Актуальність теми
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Шувалова Людмила Аркадіївна
УДК 637.1.002.5(043)
СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНІ
МОДЕЛІ ТА МЕТОДИ ІНФОРМАЦІЙНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ АДАПТИВНОГО УПРАВЛІННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ПРОЦЕСАМИ ФАСУВАННЯ
05.13.06 – інформаційні технології
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Черкаси – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Черкаському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Лега Юрій Григорович,
Черкаський державний технологічний університет,
завідувач кафедри радіотехніки, ректор.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Алішов Надір Ісмаіл-огли,
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України,
провідний науковий співробітник;
доктор технічних наук, професор
Лужецький Володимир Андрійович,
Вінницький національний технічний університет,
завідувач кафедри захисту інформації.
Захист відбудеться “26” червня 2008 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 73.052.01 Черкаського державного технологічного університету за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Черкаського державного технологічного університету за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.
Автореферат розісланий “ 23” травня 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.В. Палагін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Проблема підвищення ефективності виробничої діяльності підприємств плодомолочної промисловості та якості отриманих при цьому результатів в теперішній час є досить актуальною. Вирішити цю проблему допомагає розробка комплексної автоматизації виробництва на основі сучасних інформаційних технологій.
Рівень автоматизації у великій мірі визначає продуктивність праці, умови роботи обслуговуючого персоналу і якість продукції на підприємствах, що переробляють молочну і плодомолочну продукцію. Для здійснення автоматизації технологічних процесів на даних підприємствах необхідно знати технологію переробки, фасування і пакування продукції, розробляти використовувані при цьому виконавчі механізми і пристрої з автоматизованим управлінням. Управління зазвичай здійснюється при неповній початковій інформації, яка не може забезпечити рішення поставленого завдання в повному об'ємі на весь час роботи системи. Для вирішення поставленої задачі необхідно відокремити, проаналізувати робочу інформацію, і з її урахуванням сформувати відповідні команди управління.
Управління розробкою систем автоматизованого фасування та пакування вимагає реалізації нових принципів побудови складних ієрархічних автоматизованих систем та створення структурно-функціональних моделей та методів інформаційної технології адаптивного управління технологічними процесами фасування та пакування. Для розширення номенклатури продуктів фасування плодомолочної продукції, а також для збільшення типорозмірів пакувальної тари необхідно проектувати і виготовляти адаптивні фасувально-пакувальні машини (ФПМ), що дозволяють з обмеженого набору базових механізмів компонувати автомати відповідно до особливостей виконуваних технологічних операцій.
Необхідно відзначити досягнення в області створення високоефективних інформаційних технологій та побудови систем автоматизованого управління таких видатних вчених, як В.М. Глушков, В.І. Скуріхін, О.І. Кухтенко, О.Г. Івахненко, К.Д. Жук. Значний внесок зробили: М.З. Згуровський, В.І. Гриценко, А.Г. Маміконов, Т.П. Подчасова, Ю.П. Зайченко, С.П. Кудрявцева, А.А. Тимченко і їхні численні учні.
Недоліком більшості існуючих методів структурного синтезу мікропроцесорних систем управління ФПМ є те, що при наявності порівняно незначних ускладнень задач (багато тактів, виконавчих пристроїв, вхідних та вихідних сигналів) втрачається простота вирішення, з’являються обширні таблиці, матриці, втрачається наочність, різко збільшуються витрати часу, зростає ймовірність появи механічних помилок при виконанні простих, але чисельних формальних дій, що не забезпечує комплексне вирішення задачі підвищення ефективності процесів пакування і якості послуг, що надаються.
В результаті аналізу сучасного стану інформаційних технологій синтезу систем автоматизованого управління технологічними процесами фасування та пакування встановлено, що в теперішній час відсутні формалізовані методи перетворення циклограм виконавчих механізмів в алгоритми управління. У відомому графоаналітичному методі синтезу багатотактних систем автоматизованого управління використовуються перетворення графів, які виконуються вручну, що збільшує трудомісткість проектних робіт, крім того, при цьому збільшується ймовірність виникнення помилок проектування. Для зниження трудомісткості розробки алгоритмів та програм контролерів, вбудованих у фасувально-пакувальні машини, необхідна розробка моделей структур даних машин та виконання моделювання процесу формування сигналів управління та контролю положення виконавчих механізмів за допомогою нових інформаційних технологій.
Тому особливо актуальними є наукові розробки інформаційних технологій для аналізу та синтезу структурних та функціональних моделей ФПМ, побудованих з використанням принципу комбінаторної змінності, методу оперативної зміни логічних алгоритмів управління виконавчими механізмами.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетної науково-дослідної роботи Черкаського державного технологічного університету:
- “Еволюційні моделі, методи і засоби підтримки прийняття рішень при створенні віртуальних підприємств”, державна реєстрація за № 0103U003686.
Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є зниження трудомісткості розробки алгоритмів управління адаптивних ФПМ та скорочення технологічних втрат продукції, що фасується, шляхом розробки та дослідження структурно-функціональних моделей та методів інформаційної технології адаптивного управління в галузі автоматизованого фасування і пакування молочної та плодомолочної продукції.
Для досягнення мети дослідження потрібно розв’язати наступні задачі:
- провести системний аналіз інформаційних технологій функціонування систем автоматизованого фасування і розробити критерії системної ефективності процесів та якості результатів функціонування;
- розробити структурну модель адаптивної ФПМ, що дозволить виконати об’ємно-планарне компонування виконавчих механізмів відповідно до конкретних технологічних операцій;
- розробити функціональну модель ФПМ для визначення послідовності виконання команд автоматизованого управління, які формуються вбудованим мікроконтролером, що дозволить знизити трудомісткість розробки алгоритмів управління механізмами ФПМ;
- розробити інформаційну технологію багатосценарного автоматизованого управління технологічним процесом фасування, що дозволить виключити ручні операції при пуску і зупинці машини та зменшити технологічні втрати продукції, що фасується;
- розробити метод аналізу продуктивності фасування і пакування продукції за допомогою структурної моделі ФПМ.
Об’єктом дослідження є процес автоматизованого управління адаптивною ФПМ.
Предметом дослідження є структурні та функціональні моделі ФПМ, побудовані з використанням інформаційних технологій та ієрархічних автоматизованих систем управління.
Методи дослідження базуються на використанні теорій автоматизованого управління, системного аналізу та проектування, структурного моделювання, графів, цифрових автоматів і алгебри логіки.
Достовірність результатів перевірялася порівнянням результатів моделювання засобів управління у середовищі Active-HDL та практичної реалізації.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у розв’язанні задачі побудови структурно-функціональних моделей та методів інформаційної технології адаптивного управління ФПМ, а саме:
- вперше побудована і досліджена структурна модель топології виконавчих механізмів, яка адаптується до виконання технологічних операцій, що дозволило підвищити продуктивності фасування та пакування плодомолочних продуктів;
- удосконалено метод синтезу і оперативної зміни логічних алгоритмів управління механізмами фасувально-пакувальних машин, що забезпечує зниження трудомісткості розробки алгоритмів управління виконавчими механізмами;
- вперше розроблено інформаційну технологію багатосценарного управління ФПМ, яке складається з сценаріїв пускового, робочого режиму та сценарію програмованої зупинки, що дозволяє виключити технологічні втрати продукту, що фасується, та тари, а також підвищити продуктивність ФПМ.
Практичне значення одержаних результатів полягає у можливості застосування програмованих режимів пуску та зупинки ФПМ та автоматизації управління процесами фасування та пакування, що дозволяє зменшити технологічні втрати продукції і тари та підвищити продуктивність ФПМ, а саме:
- розроблено засоби моделювання структури і послідовності виконання операцій, що дозволяють виконувати об’ємно-планарне компонування механізмів відповідно до конкретних технологічних операцій;
- запропоновані структурно-функціональні моделі ФПМ, які побудовані за принципом комбінаторної змінності, що скорочує терміни їх адаптації при зміні технологічних операцій і типорозмірів тари;
- визначені умови виникнення критичних режимів функціонування механізмів ФПМ та запропоновані шляхи їх усунення в процесі розвитку та адаптації до змін технологічних процесів, що дозволяє досягти підвищення продуктивності фасування та пакування продукції;
- розроблено інформаційну технологію моделювання з використанням середовища Active-HDL, що знижує трудомісткість синтезу і оперативної зміни логічних алгоритмів управління виконавчими механізмами;
- запропоновано застосування програмованих режимів пуску і зупинки ФПМ, що дозволяє знизити технологічні втрати продукції і тари.
Результати дисертаційних досліджень впроваджені та використовуються ЗАТ “Завод пакувальних машин “УпМАШ” (м. Черкаси), а також у навчальному процесі Черкаського державного технологічного університету.
