CC BY
118
Перевертов В.П.
СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ КШМ И ГИБКИХ МОДУЛЕЙ НА ИХ ОСНОВЕ
Множество параметров, поступающих из системы контроля ГПМ, формирует в технической системе образ модуля (комплекса) выступающего как его реальное отображение. Первичная информация о параметрах элементов модуля связана многомерной нелинейной зависимостью с обобщенным показателем, определяющим
состояние (исправное - неисправное) - образ кузнечного модуля.
Функциональная обработка сигналов первичных функциональных преобразователей (датчиков) ставит своей целью распознать техническое состояние ГПМ и сформировать в соответствии с законом-алгоритмом
управления управляющее воздействие для обеспечения работы модуля с наилучшими технико-экономическими
показателями.
Управляющее воздействие в общем случае является многомерной нелинейной функцией от управляющих воздействий, тестовых воздействий, управляемых параметров, информативных и неинформативных параметров, внешних и внутренних возмущений, воздействующих на элементы ГПМ и технические устройства в системе диагностического управления (СДУ) КШМ.
Каждому состоянию штамповочного модуля соответствует ^-мерный вектор, выбрав из множества параметров ограниченное число п-информативных диагностических параметров. В реальных условиях п-информативным параметрам соответствует ^-мерный случайный вектор, так как входные информативные параметры КШМ (перемещение, скорость рабочих частей, основы штамповочного модуля и параметры первичных датчиков) зависят от неинформативных параметров (коэффициент трения в направляющих ползуна, пара винт-гайка и т.д.), а каждому состоянию КШМ - п-мерная область в пространстве п-информативных параметров.
Информативные параметры в общем случае взаимосвязаны (уравнение движения рабочих частей КШМ на характерных этапах машинного цикла, математическая модель, динамическая модель) и зависят от неинформативных, поэтому области, соответствующие определенным состояниям КШМ перекрываются между собой. При определении технического состояния штамповочного модуля, и в частности КШМ, всегда имеется вероятность ошибки определения его реального состояния. Для повышения вероятности правильного определения состояния, как модуля, так и КШМ, можно разнести перекрывающиеся области соответствующим выбором информативных параметров, однако это не всегда возможно, так как на производстве число контролируемых параметров ограничено. Кроме того, разнесение областей, соответствующих определенным состояниям КШМ, без уменьшения соответствующих им объемов в п-мерном пространстве, ухудшает разрешающую способность определения - уменьшает число определяемых состояний КШМ в единице объема п-мерного пространства. Уменьшение разрешающей способности, при ограниченных максимально возможными значениями информативных параметров диапазона преобразований, приводит к снижению точности преобразований.
Другой путь состоит в уменьшении объема п-мерной области, соответствующей определенному состоянию КШМ. Достичь этого можно применяя преобразования, инвариантные к неинформативным параметрам КШМ, и датчики, структуры которых инвариантны к неинформативным параметрам, воздействующим как на сам объект управления, так и на элементы структуры датчиков. При этом повышается разрешающая способность и соответственно точность определения состояния исследуемого модуля.
Система диагностики (СД) предназначена для определения места отказа, причины, вызывающей отказ, пути выхода из состояния отказа.
Обеспечение высокой надежности ГПМ на основе КШМ ударного действия возможно при условии создания СД с развитой математической инфраструктурой на базе ЭВМ. Принципы построения СД винтовых прессов (ЭВП, ГВП, МВП) могут быть использованы при разработке СД ГПМ (рис. 1).
Рис. 1. Структура и режимы работы элементов системы диагностирования КШМ:
УМПР - универсальный модуль принятия решения; УС - устройство сопряжения;
СН - состояние нормы; СК - состояние критическое (зона риска); СО - состояние отказа;
нормальный режим работы элементов;
критический;
И -
в состоянии отказа
Структура требований к СД ГПМ на базе ВП включает обеспечения: методическое, лингвистическое, математическое, программное, техническое и т.д. (рис. 2).
