Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Рассматриваются задача, математические модели и алгоритмы, позволяющие снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций при сварке в роботизированных комплексах. Поскольку применение методов вариационного исчисления затруднено, решение сводится к разработке и проверке реализации подробного комплексного плана мероприятий по снижению вероятности возникновения аварийной ситуации, приводящей к остановке технологического процесса. Разработан комплексный план мероприятий, основанный на причинно-следственных связях между параметрами процесса и изучении опыта диспетчерского персонала. План представлен в виде ориентированного графа, в котором вершины являются мероприятиями плана, а дуги определяют их взаимосвязь и последовательность реализации. Условия, влияющие на технологический процесс и реализацию плана мероприятий, представлены в виде продукционной модели. Для проверки реализации плана в соответствии с графом плана мероприятий и условиями их выполнения была разработана логическая функция и составлена схема дискретного устройства, построенного по данной функции. Задавая значения аргументов функции, можно оперативно проверить возможность реализации плана в любой момент времени. Представлена схема внедрения разработанного математического обеспечения в составе существующего комплекса технических средств управления роботизированным сварочным комплексом. Рассмотрен алгоритм решения задачи на различных временных интервалах с помощью информационно-логической схемы. Внедрение разработанных моделей и алгоритмов на промышленных предприятиях, использующих роботизированные сварочные комплексы, позволит снизить ущерб от аварийных ситуаций, приводящих к остановке технологического процесса.

