Справочник от Автор24
Автоматика и управление

Конспект лекции
«Общие принципы проектирования автоматизированных систем»

Справочник / Лекторий Справочник / Лекционные и методические материалы по автоматике и управлению / Общие принципы проектирования автоматизированных систем

Выбери формат для чтения

docx

Конспект лекции по дисциплине «Общие принципы проектирования автоматизированных систем», docx

Файл загружается

Файл загружается

Благодарим за ожидание, осталось немного.

Конспект лекции по дисциплине «Общие принципы проектирования автоматизированных систем». docx

txt

Конспект лекции по дисциплине «Общие принципы проектирования автоматизированных систем», текстовый формат

Тема 2. Общие принципы проектирования автоматизированных систем Структуры автоматизированных систем Структуру автоматизированных систем (АС) определяет совокупность элементов (подсистем) с устойчивыми связями между ними, отражающими единство их противоположных сторон: расчлененности и целостности. В качестве главных подсистем АС выделяют исполнительную и информационно-управляющую системы. Исполнительная система реализует технологические процессы и включает в себя технологическое оборудование, транспортные средства, склады-накопители, контрольно-измерительный комплекс, различное вспомогательное оборудование. Информационно-управляющая система осуществляет функцию оперативного планирования, управление оборудованием, диагностику отказов, контроль качества продукции. Ее информационная часть обеспечивает хранение и выдачу информации, необходимой для автоматизированного проектирования и производства продукции заданной номенклатуры, а также используется в качестве источника сведений и сигналов обратной связи для управляющей части системы. В совокупности исполнительная и информационно-управляющая системы реализуют единый автоматизированный производственный Т-поток материалов, инструмента и информации, характеризующийся следующей трехпотоковой структурой: T = {Д, И, П}, (2.1) где Д – поток материалов, заготовок, деталей; И – поток инструментов (инструментальной среды); П – программно-информационный поток. Фрагмент схемы Т-потока представлен на рис.2.1. Рис. 2.1. Схема фрагмента автоматизированного производственного Т-потока Согласно схеме материалы, заготовки, инструмент доставляются на агрегаты (станки) АС посредством транспортных средств. Далее с помощью манипуляционных устройств осуществляется снятие и установка заготовок, смена инструмента, позиций, а в ряде случаев производится изменение положения объекта непосредственно в рабочем пространстве станка, например, в поворотном устройстве, установленном на шпинделе, без останова вращения последнего. В рабочей зоне оборудования производится обработка объекта по программе, задаваемой системой управления, реализующей П-поток. Контроль качества обработки может осуществляться непосредственно в рабочем пространстве агрегата (станка) АС или в отдельной измерительной позиции, в которую объект перемещается манипуляционной системой. Автоматизация предполагает выполнение всех рабочих и вспомогательных операций без участия человека. Затраты времени на вспомогательные операции, несовмещенные с рабочими операциями, наряду с «планируемыми» простоями являются для оборудования АС потерями времени и должны учитываться с целью их возможного сокращения. Для этого в качестве оценки степени автоматизации АС вводится коэффициент автоматизации в виде отношения времени автоматически выполняемых операций ко всему циклу времени нахождения объекта на АС: , (2.2) где tai - время автоматической работы оборудования на i-й операции; Тj – время нахождения объекта на j-м агрегате (станке, участке) АС. Время ΣТj включает в себя также затраты времени на перенастройку оборудования с выпуска одного вида продукции на другой, если ее не удается полностью автоматизировать посредством программного обеспечения управляющей системы и соответствующих устройств рабочих органов оборудования системы. Затраты времени на перенастройку в сочетании с номенклатурой выпускаемой продукции определяют степень гибкости АС. Гибкой можно считать АС (ГАС), если она обеспечивает выпуск любой продукции заданного класса выпускаемой продукции (характеризующейся определенной технологической сложностью, качеством, объемом серий, общей номенклатурой выпуска)посредством автоматической перенастройки технологии и соответствующего управления за некоторый приемлемый промежуток времени, не выходя из заданного значения коэффициента технического использования оборудования. Функции автоматизированных систем Функции и место АС в комплексной автоматизации можно характеризовать схемой, изображенной на рис. 2.2. Рис. 2.2. Схема соотношения показателей «номенклатура выпускаемой продукции - n» и «объем ее годового выпуска - m» в различных типах производств:1 – массовое производство (МП); 2 – крупносерийное производство (КСП); 3 – среднесерийное производство (ССП); 4 – мелкосерийное производство (МСП); 5 – единичное производство (ЕП). Области 1 – 5, характеризующие разные типы производств, определяют и функции создаваемых для них АС. Например, для массового и крупносерийного производства (области 1 и 2) используются АС в виде автоматических поточных линий с жесткой неизменной структурой. Для них главным отличительным производственным признаком является «малая номенклатура – высокая производительность». Данные АС реализуют мощный Д-поток заготовок и материалов. Поток инструментов (И-поток) в них, как правило, действует периодически – смена инструментов производится группами при остановленном Д-потоке (между сменами, в перерывах и т.