Управление системами и процессами машиностроения




Скачать 437.96 Kb.
страница1/3
Дата02.08.2016
Размер437.96 Kb.
  1   2   3
Управление системами и процессами машиностроения

Управление – целенаправленное изменение состояния или параметров машины, системы, процесса в соответствии с требуемым алгоритмом функционирования. В основе любого управления лежат процессы передачи и преобразования информации, т.к. с усложнением систем усложняется система управления, увеличивается объем информации, поэтому необходимо применение ЭВМ.
Производственный процесс как объект управления

Для настоящего этапа развития машиностроения характерно: 1) расширение функций и задач управления, усложнение законов и объектов управления, переход к сложным многоцелевым системам управления; 2) управление в условиях значительной и все возрастающей неопределимости свойств сложного процесса, влияния внешней среды, целей управления, критериев качества; 3) широкое применение средств вычислительной техники, создание многопроцессорных систем, реализующих диалог «человек – система управления».



Рис.1 Структура производственного процесса машиностроительного производства с точки зрения задач управления, где 1 – система организации технологического управления, 2 – управление технологическим процессом, 3 – управление технологическим оборудованием, 4 – управление вспомогательным оборудованием, 5 – управление транспортом, 6 – управление складом, 7 – измерение, контроль и управление технологическими параметрами, 8 – программное и адаптивное управление, 9 – программное управление (прямое, разомкнутое, замкнутое, адаптивное), 10 – управление по сложившейся ситуации, 11 – информационно-поисковая система управления.



Производственный процесс (ПП) – технически и организационно упорядоченное воздействие средств труда и труда людей на предмет труда с целью получения требуемого продукта труда и осуществление всех сопутствующих этому действий, обеспечивающее функционирование производственного подразделения в требуемом режиме.

Технологический процесс (ТП) – совокупность действий, связанных с обеспечением требуемых выходных параметров данного процесса. Управляемый ТП – процесс, для которого определены основные входные воздействия и выходные переменные процессы, которые необходимо контролировать в реальном времени, установлены зависимости между входными воздействиями и выходными переменными, разработаны методы их автоматического измерения и направления изменения.
1. АСУ – Автоматизированная система управления – система «человек – машина», призванная обеспечить автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации процесса управления.

2. АСУ – человеко-машинная система, основанная на комплексном использовании экономико-математических методов и технических средств автоматической обработки информации для решения основных задач управления производственно-хозяйственной деятельности.

Общие свойства и отличительные особенности АСУ: 1) наличие большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих элементов; 2) система и входящие в нее разнообразные элементы являются многофункциональными; 3) наличие у всей системы общей цели, общего назначения, определяющего единство сложности и организованности, несмотря на все разнообразие входящих в нее элементов; 4) переменность структуры, обеспечивающая многорежимный характер функционирования, возможность адаптации как в структуре, так и в алгоритме функционирования; 5) взаимодействие элементов в системе в большинстве случаев носит стохастический (случайный) характер; 6) система является ???эрготической??? (Эргодичность — специальное свойство некоторых изменяющихся (динамических) систем, состоящее в том, что в процессе эволюции эргодичной системы почти каждая точка её с определённой правильностью проходит вблизи любой другой точки системы. Тогда при расчетах труднорассчитываемое время можно заменить фазовыми (пространственными) показателями. Система, в которой фазовые средние совпадают с временными, называется эргодической.; ЭРГАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА |- сложная система управления, составной элемент которой - человек-оператор (или группа операторов), напр., система управления самолетом, диспетчерская служба вокзала, аэропорта.; эрготическая система, т.е. система, включающая человека-оператора, который мыслится как материальная система, без различия физической и интеллектуальной деятельности, целесообразно функционирующая в совокупности с комплексом технических средств.); 7) система обладает высокой степенью автоматизации.

Рис. 2 Схема переработки информации в АСУ

ОУ – объект управления, 1 – сбор текущих данных о состоянии объекта, 2 – первичная обработка данных, 3 – расчет параметров управляемого объекта с учетом влияния возмущений, 4 – сравнение фактических значений параметров с требуемыми, 5 – оценка значений отклонения, 6 – расчет возможных вариантов решения задачи управления, 7 – принятие решения, 8 – выработка управляющего воздействия, 9 – исполнение решения органами управления.
Классификации АСУ

В зависимости от роли человека в процессе управления системы можно разделить на два больших класса: 1) информационно-справочные и информационно-советующие системы, 2) управляющие системы. 1 – ИСС1 обеспечивает сбор и выдачу в удобном для обозрения виде измерительной информации о ходе ТП. Она служит рекомендацией оператору, причем основная роль в этих системах принадлежит человеку.