Рис. 2. Структура требований к СД и КШМ
Своевременное выявление отказов (дефектных узлов) в сложной структуре ГПМ ОМД позволяет применить в полной мере его отличие - гибкость, способность перестраиваться не только на изготовление требуемой номенклатуры изделий, но и перестраивать в зависимости от состояния оборудования режим автоматизированной технологии, обеспечивая высокое качество поковок при максимальной производительности.
При разработке СД ГПМ ОМД должны выполняться требования:
Степень автоматизации СД должна соответствовать степени автоматизации всего производства.
Обладать как можно меньшим объемом, чтобы не снижать общую надежность кузнечного модуля, применять технические средства контроля, позволяющие осуществлять самоконтроль системы диагностики.
Иметь блочно-модульную иерархическую структуру с возможностью широкого обмена информацией между средствами верхних и нижних уровней, обеспечивать открытость и гибкость связей.
Охватывать диагностикой все оборудование ГПМ с требуемой разрешающей способностью.
Обеспечивать не только выявление отказов, но и принимать все меры для автоматического восстановления работоспособности оборудования. Для оборудования с преобладанием параметрических отказов это особенно важно, так как в этом случае возможна адаптация к изменению состояния оборудования на основе результатов работы СД.
Быстрая переналаживаемость в условиях выпуска широкой номенклатуры поковок и быстрота восстановления.
Обеспечивать рациональное соотношение процессов обработки поступающей информации на центральном процессоре вычислительной системы и на периферии (непосредственно на аппаратных средствах подсистемы контроля). Программное обеспечение СД должно рационально сочетать достаточную точность диагностирования и принятия решений с высокой производительностью (особенно на уровне распознавания состояния технологического оборудования.
Обеспечивать диагностику синхронизации работы элементов модуля.
Брать диагностические (дублирующие) функции в случае выхода из строя СД основным или вспомогательным оборудованием.
Эргономичности и визуального комфорта оператора.
Диагностика в сочетании с легко читаемыми диагностическими сообщениями существенно упрощает поиск и устранение отказов, а также предоставляет системе принятия решения (СПР) информацию, необходимую для выбора оптимального управления по поддержанию его работоспособности.
Принятие решений в рамках СД КШМ рассматривается с позиций теории принятия многоцелевых решений; программное обеспечение принятия решений строится как гибкая открытая система, структура которой может быть определена блоком, модулем, обращающимся к ней.
СД КШМ условно можно разделить на: 1) внешнюю (активную) диагностику, т.е. контроль состояния основного технологического оборудования (КШМ) и вспомогательного и 2) внутреннюю (автономную), т.е. контроль состояния системы управления (СУ). Вопросы диагностирования вспомогательного оборудования, включающего работы-манипуляторы, транспортные средства и т.д. частично рассмотрены в работах. Специфичным в виду опасных и вредных условий работы в горячештамповочных цехах для ГПМ ОМД является диагностирование КШМ ударного действия. На основе разработанных требований принимается решение о цикле проектирования и создания СД (методика проектирования СД) (рис. 3).
Система принятия решений (СПР), входящая в состав СДУ предназначена для обеспечения режима автоматизированной технологии при появлении случайных отказов и других нарушений работы ГПМ на базе КШМ. Восстановление работоспособности возможно в следующих случаях:
при наличии резервного элемента (штамповой оснастки, заготовки и т.д.);
при возможности восстановления отказавшего элемента модуля;
при наличии «обходного пути».
Техническое состояние технологического оборудования штамповочного модуля можно классифицировать согласно графу (рис. 4), где «к-норма» - критическое состояние по пространству параметров, которое может быть классифицировано как условно нормальное; «к-отказ» -критическое состояние по пространству параметров которое может быть классифицировано как отказ; «критически неопределимое состояние» -состояние, когда гипотезы «к-отказ» и «к-норма» равнообоснованы, исходя из принципа гарантированного результата это состояние впредь будет относиться к «к-отказу».