п.). Программный П-поток структурно и конструктивно несложен ввиду полного отсутствия или нечастых и сравнительно простых перенастроек оборудования, которые связаны обычно с переходом на выпуск разных типоразмеров одной продукции или на выпуск объектов иных исполнений. При единичном (например, экспериментальном) производстве (область 5) номенклатура продукции постоянно меняется. Здесь широко используется программно-управляемое оборудование – станки и агрегаты с ЧПУ, обрабатывающие центры и т.п. Отличительный производственный принцип для ЕП: «большая номенклатура – невысокая производительность». Т-поток в ЕП не имеет устойчивых связей между составляющими его потоками Д, И, П, реализуемыми автономно с большой долей участия человека. Особое место в структуре рассматриваемых производств имеют серийные производства ССП и МСП (область 3 и 4). Они занимают промежуточное положение между областями 2 и 5 и могут соединить преимущества массового (высокая производительность) и единичного (большая номенклатура выпускаемой продукции) производств. Автоматизированные системы для них в полной мере реализуют Т-поток как гибкие автоматизированные производства с отличительным производственным признаком: «требуемая номенклатура – требуемая производительность». В этом состоит главная функция современных автоматизированных систем, если еще учесть, что свыше 80% мирового промышленного производства является серийным. Возвращаясь к рис. 2.2, следует отметить, что все соседние области, изображающие типы производств, пересекаются, а это свидетельствует о невозможности установления четких границ как между областями типов производств, так и между областями целесообразных применений гибких АС и традиционных средств автоматизации. Однако общая граница областей 2 и 3 в значительной мере определяет те классы выпускаемой продукции (по номенклатуре n и объему выпуска m), для которых наиболее целесообразно создание гибких автоматизированных систем со свойствами конвейерного массового производства и с полной реализацией Т-потоков. Организационные принципы создания автоматизированных систем: На создание АС все более существенное влияние оказывают идеи «системной организации», часть которых успешно используется при проектировании. Раскрытие содержания взаимосвязанных и взаимообусловленных принципов системной организации АС имеет научную ценность и практическую направленность. Располагая перечнем и иерархией этих принципов, можно более целенаправленно выполнять анализ проектных ситуаций, выделяя отдельные свойства систем, определять пути и средства повышения их эффективности. При формировании организационных принципов АС необходимо иметь в виду, что основными атрибутами этих систем являются их технологические функции – технологические возможности с их количественными и качественными характеристиками. В качестве основы формируемых принципов системой организации АС могут быть приняты: технологическая универсальность, самоорганизация и технико-экономические характеристики. Каждая из этих характеристик является интегральным принципом организации АС и базируется на принципах, находящихся на более низких иерархических уровнях. 1. Универсальность и самоорганизация Так, принцип универсальности выражается через полноту реализуемых системой функций и характеризует ее технологические возможности (технологический потенциал). С универсальностью технологического оборудования тесно связана степень завершенности обработки объекта (детали) на данном агрегате (станке). Количественно она оценивается коэффициентом kcd функциональной полноты оборудования по отношению к обрабатываемому объекту kcd = | fс∩ fd | / | fd | 0 ≤ kcd ≤ 1, (2.3) где fс – множество технологических функций, реализуемых агрегатом (станком); fd - множество подлежащих обработке попарно различимых элементов (поверхностей) объекта (детали). При kcd = 0 технологические возможности оборудования fс и технологические потребности fd объекта несовместимы (fс∩ fd = ø). Объект не может быть обработан на данном станке. При kcd= 1 технологические потребности объекта полностью совместимы с технологическими возможностями оборудования (fdfс) – возможна полная обработка (изготовление) объекта. При выполнении условия 0 <kcd< 1 объект не может быть полностью обработанным на данном агрегате и требуется его передача на другой агрегат (позицию) АС. Коэффициенты полноты функций, реализуемых всеми входящими вАС агрегатами, количественно характеризуют соотношение технологических возможностей АС и технологических потребностей kd одного объекта (детали) и партии kD объектов и определяются зависимостями kd = | fd ∩ ( Ufс ) | / | fd | , kD = |( Ufd) ∩ ( Ufс ) | / | Ufd| , (2.4) сС dD сС dD где С – технологические возможности оборудования АС; D – технологические потребности партии объектов (деталей). Принцип самоорганизации АС также является интегральным и базируется на ряде составляющих его принципов, основные из которых рассматриваются ниже. Принцип