Рис. 3 Структурная схема ИСС1 (D1 и D2 – датчики, ИМ – исполнительные механизмы)

ЭВМ представляет широкие возможности для математической обработки данных, что позволяет прогнозировать изменение контролируемых параметров. В математическом обеспечении ЭВМ входит библиотека рабочих программ, каждая из которых выполняет одну или несколько функций контроля и программа-диспетчер, которая по заранее определенному порядку или в зависимости от текущих значений технологических параметров выбирает для выполнения ту или иную рабочую программу. Порядок выполнения может быть нарушен сигналом прерывания, который производится и отрабатывается специальной подпрограммой программы диспетчера. Сигнал прерывания может поступить от датчиков или оператора.

ИСС1 обычно используют в тех случаях, когда имеет место сложность процесса, не позволяющая удовлетворительно описать его функционирование математической моделью.

ИСС2. Выполняемые функции: 1) сбор и обработка информации, 2) определение рационального технологического режима по отдельным технологическим параметрам; 3) определение управляющих воздействий; 4) определение значений уставок локальных регуляторов.

Способы реализации: 1) программа-диспетчер инициирует подпрограмму анализа управляющего процесса; 2) производит вычисление управляющих воздействий при отклонении параметров управляемого процесса от заданных технологических режимов; 3) вычисление управляющих воздействий при введении оператором дополнительных данных, которые невозможно получить путем измерений.

Применение: 1) при осторожном подходе к решениям, выработанными формальными методами; 2) при неопределенности математического описания процесса; 3) при неадекватности математической модели в целом; 4) когда критерии управления носят качественный характер и существенно изменяются в зависимости от большого числа внешних факторов.

При большом разнообразии и объеме дополнительных данных общение оператора с ЭВМ строится в форме диалога.

Структурная схема ИСС2 такая же, как и у ИСС1.

Промежуточным классом между ИС и УС можно считать Информационно-управляющую систему (ИУС). Она представляет оператору достоверную информацию о прошлом, настоящем и будущем состоянии производства в нужное время и в нужной форме.


УС – управляющие системы – системы, обеспечивающие наряду со сбором информации выдачу непосредственно команд исполнителям или исполнительным механизмам. Они работают в реальном масштабе времени, т.е. в темпе технологических операций. В этих системах главная роль принадлежит машине, а человек контролирует и решает наиболее сложные вопросы, неподвластные вычислительным средствам системы.

Рис. 4 Супервизорная Система Управления


АР – локальный авторегулятор, Dy – датчик локального регулятора, Dk – датчик контролируемых параметров управления.

В этой системе часть параметров управляемого процесса и логика командного управления управляется авторегуляторами, а ЭВМ рассчитывает и устанавливает оптимальные настройки этих регуляторов. Остальной частью параметров ЭВМ управляет в режиме цифрового прямого управления.

Супервизорный режим позволяет не только автоматически контролировать управляемый процесс, он и управлять им вблизи оптимальной рабочей точки. Функции оператора сводятся к наблюдению за ТП и в случае необходимости к корректировке цели управления и ограничений на переменные.

(СУПЕРВИЗОР (супервайзер) (англ. supervisor - букв. - надсмотрщик), управляющая программа (или комплекс программ), предназначенная для организации многопрограммного режима работы ЭВМ (или вычислительной системы).)


Рис.5 Системы прямого цифрового управления
Этот режим позволяет исключить локальные регуляторы с задаваемой установкой, т.к. ЭВМ непосредственно вырабатывает оптимальное управляющее воздействие и с помощью преобразователей передает команды на исполнительные механизмы.

В этой схеме можно реализовать оптимизирующие функции, адаптацию к изменению внешней среды и переменным параметрам объекта управления. Упрощается реализация режимов пуска и останова процессов. Основным минусом является то, что надежность всего комплекса определяется надежностью устройств связи с объектом и надежностью ЭВМ.


