eng
Выпуск #9/2024
А. Анцев, Е. Янов
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОСВЕННОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОСВЕННОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Просмотры: 487
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.240.9.120.122
В статье описана общая структурная схема и построена математическая модель информационно-измерительной системы (ИИС) косвенного контроля состояния технологических систем. Выходной сигнал ИИС может быть использован
для предиктивного анализа состояния оборудования.
В статье описана общая структурная схема и построена математическая модель информационно-измерительной системы (ИИС) косвенного контроля состояния технологических систем. Выходной сигнал ИИС может быть использован
для предиктивного анализа состояния оборудования.
Теги: critical information infrastructure information and measurement system predictive analysis информационно-измерительная система критическая информационная инфраструктура предиктивный анализ
Математическая модель информационно-измерительной системы косвенного контроля состояния технологических систем
А. Анцев, д.т.н., Е. Янов, к.т.н.
В статье рассмотрена общая структурная схема информационно-измерительной системы (ИИС) косвенного контроля состояния технологических систем. Описаны ее входные и выходные параметры и методы преобразования сигналов. Выходной сигнал ИИС характеризует работу технологической системы (оборудование выключено, оборудование простаивает или оборудование выполняет технологическую операцию) и может быть использован для предиктивного анализа состояния станка.
В условиях санкционного давления на Российскую Федерацию и ухода с отечественного рынка иностранных производителей и поставщиков машиностроительной продукции стратегически важной задачей является повышение эффективности отечественных машиностроительных производств с целью обеспечения технологической независимости.
Сдерживающими факторами, влияющими на эффективность (возможность максимально полно использовать имеющиеся ресурсы) технологических систем машиностроительных производств являются низкая технологическая дисциплина (несоблюдение технологии изготовления продукта производства) и высокие издержки при производстве продукции.
Соблюдение технологической дисциплины непосредственно влияет на качество производимой продукции, ритмичность производства и эффективность использования технологических систем машиностроительных производств. Данное влияние оценивается по следующим критериям эффективности:
Для обеспечения соблюдения технологической дисциплины необходимо осуществлять оперативный контроль работы технологической системы, то есть совокупности функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения, предметов производства и исполнителей для выполнения в регламентированных условиях производства заданных технологических процессов или операций (ГОСТ 27.004-85).
При отсутствии оперативной и достоверной информации о состоянии технологической системы нет возможности контролировать соблюдение указанных ранее мер, влияющих на производительность труда и эффективность использования технологических систем. Оперативный контроль состояния технологических систем возможно осуществлять различными способами, но одним из наиболее перспективных является цифровизация.
Стоит отметить, что цифровизация машиностроительного производства положительно сказывается на конкурентоспособности и эффективности выпуска продукции в условиях формирования технологического суверенитета Российской Федерации, о чем свидетельствует анализ тенденций развития современного машиностроительного производства, который показывает рост в составе технологических переделов доли аппаратно-программных комплексов (АПК) и информационно-измерительных систем, интегрированных в технологические системы, управляемые центральным сервером предприятия.
На рынке в настоящее время присутствуют как отечественные, так и зарубежные ИИС, обеспечивающие прямой контроль состояния технологических систем. Данные продукты отличаются организацией интерфейсов, ценами и применяемой в отношении их политикой лицензирования, но в большинстве случаев основным условием работы таких ИИС является необходимость их подключения к системам числового программного управления (СЧПУ) технологического оборудования станочного парка.
При этом, согласно Федеральному закону «О безопасности критической информационной инфраструктуры Российской Федерации» от 26 июля 2017 года № 187-ФЗ, установлены нормы регулирования отношений в области обеспечения безопасности критической информационной инфраструктуры (КИИ) Российской Федерации. Соответственно, при производстве продукции двойного и специального назначения в настоящее время технологическое оборудование станочного парка машиностроительных производств является объектом КИИ – автоматизированными системами управления и другими значимыми системами, функционирование которых критически важно для жизнедеятельности государства. Подключение ИИС к СЧПУ объектов КИИ требует повышения категории объекта КИИ, что ведет к увеличению издержек, зачастую несопоставимых с эффектом от внедрения ИИС. Это вынуждает предприятия отказываться от ИИС из-за невозможности соблюдения требований, предъявляемых к КИИ при повышении категории [1].