приспособительностиАС проявляется в адаптации к изменениям технологической среды. В условиях нормального функционирования АС с определенной быстротой могут целенаправленно изменять свои технологические возможности: 1) автоматически или при участии оператора в пределах технологического потенциала; 2) путем автоматизированной трансформации (перекомпоновки) под технологические потребности выпускаемых объектов. По существу, данные действия АС по изменению своих возможностей характеризуют технологическую и структурную гибкость в перенастройке. Принцип живучести характеризует свойство АС активно противостоять вредным воздействиям внешней среды и выполнять свои функции путем перераспределения функций между нормально работающими элементами системы. Принцип самовосстановления направлен на поддержание и сохранение технологического потенциала АС. Для его реализации необходимо обеспечение АС средствами самодиагностики и свойствами самовосстановления, достигаемыми подключением резервных элементов либо заменой отказавших. Принцип саморазвития направлен на расширение технологического потенциала системы путем воспроизводства эффективных и прогрессивных (инновационных) элементов и/или их свойств. Одной из концепций данного направления является гибкая многофункциональность среды (обрабатывающего пространства), погружаясь в которую объект подвергается полной обработке. Такие системы, созданные на основе инновационных применений, например, агрегатно-модульного принципа (АМП), способны обладать высокой технологической универсальностью, что обеспечивает реализацию большей части рассматриваемых принципов. Принцип эволюционного проектирования АС, базируясь на инновационных положениях агрегатно-модульного проектирования, выражается в продолжении проектных работ после создания систем и позволяет выполнять: наращивание мощности технологического потенциала за счет присоединения технологических модулей как автономных производственных единиц; замену морально устаревшего и физически изношенного оборудования и устройств управления без прерывания процесса функционирования АС. Данный принцип тесно связан с предыдущим и способствует постоянному обновлению и саморазвитию автоматизированных систем. 2. Технико-экономические принципы. В основу ТЭП положено обоснование принимаемых проектных решений. Эти решения базируются на принципах интенсификации технологических процессов, направленной на повышение производительности, которая является интегрированной критериальной оценкой автоматизации в любых ее производственных реализациях и может быть представлена следующей общей зависимостью: Q = K m p s u, (2.5) где K = 1 / tp – технологическая производительность системы (tp – время, связанное с воздействием инструмента (среды) на обрабатываемый объект); m – коэффициент, учитывающий затраты времени на манипулирование объектом при его транспортировке, установке и снятии с позиций оборудования; p – коэффициент непрерывности процесса обработки, учитывающий затраты времени на холостые ходы (смена позиций, смена инструмента, его подвод и отвод и т.п.); s – коэффициент безотказности, учитывающий потери времени на восстановление работоспособности оборудования, нарушенной в результате отказов, поломок, регулировок, поднастроек и т.п.; u – коэффициент гибкости, учитывающий время на перенастройку оборудования при переходе с выпуска одного объекта на другой. Приведенная зависимость показывает, что увеличение производительности оборудования АС обеспечивается интенсификацией процессов обработки (увеличение технологической производительности K – уменьшение времени рабочих ходов tp) при сокращении всех непроизводительных затрат времени (увеличение коэффициентов m, p, s, u), наибольшее значение каждого из которых равно единице, что означает полное отсутствие непроизводительных затрат времени на данную операцию (например, u = 1 при автоматической перенастройке станка, совмещенной с установкой на него заготовки объекта нового наименования). В дополнение можно отметить, что сокращение непроизводительных затрат времени достигается также при эффективной реализации потоков изделий (деталей), инструментов и информации, т.е. при совмещении времени действия {Д, И, П} – потоков (рис. 2.1). Принципы экономии материальных и энергетических ресурсов направлены на минимизацию единовременных и текущих затрат на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации АС. Текущие затраты на инструменты, приспособления и другую технологическую оснастку сокращаются, например, за счет оптимальных потоков деталей и инструментов. При обмене инструментами между станками число каждой их номенклатуры может быть значительно сокращено. Экономию единовременных затрат на оборудование и сокращение производственных площадей, занимаемых АС, можно получить выбирая рациональные конструктивно-компоновочные решения при проектировании, используя принцип компактности при распределении функций между элементами АС. Степень интеграции функций, реализуемых элементами в конструктивном пространстве системы, предлагается оценивать посредством зависимости kfi = ׀fi׀ / ׀fc׀, (2.6) где fi – множество функций, реализуемых i-м элементом системы; fc – множество функций, реализуемых системой. Предложенная зависимость, характеризующая плотность «упаковки» функций, в