Тема 2. Циклові системи дискретного керування

 

Існують різні думки та обґрунтування, що технічні системи можуть бути поділені на прості, дуже складні та декілька проміжних рівнів. Такий розподіл є наслідком актуальності задачі структурного синтезу систем автоматики, що обумовлена, перш за все, необхідністю вдосконалення технічних об’єктів, що знаходяться в експлуатації, та розробки нових автоматизованих виробництв з раціональними витратами коштів та втратами часу. Дискретна гідро-пневмоавтоматика посідає серед таких систем чільне місце як за кількістю, так і за складністю виконуваних функцій. Зауважимо, що системи діють не дискретно, а постійно, але дискретно відбувається визначення наступних дій системи за результатами попередніх дій. Задача створення новітніх систем розв’язується на фоні змін практичних потреб автоматизації, різноманіття та вдосконалення технічних засобів, з одного боку, та відставанні відповідних змін в методах та інструментах, що використовуються  при розробці практичних систем, з іншого боку. Зумовлено це, здебільшого, тим, що новітні методи часто копіюють попередні, але перекладені на комп’ютерні засоби та інформаційні технології. У той же час у технічних засобах і практичних задачах відбулися змістовні зміни. Найбільш суттєва невідповідність підходів і техніки припадає на задачі, які пов’язані з використанням новітніх розробок та розробкою автоматизованих об’єктів з суттєво різноманітним елементним складом, наприклад, систем механотроніки та гнучких виробничих систем різного призначення. В таких системах поєднуються механічні, електричні, пневматичні, гідравлічні, спеціальні технологічні та інші  типи виконавчих пристроїв і обладнання, спільно з комбінацією програмованих контролерів, сенсорів та апаратних  засобів в системах спостереження та керування. На долю циклових систем гідро- та пневмоприводів таких технічних об’єктів, як автотранспортні засоби, пакувальні автомати, технологічні лінії в харчовій промисловості, поліграфічне обладнання, металургійне обладнання, авіаційні системи та інші, припадає від одиночних агрегатів до десятків виконавчих та допоміжних пристроїв, що зумовлює вельми широкий спектр практичних задач та питань. Сучасні методики проектування виробничих систем, що побудовані на використанні інформаційних технологій, дозволяють розглядати задачу розробки систем приводів та виконавчих пристроїв з врахуванням великої кількості факторів. Їх чисельність та взаємозв’язки обумовлені традиціями розв’язання задач та можливостями обчислювальної техніки, і тільки другорядь — поглибленим вивченням розроблюваного об’єкту та процесів, що в ньому відбуваються. Разом з цим, в практичних системах гідропневмоавтоматики власним способом пов’язані всі задіяні пристрої, і, завдяки цьому, відтворюються корисні виробничі властивості у процесі використання об’єкту. Таким чином, в реальній системі з’єднань гідравлічних, механічних, пневматичних пристроїв закладено певну логіку, що організує їх взаємодію у вигляді процесу функціонування під час експлуатації об’єкта. Наше завдання полягає у досконалому використанні можливостей класу техніки, що ми назвемо дискретна гідро-пневмоавтоматика, при побудові дійсно практично-корисних систем. Якість та корисність нашої роботи визначатимуть такі показники, як продуктивна спроможність виробничих систем, питомий рівень споживання енергії, надійність функціонування (особливо – для авіації, металургії, енергогенеруючих систем), придатність до вдосконалення та інші. Загалом це ті показники, що забезпечують просування нашої розробки у сферу використання та виробництва. Можливості таких систем забезпечують властивості окремих приводів і пристроїв, що ми їх використовуємо у певному виробничому чи експлуатаційному процесі. Саме ці властивості і обумовлюють вибір того чи іншого типу енергоносія і принципів дії елементів системи. Наприклад, якщо йдеться про великі швидкості поступового руху, то скоріш за все оберемо пневматичний циліндр, який забезпечує швидкість до 2 … 8 м/с. Але, за умов великого навантаження і малої швидкості від пневматичного приводу слід відмовитися, і обрати гідравлічний. Так само за різними показниками може бути обрано електромеханічні, механічні, пневматичні чи гідравлічні приводи поступового чи обертового руху. Зауважимо, що