Перспективы совершенствования системы управления технологическими процессами производства и обработки сверхтвердых материалов
The paper deals with the method of implementation of automatic control system to manufacture and process superhard materials.
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135413 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Перспективы совершенствования системы управления технологическими процессами производства и обработки сверхтвердых материалов / П.И. Кравец // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 359-363. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860077393937432576 |
|---|---|
| author | Кравец, П.И. |
| author_facet | Кравец, П.И. |
| citation_txt | Перспективы совершенствования системы управления технологическими процессами производства и обработки сверхтвердых материалов / П.И. Кравец // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 359-363. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | The paper deals with the method of implementation of automatic control system to manufacture and process superhard materials.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:14:08Z |
| format | Article |
| fulltext |
Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
359
УДК 658.012.122 - 621.921.34
П. И. Кравец, канд. техн. наук
Национальный технический университет Украины «КПИ», г. Киев,Украина
ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПРОИЗВОДСТВА И ОБРАБОТКИ
СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
The paper deals with the method of implementation of automatic control system to manufac-
ture and process superhard materials.
Производство синтетических сверхтвердых материалов (ССМ) насчитывает уже более
чем полувековую историю. Однако и в настоящее время технология производства ССМ не
гарантирует высокий процент выхода изделий с заданными количественными и качествен-
ными характеристиками, отличается высокой энергоемкостью и практически полностью за-
висит от квалификации оператора. Такое состояние технологии производства ССМ связано в
первую очередь с ее некоторыми особенностями, а именно:
ненаблюдаемостью процесса преобразования материалов в процессе производства;
ненаблюдаемостью состояния основных технологических параметров – температуры
и давления – в зоне преобразования материалов;
ненаблюдаемостью технического состояния технологического оборудования;
разбросом качественных показателей исходных материалов и технологических заго-
товок подготовки производства и др.
Перечисленные информационные особенности в своем комплексе сводят процесс
принятия управленческих решений к проблемам, которые известны в теории систем автома-
тического управления как проблемы управляемости процессом производства в условиях не-
определенности. В таких условиях найти более менее правильное управленческое решение
может лишь опытный квалифицированный оператор, однако найти решение, оптимизирую-
щее выход годных изделий и минимизирующее энергозатраты, ему не под силу.
Одним, и единственным, путем решения проблемы управляемости технологическим
процессом производства ССМ есть совершенствование системы управления – создание автома-
тизированной системы управления процессом производства на основе интеллектуальных ин-
формационных технологий, способных решать задачи управления в условиях
неопределенности.
Что же мы имеем в области автоматизации процесса производства ССМ сегодня?
Технологическое оборудование лучших мировых производителей оснащено т.н. автоматизи-
рованными системами управления, основной задачей которых является контроль, управле-
ние, визуализация и протоколирование некоторых технологических параметров (температу-
ры, тока, напряжения, мощности, проводимости, электрического сопротивления, давления),
косвенно и неоднозначно связанных с основными технологическими параметрами, сущест-
вующими в зоне обработки и преобразования материалов (например, системы управления на
основе контроллеров КС-4, КС-5 разработки Института физики твердого тела НАН Белорус-
сии, обновленные разработки России и др. зарубежные разработки). Такие системы создают
видимость автоматизации процесса производства и по существу ничем не отличаются от
простых систем управления, реализованных на большинстве единиц технологического обо-
рудования.
РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
360
Основные их возможности – это программное управление мощностью (током,
напряжением) нагрева, усилием прессового оборудования и информационные удобства для
оператора, а все остальные задачи по выбору стратегии управления технологическим про-
цессом по-прежнему возлагаются на оператора. А это значит, что поставленные выше про-
блемы и задачи такими системами по-прежнему не решаются. Для обоснования выбора нуж-
ной структуры автоматизированной системы управления проанализируем перечисленные
выше основные особенности технологии производства ССМ.
