Исследование надежности поточных линий прядильного производства и автоматизация принятия управляющих решений

В течение уже нескольких десятилетий в хлопкопрядильном производстве всех ведущих стран в области текстильной промышленности, в том числе и России, используются автоматизированные поточные линии, которые предусматривают объединение нескольких машин нескольких переходов прядильного производства в единую поточную линию, управляемую автоматизированным центром, что позволяет повысить производительность и обеспечить более высокое качество продукции [56].

Актуальность темы

Основное направление развития техники и технологии прядильных производств во всем мире и для всех видов волокон ориентировано на максимальную автоматизацию этих производств. Это означает, что современные прядильные производства организуются так, чтобы максимально исключить малопроизводительный человеческий труд, сократить запасы полуфабриката между переходами, создать полностью автоматизированные и управляемые технологические цепочки от распаковки кип до отгрузки пряжи. При такой высокой насыщенности производства техническими средствами — как технологическим оборудованием, так и системами управления — на первое место при проектировании производства выходит задача прогнозирования надежности подобных систем. В отличие от классических надежностных задач, в рассматриваемом случае отказы или сбои в работе элементов не выводят систему из строя, а отражаются на стабильности технологического процесса.

Бесперебойная и стабильная работа поточных линий играет важнейшую роль для всего производства в целом вследствие высокой производительности машин линии и непрерывности процессов. Поэтому задача прогнозирования стабильности поточных линий по производительности и исследование влияния на этот показатель структуры и параметров поточных линий имеет важнейшее практическое значение как при эксплуатации существующих, так и при проектировании новых поточных линий.

Учитывая развитие вычислительной техники и повсеместное проникновение информационных технологий, в том числе и в отрасли текстильной промышленности, использование таких технологий является перспективным.

Целью данной диссертационной работы является разработка методологии и комплекса алгоритмов для моделирования наиболее распространенных технологических схем прядильного производства с точки зрения его надежности и влияния этой надежности на стабильность процессов. Предполагается разработать автоматизированную систему моделирования «Технологическое оборудование и система управления», которая позволит повысить эффективность проектирования технологических систем и выбирать более рациональные режимы для уже существующих технологических систем. Процесс решения этой задачи включает следующие этапы:

— анализ существующих методов исследования стабильности производственных систем;

— разработку компьютерной модели поточных линий, включая алгоритмы моделирования;

— проведение компьютерных экспериментов с моделью для исследования влияния структуры, резервов запасов, законов распределения времени сбоев и восстановлений, старения оборудования на общую производительность поточных линий;

— разработку структуры программного комплекса для проектирования и моделирования различных поточных линий.

Предмет исследования. Объектом исследования являются автоматические поточные линии прядильных производств и стабильность их работы по производительности.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы теории вероятностей и вероятностных марковских процессов, методы математической теории надежности, метод статистического компьютерного моделирования, методы математической статистики, методы компьютерной обработки информации с использованием баз данных, компьютерной графики, методы создания графических интерфейсов и программных комплексов.

Научная новизна работы. В результате выполнения диссертационной работы решена задача разработки методологии исследования и алгоритмов для моделирования работы поточных линий прядильного производства с точки зрения его надежности и влияния этой надежности па стабильность производственных процессов. В работе впервые:

1. разработаны алгоритмы моделирования работы поточных линий;

2. создана компьютерная модель имитации работы поточных линий для анализа их стабильности, но производительности;

3. предложены и обоснованы методики планирования, проведения и обработки результатов компьютерных экспериментов для исследования производственной стабильности;

4. с помощью построенной компьютерной модели и выполненных с ней экспериментов установлены основные факторы, влияющие па колебания производительности.

Практическая значимость п реализация результатов работы.

1. Разработана п программно реализована автоматизированная система моделирования надежности н стабильности поточных липни;

2. Получены оценки основных надежностных показателен для ряда существующих и перспективных схем поточных линии хлопкопрядильного производства, позволяющие прогнозировать н сравнивать между собой стабильность работы этих липни;

3. Предложены критерии стабильности моточных линии, но производительности, которые были использованы при сравнении различных схем поточных линии;

4. Разработанные алгоритмы моделирования, методики исследования и показатели надежности могут быть применены:

— при проектировании новых поточных линий;

— при оценке эффективности существующих поточных линий и выборе способов их модернизации;

— при анализе источников нестабильности работы поточных линий. Разработанная на основе построенных в диссертационной работе алгоритмов программная система является удобным и доступным инструментом для квалифицированного пользователя при решении поставленных задач.