перші кроки в побудові технічної системи пов’язані саме з визначенням її складу. Більш конкретно – складу та устрою. Тобто ми маємо визначити з яких складових – тобто пристроїв та агрегатів, можна скласти таку систему, яка вирішить поставлене перед нами завдання. Не останнє питання – як ці складові будуть “допомагати” одне одному при роботі системи. Наприклад, система енергозабезпечення приводів літака може надавати різні рівні потужності в залежності від режиму роботи обладнання – на зльоті, у крейсерському режимі, за умов маневрування, при посадці, і, нарешті, у наземній фазі роботи. Так само має відбуватися узгоджене спрацювання окремих агрегатів у самій енергетичній системі літака, а у кожному агрегаті – узгоджені дії окремих пристроїв. Найбільшою помилкою розробника при розв’язанні задачі синтезу буде нехтування досвідом та здобутками попередників. Трохи меншою помилкою буде сліпе слідування та копіювання схем попередніх розробок. Перше дозволяє нам внебезпечити себе від значної кількості помилок, які було зроблено та виправлено у системах що існують. Друге дозволить нам побачити неупередженим поглядом можливості застосування нової техніки та нових підходів щодо розв’язання не тільки відомих, але й нових задач. З цього погляду задача структурного синтезу та її готове розв’язання у формі технічного об’єкта  можуть розглядатись як різні варіанти наповнення змістом однієї логічної структури, яка в першому випадку визначає структурний устрій об’єкта, а в другому – обумовлює процес його функціонування, наприклад, у вигляді технологічного циклу. Окреслений напрямок представлено багаторічною історією досліджень та багатьма розробками і прикладами їх використання в різних галузях техніки. Найбільший вклад внесли дослідження з теорії систем, інформаційних технологій та програмування. Інструментальні засоби та підходи з інших напрямків діяльності спираються як на вище зазначені досягнення, так і на власні розробки, що враховують особливості певних класів технічних об’єктів. Ми з Вами розглянемо структурно-модульний підхід на всіх етапах побудови дискретних систем гідропневмоавтоматики. Окремі етапи доповнимо відомостями щодо використання інших підходів та розглядом порівняльних прикладів. Структурно-модульний підхід спрямовано на врахування специфічних властивостей циклових систем приводів в вихідних положеннях формального апарату зображення систем (тобто їх моделях), та його використанні для переходу від алгоритмів функціонування до структур систем, і далі – до певних технічних об’єктів. Алгоритм функціонування, структура системи та технічний об’єкт є невід’ємні складові роботи проектування. Алгоритм функціонування – це певний порядок виконання вже готовою системою окремих дій та операцій, і цей порядок призведе до вироблення очікуваного продукту. Цей порядок у першому наближенні ми знайдемо у технічному завданні на проектування системи, але тільки у наближенні, бо ще невизначено технічні засоби системи. А якщо засоби не визначені, то вказати які дії мають відбуватися, але не вказати, хто їх має виконувати – не надає вичерпну відповідь на поставлене питання. Структура системи вкаже з чого система складається та як ці складові мають бути з’єднані. Тобто всі дії та операції, що було декларовано в алгоритмі функціонування, повинні отримати виконавців та правила їх взаємодії у виробничому процесі. І нарешті технічний об’єкт, на виникнення якого чекає замовник. Він уособлює в собі технологічні засоби, засоби їх з’єднання, засоби передачі інформації та енергії, засоби транспортування матеріальних потоків, засоби взаємодії з оточуючим середовищем. Все це у сукупності забезпечує виробництво продукції зазначеної якості та необхідної кількості. Зауважимо, що виробничий процес і алгоритм функціонування є одне саме, але при розгляді з різним ступенем деталізації, так само, як структура системи і технічний об’єкт відрізняються засобами відображення – схемними та фізичними (технічними). Мета роботи проектувальника – забезпечення вчасного та ефективного структурного  синтезу циклових систем гідро-пневмоприводів, шляхом перетворення запланованих алгоритмів функціонування систем в структурні моделі і у складні автоматизовані виробництва та інші, різнорідні за складом та засобами реалізації, технічні об’єкти.

