CC BY
90
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ
УДК 621.798.4 - 426: 65.011.56
В.Я. Подвигалкин
СИСТЕМНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВЯЗИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОДУЛЬНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРОВОЛОКИ
Рассмотрены вопросы построения системы управления в информационно-технологическом модульном производстве стальной проволоки.
V.J. Podvigalkin SYSTEM INFORMATION-TECHNOLOGICAL TIES OF AUTOMATIZED MODULAR INDUSTRIAL PRODUCTION OF WIRE
Questions of the construction of a system of management in informative-technological modular manufacture of a steel wire are considered in this article.
Работ по созданию перспективных комплексно-автоматизированных технологических процессов сталепроволочного производства на уровне лучших мировых достижений в настоящее время либо нет, либо они не нашли должного понимания. Состояние технологического процесса сталепроволочного производства (рис. 1), где используется преимущественно тяжёлый физический труд рабочего-волочильщика, требует замены мускульного труда на машинный. Использование химического метода подготовки сырья-катанки экологически опасно [1]. Оборот документов выполняют ручным способом, а не электронным. Труд непривлекателен. Все эти и другие отставания явились причиной перекоса в темпах развития машиностроения, создания радиоэлектронных систем и т. д.
В состав технологического процесса производства проволоки (рис. 1) входят следующие функциональные технологические группы и операции: 1 - химическое удаление окисной окалины с катанки. Техоперация экологически вредная для работающих и вообще для экосистем. В результате очистки катанки образуются сернистые соединения железа и водный раствор с примесями. ВС - функциональная группа технологических элементов волочильного стана: 2а -стан; 2b - хобот-дозатор, на котором осуществляют накопленные примерного веса дозы («80 кг), откусывание и сброс на стол увязки, формования в моток. ФМ - функциональная группа технологических операций формования в моток рыхлых витков проволоки: 3 - подготовка отрезков вязальной проволоки; 4 - подготовка маркировочной бирки; 5а, 5b, 5с - увязка и уплотнение поочерёдно в 3 местах, примерно равноудалённых, рыхлых витков проволоки в моток, причём в
месте (зоне) 5с закрепляют маркировочную бирку. 6 - операция откусывания лишней вязальной проволоки (усов). 7 - ручная отгрузка мотка в условный накопитель. 8 - механизированная транспортировка мотков на склад готовой продукции.
Рис. 1. Функциональная схема технологического процесса производства
стальной проволоки
Устранение тяжёлого, экологически опасного, малопроизводительного производства в настоящее время является актуальным.
Производство для России, где достаточно большой объём выпускаемой продукции, когда продукция остаётся постоянной в течение длительного времени, а оборудование не нуждается в частой переналадке, требует применения робота с «жёсткой» системой автоматизации. ГПС и ГАП [2,3] нецелесообразны из-за экономических препятствий с одной стороны и применением технически неоправданно сложного оборудования - с другой. Решение задачи механизации и автоматизации за рубежом сводится к созданию вязальных агрегатов, действующих в статике. Об этом свидетельствуют: патент (Япония), № 48-306808, 1973 г.; патент (ФРГ), № 15862875, 1972 г.; патент (США), № 3709422, 1973 г. и многие другие. Некоторые образцы представлены в журнале Drachtwelt, 1977, № 9. Все они громоздки и инертны во времени, кроме японских. Эти агрегаты являются дополнительной нагрузкой для рабочего, обслуживающего волочильный стан. Их размещают возле каждого волочильного стана, на выходе последнего блока.
Анализ научно-технических работ [4] показывает, что наиболее удовлетворительно рассмотрена эта задача на примере многономенклатурных производств. На этих производствах, в 70-х - начале 80-х гг. остро встала проблема комплексной автоматизации учёта, планирования и сбыта материалов, комплектующих и готовых изделий. Для этих целей появилась необходимость создания складских автоматических подразделений, где начала возникать идея комплексной автоматизации организации управления экономикой производства.
Единых концептуальных рецептов не было вплоть до 90-х годов ХХ столетия. В силу же инерции, в стране и в мире возникли рассогласования в экономическом развитии.
Решение задач формирования качественно новой экономики в России возможно на основе принципиальных изменений в производственных отношениях, обновлении форм и методов работы при решительном преодолении инерции, застоя и консерватизма [5]. Представляется целесообразным рассмотрение принципов, организационных и технических решений по преодолению рассогласования путём создания системных информационно-
технологических связей модульного промышленного производства, на примере производства стальной проволоки.