Ключевые слова:
роботизированный технологический комплекс, управление процессом сварки, аварийная ситуация, математическая модель, алгоритм
Текст
Введение Одной из основных задач машиностроительного производства является повышение производительности труда при обеспечении высокого качества выпускаемой продукции. Эффективным способом решения данной проблемы является применение на сварочных операциях роботизированных технологических комплексов (РТК). В настоящее время разработаны и прошли проверку на практике различные подходы по оптимизации работы РТК сварки [1-6]. Основное внимание в них уделяется точности позиционирования манипуляторов, поддержанию стабильности параметров сварки и целому ряду других вопросов. Однако в рамках данных подходов невозможно осуществить эффективное управление РТК в условиях возникающих аварийных ситуаций. Несмотря на то, что современные РТК оснащены системами безопасности для предотвращения аварий, в них отсутствует контур, позволяющий решить задачу минимизации ущерба от остановок технологического процесса из-за аварийных ситуаций при сварке изделий в РТК. Данные соображения определяют актуальность и практическую значимость исследования, результаты которого по разработке моделей и алгоритмов управления процессом сварки изделий в РТК, позволяющих минимизировать вероятность возникновения аварийных ситуаций, приводящих к остановке технологического процесса, будут изложены ниже. Решение поставленной задачи представляет трудности из-за необходимости разработки сложной динамической модели, учитывающей многочисленные количественные и качественные характеристики технологических процессов, а также из-за неопределенности параметров модели на временном отрезке. В связи с этим целью исследования стала разработка эвристического метода решения задачи. Модели и алгоритмы решения задачи В основу алгоритма минимизации вероятности возникновения аварийных ситуаций положено утверждение, подтвержденное практикой, согласно которому для снижения вероятности аварии достаточно разработать и реализовать план мероприятий, выступающих в качестве управляющих воздействий [7]. Возможность разработки такого плана подтверждается практикой функционирования роботизированных комплексов на отечественных предприятиях. Таким образом, решение задачи сводится к проверке реализуемости данного плана. На основе анализа типовых аварийных ситуаций, приводящих к остановке технологического процесса, разработан план мероприятий по минимизации вероятности их возникновения. Этот план представлен в виде дерева, в котором вершины - действия плана, а дуги определяют последовательность их реализации и взаимосвязь. Фрагмент такого плана мероприятий приведен на рис. 1. Рис. 1. Фрагмент графа плана мероприятий по снижению аварийности процесса сварки в РТК: Т0 - снижение аварийности при работе РТК; Т1 - обеспечение работоспособности аварийного контура; Т2 - обеспечение безопасной эксплуатации РТК персоналом; Т3 - обеспечение исправной работы программ; Т4 - обеспечение безопасного подключения электрооборудования; Т5 - исправное функционирование защитных фотобарьеров; Т6 - обеспечение работоспособности аварийных выходов; Т7 - обеспечение работоспособности кнопок аварийной остановки; Т8 - обеспечение исправной работы концевых выключателей; Т9 - проведение инструктажа оперативного персонала; Т10 - обеспечение оперативного персонала средствами индивидуальной защиты; Т11 - сохранение резервных копий программ на разных носителях; Т12 - отладка программ сварки; Т13 - корректное подключение шкафа сервоуправления к сети электропитания; Т14 - корректное подключение сварочного оборудования к сети электропитания; Т15 - корректное подключение контроллеров к сети электропитания; Т16 - корректное подключение сенсора тактильного отслеживания к сети электропитания; Т17 - обеспечение исправности фотоэлементных барьеров; Т18 - обеспечение исправности реле безопасности ADSR0 и ADSR1; Т19 - обеспечение исправности концевых выключателей аварийного выхода; Т20 - обеспечение исправности аварийной кнопки на калитке аварийного выхода; Т21 - исправное функционирование аварийной кнопки шкафа сервоуправления; Т22 - исправное функционирование аварийной кнопки пульта управления; Т23 - исправное функционирование аварийной кнопки на контроллерах; Т24 - исправное функционирование концевиков на перемещение тележек; Т25 - исправное функционирование датчика удара горелки; Т26 - исправное функционирование концевика «домашнего» положения робота; Т27 - инструктаж оперативного персонала по охране труда и технике безопасности; Т28 - инструктаж оперативного персонала по пожарной безопасности; Т29 - инструктаж оперативного персонала по оказанию первой помощи; Т30 - инструктаж оперативного персонала по действиям в аварийных ситуациях; Т31 - обеспечение оперативного персонала спецодеждой; Т32 - обеспечение оперативного персонала защитными перчатками; Т33 - обеспечение оперативного персонала защитными очками; Т34 - обеспечение оперативного персонала защитными касками; Т35 - сварка пробного образца; Т36 - обеспечение отсутствия программных сбоев; Т37 - корректное подключение шкафа сервоуправления к электросети цеха; Т38 - обеспечение заземления шкафа сервоуправления; Т39 - корректное подключение источника питания к электросети цеха; Т40 - подключение массового и обратного проводов к источнику питания; Т41 - корректное