Особистий внесок здобувача. Постановка задач, що розглядаються в роботі, і основні теоретичні результати належать особисто автору. За результатами наукових досліджень опубліковано 9 особистих праць [2, 4-6, 8-11]. В роботах, опублікованих в співавторстві, здобувачеві належить: [1] – розробка структурної моделі системи управління технологічним процесом автоматизованого фасування та пакування продукції; [3] – дослідження математичних моделей фасувально-пакувальних машин, представлених у формі потокового направленого графа; [7] – запропонований метод верифікації моделей цифрових автоматів шляхом імітації непрацездатних станів механізмів. Результати прикладного характеру отримані за участю автора та співробітників ЗАТ “Завод пакувальних машин “УпМАШ” і Черкаського державного технологічного університету.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на таких конференціях: ІІ Всеукраїнська науково-практична конференція “Сучасні тенденції розвитку інформаційних технологій в науці, освіті, економіці” (м. Луганськ, 8-10 квітня 2008 р.), Міжнародна науково-практична конференція “Обробка сигналів і негауссівських процесів” (м. Черкаси, 21-26 травня 2007 р.), ІІ Міжнародна науково-практична конференція “Питання прикладної математики і математичного моделювання” (м. Дніпропетровськ, 2006 р.), V міжнародна науково-практична конференція “Динаміка наукових досліджень-2006” (м. Дніпропетровськ, 17-28 липня 2006 р.), ІII Міжнародна науково-практична конференція “Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем” (м. Дніпропетровськ, 16-18 листопада 2005 р.), Міжнародна науково-методична конференція “Проблеми математичного моделювання” (м. Дніпродзержинськ, 25-27 травня 2005 р.), Міжнародна науково-практична конференція “Наука і освіта’ 2003” (м. Дніпропетровськ, січня 2003 р.), третя Українська науково-технічна конференція “Комп’ютерні системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький 28-31 травня 2003 р.).
Публікації. З теми дисертації опубліковано 11 робіт, із них 5 статей надруковано в наукових фахових виданнях, які входять до переліку ВАК України, і 6 у матеріалах конференцій.
Дисертаційна робота, що викладена на 180 сторінках друкованого тексту, складається з вступу, чотирьох розділів та висновків, викладених на 145 сторінках основного тексту, списку використаних джерел із 125 найменувань і додатків.
Дисертаційна робота містить 39 рисунків, 8 таблиць, 5 додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовується актуальність проблеми досліджень, представлено зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана характеристика наукової новизни та практичного значення отриманих результатів, наведені відомості про апробацію, публікації та використання результатів дослідження.
В першому розділі виконано аналіз існуючих інформаційних технологій автоматизованого управління ФПМ, що дозволило визначити напрямки досліджень та сформулювати загальну наукову задачу дисертаційного дослідження та необхідні для її досягнення проміжні наукові задачі, розв’язання яких дозволить знизити трудомісткість розробки процесів ФПМ шляхом застосування інформаційних технологій для аналізу і синтезу структурних та функціональних моделей та сформувати оптимальне об’ємно-планарне компонування виконавчих механізмів, а оптимізація їх параметрів підвищить продуктивність фасування та пакування продукції.
У другому розділі розроблено методику дослідження системи автоматизованого фасування та пакування. Сформовано етапи вибору принципів управління системами даного класу. Для побудови системи автоматизованого фасування і пакування продукції пропонується використовувати систему з комбінованим принципом управління. Дана система має два контури управління: замкнений і розімкнений (рис. 1). У першому контурі використовується принцип управління за відхиленнями вихідної величини від заданого значення, що встановлюється за програмою мікроконтролера, а в другому – принцип управління за збуреннями.
На рис. 1 позначено: ОУ – об'єкт управління; f(t) {л1(t), л2(t), л n(t)} –збурення, які діють на нього; Ве1 = { Ве1.1, Ве1.2,..., Ве1,k} – чутливі елементи першої групи, Ве2 = {Ве2.1, Ве2.2,..., Ве2.l} – чутливі елементи другої групи; Uе = {Uе1, Uе2,., Uеp} – виконавчі елементи.
Узгоджене функціонування двох контурів управління забезпечує ефективну роботу ФПМ.
Як правило, інформація в автоматизованих системах носить дискретний характер, тому способи її перетворення можуть бути достатньо повно описані за допомогою моделі скінченного автомату Мілі:
A = (S, X, Y, , , S|to),
де S = {Sl| l = 1, 2 ,…, } – множина символів алфавіту станів;
X = {Xi| i = 1,2,…, m} – скінченна множина вхідних сигналів,
де Хi={xir|r=1,2,…,ki}, ki=|xi|, xir – символи вхідного алфавіту , значення якого може бути сприйнято вхідним сигналом Хi;
Y = {Yj| j = 1,2,...,n} – скінченна множина вихідних сигналів,
де Yj={yjs|s=1,2,…,kj}, kj=|yj|, yjs – символи вихідного алфавіту , значення якого може бути передано вихідному сигналу Yj;
і – функції переходів і виходів відповідно, причому >{j: (S,X) > Yj |j=1,2,…,n};
S|to – початковий стан детермінованого автомату в момент часу to перед початком його функціонування.
Вважається, що функціонування автомату відбувається в дискретні моменти часу t = t0, t1, … за тактами. На кожному такті функціонування автомат спрацьовує миттєво. Факт спрацювання полягає в тому, що, знаходячись в деякому стані Si S і отримавши деяку сукупність вхідних сигналів , автомат переходить в новий стан Si+1 і виробляє сукупність вихідних сигналів у відповідності з правилами:
: (S, X) S і : (S, X) Y.
Для забезпечення ефективної експлуатації запропоновано застосовувати алгоритми і програми циклічного запуску і програмованої зупинки ФМП.