Отличительной особенностью науки нашего времени является разработка новых производственных технологий на основе информационно-технологического и функционального состояния технико-технологического оснащения производств с использованием достижений науки и техники: автоматизации технологического процесса во времени, системности, надежности и т. д. Такой информационно-технологической системой производственного назначения является предлагаемая (рис. 2) информационно-технологическая система управления производством проволоки [6]. Эта система построена по принципу заранее отлаженной замкнутой программы функционирования технологического процесса производства.
Схема системы содержит: пульт управления с автоматической обработкой информации, с возможностью ручного способа контроля и управления; дешифратор - БО; устройство памяти; усилитель команд и сигналов; арифметическое (А) устройство с регистром и преобразователем результатов; устройство управления роботом (СО), исполнительный механизм (М). От датчиков Б2 и другого технико-технологического оборудования подаются в систему сигналы готовности и взаимодействия в технологическом цикле. Для нормализации и стабилизации функционального состояния технологически однородного оборудования, которое является тем самым модулем в горизонтальных и вертикальных системных информационных связях, рациональным представляется организация автоматизированной системы управления предприятием по производству проволоки.
Рис. 2. Электрическая структурная схема информационно-технологической системы управления (ИТСУ)
При разработке информационно-технологической системы производства проволоки опирались на ряд основополагающих теоретических положений математического аппарата алгебры логики [7], импульсной техники [8], достижений микро- [9] и нанотехнологий [10-12]:
1. Производственный модуль состоит из множественных структурно-функциональных элементов, взаимосвязанных в единую многоуровневую сеть, где информационная составляющая каждого отдельного звена влияет как на все остальные элементы (сырье, оборудование и т.д.), так и на все производство в целом.
2. Производство - открытая система, которой свойственны саморегуляция и самоорганизация.
3. Основой структурно-системной организации, функционирования и управления является робот.
4. Элементы, систематизирующие информационные взаимосвязи, существуют во множестве технологического оборудования и системах производства.
5. Взаимодействие внешних иерархических сетей и производства происходит через АСУТП.
6. Восприятие информации осуществляется непосредственно участком производства (пультом управления, роботом, волочильными станами и остальным техникотехнологическим оснащением), а анализирует, организует информационно-обменные процессы АСУТП.
7. Стабильно работающий производственный модуль отличается надежной устойчивостью информационных связей как между горизонтальными функциональными системами производства, так и внутри каждой системы и подсистемы.
8. Показателем устойчивости информационного взаимодействия служит синхронизация собственных технологических процессов, имеющих роботизированную манипуляционную базу.
9. Кодирование информационных потоков состояния производства осуществляется в цифровом представлении.
Рекомендуемая информационно-технологическая система управления содержится в основе проекта «Роботизированный технологический комплекс производства проволоки» и находится в согласии с концепциями Питера Дракера о формировании новых подходов к производству [13].
Поскольку производственные технологические процессы функционируют во времени, целесообразно это далее рассмотреть.
Роботизированный технологический комплекс и время
Основываясь на определении базы измерения затрат на производстве - время, как поддающееся измерению и контролю конкретного технологического процесса, при создании роботизированной системы производства, возникла необходимость в разработке новой системы коммуникации и информации, имеющую современную электронную элементную базу микроэлектроники: микросхемы, микросборки и микроблоки.
Функционирование предприятия всё сложнее, в общей системе обмена информацией, обработке информации, контроля и управления производством в условиях увеличения ритма работы, когда производство - модульная подсистема, рис. 3. Устранение этих сложностей -актуальная задача, решение которой позволит интегрироваться предприятию в обмене информацией о выпускаемой продукции современными методами.
Информация о технологическом состоянии функционального техникотехнологического автоматизированного оборудования, учёт и планирование, сбыт результатов производства кодируется в виде прямоугольных импульсов, обозначающих ноль или единицу алгебры Буля [7], рис. 4, а, или же по Бернарду Скляру в виде потока битов в форме двухуровневых импульсов [13], рис. 4, б. На рис. 4 единица означает наличие командного импульсного потенциала для исполнительного операционного технологического механизма, ноль - отсутствие такового.