Альтернативой повышению категории объекта КИИ при внедрении ИИС, требующей подключения к СЧПУ, может быть разработка принципиально новой ИИС, косвенно контролирующей соблюдение технологической дисциплины в процессе работы технологических систем на основе методов и средств обеспечения оперативного контроля, сбора и обработки информации о технологических процессах. Указанная особенность также позволит применять такую ИИС, не требующую подключения к СЧПУ, для контроля универсального оборудования.
Рассмотрим (рис. 1) общую структурную схему ИИС косвенного контроля состояния технологической системы [2-5].
Технологическая система (станок) с помощью инструмента (или инструментов в случае многоинструментальной наладки), характеризующегося вектором параметров Uи, совершает обработку заготовки, описываемой вектором параметров Uз и закрепленной в одном или нескольких приспособлениях, характеризующихся вектором Uп, по заранее определенной управляющей программе (или рабочим в случае отсутствия у станка СЧПУ), которую можно описать в виде векторной функции времени режимов резания Uрр(t). При этом на станок действуют различные возмущающие факторы Z (t): разброс параметров инструментов и заготовок, стохастический характер процесса резания, износ узлов станка, приспособлений и инструментов, влияние рядом стоящего оборудования и т. д.
Рассмотрим примеры векторов Uп, Uи и Uз для случая токарной обработки. Вектор Uп в этом случае можно представить в виде Uп = (Δ, j), где Δ – точность станка, которую можно оценить величиной отклонения прямолинейности движения, мкм; j – жесткость станка, Н/мкм.
Вектор Uи для токарного резца можно представить в виде Uи = (γ, α, φ, rв ), где γ – передний угол резца, α – задний угол резца, φ – угол в плане, rв – радиус при вершине резца.
Вектор Uз для токарной обработки можно представить как Uз = (dн, dвн , l, HB), где dн и dвн – наружный и внутренний диаметры заготовки соответственно, l – длина заготовки, HB – твердость заготовки.
К компонентам вектора Uрр(t) при токарной обработке относятся скорость резания v (t), подача S (t) и глубина резания h (t).
В процессе обработки происходит появление вибрации в зоне обработки a (t), распространяющейся по упругим элементам станка [6]. Также процесс обработки определяет уровень потребления оборудованием электрического тока I (t) [7]. Уровень вибрации a(t) = f1 (Uрр(t), Uи,Uз, Uп, Z (t)) и уровень потребления оборудованием электрического тока I (t) = f2 (Uрр(t), Uи, Uз, Uп, Z (t)) меняются в ходе реализации технологического процесса и служат косвенными метриками процесса обработки. Их значения могут быть получены с помощью разработанных измерительных приборов: модуля вибрации [8] и модуля тока, входящих в состав информационно-измерительной системы косвенного контроля состояния технологического оборудования.
Модуль вибрации, построенный на основе трехосевого акселерометра, измеряет виброускорение в зоне резания, преобразуя его в сигнал виброускорения Xa (t)
с учетом ускорения свободного падения g, смещения нуля акселерометра Δaсм [9], диапазона измерения акселерометра amax, разрядности его аналого-цифрового преобразователя (АЦП) d и вектора внешних и внутренних помех измерения H1 (t):
Xa (t) = + H1 (t), где aa (t) – «сырые» значения уровня вибрации a(t), измеренного акселерометром.
Модуль тока, построенный на основе трансформатора тока, измеряет уровень потребляемого оборудованием тока, преобразуя его в сигнал XI (t) с учетом коэффициента трансформации трансформатора k, тока вторичной обмотки трансформатора I2 (t) и вектора внешних и внутренних помех измерения H2 (t). Ток вторичной обмотки трансформатора I2(t) зависит от сопротивления нагрузочного резистора R и величины постоянного напряжения Uсм, добавляемого к напряжению Uизм(t), измеренному на АЦП модуля тока:
XI (t) = k· + H2 (t).
Сигнал тока XI (t) дополнительно может быть использован для оценки мощности, потребляемой оборудованием за период T:
P = ∫ U (t)·XI (t)dt.
