CC BY
29
Моделирование процессов
возникновения отказов электрооборудования поточных линий в отделочном производстве
Ю.Ю. Боцман,
аспирант кафедры информационных систем МГУП имени Ивана Федорова
В данной статье поднимается актуальный вопрос в области расчета периодичности технического диагностирования, моделей оптимизации технического обслуживания и методов обработки статистической информации о надежности электрооборудования.
Основное направление развития техники и технологи полиграфического производства во всем мире ориентировано на максимальную автоматизацию этих производств и задачу снижения издержек на производство продукции. Тот, кто обеспечивает более высокое качество и объем выпускаемой продукции, при наименьших издержках производства, оказывается в лучшем экономическом положении. Достигнуть этого можно только при большой надежности электрооборудования. Малая надежность вызывает рост издержек из-за ущерба от отказов, а частые простои электрооборудования приводят к уменьшению объема выпускаемой продукции, сбои же технологического цикла снижают качество. При высокой насыщенности производства техническими средствами -как технологическим оборудованием, так и системами управления - на первое место при проектировании производства выходит задача прогнозирования надежности подобных систем, так как технический уровень предприятия в значительной степени определяется надежностью электрооборудования.
Бесперебойная и стабильная работа электрооборудования поточных линий играет важнейшую роль для всего производства в целом вследствие высокой производительности машин линии и непрерывности процессов. Поэтому задача прогнозирования стабильности работы электрооборудования поточных линий в исследовании влияния на этот показатель структуры и параметров электросхем поточных линий имеют важнейшее практическое значение как при эксплуатации существующих, так и при проектировании новых поточных линий.
Развитие вычислительной техники и повсеместное проникновение информационных технологий в различные области человеческой деятельности, в том числе и в отрасли полиграфической промышленности, говорит о том, что использование таких технологий является перспективным.
Как правило, обеспечение требуемой надежности опирается на правильную организацию его эксплуатации. Это достигается путем применения системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования.
Система технического обслуживания и ремонта электрооборудования полиграфических предприятий представляет собой нормативную базу, предназначенную для разработки и составления графика обслуживания и ремонта, расчета потребности в запасных частях и трудоемкости ремонтов. База основана на единых нормативах и правилах для всех типографий. Но единые нормативы применяются в тех типографиях, которые могут различаться условиями, сроком службы и степенью износа электрооборудования, видом и исполнением электрооборудования, квалификацией обслуживающего персонала, то есть единые нормативы не всегда оптимальны для данной конкретной типографии. Вследствие этого эксплуатационная надежность и затраты на эксплуатацию электрооборудования также не будут оптимальными. Таким образом, существующая система обслуживания не может обеспечить полную реализацию ресурса, заложенного при изготовлении электрооборудования, и не позволяет добиться минимальных эксплуатационных затрат.
То есть, совершенствование системы обслуживания полиграфических предприятий является актуальной задачей.
И одним из перспективных направлений в решении этой задачи является создание адаптивной системы технического обслуживания. Параметры системы технического обслуживания должны рассчитываться на основе данных по отказам электрооборудования, собранных в отдельно взятой типографии. Система технического обслуживания должна связывать периодичность технического обслуживания, затраты на эксплуатацию электрооборудования с его надежностью, условиями эксплуатации, степенью износа, квалификацией персонала и другими
факторами, характеризующими данную типографию. Применение системы технического обслуживания даст возможность конкретной типографии уменьшить эксплуатационные затраты на электрооборудование при одновременном повышении его надежности.
Целью данной работы является разработка метода повышения эффективности системы обслуживания и ремонта электрооборудования на основе имитационного моделирования процессов возникновения отказов.
Суть метода состоит в том, что оптимальная система эксплуатации электрооборудования должна основываться на адаптивной системе технического обслуживания, которая обеспечивает изменение графика планово-предупредительного ремонта в соответствии с эксплуатационной надежностью электрооборудования типографии.