Сформовано систему визначень, що були покладені в основу нової інформаційної технології багатосценарного управління ФПМ.
Визначення 1. Зростаючим фронтом технологічних операцій назвемо процес, коли в кожному циклі послідовно активізуються технологічні операції на позиціях, розміщених по направленню обертання каруселі.
Визначення 2. Спадаючим фронтом технологічних операцій назвемо процес, коли в кожному циклі послідовно виключаються технологічні операції на позиціях, розміщених проти обертання каруселі.
Визначення 3. Циклічним запуском ФПМ назвемо режим її роботи, в якому формується зростаючий фронт технологічних операцій.
Визначення 4. Програмованою зупинкою ФПМ назвемо режим, в якому формується спадаючий фронт технологічних операцій.
Визначення 5. Робочим назвемо режим роботи ФМП, в якому на всіх позиціях каруселі виконуються всі операції, задані технологічним процесом.
Визначення 6. Режимом ефективної експлуатації ФПМ назвемо послідовність виконання режиму циклічного запуску, робочого режиму і програмованої зупинки.
Розглянуто процеси циклічного запуску та програмованої зупинки ФПМ на прикладі управління десятипозиційною каруселлю. Операції циклічного запуску Ппуск та програмованої зупинки Пстоп ФПМ зображено у вигляді наступних виразів:
Ппуск = { Пп1, Пп2, ... Пп10 }; Пстоп = { Пс1, Пс2, ... Пс11}.
Операції робочого режиму функціонування машини відображено у вигляді наступного виразу: Проб = ( Uі Uпов ), де і – номер позиції каруселі; Uі – технологічна операція на і-ій позиції; Uпов – операція повороту каруселі на 360.
Режим ефективної експлуатації ФПМ визначається послідовністю операцій, що зображається у вигляді:
Пеф = {Ппуск, Проб, ..., Проб, Пстоп}.
Таким чином, підвищення продуктивності фасування та пакування продуктції, видалення ручної праці операторів та технологічних втрат продуктції і тари забезпечується при впровадженні режиму ефективної експлуатації ФПМ, який складається з режиму циклічного запуску, робочого та програмованої зупинки.
З урахуванням числа позицій k на робочому столі запропоновано передбачити (k-1) пускових алгоритмів, при реалізації яких послідовно зростає число технологічних операцій, що виконуються, без контролю станів датчиків на вільних позиціях.
При програмованій зупинці запропоновано також застосовувати (k-1) зупиночних алгоритмів, що послідовно зменшить число технологічних операцій, що виконуються. Після виконання всіх зупиночних алгоритмів всі позиції робочого столу будуть вільними, а продукція, передана на приймальний столик, виявиться повністю запакованою і промаркованою.
Сформовано узагальнений критерій Сзаг, який враховує найбільш важливі параметри технологічного процесу фасування та пакування продукції:
,
где – коефіцієнт, що враховує важливість критеріальної оцінки точності дозування продуктів;
С1 – критеріальна оцінка точності дозування;
С2 – критеріальна оцінка технологічних втрат при автоматизованому фасуванні та пакуванні продукції.
Врахування обох критеріїв дозволило обрати потрібні параметри виконавчих механізмів та реалізувати ефективні алгоритми для управління ними.
В третьому розділі розв’язана задача побудови моделей функціонування адаптивних ФПМ.
Модель функціонування (технологічний процес) зображено у вигляді наступних рівнянь:
. . .
де Х = {Х1,..., Хs} – вхідні параметри;
Y = {Y1,…,Yn} – вихідні параметри;
Р = {Р1,..., Рп} – параметри технологічних операцій.
До параметрів відносяться:
tn – тиск стислого повітря в пневмосистемі;
tcв – температура термозварювання;
ln – початковий рівень продукту в дозаторі;
Gn – наявність тари на позиції дозування;
Zі – стан пневмоциліндрів дозаторів.
Модель технологічного процесу фасування та пакування продуктів наведена на рис. 2.
Для створення адаптивних ФПМ використано принцип комбінаторної змінності, що дає можливість з обмеженого набору базових механізмів формувати різні компонування змінної структури відповідно до зміни технологічних операцій.
Для забезпечення регулювання діапазону режимних параметрів, що впливають на продуктивність і залежних від виду фасованого продукту і розмірів пакувальної тари, використані наступні можливості адаптивності при проектуванні ФПМ:
- регулювання режимних параметрів: об'єму дозування, температури підігріву продукту і зварювання кришок;
- регулювання кінематичних параметрів за рахунок застосування пневмодроселів, керуючих швидкістю руху пневмоциліндрів, а, значить, і швидкістю спрацьовування механізмів;
- заміна і регулювання конструктивних елементів, зокрема змінних насадок дозаторів, кілець, ущільнювачів клапанів і поршнів;
- заміна типорозмірів основних елементів механізмів при зміні типу вживаної тари.
