Перспективы применения микропроцессорных систем программного управления приводами энергоёмкого обору

Горнодобывающая, металлургическая и машиностроительная отрасли промышленности составляют основу энергоемких произ- водств, современное состояние которых ха- рактеризуется следующими факторами:
1. сохранением высокой эффективности и приоритетности энергоемких производств;
2. неуклонным снижением работоспособного состояния оборудования и повышением уровня износа основных фондов до 80-90%, ростом аварийных ситуаций и ремонтных расходов;
3. низким уровнем квалификации и технической культуры обслуживающего персонала;
4. оттоком опытных квалифицированных специалистов: конструкторов, технологов, научных сотрудников, операторов, производственников, что приводит к потере базы знаний и опыта;
5. тяжелым экологическим состоянием водовоздушной среды;
6. снижением объема оборотных средств и амортизационных затрат при увеличении те- кущих расходов, отсутствием возможности обновления парка оборудования и инвестиций, что делает маловероятным переход на более современные ресурсосберегающие и экологически чистые технологии.
Темпы реновации в настоящее время объективно предельно малы, и в ближайшие годы маловероятно их повышение, поэтому необходимо и возможно обеспечить надёжность и сохранить работоспособное состояние оборудования на длительный период не фондо-, а наукоёмкими, интеллектуально насыщенными методами и средствами информационных тех- нологий, не требующих серьёзных капитальных затрат.
Таким образом, все вышеперечисленные показатели состояния экономики текущего периода, а также объективная необходимость поддержания в работоспособном состоянии технологического оборудования и постепенного роста производства требуют привлечения новых ресурсоэкономных методов при малых капиталовложениях, а значит, современных информационных технологий и вычислитель- ной техники, т.е. средств теротехнологии.
Однако современные средства теротехнологии – автоматизация, диагностика и мо- ниторинг, т.е. средства организации системы управления эффективным функционированием оборудования, обеспечения его надежности и длительной (заданной) работоспособности на основе методов и средств информационных технологий, в сравнении с методами и средствами САПР на стадиях проектирования и изготовления оборудования, недостаточно развиты и мало распространены в отечественной металлургии и машиностроении. Тем не менее, некоторый положительный опыт и примеры успешного и эффективного применения элементов теротехнологии, особенно в прокатном производстве, имеются.
Многолетний научный и производственный опыт показал, что в условиях тяжелого экономико-финансового кризиса возможно при минимальных финансовых затратах создать и внедрить в практику самоорганизующиеся и самонастраивающиеся микропроцессорные унифицированные системы программного управления ( УСПУ ) приводами энергоемкого оборудования на базе типовых и индивидуальных средств автоматизации с использованием искусственного и гибридного интеллекта. Си- стемой УСПУ необходимо оснастить основные технологические агрегаты горнодобывающих, металлургических и машиностроительных предприятий, что позволит сохранить работо- способное состояние оборудования на длительный период; обеспечить сокращение расхода электроэнергии, газа и других энергоносителей, водных и ряда технологических ресурсов; снизить аварийные простои и ремонтные расходы, экологическую напряженность окружающей среды; улучшить информационный комфорт и другие условия работы обслуживающего персонала.
Обычно характеристики и параметры электроприводов практически любых сложных, ответственных технологических агрегатов и машин настраиваются при наладке и доводке «в среднем», на какой-либо определенный режим эксплуатации и сохраняются более или менее неизменными на протяжении всего периода работы механизма. При этом параметры и уставки приводов не учитывают реальные, достаточно широкие диапазоны изменения «внешних» тех- нологических условий нагружения и режимов эксплуатации (коэффициенты вариации их параметров достигают более 30%), технологи- ческих режимов обработки и «внутренних» ха- рактеристик (параметров): износ оборудования (появление зазоров и люфтов) и инструмента, изменений условий смазки и охлаждения, ко- лебания параметров элементов и узлов систем регулирования, датчиков, приборов и т.п., а так- же возможные различия в квалификации опера- торов. Иными словами, искусственно, в ущерб расходу энергии и вследствии многих других потерь создаются детерминированные системы управления приводами без учета реальных колебаний и флуктуаций параметров технологии и окружающей среды, их действительных статистических характеристик.
Концепция УСПУ состоит в обеспечении ручной (с помощью оператора) или автоматиче- ской адаптации системы управления приводами (коррекция режимов, параметров и уставок электро- или гидродвигателя, систем и узлов их регулирования) к широким диапазонам ре- альных изменений технологических условий нагружения и режимов эксплуатации машины или агрегата.
Концепция предполагает введение микропроцессорных средств с элементами искусственного интеллекта, математических моде- лей функционирования и диагностики, а также средств автоматизации в замкнутый контур системы регулирования приводом, тем самым обеспечивается гибкость управления, самона- страиваемость, возможность ведения коррек- ции в реальном масштабе времени и большая (программная) приспособляемость к изменению внешних условий технологического нагружения и эксплуатации.