Ненаблюдаемость технологии преобразования исходных материалов в готовые изде-
лия связана, в основном, с отсутствием технологических средств и технологий прямого кон-
троля процесса преобразования материалов в готовые изделия. В то же время сам процесс
преобразования материалов хорошо изучен как физико-химическое явление, построены диа-
граммы термобарических и термомеханических состояний температурных полей, изучены
процессы электро- и массопереноса и др. [1], что дает возможность построить целый ряд мо-
делей процесса преобразования материалов, на которых можно строить системы управления.
Сам факт, что процессом может управлять оператор, уже говорит о том, что существует мо-
дель процесса в виде знаний оператора, основанная на статистических данных. Все эти мо-
дели могут служить основанием для реализации системы управления процессом производст-
ва ССМ без текущего контроля самого процесса.
Ненаблюдаемость основных технологических параметров связана с отсутствием про-
мышленных технологий их прямого контроля (лабораторные технологии существуют, но они
достаточно трудоемкие, ненадежны и дорогостоящие), поэтому даже в лабораторных
условиях обходятся контролем более доступных параметров, косвенно характеризующих
основные тех-нологические параметры – электрической мощности нагрева, тока, напряжения,
электрической проводимости или электрического сопротивления рабочей камеры, давления
в гидросистеме технологического пресса. Эти параметры в совокупности дают общее
представление о ходе тех-нологического процесса и ориентируясь на них, можно с какой-то
долей вероятности судить о ходе технологического процесса, т.е можно построить некоторую
модель управления процессом производства ССМ как функционал от этих параметров. Эти же
параметры могут служить осно-вой для построения модели технического состояния
технологического оборудования.
Что касается влияния разброса показателей исходных технологических заготовок и
материалов, то следует соблюдать условие, что их показатели всегда находятся в некоторых
допустимых значениях, определяемых технологией производства, выход за которые не га-
рантирует результата технологического процесса.
Таким образом, из проведенного анализа следует, что ненаблюдаемость текущих со-
стояний объекта и управляющих параметров не позволяет реализовать управление процес-
сом производства ССМ в реальном времени, несмотря на наличие всех моделей,
необходи-мых для управления технологическим процессом.
Однако если оценивать результаты технологического процесса и на их основе
вычислять по оговоренным выше моделям прогноз управляющих воздействия для
последующего техноло-гического цикла, то таким образом можно управлять процессом
производства, что, собственно, и делает оператор, опираясь на свой опыт и знания. Основной
проблемой при таком управлении есть отсутствие технических средств оперативной оценки
результатов проведенного технологи-ческого процесса, поэтому на данном этапе оценку
результатов должен выполнять оператор, хотя это опять же вводит в систему управления
субъективный фактор опыта и знаний оператора. Однако этот подход существенно сужает
роль оператора в выборе управляющих решений, кон-центрируя его знания и умение лишь на
оценке результатов технологического процесса.
361
Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
Исходя из проведенного анализа, можно предложить структуру автоматизированной
системы управления, решающей поставленные выше задачи. Система содержит три уровня:
исполнительский уровень, уровень решения оптимизационных задач (тактический уровень)
и уровень решения стратегических задач – стратегический уровень. На исполнительском
уровне решаются задачи точного дозирования управляющих параметров – мощности нагрева
и давления в гидросистеме пресса. На тактическом уровне решаются задачи точного управ-
ления температурным полем внутри рабочей камеры и оптимального расхода энергетических
ресурсов. На стратегическом уровне решаются задачи оптимизации результатов производст-
ва ССМ путем определения оптимальных значений управляющих параметров для после-
дующего технологического процесса по результатам текущего технологического процесса, а
также оценка состояния технологического оборудования.
Информационными величинами для исполнительского уровня есть напряжение и ток
нагрева рабочей зоны технологического оборудования, на основе которых формируется
управление мощностью нагрева, и давление в гидросистеме технологического пресса. В ка-
честве регуляторов используются прецизионные регуляторы мощности, они описаны в [2], а
в качестве регулятора давления – классические двухпозиционные регуляторы.