Сущность работы автоматизированной системы состоит в следующем. Информация от одного из датчиков поступает в арифметическое устройство через переключающее устройство в кодирующее, записывается во временный накопитель - запоминающее устройство (для сравнения) и, одновременно, с регистрирующего пульта управления, поступает в линию связи с АСУ предприятия. В арифметическом устройстве информация распределяется в пульт управления и запоминающее устройство. По каналам обратной связи сигналы поступают в электронный логический оператор для указания направления техпроцесса. От датчи-
ков поступают сигналы уведомления о выполнении команд исполнительными устройствами оборудования в арифметическое устройство.
Рис. 3. Схема расположения модульного роботизированного технологического комплекса: 1 - многоблочный волочильный стан; 2 - стеллаж мотков; 3 - робот;
4 - пульт управления технологическим комплексом; 5 - хобот-дозатор; 6 - кран-балка
и
I П 11
1 С 1 111 0 1
а б
Рис. 4. Импульсное изображение двоичного кода: а - динамическое кодирование; б - двухуровневое кодирование
Такой метод для данного производства оправдан в силу обычности оборудования и жёсткой автоматизации технологического процесса производства. Анализ и сравнение информации возможно проводить не только автоматически, но и оператором пульта управления, который в ручном режиме может корректировать работу ИТСУ модулей 1,2,...,N. С пульта управления оператор не просто решает задачи, но и управляет (при необходимости) работой робота и всего технико-технологического оборудования. ИТСУ заранее настраивается распределением во времени функций волочильных станов способом последовательных управляющих сигналов, когда все операции определены заранее. Для выполнения сложной последовательности действий используется робот. Робот является ключевым устройством автоматизации всего комплекса технологического процесса, имея сложную систему электромеханических соединений, заканчивающихся рабочими функциональными элементами. Робот устраняет издержки производства, заме-
няя рабочих, значительно повышает производительность труда, вносит свой существенный вклад в обеспечение «гибкости» АСУ предприятия, которая связана с конкретными условиями производства: планирование, составление графика загрузки волочильного и вспомогательного оборудования, контроль складских запасов и координирования всех производственных вопросов, что представляет особую сложность.
Рис. 5. Структурная схема автоматизированной системы управления предприятием
Иерархическое построение системы управления
Характерной чертой современной экономики является стремление к сокращению наличных запасов сырья, материалов и готовой продукции. Сокращение запасов не должно, однако, снижать надежности снабжения промышленного модульного предприятия сырьем и материалами, а потребителей - готовой продукцией. Задача менеджмента - поддержание оптимальных соотношений между уровнем запасов и надежностью снабжения, опираясь на мобильные информационные сети. Для организации решения подобных задач и предлагается ИТСУ.
Система ИТСУ, разработанная для роботизированного производства, предназначена для оптимального согласования работы по горизонтали, стержнем которой является персональная ЭВМ менеджера. Система способна функционировать параллельно с производством.
Информационные операционные программы (ранее введённые) отражают всю информацию о производственной деятельности, планировании, прогнозировании и т.д.
Автоматизированная система управления предприятием, рис. 5, построена по многоуровневой иерархической схеме: самый нижний уровень (в горизонтали) - управление конкретным производственным участком, где функциональным исполнительным ядром является робот; более высокий уровень - управление автоматизированным модулем (цехом), т.е. комплексом роботизированных участков; высший уровень, - компьютер менеджера, - центр обработки данных, посылающий команды на отгрузку или приём заказов, -это АСУТП. Высший уровень содержит также планирующий сектор и сектор бухгалтерского учёта.
Пульт управления низшего уровня принимает команды с верхнего уровня (от ЭВМ модуля), расшифровывает их с помощью своего запоминающего устройства и выдаёт управляющие сигналы на связанные с ним средства управления роботизированным участком. В одном производственном модуле могут содержаться несколько пультов управления (по числу роботов). Горизонтальные связи непрерывные, после проката катанка сразу подаётся на первый блок волочильного стана, исключая тем самым экологически опасные технологические производственные операции, рис. 1.
Второй уровень управления может накапливать данные, координировать процессы производственных участков модуля, осуществлять учёт, составлять отчёты и выполнять другие связанные с этим задачи.