Для визначення послідовності формування команд управління та контролю сигналів, що поступають від датчиків, які контролюють стан керуючого об’єкту, запропоновано застосовувати направлені графи, які відображають послідовність виконання технологічних операцій фасування та пакування продукції.
На каруселі, яка вміщує 10 позицій, можна розмістити такі механізми: От–відділення тари; Д1 , Д2, Д3, Д4 – змінні дозатори; Нфк – накладення фольгової кришки; Свр – термозварювання кришки; Дат – нанесення дати; Упк –
закупорювання полімерною кришкою; Ст – знімання тари.
Деякі позиції робочого столу Свп можуть бути вільними від механізмів. Позиція, що передує механізму знімання тари, зазвичай використовується для візуального контролю якості упаковок і видалення забракованої продукції.
Множина змінних дозаторів Д={Д1, Д2, Д3, Д4} забезпечує такі комбінації (КДi) їх установки:
КД1={Д1}, КД2={Д1, Д2}, КД3={КД1, КД3}, КД4={Д1, Д2, Д3},
КД5={Д4}, КД6={Д4, Д2}, КД7={Д4, Д3}, КД8={Д4, Д2, Д3}.
Це дозволяє фасувати та пакувати велику номенклатуру молочної та плодомолочної продукції, в тому числі з м’якими харчовими наповнювачами. Можливі вісім варіантів установки механізмів на даній каруселі машини:
Р1={От, Д2, Д4, Свп, Нфк, Свр, Дат, Упк, Свп, Ст};
Р2={От, Свп, Д4, Свп, Нфк, Свр, Дат, Упк, Свп, Ст};
Р3={От, Свп, Д1, Свп, Нфк, Свр, Дат, Упк, Свп, Ст};
Р4={От, Свп, Д1, Д3, Нфк, Свр, Дат, Упк,Свп, Ст};
Р5={От, Д2, Д1, Свп, Нфк, Свр, Дат, Упк, Свп, Ст};
Р6={От, Д2, Д1,Д3, Нфк, Свр, Дат, Упк, Свп, Ст};
Р7={От, Свп, Д4, Д3, Нфк, Свр, Дат, Упк, Свп, Ст};
Р8={От, Д2, Д4, Нфк, Свр, Дат, Упк, Свп, Ст}.
Управління ФПМ передбачає подачу сигналів, які формуються для встановлення послідовності виконання технологічних операцій, а також для зупинки механізмів при відсутності сировини або виникненні аварійних ситуацій, які можуть призвести до недостатньої точності дозування, розливу продукту або до неякісного зварювання кришки до стаканчика/коробки і т.д.
В процесі абстрактного синтезу здійснюється перехід від вербального опису технологічного процесу до складання алгоритму функціонування у вигляді таблиці, циклограми, графіку і т. д. Для складання логічного алгоритму управління ФПМ необхідно мати повну інформацію про кожну технологічну операцію і обладнання, що застосовується. Для одного з варіантів конфігурації десятипозиційної ФПМ для всіх Р={Ріі=1,2,...,10} позицій необхідно забезпечити виконання наступної множини операцій:
UА={Uот, Uпов, Uзд2, Uпов, Uзд1, Uпов, Uзд3, Uпов, Uнфк, Uпов,
Uсвр, Uпов, Uдат, Uпов, Uупк, Uпов, Uвкя, Uпов, Uст, Uпов}.
З використанням теорії графів розроблено метод побудови комбінаційно-змінної структури ФПМ, який зображено у вигляді алгоритму на рис. 3.
Пропонований метод перетворення графів використовувався для синтезу математичної моделі ФПМ, що має 10 позицій для установки механізмів, початковий граф якої показаний на рис. 4, а.
Потоковий направлений граф, що відображає можливі комбінації виконання операцій даної ФПМ, наведений на рис. 4, б і містить наступну множину вершин: –
відповідають позиціям установки механізму відділення стаканчиків/коробок;
– вказують позицію установки дозатора;
– відповідають позиції установки дозатора;
– визначають позицію установки дозатора ;
– відповідають позиції накладення фольгової кришки;
– визначають позицію для виконання термозварювання кришки;
– вказують позицію для датування стаканчиків/коробок;
– визначають позицію упаковки полімерною кришкою; –
вказують позицію візуального контролю якості упакованої продукції;
– відповідає позиції знімання стаканчиків/коробок.
В результаті аналізу можливих шляхів на дереві графа можна визначити критичний шлях:
,
де – довжина шляху, –
вага -ої дуги -ого шляху, –
максимальне число дуг в -му шляху.
У четвертому розділі виконано синтез системи автоматизованого управління ФПМ за допомогою редактора HDL.
В середовищі Active-HDL виконано розробку стимулюючих впливів (TestBench), які визначають параметри керуючих сигналів та імітують спрацювання датчиків, що фіксують досягнення виконавчими механізмами кінцевих положень. Це дозволило в інтерактивному режимі створювати бажані умови для пристрою, який випробовується.