Информационными величинами тактического уровня являются:
мощность нагрева рабочей зоны объекта;
температура в ряде точек (2–4 точки) технологического оборудования и оснастки;
температура охлаждающей среды на входе и выходе системы охлаждения технологи-
ческого оборудования;
расход охлаждающей жидкости.
На основе получаемой информации, используя модели динамики температурных полей,
определяются управляющие воздействия для систем нагрева и охлаждения технологической
оснастки и пресса. Результатом управления должно быть требуемое состояние температурного
поля в рабочей зоне технологического оборудования. На этом же уровне решается оптимиза-
ционная задача по минимизации энергозатрат на создание этого температурного поля путем
совместной оптимизации управлений для систем нагрева и охлаждения оборудования.
Основой тактического уровня является прямая и обратная математические модели ди-
намики температурного поля технологической оснастки оборудования, посредством которых
косвенным путем можно оценить состояние температурного поля в рабочей зоне по данным
контроля температуры поля в других точках технологического оборудования [3]. Поскольку
рассмотренные модели относятся к классу сложных нелинейных моделей со многими входа-
ми и многими выходами, то для решения задач оценки состояний поля и оптимизационных
задач предлагается использовать синергетический подход, развиваемый в работах [4], с при-
менением интеллектуальных технологий решения задач управления, например, на основе
нейронных сетей.
Информационными величинами для стратегического уровня является качественная и ко-
личественная характеристики результатов проведенного технологического процесса, мощность,
ток и напряжение нагрева, а также давление в гидросистеме пресса. Стратегический
уровень решает задачу расчета прогноза программы управлений температурой и давлением в
рабочей зоне и задачу оценки технического состояния технологического оборудования.
Поскольку основные исходные данные, характеризующие результаты предыдущего
техпроцесса, оценивают-ся и передаются в систему оператором в виде лингвистических
представлений, то технология поиска управлений должна строиться на основе
интеллектуальных технологий реализации про-цедуры динамического программирования.
Пример интеллектуальной технологии поиска про-гноза управлений для технологического
процесса синтеза алмазов рассмотрен в [5].
РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
362
Исходя из сказанного, структуру автоматизированной системы управления производ-
ством ССМ можно представить, как показано на рис. 1, в которой и стратегический, и такти-
ческий уровни системы управления реализуются на основе технологий
интеллектуальных систем управления, современная теория которых предлагает целый
ряд информационных технологий для решения задач управления в условиях
неопределенности: это экспертные системы управления, системы управления на основе
лингвистических «нечетких» моделей, нейросетевые системы управления, системы
управления на основе ассоциативной памяти [6].
Рис. 1. Структура автоматизированной системы управления.
Основой всех этих технологий является база знаний об управляемом объекте – в дан-
ном случае технологическом процессе производства ССМ.
Экспертные системы это, по существу, дискретные системы с разной степенью дискре-
тизации, содержащие знания (базу знаний) в виде высказываний типа «ЕСЛИ … ТО».
Лингвистические знания на основе «нечетких» множеств также содержат знания в ви-
де высказываний типа «ЕСЛИ … ТО», но позволяют вычислять любые промежуточные зна-
чения знания.
Знания в нейросетевой системе распределены в неявном виде по коэффициентам эле-
ментов нейросетевой структуры, настраиваемым путем обучения на множестве данных. Сис-
тема позволяет находить любые знания в рамках обучаемой выборки.
Знания в системах ассоциативной памяти представлены в дискретном виде и могут
очень быстро быть получены по некоторым достаточно отрывочным исходным данным – ас-
социациям. Система обладает высоким быстродействием в быстроизменяющихся ситуациях.
Исходя из этой весьма краткой характеристики, наиболее предпочтительным для по-
строения автоматизированной системы управления производства ССМ является использование
на стратегическом уровне технологии с лингвистическими знаниями на основе «нечетких» мно-
Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
363
жеств, база знаний которых содержит знания о ходе технологического процесса и его парамет-
рах, полученных из справочных материалов, от технологов-разработчиков и квалифицирован-
ных операторов, а на тактическом уровне – из технологий нейросетевых систем управления.