Аналіз особливостей алгоритмів функціонування циклових систем гідропневмоприводів підтвердив наявність тієї бази, що може забезпечити ефективний структурний синтез практичних систем. Ці особливості треба врахувати у формальному вигляді для подальшого сполучення елементів у систему. Бо інакше складання моделей пристроїв буде надавати одну інформацію щодо нової системи, а з’єднання їх фізичних прототипів зовсім іншу. У такому випадку розробнику дуже важко забезпечити цілеспрямоване складання елементів у систему з потрібними властивостями, а процес проектування стає зайвим. З точки зору врахування властивостей гідро-пневмоавтоматики, найбільш використовуваними теоретичними засобами є такі: чітка та нечітка логіка, кінцеві автомати, алгограми, системи взаємопов’язаних агрегованих графів, сітки Петрі, Рграфи та Р-технології, P/V-системи, пойменовані множини, моделі Керка, ЭФ схеми та інші. Але, більшість засобів та побудованих на них методик не враховують циклічність процесу функціонування, а лише зображують її при необхідності. Як правило, в методиках не достатньо використано зв’язок між устроєм об’єкту та алгоритмом його функціонування, хоча приклади застосування такого зв’язку при розв’язанні практичних завдань в питаннях автоматизації відомі. За результатами аналізу практичних систем, техніки гідравлічної та пневматичної і відомих методів, що використовуються для їх структурного синтезу, можна виділити особливості циклових систем гідро-пневмоприводів в складі  технічних об’єктів і згрупувати їх за трьома напрямками: а) циклові, б) приводи, в) системи. Перший напрямок (а) зумовлено специфікою процесу – циклічністю. Другий (б) – обумовлено фізичними властивостями засобів реалізації – гідравлічних та пневматичних пристроїв і приводів. Третій напрямок (в) підкреслює специфіку об’єднання гідро-пневматичних пристроїв в циклічну систему. Циклічність дії кожного приводу чи виконавчого пристрою: циклічність як наслідок періодичного вироблення продукції; циклічність як критерій переходів та станів системи. Приводи: широкий розбіг часу відпрацювання приводами команд керування; наявність альтернативних шляхів фізичних процесів: близькі за терміном перехідні процеси та стаціонарні стани у приводах; неявне виконання логічних функцій пристроями та приводами; суміщення функцій обробки інформації в окремих пристроях. Система: «непереінсталюємість» енергоємних циклових систем приводів: заміна задачі структурного синтезу на структурну модернізацію; часткове виконання інформаційних функцій пристроями енергозабезпечення, налагодження, керування приводами; фізична різнорідність елементного складу; технологічна асинхронність приводів та пристроїв системи. Завданням проектувальника є врахування перелічених особливостей в проекті та формальному описі технічного об’єкта – виробничої системи що має бути якнайшвидше побудовано. Якщо розглянути кожний пункт окремо, то не складно підібрати такі варіанти моделі, що задовольняють йому у повному обсязі. Складність завдання полягає в тому, що перелічені особливості утворюють систему, а необхідний результат – модель повинна задовольняти їм не «взагалі», а конструктивно – для розв’язання практичних задач. Наприклад, за допомогою теорії кінцевих автоматів та нечіткої логіки, із застосуванням процедур композиції та декомпозиції, нескладно зобразити циклову асинхронну систему. Напевно, можна сформулювати такі обмеження, які дозволять розв’язувати задачу «непереінсталюємості». Спираючись на універсальність такого зображення, для нього може бути побудована методика комбінування фізичних баз засобів реалізації об’єкта. Наступний крок – перевірка адекватності результатів, отриманих за методикою. Широкий натурний чи фізичний експеримент для такої цілі є не придатним за економічно-енергетичними показниками та вимогами безпеки. Наприклад, якщо гідравлічний привід діє із зусиллям 