Наиболее известны поточные линии в отделочном производстве, но они существенно отличаются, например, от поточных линий в печатном процессе. Это объясняется тем, что структура поточных линий зависит от типа отделочного процесса печатной продукции: пере-плетно-брошюровочный или общий процесс обработки бумаги, или например, процесс производства упаковочных средств [1].
Исходя из типа процесса, выделяются главные группы поточных линий в отделочном производстве:
• поточная линия разрезки запечатанных листов и рулонов;
• поточная линия для фальцовки;
• поточная линия высекания:
• поточная линия послепечатной обработки для бесконечных формуляров;
• поточная линия для приклеивания форзаца;
• поточная линия комплектовки;
• поточная линия подборки;
• поточная линия изготовления блоков;
• поточная линия обрезки;
• поточная линия изготовления крышек;
• поточная линия упаковки.
К данному списку можно добавить еще несколько десятков наименований агрегатов и машин, но это не изменит основного положения: электрооборудование линий, машин, агрегатов, автоматов и вспомогательного оборудования послепечатного процесса однотипно.
Все поточные линии содержат однотипный набор электрооборудования:
1. Главный привод и вспомогательные двигатели (электродвигатели.
2. Элементы защиты (реле, тепловые реле и т. д.).
3. Концевые выключатели.
4. Датчики аварийной остановки.
5. Интегральную микросхему - контроллер управления процессом исполнения основных функций.
6. Фотодатчики аварийной остановки
и т. д.
Все элементы электрооборудования в различных поточных линиях включены в различные последовательно-параллельные электросхемы.
Согласно ГОСТу [2, 3, 4, 5], каждый элемент электросхемы имеет свой коэффициент надежности. Зная коэффициенты надежности элементов электросхемы поточной линии, мы рассчитываем коэффициент надежности всей поточной линии и, сравнивая его с числом отказов определенных элементов оборудования, можем прогнозировать будущие отказы и ремонт.
Сопоставление возможностей различных систем обслуживания и ремонта электрооборудования показывает, что все они основаны на стандартах [2] и их разработках и на «Единой системе планово предупредительного ремонта и рациональной эксплуатации технологического оборудования машиностроительных предприятий» [6], а также на отраслевых системах технического обслуживания и ремонта. Данное сопоставление будет присутствовать во всей работе, потому что эти системы весьма близки. Собственно говоря, в данном исследовании не ставилась задача введения новых стандартов или задача коренной переделки «Единой системы...». Эти задачи важны, но они на самом деле вторичны.
В данном исследовании сделана первая попытка сопоставить электрооборудование всего ряда отделочных машин и, выделив главные элементы ряда, оценить их надежность и спрогнозировать их работоспособность.
Начало разработок по надежности полиграфического оборудования восходит к 80-м годам XX века. Это работы профессора Волкова П.Н., создавшего свою школу и читавшего курс лекций по надежности полиграфического оборудования и проводившего исследования и анализ методов и математических моделей испытаний агрегатов для оценки их характеристики надежности [7]. Общие вопросы надежности полиграфического оборудования хорошо отражены в работах [8], [9]. Вопросы же связанные с диагностикой и надежностью электрооборудования, интегральных схем, компьютерных наборных систем рассматриваются в работах [10]. Однако единой системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования в полиграфии не существует.
Рассмотрим существующие системы в других сходных областях.
Так как в существующих системах технического обслуживания и ремонта электрооборудования лежал принцип централизованного планирования и управления, то все они не лишены недостатков. Главным же недостатком является применение единых усредненных нормативов, которые устанавливались на основе статистических данных об отказах электрооборудования по всем типографиям. Таким образом, усредненные нормативы применяются в типографиях, условия в которых иногда существенным образом различаются: по срокам службы и степени износа электрооборудования, видом и исполнением электрооборудования и т.д..
Тот факт, что связь между условиями эксплуатации электрооборудования в типографии и нормативной базой отсутствует, замедляет развитие и внедрение новых технологий в ремонте. Введение же новых методов технического диагностирования и прогнозирования для периодического контроля состояния оборудования повышают эксплуатационную надежность оборудования.