определенной мере связана с принципом экономии энергетических ресурсов, использование которого позволяет уменьшить энергозатраты за счет сокращения протяженности материальных потоков и числа транспортных операций. Принцип «безлюдности» («малолюдности»)связывается с высвобождением максимально возможной численности обслуживающего персонала за счет повышения уровня автоматизации. Это также приводит к росту производительности и сокращению затрат на обслуживание системы. Организационные структуры автоматизированных систем. Применение рассмотренных выше принципов системной организации АС приводит к созданию новых поколений систем и их дальнейшему развитию. Источником данного развития является противоречие между двумя основными тенденциями: стремлением к технологической универсальности, выраженным высоким технологическим потенциалом, и стремлением к обеспечению индивидуальных технологических возможностей, достигаемых оперативной перенастройкой для эффективной обработки конкретного объекта с его индивидуальными характеристиками (потребностями). Таким образом, дальнейшее развитие АС можно связывать с их многофункциональностью как способностью к морфологической трансформации (изменению строения, структуры, конструктивно-компоновочного оформления). Принцип морфологической трансформации, рассмотренный во взаимосвязи с принципами технологической универсальности, саморазвития и технико-экономическими принципами, имеет фундаментальное значение при выборе структурно-компоновочных и конструктивных решений при проектировании гибких многономенклатурных АС. По уровню организационной структуры осуществляемого производственного процесса данные АС могут иметь ряд реализаций: гибкий автоматизированный производственный модуль (ГПМ); гибкую автоматическую линию (ГАЛ); гибкий автоматизированный участок (ГАУ); гибкое автоматизированное производство (ГАП). Последнее можно рассматривать в виде гибкого цеха (ГАЦ) и/или завода (ГАЗ). Иерархическую структуру такого разделения можно представить следующим образом {ГПМ} {ГАЛ} {ГАУ} {ГАП} (2.7) или {ГПМ} {ГАЛ} {ГАУ} {ГАЦ} {ГАЗ} (2.8). ГПМ состоит из единицы технологического оборудования, оснащенного средствами автоматизации вспомогательных работ (загрузка, контроль и др.), и может работать как автономно, так и в составе ГАЛ и ГАУ. ГАУ отличается от ГАЛ возможностью изменения последовательности работы оборудования (возвраты, пропуски позиций и т.п.). Эффективность автоматизации. Производительность узкоспециализированных линий существенно выше переналаживаемых комплексов и далее падает с переходом к модулям и станкам с ЧПУ, т.е. с ростом коэффициента технологической гибкости системы (рис.2.4) Рис. 2.3. Зоны эффективной автоматизации в зависимости от типа производства: m – размер партии заготовок; n – число типоразмеров ГПМ является автономной единицей автоматизированной системы, которая может функционировать в трехсменном режиме без участия человека. Примеры ГПМ на базе токарного и фрезерного обрабатывающих центров показаны на рисунке 2.4. Рис. 2.4. Примеры ГПМ на базе токарного (а) и фрезерного (б) обрабатывающих центров: 1 – ОЦ; 2 – обслуживающий робот; 3 – ОН; 4 – ТР; 5 – загрузочное устройство Токарный ОЦ обслуживается напольным роботом и ОН (операционным накопителем) кассетного типа. У фрезерно-расточного ОЦ классический робот отсутствует, а загрузку-разгрузку станка осуществляет специальный гидропривод. Транспортный робот доставляет к ОН не кассеты,а заготовки, закрепленные на спутниках. Вместе с тем, следует отметить, что на данном этапе развития производственных систем нельзя полностью отказаться от традиционных видов производств, базирующихся как на «жесткой» автоматизации для массового выпуска продукции, так и на средствах механизации ручного труда. Их связь с гибкой автоматизацией показана на рис. 2.5 графиками, построенными на показателях «себестоимость продукции» – «объем ее выпуска». Рис. 2.5. Изменение себестоимости продукции в зависимости от объема ее выпуска в различных производствах: А – ручной механизированной труд; В – «жесткая» автоматизация, при которой оборудование работает практически без перенастроек; С – гибкая автоматизация с перенастраиваемым процессом работы Согласно рисунку точки на оси абцисс показывают целесообразность: 1 – переход с ручного труда на гибкую автоматизацию; 2 – возможности перехода на «жесткую» автоматизацию; 3 – переход с «гибкой» на «жесткую» автоматизацию. Рассмотренные выше концепции и организационные принципы показывают, что создание эффективных производственных систем сопряжено с решением целого ряда сложных задач, связанных с разработкой инновационных многовариантных решений. При этом известно, что большинство технических инноваций (изобретений) формируется на ранних этапах разработки технических объектов, на уровне построения структуры, ее уточнения до получения принципа действия (работы) объекта. Вместе с тем, технической литературы, стандартов, систематизированных методических материалов по разработке технологий и технических объектов на уровне структуры или так называемого «внешнего проектирования» в настоящее время крайне недостаточно. Идеология структурного проектирования предполагает анализ проблем,формирование целей синтеза, рассмотрениеальтернатив решений и синтез решений.