Классы структур АСУ

С позиции управления можно выделить следующие основные классы структур система управления: 1) децентрализованная, 2) централизованная рассредоточенная, 3) иерархическая.

(Рис. 6, а) Децентрализованная структура представляет собой совокупность нескольких независимых систем со своей информационной и алгоритмической базой. Эффективна при автоматизации технологически независимых ОУ. Для выработки управляющего воздействия на каждый объект управления необходима информация о состоянии только этого объекта.

(Рис. 6, б) Централизованная структура осуществляет реализацию всех процессов управления объектами в едином органе управления. Появление этого класса структур связано с увеличением числа контролируемых, регулируемых, управляемых параметров и с территориальной рассредоточенностью объектов управления. Плюсы: 1) достаточно простая реализация процессов информационного взаимодействия, 2) принципиальная возможность оптимального управления системой в целом, 3) коррекция оперативно изменяемых входных параметров, 4) возможность достижения максимальной эксплуатационной эффективности при минимальной избыточности технических средств управления. Минусы: 1) высокая суммарная протяженность каналов связи при наличии территориальной рассредоточенности объектов управления.



Централизованная рассредоточенная структура. В ней сохраняется принцип централизованного управления, т.е. выработка управляющих воздействий на каждый ОУ основана на информации о состоянии всей совокупности ОУ. Для реализации функции управления каждый локальный орган по мере необходимости вступает в процессе информационного взаимодействия с другими объектами управления.

Плюсы: 1) снижение требований производительности и надежности каждого центра обработки и управления. Минусы: 1) усложнение информационных процессов из-за необходимости обмена данными между центрами обработки и управления, а также корректировка хранимой информации.

C ростом числа задач управления увеличивается объем перерабатываемой информации и повышается сложность алгоритмов управления. В результате осуществить управление централизованно невозможно. Поэтому в сложных системах можно выделить группы задач, каждая из которых характеризуется соответствующими требованиями по времени реакции на событие, происходящее в управляемом процессе.

Иерархия задач управления приводит к необходимости создания иерархической системы управления. При этом на каждом уровне должно быть обеспечено максимальное соответствие характеристик технических средств заданному классу задач.

В многоуровневой ИСУ выделяют обычно три уровня: 1) уровень управления работой оборудования и ТП; 2) уровень оперативного управления ходом ПП; 3) уровень планирования.

1 – сбор и обработка информации, непосредственное управление ТП и работой оборудования с учетом команд, поступающих от вышестоящего уровня, фиксация простого оборудования, оценка состояния инструмента и т.д. – класс задач низшего уровня.

2 – анализ наличия ресурсов для выполнения сформулированных заданий, корректировка отдельных ТП, контроль качества изделий, передача информации в верхний уровень.

3 – решение задач, связанных с графиками загрузки оборудования, управление библиотекой управляющих программ, сбор, обработка и выдача информации о ходе ПП.

В иерархической структуре системы управления можно выделить несколько основных групп задач, определяемых требованиями времени реакции на событие, происходящее в управляемом процессе: 1) задача сбора данных с объекта управления и прямого цифрового управления (0,001 сек); 2) задачи экстремального управления, связанные с расчетом желаемых параметров управляемого процесса и требуемых значений уставок регуляторов, логические задачи пуска и останова агрегата – несколько секунд; 3) задачи оптимизации и адаптации управления процессами, технико-экономические задачи; 4) информационные задачи для административного управления, задачи планирования, диспетчеризации в масштабе цеха, предприятия.

Иерархия задач управления приводит к необходимости создания иерархической системы средств управления. Такое разделение позволяет справиться с информационными трудностями для каждого местного органа управления, порождает необходимость согласования принимаемых этим органом решений, т.е. создание над ними нового управляющего контура. На каждом уровне должно быть обеспечено максимальное соответствие характеристик технических средств заданному классу задач. Иерархическая структура автоматического управления позволяет объединить управление различными производственными объектами и согласовать их работу, т.е. подойти к ПП как к единому целому, а не как к набору независимых частей. При этом сложно автоматизировать весь комплекс ПП, включая транспортные операции и различные организационные задачи.