подключение питания контроллеров к шкафу сервоуправления; Т42 - обеспечение заземления контроллеров; Т43 - корректное подключение тактильного сенсора к источнику питания; Т44 - подключение массового и обратного проводов к источнику питания и стенду сварки; Λ - символ конъюнкции; V - символ дизъюнкции На выполнимость мероприятий данного плана влияют условия, учитывающие специфику технологического процесса. Эти условия задаются в виде продукций: (1) Здесь Bj(x, u), j = 1, 2, …, k - условия выполнения соответствующих мероприятий; Rj, j = 1, 2, …, k - 1 - множество логических операций «И», «ИЛИ», «НЕ», Tp Î{T1, T2, …, T44} - мероприятия плана. Таким образом, решение задачи сводится к периодической проверке выполнимости мероприятий плана Т0 при заданных условиях mi. Рассмотрим алгоритм проверки выполнимости плана мероприятий Т0 на примере процесса дуговой сварки в РТК c манипуляторами Kawasaki FA10L на контроллерах С40 и источниками питания Fronius TPS 5000. С учетом опыта эксплуатации данного оборудования было сформировано 10 основных условий, влияющих на выполнение мероприятий плана Т0 (рис. 1). В левой части продукций учтены основные характеристики технологического процесса, описанные в табл. 1. Таблица 1 Технологические характеристики процесса дуговой сварки в роботизированных технологических комплексах Обозначение Параметр Motor_power Включение серводвигателей роботов (on, off) Cycle Включение рабочего цикла робота (on, off) Bar_a Активация защитного фотобарьера зоны А (on, off) Bar_b Активация защитного фотобарьера зоны В (on, off) Bar_mid Активация среднего защитного фотобарьера (on, off) Program_start Статус запуска рабочей программы (on, off) QР Численность программистов, чел. QR Количество РТК, задействованных в технологическом процессе, чел. QO Численность операторов, чел. QN Численность наладчиков, чел. ErrorCodeC Значение ошибки контроллера ErrorCodePS Значение ошибки источника питания Sum_error Суммарное количество ошибок за смену Ниже перечислены основные условия, влияющие на выполнение мероприятий плана T0: По известным правилам, используемым при проектировании цифровых ЭВМ [8], cистеме продукций (1) и графу мероприятий (рис. 1) поставлена в соответствие логическая функция Для оперативной проверки возможности выполнения плана мероприятий T0 по данной булевой функции было построено дискретное устройство, схема которого приведена на рис. 2. Рис. 2. Структурная схема дискретного устройства для оперативной проверки выполнимости плана мероприятий Задавая различные значения аргументов этой функции (выполнение или невыполнение мероприятий и условий), в любой момент времени можно оперативно проверить возможность выполнения плана мероприятий в различных производственных ситуациях и, следовательно, минимизировать целевую функцию К. Общие схемы управления процессом сварки в роботизированных технологических комплексах На рис. 3 приведена структурная схема комплекса технических средств, на базе которого проводится внедрение разработанных моделей и алгоритмов. Разработанное математическое обеспечение в составе описанного комплекса технических средств позволяет осуществить оперативное управление процессом сварки в РТК. Рис. 3. Структура комплекса технических средств управления процессом сварки в РТК: ПО - программное обеспечение для управления процессом в РТК дуговой сварки: терминал - интегрированный интерфейс RSView32, ИАС - модуль идентификации аварийной ситуации, МАС - модуль выдачи рекомендаций по устранению аварийной ситуации, БД - база данных, МФМ - модуль формирования мероприятий плана по снижению аварийности, МЛФ - модуль вычисления логической функции для проверки выполнения плана; автоматизированные рабочие места специалистов: АРМ-1 - генерального директора, АРМ-2 - технического директора, АРМ-3 - директора по качеству, АРМ-4 - главного механика, АРМ-5 - главного технолога, АРМ-6 - начальника цеха, АРМ-7 - начальника ОТК, АРМ-8 - оператора; двигатели управления осями манипулятора: Jt1, Jt2, …, Jt7 (двигатели 1-й, 2-й, … , 7-й осей соответственно); TPS5000 - источник питания, TS - блок тактильного отслеживания детали, VR1500 - блок подачи сварочной проволоки, FK4000 - блок охлаждения сварочной горелки, AWS-M - датчик удара горелки; ADSR0, ADSR1 - реле управления фотоэлементными барьерами, VE3BL, JE3BL - эмиттеры, VR3BL, JR3BL - ресиверы, ZCK-E21 - концевые выключатели движения колонны манипулятора, ZCK-E65 - концевые выключатели начального положения сварочной горелки, ZCK-E08 - концевые выключатели аварийных дверей, ZCK-J1 - концевые выключатели сближения манипуляторов; RS232 I/F - последовательный интерфейс, LAN I/F - интерфейс для подключения к локальной сети, CPU - центральный процессор контроллера С-40; 1НР - блок управления сервоприводами: СРС - модуль управляющего питания двигателей, МРС - модули датчиков положения манипулятора; CPU A - центральный процессор управления двигателями Jt1-Jt3, CPU B - центральный процессор управления двигателями Jt4-Jt6, CPU С - центральный процессор управления двигателем Jt7; FC40 - многофункциональный пульт оператора; Rob4000 - интерфейс пользователей для связи со сварочным оборудованием Процедура решения задачи управления процессом сварки в РТК дуговой сварки представлена на информационно-логической схеме (рис. 4). Рис. 4. Информационно-логическая схема решения задачи: 1 - технологический