На основе полученных сигналов Xa (t) и XI (t) расчетный модуль ИИС формирует выходной сигнал y(t) = f(Xa (t), XI (t)), описывающий работу технологического оборудования (оборудование выключено, оборудование простаивает или оборудование выполняет технологическую операцию), который может быть использован для предиктивного анализа состояния оборудования путем выделения из сигнала y (t) постоянной составляющей, характеризующей параметры технологического процесса, высокочастотной составляющей, описывающей состояние быстро изнашиваемой оснастки (инструмента), и низкочастотной составляющей, отражающей изменение состояния оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
Янов Е.С. О проблемах интеграции информационно-измерительных систем в условиях противодействия компьютерным атакам // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2024. №6. С. 60–63.
Янов Е.С. Построение цифрового двойника производственного процесса на основе информационно-измерительной системы косвенного контроля вибрации // ЭЛЕКТ-
РОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2024. №7. С. 168-174.
Yanov E.S., Antsev A.V, Vorotilin M.S., Minakov E.I. New system for indirect tool monitoring in industrial systems and processes // Russian Engineering Research, 2024. Vol. 44. No. 6. PP. 868–870.
Анцев А.В., Янов Е.С., Воротилин М.С. Информационно-измерительные системы мониторинга работы станочного парка предприятия // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2023. № 9. С. 495–498. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-490-491.
Янов Е.С., Анцев А.В. Автоматизированный контроль технологической дисциплины современного машиностроительного производства // Вестник РГРТУ, 2024. №88. С.86–95.
Анцев А.В., Данг Ч.Х., Янов Е.С., Полев М.В. Экспериментальная установка контроля вибрации при обработке на станках с ЧПУ // Вестник Воронежского государственного технического университета, 2019. Т. 15. № 2. С. 151–158.
Анцев А.В., Арсеньева А.А., Сальников С.В. Мониторинг процесса резания на основе контроля потребляемого тока // Прогрессивные технологии и процессы: сборник научных статей 9-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием (23–24 сентября 2022 года), Юго-Зап. гос. ун-т. – Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2022. С 37–43.
Янов Е.С., Анцев А.В., Воротилин М.С., Минаков Е.И., Прокопчина С.В. Датчик вибрации
как основа системы мониторинга оборудования // Информационно-измерительные и управляющие системы, 2024. Т. 22. № 3. С. 23–30.
Крылов А.А. Уменьшение смещения нуля МЭМС-датчиков при температурном гистерезисе //
Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей», 2021. № 2. С. 48–56. DOI: 10.38013/2542-0542-2021-2-48-56.
А. Анцев, д.т.н., Е. Янов, к.т.н.
В статье рассмотрена общая структурная схема информационно-измерительной системы (ИИС) косвенного контроля состояния технологических систем. Описаны ее входные и выходные параметры и методы преобразования сигналов. Выходной сигнал ИИС характеризует работу технологической системы (оборудование выключено, оборудование простаивает или оборудование выполняет технологическую операцию) и может быть использован для предиктивного анализа состояния станка.
В условиях санкционного давления на Российскую Федерацию и ухода с отечественного рынка иностранных производителей и поставщиков машиностроительной продукции стратегически важной задачей является повышение эффективности отечественных машиностроительных производств с целью обеспечения технологической независимости.
Сдерживающими факторами, влияющими на эффективность (возможность максимально полно использовать имеющиеся ресурсы) технологических систем машиностроительных производств являются низкая технологическая дисциплина (несоблюдение технологии изготовления продукта производства) и высокие издержки при производстве продукции.
Соблюдение технологической дисциплины непосредственно влияет на качество производимой продукции, ритмичность производства и эффективность использования технологических систем машиностроительных производств. Данное влияние оценивается по следующим критериям эффективности:
- снижение простоев в отчетный период;
- сокращение продолжительности и количества переналадок оборудования;
- сокращение длительности производственного цикла;
- сокращение количества бракованной продукции;
- увеличение стойкости инструмента;
- сокращение цикла обработки продукции на оборудовании.
Для обеспечения соблюдения технологической дисциплины необходимо осуществлять оперативный контроль работы технологической системы, то есть совокупности функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения, предметов производства и исполнителей для выполнения в регламентированных условиях производства заданных технологических процессов или операций (ГОСТ 27.004-85).