Верифікацію моделей цифрових автоматів виконано в середовищі Active-HDL, використавши при цьому інструментарій ручного вводу впливів на вхідні порти пристрою, що проектується. Застосування інтерактивного режиму верифікації проектів систем управління дозволило знизити похибку в алгоритмах та зменшити трудомісткість розробки керуючих програм.
Діаграма станів автомата, правила функціонування якого перевірялись із використанням середовища Active-HDL, наведена на рис.5.
Для контролю тривалості ввімкнутого стану механізмів введені допоміжні змінні типу TIME: Zi_set, Zi_res, Zi_delta, кількість яких відповідає відповідному числу контролюючих тимчасових інтервалів. Змінні Zi_set відповідають моменту включення i-го виконавчого механізму, а Zi_res – моменту виключення. Змінні Zi_delta встановлюють відрізок часу, який відповідає ввімкненому стану даних механізмів.
Подання процесу перетворення інформації в ФПМ у вигляді скінченного автомату дозволило відобразити виконавчі операції в зручній формі, що скорочує трудомісткість розробки і налагодження програмного забезпечення вбудованих мікроконтролерів. Застосування редактора діаграм станів (State Diagram Editor) дозволило автоматизувати формування HDL-коду проекту, провести його верифікацію і вибрати перспективну систему управління.
Для реалізації режиму програмованої зупинки без втрати продукції і виникнення бракованої продукції використано ієрархічні групи алгоритмів автоматів, які наведені на рис. 6.
Режим верифікації скомпільованих програм управління виконавчими механізмами забезпечив контроль відповідності зв’язків “причина-наслідок” між виконавчими механізмами та даними, вказаними у циклограмах фасувально-пакувальних машин із перебудованою структурою.
Імітація відмов механізмів або датчиків, які контролюють їх положення, забезпечує прогнозування наслідків несправностей технологічного обладнання та виключає аварійні ситуації уже на етапі налагодження алгоритмів.
Для практичної реалізації системи управління ФПМ було вибрано вбудований мікроконтролер 5082 фірми Octagon. Для розробки прикладного програмного забезпечення використовувалась мова CAMBASIC IV.
ВИСНОВКИ
Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливої науково-технічної задачі автоматизації управління процесами фасування та пакування шляхом розробки та дослідження структурно-функціональних моделей та методів інформаційної технології адаптивного управління.
Вирішення цієї задачі досягається завдяки застосуванню теорій автоматизованого управління, системного аналізу та проектування, структурного моделювання, графів, цифрових автоматів і алгебри логіки. Достовірність результатів перевірялася порівнянням результатів моделювання засобів управління у середовищі Active-HDL та практичної реалізації.
Основні наукові та практичні результати, що були отримані під час виконання роботи, полягають в наступному:
1. Побудована і досліджена структурна модель топології виконавчих механізмів, яка адаптується до виконання технологічних операцій, що дозволило підвищити продуктивності фасування та пакування плодомолочних продуктів.
2. Вдосконалено метод синтезу і оперативної зміни логічних алгоритмів управління механізмами фасувально-пакувальних машин, що забезпечує зниження трудомісткості розробки алгоритмів управління виконавчими механізмами
3. Розроблено інформаційну технологію багатосценарного управління ФПМ, що дозволяє виключити технологічні втрати продукту, що фасується, та тари, а також підвищити продуктивність ФПМ. Реалізація багатосценарного режиму роботи ФПМ: циклічного пуску, робочого режиму та програмованої зупинки дозволила виключити технологічні втрати продукту, що фасується, та тари, а також підвищити продуктивність ФПМ на 1,66%, що складає близько 27000 стаканчиків/коробок за місяць.
4. Запропоновані структурно-функціональні моделі ФПМ, які побудовані за принципом комбінаторної змінності, що скорочує терміни їх адаптації при зміні технологічних операцій і типорозмірів тари. Визначені умови виникнення критичних режимів функціонування механізмів ФПМ та запропоновані шляхи їх усунення в процесі розвитку та адаптації до змін технологічних процесів, що дозволяє досягти підвищення продуктивності фасування та пакування продукції.
5. Розроблено інформаційну технологію моделювання з використанням середовища Active-HDL, що знижує трудомісткість синтезу і оперативної зміни логічних алгоритмів управління виконавчими механізмами.
6. Розроблено засоби моделювання структури і послідовності виконання операцій, що дозволяють виконувати об’ємно-планарне компонування механізмів відповідно до конкретних технологічних операцій.
Основні наукові та практичні результати дисертації впроваджено при виробництві фасувально-пакувальних машин ЗАТ “Завод пакувальних машин “УпМАШ”, а також у навчальному процесі Черкаського державного технологічного університету.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Лега Ю.Г. Вибір принципу управління системи автоматизованого фасування та пакування продукції / Ю.Г. Лега, Л.А. Шувалова // Вісник ЧДТУ. – 2007. – № 3-4. – С. 23-25.