Третий уровень управления - это мощная единая административная ЭВМ. Сюда стекается в сжатом виде информация от всех пультов управления. Административная ЭВМ обеспечивает руководство модульным производством завода; отчётами всех сторон деятельности, формирует платёжные ведомости, ведёт учёт и отчётность, формирует внутримодуль-ные и заводские распоряжения, счета, составляет планы, а также выполняет функцию центрального хранилища данных для второго уровня. Огромные ёмкости запоминающих устройств позволяют ей хранить отработанные данные, прогнозы и бюджеты с тем, чтобы сравнивать их с текущими значениями, поступающими от отдельных роботизированных участков. Этот уровень имеет выход на внешние информационные сети.
Системный документооборот
Известно, что затратное время на производство и обмен информацией в развитых странах значительно превышает расходуемое время на промышленное производство и обмен материальной продукцией [15]. Во Франции значительное количество фирм специализируются на разработке информационного обеспечения, сборе, обработке и передаче информации на разнообразных видах носителей [16].
Наиболее развивающимися отраслями экономики Японии являются сфера услуг и информатика, где занято 60% трудоспособного населения [17]. С появлением электронных информационных сетей, по которым совершается документооборот, менеджмент во время работы Ли Якокки на фирме Форда коренным образом усовершенствовался [18].
Автоматизированная система управления, рис. 2, предприятия действует в постоянной взаимосвязи с внешними информационными сетями - системами более высокого уровня, наряду с низшими уровнями [19]. Эта взаимосвязь осуществляется посредством электронной информации путём коммуникационной связи.
Технология электронного документооборота в АСУ предприятия преобразует исходную информацию в результативную посредством человеко-машинного информационнотехнологического процесса. Передаваемая информация представляет собой, как показано на рис. 4, а и б, двоичные сигналы, образующие определённый числовой код. Информация с помощью электронной почты поставляется одновременно нескольким менеджерам; значительно сокращаются потери времени на телефонные переговоры и другие формы делового общения вследствие возможности направить информацию в виде закодированного электронного сообщения любому числу адресатов по каналам информационных коммуникаций [20].
Основная особенность автоматизированной системы управления предприятия, рис. 5, - совершенствование процесса принятия решений менеджерами всех уровней и повышение эффективности управления. Менеджер же АСУТП обязан с опережением событий извлекать из потока информации стратегические и оперативные установки для нижнего горизонтального уровня управленцев, обеспечивая тем самым «гибкость» всей автоматизированной системы управления технологическим модульным производством.
Надёжность функционирования АСУ предприятия
Иерархический принцип построения сам по себе повышает надёжность работы производственного модуля. Выход из строя какого-нибудь одного звена не означает, что парализована вся система. Остальные звенья по-прежнему управляемы, а порядок размещения готовой продукции находится всегда в пределах досягаемости. Надёжность дополнительно повышается за счёт того, что в запоминающих устройствах верхнего уровня дублируется вся информация о результатах производственного процесса.
На случай выхода из строя какого-либо звена всей АСУ предусмотрена возможность перехода к ручному управлению непосредственно оператором с пульта информационнотехнологической системы управления производством проволоки. Кроме того, каждый робот содержит пульт отладки и управления собственной работоспособностью.
Иерархическое разделение функций между ЭВМ значительно упрощает и удешевляет программирование, что также является одним из важных преимуществ иерархического построения АСУ предприятия того или иного производства [7].
Иерархическая АСУ производственными процессами содержит на разных уровнях управления ЭВМ разной мощности: от программируемых управляющих устройств ИТСУ до мощной ЭВМ АСУТП для решения всего круга задач управления и менеджмента.
АСУ предприятия позволит разрешить противоречия производства: между людьми и машинами, временем и деньгами, стандартизацией и гибкостью, функцией и системой в согласии с четырьмя концепциями (принципами) Дракера. Использование такой АСУ позволит сократить потребность в обслуживающем персонале на 75-80%, сила разума заменит мускульную силу рабочего [15].
Структура экономики промышленности будет носить сетевой характер, а не отраслевой посредством информационно-коммуникационных сетей.
Комплексная автоматизация технологического процесса, на примере производства проволоки, в системе управления информационными потоками, показана как реальная возможность организации работ на качественно новом уровне:
1. Создана основа системной организации, функционирования и управления - робот [1,21], функционирующий строго во времени.
2. Множество структурно-функциональных элементов объединены во взаимосвязанную единую многоуровневую сеть, основой которой служит разработанная информационнотехнологическая система управления [6].