Принципы гетерархического управления

Многоуровневое строго иерархическое управление не обеспечивает постоянный контроль верхним уровням за непрерывно меняющимися ситуациями на нижнем уровне. Слишком большая дистанция прохождения команд и рапортов об их исполнении. Ситуация меняется быстрее, чем проходят команды. Иерархическое управление создает барьеры между организационными подразделениями и препятствует внутренним потокам информации.



Гетерархическая система имеет в своей основе равные права и равную ответственность каждого элемента системы. Равный доступ и доступность друг к другу при строгом соблюдении дисциплины, что в свою очередь требует аккуратного составления правил и целей, формирующих систему.

Для ГПС нельзя создать чисто ГАС, т.к. значительное ослабление вертикальных связей не обеспечивает надлежащую последовательность технологических переделов, строго выполнения операционного планирования и соблюдения графика производства. Для ГПС более соответствует матричная система связи с более широкими горизонтальными и более короткими вертикальными связями, т.е. многоуровневая иерархия в управлении со свободной горизонтальной координатой, независимой от уровня иерархии. Это обеспечивает более широкую инициативу в принятии совместных решений персонала разного функционального подчинения.


Программное управление технологическим оборудованием

Числовое программное управление станка, робота, других объектов – способ управления на основе априорно составленной управляющей программы, основные показатели которой заданы в цифровой форме.

Управляющая программа – совокупность команд на проблемно-ориентированном языке программирования, который соответствует заданному алгоритму функционирования станка, робота, других объектов по выполнению технологических, транспортных и вспомогательных операций.

Устройство ЧПУ – устройство, выдающее управляющее воздействие на исполнительные органы объекта в соответствии с управляющей программой, алгоритмами ее обработки и информации о состоянии управляемого объекта.

В аппаратном устройстве ЧПУ алгоритмы обработки реализованы с помощью специальных электронных схем и не могут быть изменены.

В микропроцессорном устройстве ЧПУ все алгоритмы обработки или их часть реализованы программно и существует возможность их изменения или замены.

Система ЧПУ – совокупность функционально взаимосвязанных и взаимодействующих технических и программных средств, обеспечивающих числовое программное управление объектом.

Контурное числовое программное управление – управление, при котором перемещение рабочих органов объекта происходит по заданной траектории и с заданной контурной скоростью. Контурная скорость – результирующая скорость подачи рабочего органа объекта, вектор которой равен геометрической сумме векторов скоростей перемещения этого органа вдоль осей координат объекта.

Позиционное числовое программное управление – управление, при котором целью является перемещение рабочего органа объекта в заданные точки. При одновременном движении рабочего органа вдоль двух или нескольких осей координат объекта ни траектория, ни результирующая скорость подачи такого явления не определены.

Цикловое программное управление – способ управления на основе априорно составленной управляющей программы, основным содержанием которой является описание дискретного процесса из конечного множества законченных операций с установлением для них отношений следования и параллелизма. Устройство циклового программного управления получает на вход системы сигналы, свидетельствующие о поступлении условий смены операции, а на выходе формирует воздействие на исполнительные органы объекта, инициирующие выполнение операций.

Цикловая система программного управления – простейшие позиционные системы, в которых отсутствует информация о размерных параметрах, а требуемое перемещение задается предварительной настройкой кинематических элементов станка.
Задачи программного управления

Для станка с ЧПУ характерны следующие задачи: 1) взаимодействие устройства ЧПУ с объектом, станком, состоит в управление формообразования детали – геометрическая задача ЧПУ; 2) управление дискретной автоматикой станка – логическая задача ЧПУ; 3) управление рабочим процессом станка – технологическая задача ЧПУ; 4) взаимодействие с окружающей производственной средой – терминальная задача ЧПУ.

Последняя проявляется через диалог с оператором и информационным обменом с управляющей ЭВМ более высокого уровня. Исторически геометрическая задача ЧПУ возникла первой и у ранних устройств была по сути единственной. Логическая задача ЧПУ явилась следствием автоматизации на станке большого числа вспомогательных простых или циклических операций. Технологическая задача ЧПУ присутствует лишь в тех случаях, когда основной рабочий процесс сам становится объектом управления. Терминальная задача ЧПУ поддерживается устройством ЧПУ как персональным компьютером.
Задачи управления для гибкого производственного модуля (ГПМ)