2. Шувалова Л.А. Методы абстрактного синтеза структуры и последовательности выполнения операций фасовочно-упаковочных машин / Л.А. Шувалова // Вісник Технологічного університету Поділля. – 2005. – №4. – С. 55-58.
3. Лега Ю.Г. Применение операции расщепления вершин и дуг графов для синтеза моделей фасовочно-упаковочных машин / Ю.Г. Лега, Л.А. Шувалова // Вісник ЧДТУ. – 2005. – №2. – С. 90-93.
4. Дубінець Л.А. Представлення алгоритмів функціонування пристроїв автоматизованих систем за допомогою моделей скінченних автоматів / Л.А. Дубінець // Вісник ЧДТУ. – 2002. – №4. – С.41-44.
5. Дубинец Л.А. Принципы проектирования адаптивних фасовочно-укупорочных машин для молочной и плодомолочной промышленности / Л.А. Дубинец // Міжнародний науково-технічний журнал “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”. – Хмельницький. – 2002. – №2. – С.132-136.
6. Шувалова Л.А. Применение модели конечного автомата для синтеза систем управления технологическими процесами / Л.А. Шувалова // Питання прикладної математики і математичного моделювання: збірник наукових праць. – Дніпропетровськ: Вид-во Дніпропетровського національного університету, 2006. – С. 261-267.
7. Моамар Д.Н. Верификация моделей конечных автоматов / Д.Н. Моамар, Т.Ю. Уткина, Л.А. Шувалова // Сучасні тенденції розвитку інформаційних технологій в науці, освіті та економіці, Всеукраїнська наук.-практ. конф. (2; 2008; Луганськ): матеріали ІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції „Сучасні тенденції розвитку інформаційних технологій в науці, освіті та економіці”, 8-10 квітня 2008 р. – Луганськ: Альма-матер, 2008 р. – С. 72-74.
8. Шувалова Л.А. Алгоритми ефективної експлуатації фасувально-пакувальних машин / Л.А. Шувалова // Обробка сигналів і негауссівських процесів, Міжнародна наук.-практ. конф. (2007; Черкаси): матеріали Міжнародної науково-практичної конференції “Обробка сигналів і негауссівських процесів”, 21-26 травня 2007 р. – Черкаси. ЧДТУ, 2007 р. – С. 207-209.
9. Шувалова Л.А. Особенности программирования контроллеров робототехнических систем / Л.А Шувалова // “Динаміка наукових досліджень –2006”, Міжнародна наук.-практ. конф. (5; 2006; Дніпропетровськ): матеріали V Міжнародної науково-практичної конференції “Динаміка наукових досліджень – 2006”, 17-28 липня 2006 р. – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2006 р. Т. 7. – С.48-50.
10. Шувалова Л.А. Модели и алгоритмы управления адаптивных фасовочно-упаковочных машин / Л.А. Шувалова // Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем, Міжнародна наук.-практ. конф. (3; 2005; Дніпропетровськ): матеріали Міжнародної науково-практичної конференції “Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем”, 16-18 листопада 2005 р. – Дніпропетровськ, 2005. – С. 194-195.
11. Шувалова Л.А. Синтез моделей фасувально-пакувальних машин за допомогою направлених графів / Л.А. Шувалова // Проблеми математичного моделювання, Міждержавна наук.-метод. конф. (2005; Дніпродзержинськ): матеріали Міждержавної науково-методичної конференції “Проблеми математичного моделювання”, 25-27 травня 2005 р. – Дніпродзержинськ, 2005. – С.194-195.
АНОТАЦІЇ
Шувалова Л.А. Структурно-функціональні моделі та методи інформаційної технології адаптивного управління технологічними процесами фасування. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.13.06 – інформаційні технології. - Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2008.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню задачі автоматизації управління процесами фасування та пакування шляхом розробки та дослідження структурно-функціональних моделей та методів інформаційної технології адаптивного управління. Побудована і досліджена структурна модель топології виконавчих механізмів, яка адаптується до виконання технологічних операцій, що дозволило підвищити продуктивності фасування та пакування плодомолочних продуктів.
Запропоновані структурно-функціональні моделі ФПМ, які побудовані за принципом комбінаторної змінності, що скорочує терміни їх адаптації при зміні технологічних операцій і типорозмірів тари. Визначені умови виникнення критичних режимів функціонування механізмів ФПМ та запропоновані шляхи їх усунення в процесі розвитку та адаптації до змін технологічних процесів, що дозволяє досягти підвищення продуктивності фасування та пакування продукції.
Розроблено інформаційну технологію багатосценарного управління ФПМ, яке складається з сценаріїв пускового, робочого режиму та сценарію програмованої зупинки, що дозволяє виключити технологічні втрати продукту, що фасується, та тари, а також підвищити продуктивність ФПМ. Реалізація багатосценарного режиму роботи ФПМ: циклічного пуску, робочого режиму та програмованої зупинки дозволила виключити технологічні втрати продукту, що фасується, та тари, а також підвищити продуктивність ФПМ на 1,66%, що складає близько 27000 стаканчиків/коробок за місяць.