При отсутствии оперативной и достоверной информации о состоянии технологической системы нет возможности контролировать соблюдение указанных ранее мер, влияющих на производительность труда и эффективность использования технологических систем. Оперативный контроль состояния технологических систем возможно осуществлять различными способами, но одним из наиболее перспективных является цифровизация.
Стоит отметить, что цифровизация машиностроительного производства положительно сказывается на конкурентоспособности и эффективности выпуска продукции в условиях формирования технологического суверенитета Российской Федерации, о чем свидетельствует анализ тенденций развития современного машиностроительного производства, который показывает рост в составе технологических переделов доли аппаратно-программных комплексов (АПК) и информационно-измерительных систем, интегрированных в технологические системы, управляемые центральным сервером предприятия.
На рынке в настоящее время присутствуют как отечественные, так и зарубежные ИИС, обеспечивающие прямой контроль состояния технологических систем. Данные продукты отличаются организацией интерфейсов, ценами и применяемой в отношении их политикой лицензирования, но в большинстве случаев основным условием работы таких ИИС является необходимость их подключения к системам числового программного управления (СЧПУ) технологического оборудования станочного парка.
При этом, согласно Федеральному закону «О безопасности критической информационной инфраструктуры Российской Федерации» от 26 июля 2017 года № 187-ФЗ, установлены нормы регулирования отношений в области обеспечения безопасности критической информационной инфраструктуры (КИИ) Российской Федерации. Соответственно, при производстве продукции двойного и специального назначения в настоящее время технологическое оборудование станочного парка машиностроительных производств является объектом КИИ – автоматизированными системами управления и другими значимыми системами, функционирование которых критически важно для жизнедеятельности государства. Подключение ИИС к СЧПУ объектов КИИ требует повышения категории объекта КИИ, что ведет к увеличению издержек, зачастую несопоставимых с эффектом от внедрения ИИС. Это вынуждает предприятия отказываться от ИИС из-за невозможности соблюдения требований, предъявляемых к КИИ при повышении категории [1].
Альтернативой повышению категории объекта КИИ при внедрении ИИС, требующей подключения к СЧПУ, может быть разработка принципиально новой ИИС, косвенно контролирующей соблюдение технологической дисциплины в процессе работы технологических систем на основе методов и средств обеспечения оперативного контроля, сбора и обработки информации о технологических процессах. Указанная особенность также позволит применять такую ИИС, не требующую подключения к СЧПУ, для контроля универсального оборудования.
Рассмотрим (рис. 1) общую структурную схему ИИС косвенного контроля состояния технологической системы [2-5].
Технологическая система (станок) с помощью инструмента (или инструментов в случае многоинструментальной наладки), характеризующегося вектором параметров Uи, совершает обработку заготовки, описываемой вектором параметров Uз и закрепленной в одном или нескольких приспособлениях, характеризующихся вектором Uп, по заранее определенной управляющей программе (или рабочим в случае отсутствия у станка СЧПУ), которую можно описать в виде векторной функции времени режимов резания Uрр(t). При этом на станок действуют различные возмущающие факторы Z (t): разброс параметров инструментов и заготовок, стохастический характер процесса резания, износ узлов станка, приспособлений и инструментов, влияние рядом стоящего оборудования и т. д.
Рассмотрим примеры векторов Uп, Uи и Uз для случая токарной обработки. Вектор Uп в этом случае можно представить в виде Uп = (Δ, j), где Δ – точность станка, которую можно оценить величиной отклонения прямолинейности движения, мкм; j – жесткость станка, Н/мкм.
Вектор Uи для токарного резца можно представить в виде Uи = (γ, α, φ, rв ), где γ – передний угол резца, α – задний угол резца, φ – угол в плане, rв – радиус при вершине резца.
Вектор Uз для токарной обработки можно представить как Uз = (dн, dвн , l, HB), где dн и dвн – наружный и внутренний диаметры заготовки соответственно, l – длина заготовки, HB – твердость заготовки.
К компонентам вектора Uрр(t) при токарной обработке относятся скорость резания v (t), подача S (t) и глубина резания h (t).