ГПМ более сложный объект управления, т.к. в него входят периферийные устройства (робот, накопитель полет, устройство смены инструментов), нередко располагающее собственными средствами управления. Для решения общей технологической задачи эти средства должны быть скоординированы, объединены в единственную микролокальную вычислительную управляющую сеть, которая выступает в роли системы управления. Системы управления ГПМ можно разделить на 4 класса задач: 1) задача диспетчеризации – согласование развития процессов в сетях систем управления, составляющих ГПМ для достижения единой цели управления; 2) задача мониторинга – оценка нормального процесса резания, диагностика возникающих отклонений, наблюдение за остаточным ресурсом стойкости, принятие решений относительно выхода из нерегулярных ситуаций; 3) задача идентификации – определение типа детали, поступившей в ГПМ, ее положение в системе координат станка, организация условных переходов в управляющих программах ЧПУ; 4) терминальная задача – наполняется самостоятельным содержанием в тех случаях, когда в составе микролокальной сети имеется собственный персональный компьютер.

По сути, задача диспетчеризации реализует оперативное управление ГПМ, задача мониторинга – поддержание безлюдного режима, задача идентификации – поддержание свойств гибкости системы, терминальная задача – взаимодействие системы с оператором и с управляющей ЭВМ высшего уровня.
Гибкая производственная система (ГПС)

Управление ГПС построено на основе пространственно-транспортной локальной вычислительной управляющей сети, а сама ГПС представляет собой пространственно распределенную технологическую сеть. Рассматривая функции системы управления ГПС, можно выделить 4 класса. Здесь, как и ранее, выделяются только фундаментальные прикладные задачи, выполняемые в реальном времени: 1) задача диспетчеризации – определяется обстоятельством, что в поле зрения системы управления ГПС находится одновременно несколько ТП, выполнение которых связано с закреплением и перераспределением технических ресурсов ГПС; 2) информационная задача – состоит в сборе данных о состоянии всех ресурсов, подготовке данных, являющихся предметом отчетности, или данных, запрашиваемых оператором, накопление данных диагностической системы; 3) задача прямого управления – вытекает из того, что многие функции управления не могут быть спланированы заранее и оформлены в виде управляющих программ; 4) терминальная задача – взаимодействие с оператором через пульт оператора ГПС, взаимодействие с сетью АСУП для получения планирующей и другой информации.

Задачу диспетчеризации реализует оператор ГПС, информационная задача реализует введение информационной модели, задача прямого управления реализует прямое управление оборудованием, терминальная задача – взаимодействие с оператором и сетью АСУП (Автоматизированная Система Управления Производством).
Система управления ГПС предназначена для обеспечения совместной работы всех подсистем и компонентов ГПС. При таком множестве задач система управления ГПС должна быть построена по иерархическому принципу с декомпозицией общей задачи по уровням: верхний, средний, уровень локальной системы управления и уровень управления технологическим оборудованием.

Верхний уровень включает в себя планово-экономическое управление производством, ведение оперативного учета состояния ПП, ведение информационных массивов в рамках СУБД, ведение библиотеки управляющих программ для станков с ЧПУ и промышленных роботов по всей номенклатуре детали, расчет управляющих программ, обмен информацией АСУ производством, ведение архива технической информации АРМК и АРМТ (Автоматизированное Рабочее Место Конструктора и Технолога), формирование среднесуточных заданий и управляющих программ ЭВМ среднего уровня.



Средний уровень управления – хранение сменно-суточных заданий, учет обеспеченности заготовками, инструментом, технической информацией на сутки, хранение и оперативное обновление данных о текущем состоянии автоматизированных складов, хранения управляющих программ для станков с ЧПУ на сутки, фиксация брака и незавершенного производства, координация работ всех исполнительных технологических подсистем, ввод управляющей программы устройства ЧПУ станков и промышленных роботов, обмен информацией с верхним уровнем.

Станок с ЧПУ, ГПМ, ГПС можно квалифицировать соответственно как объекты программного управления первого, второго и третьего рангов. При этом станок с ЧПУ является компонентом ГПМ, а ГПМ – основным компонентом ГПС. Комплекс задач по управлению станков является частью более общих задач по управлению ГПМ, а комплекс задач по управлению ГПМ занимает свое место среди более общих задач управления ГПС. Следовательно, задачи управления каждого следующего ранга следует трактовать как новые и дополнительные, а не как единственные.

  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница