CC BY
15
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС
Совершенствование машин, приборов и систем
Светлой памяти талантливых ученых и педагогов Виктора Михайловича Гребеника, Анатолия Васильевича Гордиенко и Григория Исааковича Яха посвящается
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДАМИ ЭНЕРГОЕМКОГО ОБОРУДОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ И МЕТАЛЛУРГИИ
УДК 621 Б.Н. Поляков
Академия инженерных наук Российской Федерации
Предлагается обеспечить надежность и сохранить на длительный период работоспособное состояние технологических агрегатов и оборудования энергоемких производств горнодобывающих, металлургических и машиностроительных предприятий за счет их оснащения самонастраивающимися микропроцессорными унифицированными системами программного управления при минимальных финансовых затратах.
Ключевые слова: микропроцессорные системы, программное управление, приводы энергоемкого оборудования, надежность, малогабаритные электронные устройства, элементы искусственного интеллекта, создание интегрированных систем машин.
Горнодобывающая, металлургическая и машиностроительная отрасли промышленности составляют основу энергоемких производств, современное состояние которых характеризуется следующими факторами:
1) сохранением высокой эффективности и приоритетности энергоемких производств;
2) неуклонным снижением работоспособного состояния оборудования и повышением уровня износа основных фондов до 80-90 %, ростом аварийных ситуаций и ремонтных расходов;
3) низким уровнем квалификации и технической культуры обслуживающего персонала;
4) оттоком опытных квалифицированных специалистов: конструкторов, технологов, научных сотрудников, операторов, производст-
венников, что приводит к потере базы знаний и опыта;
5) тяжелым экологическим состоянием водо-воздушной среды;
6) снижением объема оборотных средств и амортизационных затрат при увеличении текущих расходов, отсутствием возможности обновления парка оборудования и инвестиций, что делает маловероятным переход на более современные ресурсосберегающие и экологически чистые технологии.
Темпы реновации в настоящее время объективно предельно малы, и в ближайшие годы маловероятно их повышение, поэтому необходимо и возможно обеспечить надежность и сохранить работоспособное состояние оборудования на длительный период не фондо-, а наукоемкими, интеллектуально на-
сыщенными методами и средствами информационных технологий, не требующих серьезных капитальных затрат.
Таким образом, все вышеперечисленные показатели состояния экономики текущего периода, а также объективная необходимость поддержания в работоспособном состоянии технологического оборудования и постепенного роста производства требуют привлечения новых ресурсоэкономных методов при малых капиталовложениях, а значит, современных информационных технологий и вычислительной техники, т. е. средств теротехнологии [1].
Однако современные средства теротехнологии - автоматизация, диагностика и мониторинг, т. е. средства организации системы управления эффективным функционированием оборудования, обеспечения его надежности и длительной (заданной) работоспособности на основе методов и средств информационных технологий, в сравнении с методами и средствами САПР на стадиях проектирования и изготовления оборудования, - недостаточно развиты и мало распространены в отечественной металлургии и машиностроении. Тем не менее некоторый положительный опыт и примеры успешного и эффективного применения элементов теротехнологии, особенно в прокатном производстве, имеются [2].
Многолетний научный и производственный опыт показал, что в условиях тяжелого экономико-финансового кризиса возможно при минимальных финансовых затратах создать и внедрить в практику самоорганизующиеся и самонастраивающиеся микропроцессорные унифицированные системы программного управления (УСПУ) приводами энергоемкого оборудования на базе типовых и индивидуальных средств автоматизации с использованием искусственного и гибридного интеллекта. Системой УСПУ необходимо оснастить основные технологические агрегаты горнодобывающих, металлургических и машиностроительных предприятий, что позволит сохранить работоспособное состояние оборудования на длительный период; обеспечить сокращение расхода электроэнергии, газа и других энергоносителей, водных и ряда технологических ресурсов; снизить аварийные простои и ремонтные расходы, экологическую напряженность окружающей среды; повысить конкурентоспособность производств; улучшить информационный комфорт и другие условия работы обслуживающего персонала.
Обычно характеристики и параметры электроприводов практически любых сложных, ответственных технологических агрегатов и машин настраиваются при наладке и доводке «в среднем», на какой-либо определенный
режим эксплуатации, и сохраняются более или менее неизменными на протяжении всего периода работы механизма. При этом параметры и уставки приводов не учитывают реальные, достаточно широкие диапазоны изменения «внешних» технологических условий нагруже-ния и режимов эксплуатации (коэффициенты вариации их параметров достигают более 30 %), технологических режимов обработки и «внутренних» характеристик (параметров): износ оборудования (появление зазоров и люфтов) и инструмента, изменений условий смазки и охлаждения, колебания параметров элементов и узлов систем регулирования, датчиков, приборов и т. п., а также возможные различия в квалификации операторов. Иными словами, искусственно, в ущерб расходу энергии и многих других потерь, создаются детерминированные системы управления приводами, без учета реальных колебаний и флуктуаций параметров технологии и окружающей среды, их действительных статистических характеристик.