Выводы
Современное состояние теоретической базы, изученность технологических процессов и
накопленный опыт производства ССМ совместно с современными информационными техноло-
гиями интеллектуальных систем управления позволяют реализовать АСУ производства ССМ в
полном объеме, значительно уменьшить интеллектуальную нагрузку на оператора и уберечь его
от возможных ошибок. Пока единой проблемой есть отсутствие системы оперативной оценки
полученных результатов в конкретном технологическом цикле, хотя создание такого устройства
не вызывает особых технических проблем. Такое устройство может быть реализовано, напри-
мер, как распознающее устройство на основе системы технического зрения [7].
Литература
1. Сверхтвердые материалы. Получение и применение. Монография в 6-и т. / Под общ. ред.
Н. В. Новикова. – К.: ИСМ им. В. Н. Бакуля, ИПЦ «АЛКОН» НАНУ, 2003.
2. Краснопрошина А. А., Скаржепа В. А. Кравец П. И. Электроника и микросхемотехника.
Ч. 2. Электронные устройства промышленной автоматики: Учебник / Под общ. ред.
А. А. Краснопрошиной. – К.: Вища школа, 1989. – 301 с.
3. Кравец П. И. Математические модели теплообменных процессов в аппаратах высокого дав-
ления. // Сверхтв. материалы. – 1997. – № 2, –С. 13–22; – № 4. – С. 24–32; – № 5, С. 12–21.
4. Современная прикладная теория управления: Новые классы регуляторов технических сис-
тем. Ч. 3. / Под ред. А. А. Колесникова. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. – 656 с.
5. Кравец П. И. Интеллектуальные модели и нечеткие алгоритмы и их применение для опти-
мизации процессов синтеза сверхтвердых материалов // Сверхтв. материалы. – 2001. – № 3.
– С. 15–24; № 4. – С. 29–38.
6. Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред. И. М. Макарова, В. М.
Лохина. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 576 с.
7. Писаревский А. Н., Чернявский А. Ф. и др. Системы технического зрения / Под общ. ред.
А. Н. Писаревского. –Л.: Машиностроение, 1988. – 424 с.
Поступила 10.07.07.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-135413 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2223-3938 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:14:08Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кравец, П.И. 2018-06-15T10:50:54Z 2018-06-15T10:50:54Z 2007 Перспективы совершенствования системы управления технологическими процессами производства и обработки сверхтвердых материалов / П.И. Кравец // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 359-363. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135413 658.012.122 - 621.921.34 The paper deals with the method of implementation of automatic control system to manufacture and process superhard materials. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов Перспективы совершенствования системы управления технологическими процессами производства и обработки сверхтвердых материалов Article published earlier |
| spellingShingle | Перспективы совершенствования системы управления технологическими процессами производства и обработки сверхтвердых материалов Кравец, П.И. Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов |
| title | Перспективы совершенствования системы управления технологическими процессами производства и обработки сверхтвердых материалов |
| title_full | Перспективы совершенствования системы управления технологическими процессами производства и обработки сверхтвердых материалов |
| title_fullStr | Перспективы совершенствования системы управления технологическими процессами производства и обработки сверхтвердых материалов |
| title_full_unstemmed | Перспективы совершенствования системы управления технологическими процессами производства и обработки сверхтвердых материалов |
| title_short | Перспективы совершенствования системы управления технологическими процессами производства и обработки сверхтвердых материалов |
| title_sort | перспективы совершенствования системы управления технологическими процессами производства и обработки сверхтвердых материалов |
| topic | Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов |
| topic_facet | Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135413 |
| work_keys_str_mv | AT kravecpi perspektivysoveršenstvovaniâsistemyupravleniâtehnologičeskimiprocessamiproizvodstvaiobrabotkisverhtverdyhmaterialov |