Такой единый подход к формированию нормативно-информационной базы обуславливает очень медленное ее обновление, а в настоящее время обновление совсем остановлено. Кроме того, при централизованном подходе практически невозможно обеспечить достоверность сведений о надежности электрооборудования в целом, так как не все типографии заинтересованы в точности заполнения отчетных документов по отказам электрооборудования и проведении технического обслуживания.
Таким образом, принципы жесткого регламентирования структуры и длительности ремонтного цикла оказывают отрицательное воздействие на эффективность системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования. К такому же заключению пришел и ряд зарубежных фирм, что отражено как в публикациях, так и в рекламных проспектах.
Необходимо отметить, что в одной из последних редакций системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования сделана попытка придать существующей системе способность к адаптации. Показано, что список норм и нормативов и их значения, содержащиеся в системе технического обслуживания и ремонта электрооборудования, должны подвергаться конкретизации на каждом предприятии, исходя из существующих конкретных условий и требований, по мере установления соответствующих критериев и технико-экономических обоснований.
В работе [11] предлагается корректировать систему технического обслуживания и ремонта электрооборудования, разработанную при проектировании машин, в процессе эксплуатации. Такая необходимость корректировки обуславливается случайным характером эксплуа-
тации машин и случайным изменением их технического состояния, накопленным опытом эксплуатации машин.
Принцип корректирования описан так же в работе [12], где предлагается учитывать формы технического обслуживания и ремонта в каждом конкретном случае.
Перспективные направления совершенствования системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования должны развиваться в направлении разработки средств и методов, позволяющих реализовать их на практике. В будущем система технического обслуживания и ремонта электрооборудования должна содержать помимо описания, набор программных средств для компьютеров и технических средств диагностирования, позволяющих реализовать на практике основные теоретические положения. Так в работе [13] разработаны основные стратегические направления совершенствования системы, а в работе [14] введена классификация уровней построения такой системы состоящей из пяти уровней: нулевой уровень эксплуатации оборудования производится без технического обслуживания и ремонта до момента возникновения отказа; первый уровень технического обслуживания и ремонта производится в соответствии с графиком, который составляется персоналом с частичным использованием нормативной документации; второй уровень технического обслуживания и ремонта производится в соответствии с графиком, который составляется на основе жестких отраслевых норм; третий уровень технического обслуживания и ремонта производится в соответствии с графиком, составленным на втором уровне, а затем скорректированным с учетом условий эксплуатации; четвертый уровень технического обслуживания и ремонта производится по графику, составленному на основе аналитических методов с учетом закона распределения наработки на отказ и его параметров; пятый уровень технического обслуживания и ремонта производится в соответствии с графиком, который составляется компьютером по гибкой схеме на основе диагностической информации о техническом состоянии оборудования.
В настоящее время нет централизованного управления, и каждая типография самостоятельно решает свои задачи по снижению издержек производства и повышению качества продукции. Появилась возможность использовать мощные компьютеры для автоматизации работы ремонтных служб типографии, которые позволяют перенести задачи по выполнению расчетов, необходимых для гибкого управления техническим обслуживанием и ремонтом, непосредственно на предприятие.
Адаптивная система технического обслуживания и ремонта электрооборудования получила дальнейшее развитие в работе [15]. Эта система выполняет:
- накопление статистической информации об отказах электрооборудования и отдельных его конструктивных элементов. Нахождение закона распределения наработки на отказ электрооборудования и расчет его параметров;
- расчет оптимальной периодичности технического обслуживания для данного вида оборудования и отдельных его конструктивных элементов;
- анализ отказов электрооборудования, позволяющий при расчете периодичности технического обслуживания, текущего и капитального ремонта учитывать только те отказы электрооборудования, причины возникновения которых устраняются в результате соответствующего вида работ по техническому обслуживанию;
- создание и ведение нормативно информационной базы по техническому обслуживанию и ремонту для различных типов электрооборудования и отдельных, наиболее часто отказывающих, его элементов;
- накопление информации о техническом состоянии диагностируемого электрооборудования;
- расчет оптимальной периодичности измерения контролируемых параметров электрооборудования при осуществлении периодического диагностирования.
