctor of technical science, docent, head of the department, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Yanov Evgeny Sergeevich, candidate of technical sciences, doctoral student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Vorotilin Mikhail Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, vice-rector for research, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