Ключові слова: інформаційна технологія, автоматизоване управління, структурна модель, молочні продукти, алгоритми, багатосценарне управління.
Шувалова Л.А. Структурно-функциональные модели и методы информационной технологии адаптивного управления технологическими процессами фасовки. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – информационные технологии. – Черкасский государственный технологический университет, Черкассы, 2008.
Диссертационная работа посвящена решению важной научно-технической задачи автоматизации управления процессами фасования и упаковывания путём разработки и исследования структурно-функциональных моделей и методов информационной технологии адаптивного управления. Построена и исследована структурная модель топологии исполнительных механизмов, которая адаптируется к исполнению технологических операций, что позволило повысить производительность фасования и упаковывания плодомолочных продуктов.
Предложены структурно-функциональные модели фасовочно-упаковочных машин (ФУМ), которые построены по принципу комбинаторной изменчивости, что сокращает сроки их адаптации при изменении технологических операций и типоразмеров упаковочной тары. Определены условия возникновения критических режимов функционирования механизмов ФУМ и предложены пути их устранения в процессе развития и адаптации к изменениям технологических процессов, что позволяет достичь повышения продуктивности фасования и упаковывания продукции.
Разработана новая информационная технология многосценарного управления ФУМ, которое состоит из сценариев пускового, рабочего режима и сценария программируемой остановки, что позволяет исключить технологические потери продукции и тары, а также повысить производительность ФУМ. Реализация многосценарного режима работы ФУМ позволила исключить технологические потери продукции и тары, а также повысить производительность ФУМ на 1,66%, что составляет около 27000 стаканчиков/коробок в месяц.
Усовершенствован метод синтеза и оперативной смены логических алгоритмов управления исполнительными механизмами ФУМ, что уменьшает трудоемкость проектных работ и расширяет номенклатуру продуктов фасуемой плодомолочной продукции и увеличивает типоразмеры фасовочной тары.
Используется современная информационная технология для синтеза и исследования моделей цифровых автоматов, формирующих сигналы управления исполнительными механизмами ФУМ, основанная на использовании FSM редактора среды Active-HDL. С целью сокращения трудоемкости разработки моделей используется иерархическая структура графов состояний цифровых автоматов с конечным числом состояний.
Разработаны стимулирующие воздействия (TestBench) для верификации моделей цифровых автоматов, которые имитируют срабатывание датчиков, фиксирующих достижение исполнительными механизмами конечных положений. Верификация моделей цифровых автоматов позволила устранить ошибки в алгоритмах управления, снизить трудоемкость разработки управляющих программ и избежать негативных последствий из-за поломки механизмов и ошибок в алгоритмах управления ФУМ.
Оптимизация параметров исполнительных механизмов, выполненная благодаря построению и исследованию структурно-функциональной модели ФУМ, позволила повысить производительность фасовки и упаковывания плодомолочной продукции на 27000 стаканчиков/коробок в месяц.
Результаты диссертации в виде VHDL-моделей и реализованных сценариев управления ФУМ используются ЗАО “Завод упаковочных машин “УпМАШ” и в учебном процессе Черкасского государственного технологического университета, что подтверждается справкой и актом о внедрении результатов исследования.
Ключевые слова: информационная технология, автоматизированное управление, структурная модель, молочные продукты, алгоритмы, многосценарное управление.
Shuvalova L.A. Structurally functional models and methods of information technology adaptive management of packing technological processes. – Manuscript.
Dissertation for the scientific degree of the Candidate of Technical Sciences on specialty 05.13.06 – іnformation technologies. – Cherkasy State Technological University, Cherkasy, 2008.
The dissertation is devoted development of structural and functional models of adaptive packing machines (FPM) by using information technologies in industry of the automated production of milk and milk products with the purpose of decline of labour intensiveness of development of management’s algorithms of these machines and cutback of the technological spending of products which are packaged. The topology of executive mechanisms and sequence of implementation of technological operations is developed and explored.
A method of multi scenario management of FPM is developed, which consists of scenarios of the cyclic starting, operating condition and programmable stop, which allows decreasing technological expenses of products which are packaged, and container, and promote the productivity of FPM. The method of synthesis and operative change of logical algorithms of management of the executive mechanisms of FPM is improved, which decreases labour intensiveness of planning work and extends the nomenclature of products which are packed up, and multiplies types and sires of container. Optimization of parameters of executive mechanisms, executed due to the construction and research of structurally functional model of FPM, allowed promoting the productivity of packing and packing of milk products for 27000 glasses/boxes in a month.
Key words: іnformation technologies, automated management, structural model, milk products, algorithms, multiscenario managements.