Разработки, выполненные в диссертации, использованы в ООО «РУСИНТЕКС» при оценке стабильности производственного оборудования с учетом его выхода из строя и износа, для прогнозирования колебаний производительности технологических цепочек, а также в учебном процессе МГТУ имени A.M. Косыгина при изучении курсов «Математические методы обработки данных», «Моделирование систем», «Методы прикладного моделирования», при выполнении курсового и дипломного проектирования.

Общие выводы.

1. В результате выполнения научных исследований решена важная научно-техническая задача разработки методологии и комплекса алгоритмов для моделирования наиболее распространенных технологических схем прядильного производства с точки зрения его надежности и влияния этой надежности на стабильность процессов. Создана автоматизированная система моделирования «Технологическое оборудование и система управления», которая позволяет повысить эффективность проектирования технологических систем и выбирать более рациональные режимы для уже существующих технологических систем.

2. На основании анализа структуры поточных линий прядильного производства разработаны алгоритмы компьютерного моделирования для исследования стабильности поточных линий по производительности.

3. Разработанные алгоритмы позволяют оценивать надежность отдельных машин и поточной линии в целом с точки зрения колебаний производительности, а также числа сбоев системы. При этом учитываются надежностные характеристики отдельных машин, составляющих технологическую цепочку: номинальные и максимальные производительности, среднее время наработки на отказ и среднее время ремонта, а также законы распределения времени наработки на отказ и времени ремонта.

4. Построенные алгоритмы моделирования обеспечивают возможность получения большого числа выходных характеристик работы системы: среднюю G, максимальную GmM и минимальную Gmin производительности поточной линии, коэффициент вариации по производительности CvG, относительное отклонение реальной производительности от максимально возможной AG, среднее число kt изменения состояний поточной линии, отнесенное ко времени моделирования. Широкий спектр выходных данных позволяет в достаточной мере характеризовать стабильность работы поточных линий.

5. Для проверки правильности построенных алгоритмов моделирования произведено сравнение результатов моделирования с аналитическими решениями. Установлено, что различие результатов лежит в пределах статистической погрешности, что позволяет считать компьютерную модель адекватной и использовать ее для исследования систем.

6. Эксперименты с разработанными моделями показали малые затраты времени на моделирование, что подтверждает эффективность использования методов компьютерной статистической имитации поточных линий.

7. Установлена зависимость надежности и стабильности работы поточных линий от их структуры и производительности отдельных машин. С уменьшением числа переходов с 6-ти до 3-х производительность поточной линии увеличивается на 12%. Увеличение числа параллельных элементов не гарантирует повышения средней производительности всей поточной линии.

8. Если распределения времен наработки на отказ и восстановления отличны от показательного, то средняя производительность поточных линий увеличивается на 10−11%. При этом частота изменения состояний системы уменьшается примерно в 8 раз.

9. Наблюдается существенная зависимость частоты изменения состояний поточной линии от запасов производительности отдельных машин. С увеличением запаса для параллельно работающих машин с 0% до 50% частота изменения состояний линии уменьшается в 10 раз. При этом производительность поточной линии заметно возрастает, только если вероятность выхода из строя машины не зависит от загруженности этой машины.

10. На основе разработанных алгоритмов и моделей создан моделирующий программный комплекс, позволяющий выполнять все функции, связанные с проектированием новых и оптимизацией существующих иоточных линий.

II. В составе моделирующего комплекса разработана структура и программно реализована база данных для хранения информации по исследованным вариантам поточных линий и результатам моделирования. Предусмотрена возможность варьирования структуры исследуемой поточной линии, механизм управления параметрами технологических машин и режимами моделирования, модуль управления экспериментами, графические средства просмотра и анализа результатов. Моделирующий комплекс прошел проверку и отладку и зарегистрирован в Отраслевом фонде алгоритмов и программ, per. № 4702.