В настоящее время данная система является наиболее приемлемой для наших целей и, хотя она имеет некоторые недостатки, может быть положена в основу для создания системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования поточных линий отделочного производства.
Сама система должна состоять из трех блоков:
1. Сбор и обработка статистических данных о надежности эксплуатируемого электрооборудования.
2. Расчет периодичности проведения работ по техническому обслуживанию, текущему и капитальному ремонту.
3. Составление графика работ по техническому обслуживанию и ремонту электрооборудования.
Последовательное выполнение этих трех этапов и обеспечивает гибкость и адаптивность системы.
Сбор и обработка статистической информации о надежности электрооборудования необходим для определения функции распределения наработки на отказ, а также среднего времени восстановления. На втором этапе (по математическим моделям), применяя найденные показатели надежности и функцию распределения наработок на отказ электрооборудования, рассчитывают периодичность работ по техническому обслуживанию и ремонту. На третьем этапе составляется график необходимых работ. По истечению определенного времени, и после обновления статистической информации о надежности электрообору-
дования, цикл расчетов повторяется и составляется новый график работ по техническому обслуживанию и ремонту электрооборудования, соответствующий новому уровню надежности.
Как известно, основными элементами математического обеспечения системы являются методы обработки статистической информации о надежности оборудования и математические модели, предназначенные для расчета интервала восстановления, и во всех задачах надежности основным требованием к методам обработки статистической информации является обеспечение требуемой точности, эффективности и достоверности оценок параметров функции распределения и показателей надежности. Однако, при расчете показателей надежности и параметров закона распределения отказов электрооборудования в одной типографии, установленного однотипного оборудования недостаточно для формирования полных выборок наработок на отказ за доступное время наблюдений. Поэтому задача оценки параметров функции распределения отказов по малым выборкам, с функциями расчета периода работ по техническому обслуживанию, соответствующего условиям эксплуатации и надежности электрооборудования отдельной типографии выходит на передний план и становится главной.
Стандартом установлены оценки показателей надежности и расчета точечных оценок параметров законов распределения, так же как и основные функции и элементы системы технического обслуживания и ремонта. Данный стандарт устанавливает методы оценки параметров трех законов распределения, которые наиболее часто встречаются при анализе данных об отказах электрооборудования: логарифмически нормального, экспоненциального, Вейбулла. По стандарту оценки параметров законов распределения вычисляют методом максимального правдоподобия. Но в стандарте не приведены характеристики точности и эффективности оценок параметров законов распределения, получаемых методом максимального правдоподобия. Так что, исследование оценок параметров функций распределения отказов по малым выборкам и достижение их максимальной точности - является очень важной задачей при создании системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования.
Отвечая стандартам, методы, применяемые в системе технического обслуживания и ремонте электрооборудования совместно с математическими моделями должны обеспечивать адаптивность процесса и должны плавно изменяться в соответствии с изменением конструктивной надежности оборудования при данных условиях и сроках эксплуатации. Все работы, техническое обслуживание, текущий и капитальный ремонт - направлены на восстановление оборудования, и большинство моделей для определения периодичности работ, основаны на методах теории восстановления.
Выводы
Анализ состояния вопроса в области расчета периодичности технического диагностирования, моделей оптимизации технического обслуживания и методов обработки статистической информации о надежности электрооборудования позволяет сделать следующие выводы:
1. Действующие системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования в различных областях промышленности построены по принципу установления единых нормативов, правил технического обслуживания и ремонта для всех предприятий. Условия эксплуатации электрооборудования на конкретном предприятии, которые определяют уровень его эксплуатационной надежности, не учитываются. Практически невозможно обеспечить высокий уровень достоверности собранных для базы данных и информации о надежности электрооборудования. Наиболее оптимальной системой является адаптивная система технического обслуживания и ремонта электрооборудования.