3. Технологическое состояние автоматизированного оборудования производственного модуля кодируется технически совместимой с высшими информационными сетями цифровой формой представления передачи информации: сбор, фиксация, накопление, обработка посредством общих входных и выходных комплексов, общих кодов, одинаковой организацией памяти и общие программирующие программы.
4. Обеспечиваются стабильность работы модуля и надёжность информационных связей.
Роботизированный информационно-технологический комплекс автоматизированной системы управления выпускаемой продукции будет способствовать более эффективному функционированию сталепроволочного производства без использования в технологии вредных химических операций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Подвигалкин В.Я. Роботизированная система обработки стальной проволоки // Динамика технологических систем: Сб. тр. VII Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2004. С. 302-304.
2. Гибкое автоматическое производство / Под ред. С. А. Майорова, Г.В. Орловского, С.Н. Халкиопова. Л.: Машиностроение, 1985. 454 с.
3. Соломенцев Ю.М., Сосонкин В. Л. Управление гибкими производственными системами. М.: Машиностроение, 1988. 352 с.
4. Автоматизированный склад в Японии // Организация складского хозяйства, механизация и автоматизация складских работ: Реферативный сборник / ЦНИИТЭИМС. 1971. № 2. С. 1-25.
5. Крашенинников В., Соколов Ф. Управление научно-производственным циклом: содержание, формы, методы // Проблемы теории и практики управления. 1991. № 1. С. 71-72.
6. Подвигалкин В.Я. Информационно-технологическая система управления производством проволоки // Динамика технологических систем: Сб. тр. VII Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2004. С. 304-306.
7. Кунцман Ж., Наслен П. Булева алгебра и конечные автоматы: Пер. с франц. Е.В. Бабичевой / Под ред. П.П. Пархоменко. М.: Мир, 1969. 232 с.
8. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1988. 535 с.
9. Исаев Ю.В., Хопяк Е.И. Состояние и тенденции развития толстоплёночных технологии и оборудования: Обзорная инф. ТС-9; Экономика и технология приборостроения / ЦНИИТЭИ приборостроения. М., 1978. 54 с.
10. Нанокомпозитные материалы для электроники на основе железа и полиэтиленовой матрицы / Н.М. Ушаков, В.Я. Подвигалкин, И.Д. Кособудский, К.В. Запсис // Высокие технологии - путь к прогрессу: Сб. науч. работ. Саратов: Научная книга, 2003. С. 54-58.
11. Новые электропроводящие нанокомпозитные материалы для электроники / И.Д. Кособудский, К.В. Запсис, Н.М. Ушаков, В.Я. Подвигалкин // Вестник СГТУ. 2003. № 1.
С. 108-113.
12. Электрофизические свойства металлополимерных нанокомпозитов / К.В. Запсис, И. Д. Кособудский, Н. М. Ушаков, В. Я. Подвигалкин // Химия твёрдого тела и современные микро- и нанотехнологии: Материалы III Междунар. конф. Кисловодск, 2003. С. 88.
13. Дракер П. Создание новой теории производства: 2-й Европейский конгресс по управлению // Проблемы теории и практики управления. 1991. № 1. С. 5-10.
14. Скляр Б. Цифровая связь: Теоретические основы и практическое применение. 2-е изд. М. - СПб. - Киев: Вильямс, 2003. 1099 с.
15. Breitenstein R, Die Grosse Hoffnung Lebensgualitat und Erfolgs - hansen in der nachin-dustrillen Gesellschaft, Dusseldorf - Wien, 1981. S. 93.
16. Франция / Отв. ред. В.Ю. Пресняков, Н.Е. Шулюкин. М.: Междунар. отношения, 1990. 176 с. (Наши деловые партнёры).
17. Сандарьян Ю. Деловая Япония. М.: Мысль, 1991. 252 с.
18. Ли Якокка. Карьера менеджера: Пер. с англ.; При участии У. Новака; Общ. ред. и вступ. сл. С.Ю. Медведкова. М.: Прогресс, 1991. 384 с.
19. Островский В.А. Информатика. М.: Высшая школа, 2000. 511 с.
20. Осипов Ю.К. США - научно-технический лидер? М.: Наука, 1988. 160 с.
21. Подвигалкин В.Я., Антоненко В. А. Устройство для обработки проволоки в мотки после волочения // Бюл. изобр. и откр. 1980. № 10.
Подвигалкин Виталий Яковлевич -
главный специалист лаборатории Саратовского отделения ИРЭ РАН