100000 кН, то наслідки його хибного спрацювання можуть бути катастрофічними. Аналітичне дослідження адекватності зведеться до визначення  властивостей моделі щодо відображення особливостей об’єкту моделювання. Якщо врахувати, що майже жодна з перелічених властивостей не належить до аксіом обраної моделі, то всі пункти потребують на таке дослідження. На цьому етапі виникає два практичних питання. Перше – якого рівня фахівець здатен провести дослідження і трактувати їх результати стосовно до конкретного технічного об’єкта ? Друге – скільки це потребує часу і коштів ? Якщо питання доповнити тією обставиною, що система складається всього з кількох десятків приводів та інших виконавчих пристроїв, і проектування має завершитись у відведений термін, то виникне третє практичне запитання: ефективності вибору засобів щодо розв’язання задачі синтезу ? І нарешті, припустимо, що перед нами постала задача розробки нової системи, що реалізує досить нову технологію, наприклад, у харчовій промисловості. Майже точно, будуть висунуті високі вимоги до економічної ефективності та виробничої продуктивності системи, а також до можливості її швидкого переналагодження з одного типу продукції на інший, з одного типу пакування на інше, і такі інші виробничі потреби. Без застосування новітньої техніки (контролери, сенсори, гнучкі алгоритми) розбудова подібної системи неможлива, і це доведено практикою, бо інакше ця система вже працювала би не перший рік. Тож, поглянемо на засоби, більш конкретно – у каталоги фірм виробників, таких, як SIEMENS, REXROTH, BOSCH, SСHNЕIDER, CАMOСCY, FESTO, SMC, WICKERS, PARKER, МІКРОЛ, HAWE, PONAR, ATOS, HYDAK і багато інших. Кожний каталог вміщує сотні і тисячі різновидів обладнання. Як і за якими показниками обрати обладнання для нової системи ? А якщо перевіряти кожну пропозицію виробників, то практичну систему побудувати взагалі неможливо. Тож задача структурного синтезу, коли з елементів з відомими властивостями складають систему з наперед обумовленими можливостями, набуває ще більшої ваги з огляду на різноманіття засобів автоматизації. Аналіз особливостей гідро-пневмоавтоматики та їх порівняння з відомими поглядами на дискретно-логічне моделювання дозволили визначити напрямки спеціалізації апарата моделювання для задачі структурного синтезу циклових систем гідро-пневмоприводів та механотроніки. Першочерговими практичними вимогами до моделей систем такого типу є наступні: забезпечення циклічності алгоритмів функціонування систем за умов невизначеного часу відпрацювання команд приводами та розбігу на декілька порядків часу спрацювання окремих пристроїв; можливість комбінування та конвертації пневматичних, електричних, гідравлічних і електронних засобів реалізації за умов сталої структури технічної системи; мінімальність елементного складу апаратної частини системи або складності керуючої програми для контролерів.

 

Запитання для самоперевірки

1. Чому навчальну дисципліну «Механотроніка» вважають «Наукою про все»?

2. Поясніть сенс застосування терміну «гнучко переналагоджуємих автоматизованих складних систем керування» багатоасортиментними харчовими виробництвами.

3. Обґрунтуйте особливості дискретної гідро-пневмоелектроавтоматики та її можливості в умовах безперевного виробництва у вибухопожежонебезпечних галузях харчових продуктів.

4. Перелічить методи синтезу нових та вдосконалення існуючих машинавтоматів та маніпуляторів при виробленні харчової продукції.

5. Як складається ланцюг «розумного» енергопостачання систем приводів та типів виконавчих пристроїв спільно з комбінацією перепрограмованих логічних мікропроцесорних контролерів?

6. Поясніть логіку структурно-модульного підходу до побудови складної системи керування від алгоритму функціонування до технічних об’єктів.

7. Наведіть приклади автоматизованого виробництва типової харчової багатоасортиментної продукції.