Рекомендованные лекции

Смотреть все
Автоматизация технологических процессов

Общие сведения о системах автоматизированного проектирования и управления

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Автоматизации и управления»           Методические ук...

Автор лекции

Соловьев Ю. Л., Евдокименко А. А.

Авторы

Информационные технологии

Информационные технологии

Курс лекций по дисциплине «Информационные технологии» Лекция № 1 1. Информационные технологии в современном производстве. 2. Понятие о CALS-технологии...

Автоматика и управление

Проектирование автоматизированных систем

Тема  1.  Технологические системы автоматизированного машиностроения Дисциплина «Проектирование автоматизированных систем» относится к вариативной час...

Черчение

Понятие проектирования как процесса. Задачи проектировщика. Трудности проектирования. Проектирование: искусство или наука. Проектирование как объект автоматизации. Аспекты и иерархические уровни проектирования. Стадии, этапы и процедуры проектирования. Виды проектирования. Принципы создания САПР. Состав и структура САПР. Автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП) или (САМ). Интеграция средств САПР и АСТПП (САМ) в единый процесс. Тактическое значение применения интегрированных систем САПР/АСТТП (интегрированная система автоматизации — ИСА). Роль САПР АСТПП в производственном цикле. Компоненты видов обеспечения САПР. Способы задания параметризованной геометрической модели. Параметрическое конструирование с полным набором связей. Параметрическое конструирование с неполным набором связей. Ассоциативная геометрия. Объектно-ориентированное моделирование. Программное обеспечение САПР. Средства двумерного черчения. 3D моделирование. Поверхностное моделирование. Твердотельное моделирование (ТМ). Информационное обеспечение САПР. СУБД - Система Управления Базами ДанныхСистема управления производственной информацией (PDM). EPD – полное электронное описание изделия. Техническое обеспечение САПР. Лингвистическое обеспечение САПР. Методическое обеспечение САПР. Организационное обеспечение САПР. Классификация САПР. Взаимодействие САПР с другими автоматизированными системами. Эргономика и автоматизированные системы. Автоматизированное моделирование процесса взаимодействия человека и машины, применение эргономических пакетов.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение Высшего профессионально образования Сибирский государственный аэрокосм...

Автоматизация технологических процессов

САПР ТО и СУ

Конспект лекций по дисциплине «САПР ТО и СУ» 1. Пояснительная записка Целью преподавания данной дисциплины являются: выработка у студентов навыков акт...

Программирование

Введение в теорию автоматизированного управления

Раздел 1. Введение в теорию автоматизированного управления 1.1.        Основная терминология  Механизация пр. процесса - замена физического труда чело...

Электроника, электротехника, радиотехника

Проектирование электротехнических устройств

Проектирование электротехнических устройств Под проектированием понимают процесс, при котором исходная информация о проектируемом объекте преобразуетс...

Автоматизация технологических процессов

Проектирование автоматизированных систем

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный техничес...

Автор лекции

Хомченко В.Г.

Авторы

Информационные технологии

Информационные процессы в экономике и необходимость их автоматизации

Содержание 1. Информационные процессы в экономике и необходимость их автоматизации 2 1.1. Понятие информационного ресурса и информатизации 2 1.2. Поня...

Автоматика и управление

Моделирование и управление в технологических системах

МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ УДК 621.643.052:620.97 Г. Г. Гоппе, канд. техн. наук, Иpкутский госудаpственный технический унив...

Автор лекции

Гоппе Г. Г.

Авторы

Смотреть все