2. При разработке системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования в полиграфии так же необходимо идти по пути разработки адаптивной системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования, что позволит корректировать график профилактических и капитальных ремонтов в соответствии с эксплуатационной надежностью электрооборудования типографии и его техническим состоянием.
3. При разработке такой системы в полиграфии, за основу необходимо принять математические методы по сбору и обработке информации о надежности, установленные стандартом, так что бы они позволили добиться плавного адаптивного процесса изменения периодичности работ по техническому обслуживанию и ремонту электрооборудования.
4. Методика сбора и обработки информации о надежности электрооборудования должна обеспечивать формирование выборок наработок на отказ электрооборудования, соответствующих конечной цели, которая заключается в оптимизации периодичности конкретных работ по техническому обслуживанию и ремонту электрооборудования типографии.
5. Необходима разработка математических моделей расчета оптимального периода диагностирования электрооборудования типографий.
Библиографический список
1. КиппханГельмут. Энциклопедия по печатным средствам информации. Технологии и способы производства; пер. с нем. / Гельмут Киппхан. - М. : МГУП, 2003.
2. ГОСТ 28.001-83. Система технического обслуживания и ремонта техники. Основные положения. - М. : Издательство стандартов, 1983.
3. ГОСТ 21623-76. Система технического обслуживания и ремонта техники. Показатели для оценки ремонтопригодности. Термины и определения. - М. : Издательство стандартов, 1976.
4. ГОСТ 24408-80. Система технического обслуживания и ремонта технологического оборудования машиностроительных предприятий. Металлорежущее, кузнечно-прессовое, литейное и деревообрабатывающее оборудование. Порядок разработки и правила составления руководства по эксплуатации и ремонтных документов. - М. : Изд-во стандартов, 1985. - 11 с.
5. ГОСТ 28470-90. Система технического обслуживания и ремонта средств вычислительной техники и информатики. Виды и методы тех-ниче-ского обслуживания и ремонта. - М. : Изд-во стандартов, 1990. - 5 с.
6. Единая система планово-предупредительного ремонта и рациональной эксплуатации технологического оборудования машиностроительных предприятий. - 6-е изд. - М. : Машиностроение, 1967. -591 с.
7. Тимофеев В.И. Надежность полиграфического оборудования. Испытания на надежность : учеб. пособие / В.И. Тимофеев, П.Н. Волков. - М., 1987. - 78 с., ил.
8. Бобров В.И. Теоретические основы структурного синтеза автоматизированных систем машин полиграфического производства : монография / В.И. Бобров. - М. : МГУП, 2004. - 237 с.
9. Куликов Г.Б. Основы виброакустической диагностики полиграфического оборудования : монография / Г.Б. Куликов. - М. : МГУП, 2006. - 275 с.
10. ШурыгинВ.Н. Эксплуатация и диагностика электронного полиграфического оборудования : учеб. пособие / В.Н. Шурыгин, А.С. Сидоров. - М. : МГАП Мир книги, 1996. - 77 с.
11. Надежность в машиностроении : справочник / под общ. ред. В.В. Шашкина, Г.Л. Карзова. - СПб. : Политехника, 1992. - 719 с.
12. Каннингхем К Методы обеспечения ремонтопригодности : пер. с англ. / К. Каннингхем, В. Кокс. - М. : Советское радио, 1978. - 312 с.
13. Надежность и эффективность в технике : справочник : в 10 т. / ред. совет: В.С. Авдуевский (пред.) и др. - М. : Машиностроение, 1986. - Т. 1. Методология. Организация. Терминология / под ред. А.И. Рембези. - 223 с.
14. ГимелыпейнЛ.Я. Техническое обслуживание и ремонт подземного оборудования / Л.Я. Гимелыпейн. - М. : Недра, 1984. - 222 с.
15. Русин А.Ю. Математические модели в системе предупреждения аварийных режимов электрических систем / А.Ю. Русин // Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах : тез. докл. Международной науч. конф. 2-5 июля 1996 г. - Тверь, 1996. - С. 172.