Рис. 3. Цикл проектирования и создания систем диагностирования КШМ
Состояние модуля обозначим следующим образом:
Б=<Л [: В]>,
где А ={норма, критическое состояние, отказ};
В ={к-отказ, к-норма}
Для решения задачи принятия уточняющего диагноза о состоянии КШМ модуля введем обозначения: Хо -отказ, Хн - норма, Хо > Хн гипотеза, что более обоснован «отказ», Хн > Хо - гипотеза, что более обоснована «норма» (рис.4,5).
Как правило, кузнечное оборудование модуля не имеет резерва. Определенный резерв имеется в бункере (накопителе) заготовок. Кроме того, резервировать можно штамповую оснастку при условии установки штампов-дублеров.
Считать неразличимыми, К-отказ Рис. 4. Классификация технического состояния КШМ Зона риска
норма
РИСК
макс ^ ^ мин
Хр < X < Хр
Рис. 5. Показатели работоспособности параметров технологического процесса и КШМ
В процессе функционирования КШМ штамповый инструмент постепенно приходит в негодность, что влечет за собой снижение качества поковок, увеличение нагрузок на машину и т.п. Решение сменить или оставить изношенный инструмент может оцениваться по целому комплексу показателей. Так в качестве множества критериев можно принять:
Y= {А1; А2} Аз; А4},
где Ах - величина отклонений геометрических размеров поковки от расчетных; А2 - среднее время
смены штампов; Аз - затраты; А4 - экологичность и т.д.
Таким образом, при разрушении или предельном износе штамповой ос-настки, а также при невозможности продолжать процесс штамповки СПР должна выбрать оптимальное решение: 1 - сменить штамповый ин-
струмент; 2 - закончить штамповку партии заготовок, несмотря на сигнал о предельном износе штампового инструмента и т.п.
Это решение должно приниматься с учетом стоимости штамповой оснастки, наладочных работ заготовок, простоя ГПМ и т.д.. Если отказ произошел в первую или вторую смену, когда в цехе имеются операторы, то может оказаться, что экономически эффективнее прекратить работу и вызвать оператора, чем принять вынужденное решение» например, о снятии штамповой оснастки.
Банк вариантов при выборе решения будет иметь вид:
НОРМА
Хс ас1 ас2 ас3 ас4 дсп
Хн ан1 ан2 ан3 ан4 аНп
тах
Уі У2 Уз У4 Уп
В качестве частичных порядков будет рассматриваться:
хс > Хн; Хн > хс
где Хс - «сменить» штамп, Хн - «не сменить» штамп.
Неопределенность целей требует привлечения гипотез (часто о ранжировании усилий, о частном порядке).
Согласно методу принятия решений (рис. 6) для обеих гипотез определяются пространства КЛС и рассчитываются значения функции обоснованности. Принимается то решение, которое максимизирует значение функции обоснованности: <^>^>^Хс, < ^ ^ ^ Хн.
Возможность восстановления нормальной работы после отказа характерна для большинства вспомогательных механизмов, в которых движущиеся части имеют склонность к заданию или «непопаданию». Иногда достаточно повторить цикл движения, чтобы восстановить нормальную работу отказавшего элемента. Восстановление возможно и тогда, когда контроль поковки показал окончательный брак: СПР должна привести соответствующие коррекции для того, чтобы следующие поковки укладывались в допуск.
Работа СПР необходима: в случае отказа;
один из показателей работоспособности попал в зону риска.
Для решения задачи формирования корректирующего воздействия, которая не может быть решена однозначно, разработана структурная схема универсального модуля принятия решений (УМПР) (рис. 7). УМПР состоит из двух частей: исполняющей и сервисной систем.
Исполняющая система УМПР включает в себя: проблемно-ориентированный язык УМПР (ПОЯ УМПР);
интерпретатор с ПОЯ УМПР (специальная программа пошаговой трансляции (конвертирования) и исполнения операторов;
набор исполняющих прикладных программ (ввода-вывода данных, интерпретации гипотез, принятия решений и т.п.);
набор специальных средств организаций (СО) и диалога; библиотека процедур и программ на ПОЯ УМТР.
Сервисная система УМПР включает в себя: систему самодиагностики; администратор ЕД УМПР.
Результат каждого решения в УМПР подлежит анализу в системе самодиагностики. При выявлении нештатных ситуаций на экране дисплее появляется сообщение о необходимости корректировки. На рис. 1 приведена логика работы системы самодиагностики.
ЛПР
^ Оптимальное решение
у^Ф^ПО^хо еХ
Рис. 6. Схема принятия многоцелевого решения в условиях неопределенности целей: У - множество
критериев оптимальности; X - множество вариантов решений; Ф - множество многоцелевых показателей; К - частичный порядок в X, гипотеза лица, принимающего решение (ЛПР); А - пространство коэффициентов линейной свертки; J - функция обоснованности гипотез; ПО - принцип оптимальности; Хо - оптимальный элемент X а)
Сервисная система УМПР
б)
Исполняющая система УМПР
Рис. 7. а) Структурная схема решения задачи формирования оптимального технологического процесса; б) Информационная структура системы оперативного управления ГПМ ОМД
Администратор БД осуществляет следующие основные функции: ведение протокольных файлов (файл-отчет о принятых решениях с указанием имен обращавшихся блоков; файл-отчет о коррекциях в БД; файлы статистик по УМПР) и диалоговое редактирование информации.
База данных УМПР имеет разделы: 1 - файлов-отчетов; 2 - статистик; 3 - основной. Разделы 2 и 3
состоят из подразделов согласно именам вызывающих блоков и специальным признакам.
УМПР в свою очередь должен осуществлять работу в автоматическом и автоматизированном (диалоговом) режимах; быть открытой, способной к развитию системой с использованием принципа добавления новых процедур и программ без существенных изменений сложившейся структуры (без введения новых операторов); обеспечивать информационное сопряжение с различными блоками (программами), имеющих различную информационную структуру; получать программу на ПОЯ УМПР от обратившегося блока или ссылку на программу из библиотеки с организацией взаимодействия.
Управление синхронизацией работы всех элементов осуществляет система оперативного управления (СОУ), которая должна отвечать следующим требованиям:
- реализовывать сигналы и команды, поступающие от СД и СПР;
- обеспечивать требуемую гибкость модуля и связь с другими модулями при создании ГПЛ, ГПУ, ГПЦ;
- принимать управление (дублирование) в случае отказа какой-либо из подсистем нижнего уровня с
целью повышения надежности и живучести как отдельных элементов ГШМ, так и модуля в целом;
- контролировать и диагностировать работу всей программы управления;
- обеспечивать автономность программ и независимость их друг от друга с целью автономности отладки.
В информационную структуру СОУ ГШМ подается управляющая информация в виде программ, полностью определяющих работу ГПМ при производстве различных поковок. В её состав должны входить следующие программные модули.
Программа работы основного и вспомогательного технологического оборудования (КШМ, роботы-манипуляторы, устройства подачи заготовок, поковок, штампов).
Программа синхронизации работы основных элементов модуля.
Программа контроля и диагностического состояния подсистем управления (нижний уровень управления).
Программа контроля и диагностики штампов и инструмента в процессе штамповки, включая способы контроля, диапазон нормальной работы, код инструмента, стойкость штампов и т.д.
Программа смены и наладки штампов и инструмента, включая расположение инструмента, его размеры, код, расчетную стойкость, параметры штамповки.
Управляющие программы содержат обобщенные команды, на основании которых формируется адекватная последовательность элементарных команд, исполнение которых обеспечивает получение качественной поковки. С блока формирования элементарных команд исходная информация поступает в соответствующие элементы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Перевертов В.П., Бочаров Ю.А., Маркушин М.Е. Управление кузнечными машинами в ГПС. - Куйбышев: кн. издат., 1987. - 160 с.