процесс (ТП) сварки; 2 - сбор информации о ходе ТП; 3 - запись информации об отклонениях параметров сварки в БД; 4 - оценка ситуации при отклонении параметров сварки от номинальных значений; 5 - идентификация текущей ситуации; 6 - ситуация аварийная?; 7 - сообщение о штатной ситуации оператору; 8 - сообщение о возникновении аварийной ситуации оператору; 9 - принятие решения по устранению аварийной ситуации; 10 - занесение информации о штатной ситуации в БД; 11 - занесение информации об аварийной ситуации в БД; 12 - сбор информации об отказах комплекса технических средств; 13 - корректировка плана мероприятий; 14 - выдача рекомендаций персоналу в соответствии с планом мероприятий; 15 - анализ состояния РТК; 16 - произошел отказ, учтенный в математической модели?; 17 - сообщение ремонтному персоналу и оператору об отказах комплекса технических средств; 18 - занесение информации об отказах в БД; 19 - занесение в БД информацию об откорректированной модели; 20 - извлечение из БД информации об отказах за неделю; 21 - извлечение информации из БД о выпуске некачественной продукции за неделю; 22 - составление плана мероприятий на основе экспертной информации об отклонениях параметров сварки; 23 - формирование логической функции для проверки выполнения плана мероприятий; 24 - план мероприятий выполнен?; 25 - поиск по графу плана мероприятий причин его невыполнения; 26 - выдача рекомендаций по устранению причин невыполнения плана мероприятий; 27 - занесение в БД информации о результатах выполненных мероприятий; 28 - сбор информации о мероприятиях за месяц; 29 - экспертная оценка экономического эффекта от реализации мероприятий; 30 - анализ выполненных мероприятий оперативным персоналом; 31 - достигнут ли ожидаемый эффект?; 32 - анализ причин неэффективности; 33 - корректировка плана мероприятий; 34 - утверждение скорректированного плана мероприятий; 35 - премирование персонала; 36 - занесение в БД информации о скорректированном плане мероприятий Как следует из информационно-логической схемы, на временном отрезке «Один раз в час» выполняются анализ состояния РТК и сбор информации об отказах и отклонениях параметров при сварке в РТК, информация заносится в БД. На временном отрезке «Один раз в смену» проводится анализ причин возникновения отказов. Информация о причинах отказов и способах их устранения выдается диспетчерскому персоналу и заносится в БД. В случае необходимости корректируются мероприятия плана по снижению аварийности технологического процесса, выдаются рекомендации оперативному персоналу, реализуются мероприятия, которые заносятся в БД. На временном отрезке «Один раз в неделю» выполняется сбор информации об отказах комплекса технических средств, отклонениях сварочных параметров и выполненных мероприятиях плана по снижению аварийности технологического процесса. Проверка выполнимости плана мероприятий проводится с помощью логической функции. В случае его невыполнения выявляются причины и выдаются рекомендации по их устранению. На временном отрезке «Один раз в месяц» на основе анализа накопленной информации о мероприятиях, реализованных в течение месяца, планово-экономическим отделом предприятия осуществляется оценка величины экономического эффекта управления процессом сварки. При невозможности достижения ожидаемого уровня экономического эффекта производятся необходимые изменения в плане мероприятий и коррекция параметров математической модели. Внедрение разработанных моделей и алгоритмов В настоящее время предлагаемое математическое обеспечение проходит апробацию в составе роботизированных комплексов Kawasaki на контроллерах С40 с сопряжённым сварочным оборудованием Fronius. Результаты внедрения отображены в табл. 2. Таблица 2 Показатели эффективности реализации плана мероприятий Т0 Среднее время обнаружения аварийной ситуации, мин Среднее время реакции на ситуацию, мин Среднемесячное число своевременно не обнаруженных аварийных ситуаций Среднемесячное число аварийных ситуаций До внедрения После внедрения До внедрения После внедрения До внедрения После внедрения До внедрения После внедрения 7 3 12 5-10 11 4 23 11 Как следует из данных, приведенных в табл. 2, среднее время ликвидации аварийной ситуации уменьшилось с 19 минут приблизительно до 10,5 минут, т. е. на 45 %, что может оказаться существенным при авариях определенного типа. Другие важные показатели: на 64 % уменьшилось число необнаруженных аварийных ситуаций (с 110 до 4 ежемесячно), и, что особенно важно, среднемесячное число всех аварийных ситуаций уменьшилось более чем вдвое - с 23 до 11. Таким образом, разработанный программный продукт показал свою высокую эффективность. Заключение Предлагаемые модели и алгоритмы позволяют оптимизировать управление процессом сварки в РТК в условиях аварийных ситуаций. Данная задача решается путем разработки, реализации и проверки выполнения плана мероприятий. Согласно результатам исследования, среднее время ликвидации аварийной ситуации уменьшилось на 45 %; число необнаруженных аварийных ситуаций - на 64 %; среднемесячное число всех аварийных ситуаций - более чем вдвое, т. е. разработанный программный продукт доказал свою высокую эффективность. Внедрение предлагаемого математического обеспечения планируется осуществить в структурных подразделениях ОАО «Трансмаш» (г. Энгельс) по методикам, изложенным в работах [9-15].
Список литературы