Концепция УСПУ состоит в обеспечении ручной (с помощью оператора) или автоматической адаптации системы управления приводами (коррекция режимов, параметров и уставок электро- или гидродвигателя, систем и узлов их регулирования) к широким диапазонам реальных изменений технологических условий нагружения и режимов эксплуатации машины или агрегата.
концепция пре дполагает введение микропроцессорных средств с элементами искусственного интеллекта, математических моделей функционирования и диагностики, а также средств автоматизации в замкнутый контур системы регулирования приводом, тем самым обеспечивается гибкость управления, самонастраиваемость, возможность ведения коррекции в реальном масштабе времени и большая (программная) приспособляемость к изменению внешних условий технологического нагружения и эксплуатации.
УСПУ имеет блочно-модульную изменяющуюся структуру и органично встраивается в любую существующую систему управления электроприводом постоянного или переменного тока и гидропривода без остановки технологического оборудования, т. е. запуск в эксплуатацию осуществляется за минимальное время, без снижения производительности и объема производства.
Система УСПУ позволяет осуществлять дифференцированное (ручное или автоматическое) управление механизмом, выбирая по задаваемой программе или зависимости уставки (параметры) систем регулирования или управления, тем самым обеспечивается либо приспособляемость, либо поднастройка,
либо коррекция системы. Это зависит от изменяющихся технологических условий (например, изменения сортамента), состояния оборудования и условий эксплуатации. Так как все параметры оборудования будут известны оператору или заданы программной системе, это даст возможность осуществлять непрерывный диагностический контроль всего технологического процесса и состояния оборудования (самодиагностика машин), что позволит прогнозировать возможные отказы в реальном масштабе времени и предотвращать аварийные ситуации, катастрофы, поломки, а значит, сэкономить ремонтные расходы. В итоге достигаются стабильность производства, рациональность и оптимальность управления с обеспечением требуемых (задаваемых) критериев качества в любых условиях.
Внедрение систем УСПУ на металлургических комбинатах России и Украины и длительный период эксплуатации показали их значительную эффективность. Например, реализация микропроцессорного программного управления для главных приводов обжимных станов с целью защиты от буксования валков позволила увеличить производительность на 0,7-1,5 %, сократить затраты на ремонт на 0,2-0,4 % и простои - на 0,1-0,25 %, снизить нагруженность оборудования и повысить его долговечность, улучшить условия работы операторов. Установка УСПУ на манипуляторах ряда обжимных станов позволила не только стабилизировать, но и снизить нагруженность оборудования, повысить срок его службы на 25-30 %, увеличить производительность на 2-3 % за счет сокращения продолжительности аварийных простоев, уменьшить затраты на ремонт на 0,8-1 % [2].
Применение УСПУ для сортовых ножниц ряда прокатных станов АО «Ижсталь» и Златоустовского металлургического завода по результатам математического моделирования позволяет уменьшить нагруженность оборудования на 5-8 % и снизить расходы на электроэнергию только за один год эксплуатации на 220 тыс. кВт/ч [2]. Подобного оборудования на металлургических заводах России около сотни.
Разработка и внедрение микропроцессорного комплекса автоматического контроля и управления остаточной деформацией (удлинением) в гидросистеме правильно-растяжной машины (ПРМ) усилием 15 МН на Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении позволили повысить точность и качество обрабатываемых изделий, выход годного по профилям и панелям на 0,3-0,4 %, снизило брак, стабилизировало технологический процесс и обеспечило экономию электроэнергии. Реальная эффективность системы подтвердила целесооб-
разность их применения при проектировании новых ПРМ усилием от 10 до 60 МН [3].
Вышеприведенные примеры успешного применения УСПУ свидетельствуют о высокой эффективности предлагаемой разработки. Но реальный эффект будет несоизмеримо выше с учетом того, что подобное энергоемкое оборудование в различных отраслях промышленности составляет многие сотни единиц.
Кроме того, УСПУ могут составить основу для организации мониторинга уникальных технологических объектов и агрегатов, таких, например, как гидроэлектростанции, нефтеперегонные заводы, химические и металлургические предприятия, и т. п.
Таким образом, малый объем финансирования, широчайшее поле внедрения, значительный диапазон потребительских свойств, сравнительно низкая стоимость и гарантированная эффективность УСПУ делают целесообразной реализацию данного технического предложения.
Положительный опыт введения интеллектуальных микропроцессорных систем в замкнутый контур управления электро- и гидроприводами различных технологических машин и достигаемая экономическая и социальная эффективность дают основание для постановки (в качестве экспериментального этапа) следующей научно-прикладной задачи: передать компьютеру хотя бы часть чисто механических функций механизма с целью упрощения сложных кинематических систем и конструкций машин, повышения их надежности. При этом, по нашему мнению, с помощью УСПУ можно выполнять воспроизводимые ранее сложными силовыми передачами и рычажными механизмами функции задания (требуемые) законов изменения перемещений и траекторий исполнительного звена, его скорости и ускорения; функции линейных и угловых скоростей сопрягаемых валов, т. е. замены механической связи на «электронный вал», коррекции статических и динамических характеристик механизма и постоянной времени (учет износа и люфтов в системе) в реальном масштабе времени; кинематические функции рычажных и кулачковых механизмов, функции кривошипа и т. д.
Введение УСПУ как органичного элемента привода для выполнения кинематических функций механизма позволит резко упростить кинематическую схему, структуру и конструкцию механизма, исключить из привода громоздкие кривошипно-шатунные и другие четырехзвенные рычажные механизмы (например, для летучих и дисковых ножниц, пил, рычажных и зубчатых передач, реализующих сложные траектории и законы движения
в агрегатах трубопрокатного производства, и т. п.), а также дорогостоящие силовые зубчатые передачи и тем самым значительно снизить металлоемкость, т. е. осуществить при проектировании в большом масштабе качественно новый переход к безредукторно-му (и безрычажному) приводу, обладающему большей надежностью, долговечностью и наиболее высоким КПД, что создает условия для производства не традиционно тяжелых, а современных легких машин.
По нашим прогнозам, именно надежные малогабаритные электронные устройства на основе микропроцессоров, содержащие элементы искусственного интеллекта и самодиагностики, созданные на основе ин-
формационных технологий САПР, обеспечат в ближайшем будущем хотя бы частичную замену тяжелонагруженных, металло- и трудоемких, крупногабаритных механических передач, например, уже сейчас возможны микропроцессорные вариаторы скоростей и преобразователи мощности (крутящего момента) и т. п.
Упрощение конструкции машин за счет применения УСПУ в структуре привода совместно с интеллектуальной поддержкой позволит сделать реальным создание интегрированных систем машин, т. е. их усложнение - агрегатирование - с объединением их технологических функций и формированием сложных автоматизированных комплексов [2].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Поляков, Б.Н. САПР в металлургии, машиностроении и приборостроении / Б.Н. Поляков, Г.Б. Крепышев. - Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. проф.-пед. ун-та, 2000. - 129 с.
2. Поляков, Б.Н. Повышение качества технологий и долговечности оборудования прокатных станов:
В 2 ч.- Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. проф.-пед. ун-та, 1994. - Ч 2. - 192 с.
3. Лешерн, П.И. Разработка и исследование автоматизированной системы управления правильно-растяжной машиной: дис. ... канд. наук. - Свердловск, 1987. - 329 с.
Поляков Борис Николаевич - доктор технических наук, профессор, Статья поступила в редакцию
член-корреспондент Академии инженерных наук Российской Федерации, 28.08.2011 г.
почетный ученый Европы.
© Б.Н. Поляков, 2011.
Новые технологии и оборудование производства
МЕТОДИКА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАССОВЫХ ИСПЫТАНИЙ РАДИОКАНАЛОВ КОРОТКОВОЛНОВОЙ СВЯЗИ
УДК 621.391.23.037.372 Д.Е. Зачатейский
Омский филиал Института математики им. С.Л. Соболева СО РАН
В работе рассматривается методика компьютерного моделирования условий ионосферного распространения радиоволн коротковолнового диапазона и имитации работы радиолиний с целью прогнозирования качественных параметров радиоканалов в различных гео- и гелиофизических условиях.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, ионосферное распространение радиоволн, коротковолновой диапазон, радиолиния, радиоканал, детерминированные и стохастические методы.
Как известно [1], 70 % территории РФ приравнивается к районам Крайнего Севера. В них проживает около 8 % (~12 млн чел.) населения
страны. Вместе с тем Север уже сейчас производит порядка 20 % ВВП России. Имеющиеся на этих территориях минерально-сырьевые