В процессе обработки происходит появление вибрации в зоне обработки a (t), распространяющейся по упругим элементам станка [6]. Также процесс обработки определяет уровень потребления оборудованием электрического тока I (t) [7]. Уровень вибрации a(t) = f1 (Uрр(t), Uи,Uз, Uп, Z (t)) и уровень потребления оборудованием электрического тока I (t) = f2 (Uрр(t), Uи, Uз, Uп, Z (t)) меняются в ходе реализации технологического процесса и служат косвенными метриками процесса обработки. Их значения могут быть получены с помощью разработанных измерительных приборов: модуля вибрации [8] и модуля тока, входящих в состав информационно-измерительной системы косвенного контроля состояния технологического оборудования.
Модуль вибрации, построенный на основе трехосевого акселерометра, измеряет виброускорение в зоне резания, преобразуя его в сигнал виброускорения Xa (t)
с учетом ускорения свободного падения g, смещения нуля акселерометра Δaсм [9], диапазона измерения акселерометра amax, разрядности его аналого-цифрового преобразователя (АЦП) d и вектора внешних и внутренних помех измерения H1 (t):
Xa (t) = + H1 (t), где aa (t) – «сырые» значения уровня вибрации a(t), измеренного акселерометром.
Модуль тока, построенный на основе трансформатора тока, измеряет уровень потребляемого оборудованием тока, преобразуя его в сигнал XI (t) с учетом коэффициента трансформации трансформатора k, тока вторичной обмотки трансформатора I2 (t) и вектора внешних и внутренних помех измерения H2 (t). Ток вторичной обмотки трансформатора I2(t) зависит от сопротивления нагрузочного резистора R и величины постоянного напряжения Uсм, добавляемого к напряжению Uизм(t), измеренному на АЦП модуля тока:
XI (t) = k· + H2 (t).
Сигнал тока XI (t) дополнительно может быть использован для оценки мощности, потребляемой оборудованием за период T:
P = ∫ U (t)·XI (t)dt.
На основе полученных сигналов Xa (t) и XI (t) расчетный модуль ИИС формирует выходной сигнал y(t) = f(Xa (t), XI (t)), описывающий работу технологического оборудования (оборудование выключено, оборудование простаивает или оборудование выполняет технологическую операцию), который может быть использован для предиктивного анализа состояния оборудования путем выделения из сигнала y (t) постоянной составляющей, характеризующей параметры технологического процесса, высокочастотной составляющей, описывающей состояние быстро изнашиваемой оснастки (инструмента), и низкочастотной составляющей, отражающей изменение состояния оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
Янов Е.С. О проблемах интеграции информационно-измерительных систем в условиях противодействия компьютерным атакам // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2024. №6. С. 60–63.
Янов Е.С. Построение цифрового двойника производственного процесса на основе информационно-измерительной системы косвенного контроля вибрации // ЭЛЕКТ-
РОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2024. №7. С. 168-174.
Yanov E.S., Antsev A.V, Vorotilin M.S., Minakov E.I. New system for indirect tool monitoring in industrial systems and processes // Russian Engineering Research, 2024. Vol. 44. No. 6. PP. 868–870.
Анцев А.В., Янов Е.С., Воротилин М.С. Информационно-измерительные системы мониторинга работы станочного парка предприятия // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2023. № 9. С. 495–498. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-490-491.
Янов Е.С., Анцев А.В. Автоматизированный контроль технологической дисциплины современного машиностроительного производства // Вестник РГРТУ, 2024. №88. С.86–95.
Анцев А.В., Данг Ч.Х., Янов Е.С., Полев М.В. Экспериментальная установка контроля вибрации при обработке на станках с ЧПУ // Вестник Воронежского государственного технического университета, 2019. Т. 15. № 2. С. 151–158.
Анцев А.В., Арсеньева А.А., Сальников С.В. Мониторинг процесса резания на основе контроля потребляемого тока // Прогрессивные технологии и процессы: сборник научных статей 9-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием (23–24 сентября 2022 года), Юго-Зап. гос. ун-т. – Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2022. С 37–43.
Янов Е.С., Анцев А.В., Воротилин М.С., Минаков Е.И., Прокопчина С.В. Датчик вибрации
как основа системы мониторинга оборудования // Информационно-измерительные и управляющие системы, 2024. Т. 22. № 3. С. 23–30.
Крылов А.А. Уменьшение смещения нуля МЭМС-датчиков при температурном гистерезисе //
Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей», 2021. № 2. С. 48–56. DOI: 10.38013/2542-0542-2021-2-48-56.
Отзывы читателей