1. Воробьёв Е. И., Хатунцев Д. И. Прямая и обратная задача кинематической точности промышленных роботов // Автоматизация. Современные технологии. 2014. № 9. С. 7-9.

2. Иванов В. П., Линьков В. С., Чернецкий Р. И. Специализированная автоматика для роботизированных сварочных комплексов // Автоматизация в промышленности. 2015. № 5. С. 116-121.

3. Кушников В. А., Щербаков М. А. Задачи, модели и алгоритмы системы управления производством листового стекла // Управление большими системами: сб. тр. 2014. № 48. С. 198-224.

4. Паршева Е. А. Децентрализованное робастное управление многозвенным манипулятором сварочного производства // Мехатроника, автоматизация, управление. 2010. № 2. С. 29-35.

5. Резчиков А. Ф., Иващенко В. А., Петров Д. Ю. Оптимизация структур роботизированных комплексов дуговой сварки // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1998. № 6. С. 60-65.

6. Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А., Зуев А. В., Губанков А. С. Разработка новых методов управления мехатронными объектами в условиях неопределенности // Вестн. Дальневост. отд-ния Рос. акад. наук. 2016. № 4 (188). С. 108-115.

7. Щербаков М. А., Кушников В. А. Модели и алгоритмы системы управления аварийными ситуациями при производстве стекла // Вестн. Саратов. гос. техн. ун-та. 2011. Т. 2, № 1 (55). С. 196-199.

8. Бойко В. И., Гуржий А. Н., Жуйков А. А., Зори А. А., Спивак В. М. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства. СПб.: БХВ - Петербург, 2004. 512 с.

9. Kushnikov V. A., Rezchikov A. F., Tsvirkun A. D. Control in man-computer systems with computer-aided goal correction // Automation and remote control. 1998. Vol. 59, no. 7. Part 2. P. 1040-1046.

10. Резчиков А. Ф., Кушников В. А., Евсеев П. Л., Кабанов И. А. Задачи и модели оперативного управления компрессорным хозяйством промышленного предприятия // Мехатроника. Автоматизация. Управление. 2004. № 3. С. 45-50.

11. Резчиков А. Ф., Кушников В. А., Иващенко В. А., Фоминых Д. С., Богомолов А. С., Филимонюк Л. Ю. Минимизация ущерба от нарушения технологического процесса в сварочных роботизированных технологических комплексах // Мехатроника. Автоматизация. Управление. 2017. Т. 18, № 5. С. 328-332.

12. Резчиков А. Ф., Кушников В. А., Иващенко В. А., Фоминых Д. С., Богомолов А. С., Филимонюк Л. Ю. Предотвращение критических сочетаний событий при сварке роботизированными технологическими комплексами // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2017. № 4. C. 60-71.

13. Саютин А. В., Кушников В. А. Особенности применения метода главных компонент для обеспечения эффективной работы энергосбытовой организации // Вестн. Саратов. гос. техн. ун-та. 2009. Т. 1, № 1 (37). С. 99-104.

14. Фоминых Д. С., Кушников В. А. Модели и алгоритмы управления технологическим процессом автоматической сварки в роботизированных комплексах // Информационно-коммуникационные технологии в науке, производстве и образовании (ICIT-2016): сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. Воронеж: Науч. кн., 2016. С. 229-234.

15. Фоминых Д. С., Кушников В. А. Модели и алгоритмы управления процессом сварки в роботизированных комплексах // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-29. Саратов: СГТУ, 2016. № 6 (88). С. 45-51.