Система УСПУ позволяет осуществлять дифференцированное (ручное или автома- тическое) управление механизмом, выбирая по задаваемой программе или зависимости уставки (параметры) систем регулирования или управления, тем самым обеспечивается либо приспособляемость, либо поднастройка, либо коррекция системы. Это зависит от изменяю- щихся технологических условий (например, из- менения сортамента), состояния оборудования и условий эксплуатации. Так как все параметры оборудования будут «в руках» оператора или программной системы, то это даст возможность осуществлять непрерывный диагностический контроль (мониторинг) всего технологического процесса и состояния оборудования (самоди- агностика машин), что позволит прогнозировать возможные отказы в реальном масштабе вре- мени и предотвращать аварийные ситуации, катастрофы, поломки, а значит сэкономить ре- монтные расходы.
Внедрение систем УСПУ на металлурги- ческих комбинатах Украины и России и дли- тельный период эксплуатации показали их значительную эффективность. Например, ре- ализация микропроцессорного программного управления для главных приводов обжимных станов с целью защиты от буксования валков позволила увеличить производительность на 0, 7- 1, 5%, сократить затраты на ремонт на 0, 2-0, 4% и простои на 0, 1-0, 25%, снизить нагруженность оборудования и повысить его долговечность, улучшить условия работы операторов. Установка УСПУ на манипуляторах ряда обжимных станов позволила не только стабилизировать, но и снизить нагруженность оборудования, повысить срок его службы на 25-30%, увеличить производительность на 2-3% за счет сокращения продолжительности аварийных простоев, уменьшить затраты на ремонт на 0, 8-1%.
Применение УСПУ для сортовых ножниц ряда прокатных станов АО «Ижсталь» и Злато- устовского металлургического завода по резуль- татам математического моделирования позво- ляет уменьшить нагруженность оборудования на 5-8% и снизить расходы на электроэнергию только за один год эксплуатации на 220 тыс. кВт/ч. Подобного оборудования на металлургических заводах России около сотни.
Разработка и внедрение микропроцессорного комплекса автоматического контроля и управления остаточной деформацией (удлинением) в гидросистеме правильно-растяжной машины (ПРМ) усилием 15МН на Верхнесал- динском металлургическом производственном объединении повысило точность и качество об- рабатываемых изделий, выход годного по профилям и панелям на 0, 3-0, 4%, снизило брак, стабилизировало технологический процесс и обеспечило экономию электроэнергии. Реальная эффективность системы подтвердила целесообразность их применения при проек- тировании новых ПРМ усилием от 10 до 60 МН.
Вышеприведенные примеры успешного применения УСПУ свидетельствуют о высокой эффективности предлагаемой разработки. Но реальный эффект будет несоизмеримо выше с учетом того, что подобное энергоемкое оборудование в различных отраслях промышлен- ности составляет многие сотни единиц, а для завершения проектных работ необходимо лишь незначительное разовое финансирование.
Таким образом, малый объем финанси- рования, широчайшее поле внедрения, значи- тельный диапазон потребительских свойств, сравнительно низкая стоимость и гарантиро- ванная эффективность УСПУ обосновывают целесообразность реализации данного техни- ческого предложения.
Положительный опыт введения интеллектуальных микропроцессорных систем в замкнутый контур управления электро- и гидроприводами различных технологических машин и достигаемая экономическая и социальная эффективность дают основание для постановки (в качестве экспериментального этапа) следующей научно-прикладной задачи: передать компьютеру хотя бы часть чисто механических функций механизма с целью упрощения сложных кинематических систем и конструкций машин, повышения их надежности. При этом, по нашему мнению, с помощью УСПУ можно выполнять воспроизводимые ранее сложными силовыми передачами и рычажными механизмами функции задания (требуемые) законов изменения перемеще- ний и траекторий исполнительного звена, его скорости и ускорения; функции линейных и угловых скоростей сопрягаемых валов, т. е. замены механической связи на «электронный вал», коррекции статических и динамических характеристик механизма и постоянной времени (учет износа и люфтов в системе) в реальном масштабе времени; кинематические функции рычажных и кулачковых механизмов, функции кривошипа и т. д.
Введение УСПУ как органичного элемента привода для выполнения кинематических функций механизма позволит резко упростить кинематическую схему, структуру и конструкцию механизма, исключить из привода громозд- кие кривошипно-шатунные и другие четырехзвенные рычажные механизмы (например, для летучих и дисковых ножниц, пил, рычажных и зубчатых передач, реализующих сложные траектории и законы движения в агрегатах трубопрокатного производства и т.п.), а также дорогостоящие силовые зубчатые передачи и тем самым значительно снизить металлоемкость, т.е. осуществить при проектировании в большом масштабе качественно новый переход к безредукторному (и безрычажному) приводу, обладающему большей надежностью, долго- вечностью и наиболее высоким к.п.д., что создает условия для производства не традиционно «тяжелых», а современных «легких» машин.
Упрощение конструкции машин за счет применения УСПУ в структуре привода совместно с интеллектуальной поддержкой позволит сделать реальным создание интегрированных систем машин, т.е. их усложнение – агрегатирование, с объединением их технологических функций и формированием слож- ных автоматизированных комплексов.

Гибкие производственные системы (ГПС-FMS)
При этом перед предприятием встают одновременно сразу же несколько серьезных задач, от уровня и качества одновременного решения которых зависит эффективность нового производства, параметры новых изделий и продукции: