Автоматизированное проектирование и обеспечение качества продукции прядильного производства с использованием средств оперативного мониторинга
Автор Матрохин Алексей Юрьевич, 12.09.2011
| Страницы: 1 2 3 4 |
МАТРОХИН АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
ПРОДУКЦИИ ПРЯДИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ОПЕРАТИВНОГО МОНИТОРИНГА
Специальности:
05.19.02 – Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья;
05.02.23 – Стандартизация и управление качеством продукции.
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Иваново 2011
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном оразовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановская государственная текстильная академия» (ИГТА).
Научный консультант доктор технических наук, профессор
Гусев Борис Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Жуков Владимир Иванович
доктор технических наук, профессор
Непомилуев Валерий Васильевич
Защита диссертации состоится 10 ноября 2011 г. в 11.00 часов на засдании диссертационного совета Д 212.061.01 при федеральном государственом бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановская государственная текстильная академия» по адресу: г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 21, ауд. Г-235. E-mail: rector@igta.ru., факс: (4932)412108.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановской гсударственной текстильной академии. Текст автореферата размещен на сайте ВАК России: http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation.
Автореферат разослан 30 сентября 2011 г. Ученый секретарь диссертационного совета Кулида Н.А.
Актуальность работы связана с тем, что привлекательность любого предприятия для потребителей определяется характеристиками ее продукции, которые соответствуют установленным требованиям, превосходят уровень анлогичной продукции конкурентов и постоянно улучшаются. При этом качество продукции и ее потребительские свойства играют ключевую роль в достижении успеха. Выстраивая сеть своих процессов, организации пытаются понять требвания клиентов, а затем максимально точно их удовлетворить. Зачастую в оргнизациях различного профиля роль проектирования остается второстепенной, хотя именно данный процесс позволяет преобразовать применимые обязателные требования и пожелания потребителей в конкретные характеристики качства сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, понятные исполнителям рбот, контролерам и менеджерам. Особенно остро проблема проектирования стит в тех отраслях, где продукция на протяжении производственного цикла преставляет собой непрерывный поток с изменяющимися свойствами. Наглядным примером является текстильная промышленность, и в частности ее первая цпочка - прядильное производство. В нем сырьевой поток многократно транформируется в результате последовательного воздействия технологического оборудования на соответствующих переходах, приобретая новые формы (кипа, смесь, настил, лента, ровница, пряжа) и определенные свойства (равномерность, чистоту, прочность и др.). При этом показатели свойств продукции имеют выскую вариацию и одновременно зависят от многих факторов.
Современная практика проектирования продукции прядильного проиводства ограничена итеративным составлением рецептуры рабочей смеси влокон, критерием оптимальности которой является только удельная разрыная нагрузка пряжи, прогнозируемая с помощью одной из эмпирических формул. Несмотря на накопленный опыт в научно обоснованном проектировнии свойств пряжи по указанной схеме, данное направление характеризуется рдом недостатков. В частности, при проектировании не учитываются требования к качеству пряжи, состоящие в обеспечении необходимой равномерности по толщине, равномерности по прочности и чистоте (отсутствии пороков). Эти свойства не проектируются на практике именно в связи с отсутствием какилибо научных рекомендаций. Применение известных эмпирических зависимстей в большей степени относится только к прогнозирования разрывной нагруки. В то же время процесс проектирования по своей сущности должен иметь другие входные и выходные данные. Входными данными проектирования должны стать минимальные требования к показателям качества пряжи, устаноленные в стандартах, или иные требования к ее свойствам, предъявляемые со стороны потребителей. Выходными данными проектирования будет не только оптимальная рецептура смеси волокон с учетом наличного волокна, но и интевальные оценки допустимых значений ключевых показателей качества полуфарикатов. На этом основании следует считать актуальной разработку новой концепции процесса проектирования требуемого уровня качества продукции прядильного производства.
Работа проводилась по плану госбюджетных НИР на 2006…2011. гг.
Цель работы заключается в повышении объективности и оперативнсти принимаемых решений о качестве продукции в технологических процесах прядильного производства за счет применения методологии автоматизрованного проектирования продукции и использования средств оперативного мониторинга.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи: <:проведен анализ современного состояния проблемы проектирования и оценивания качества продукции прядильного производства; <:разработаны основные теоретические положения проектирования прдуктов прядильного производства с использованием рекуррентных нейронных сетей; <:разработана методология проектирования критериев приемки и устаноления допусков на определяющие показатели качества продуктов прядильного производства; <:созданы оптические компьютеризированные методы измерения показтелей геометрических и структурных свойств текстильных волокон, учитывамых при осуществлении процесса проектирования; <:разработаны компьютеризированные методы измерения отдельных пказателей структурных свойств полуфабрикатов прядильного производства и пряжи; <:сформирован алгоритм и реализовано необходимое программное обепечение для автоматизированного проектирования сортировок и смесей волкон; <:разработаны элементы пользовательского интерфейса и средства визулизации результатов проектирования допускаемых значений определяющих пказателей технологических свойств полуфабрикатов и пряжи.
Основные методы исследований. Высокая степень обоснованности научных положений обусловлена корректным применением комплекса метдов теоретических и экспериментальных исследований. На этапе теоретичского обоснования технических решений использованы научные методы по управлению качеством, квалиметрии, проектированию свойств продуктов прядильного производства и текстильному материаловедению. На этапе практического воплощения решений широко применялись методы математческой статистики, теории вероятностей, кластерного анализа, методы цировой обработки сигналов и изображений. Экспериментальные исследования предложенных методов мониторинга проводились с помощью оригинальных прикладных программ, созданных на базе системы матричных вычислений MATLAB. Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечивается использованием стандартных методов статистической обрботки прямых измерений с определением предельной погрешности измерний.
Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в слдующем:
1) по специальности 05.19.02: <:разработан алгоритм автоматизированного проектирования состава смесей текстильных волокон с использованием рекуррентных нейронных стей; <:сформирована организационная модель процесса проектирования продукции прядильного производства, учитывающая современное функцинальное разделение труда; <:разработан единый подход к установлению границ допустимых знчений ключевых показателей качества пряжи и полуфабрикатов прядильного производства; <:установлен комплекс математических моделей, описывающих прчинно-следственные связи между входными данными проектирования, храктеристиками сырья и полуфабрикатов прядильного производства; <:разработаны технические средства неразрушающего контроля показтелей структурных свойств полуфабрикатов прядильного производства, осществляемого на работающем технологическом оборудовании;
2) по специальности 05.02.23: <:разработана принципиальная модель автоматизированного процесса проектирования качества продукции прядильного производства и показана его роль в системах обеспечения качества нештучной продукции; <:предложена концепция определения количественных критериев качества продукции в потоковых технологических системах, основанная на оценке цености, добавленной на соответствующих технологических этапах; <:создана методика проектирования допустимых значений определящих показателей качества полуфабрикатов прядильного производства с ипользованием методов кластерного анализа и теории статистического реглирования; <:разработаны стандартные образцы и объективные способы поверки методов измерения показателей геометрических и структурных свойств волкон, обеспечивающие применение данных методов в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений.
Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты позволяют пользователям в автоматизированном режиме реализовать весь комплекс задач проектирования продукции прядильного производства: от утановления оптимальной рецептуры смеси волокон до установления проекных нормативов (допустимых границ) определяющих показателей качества промежуточных полуфабрикатов и пряжи. Для информационной поддержки автоматизированного проектирования создано необходимое программное обеспечение, способное накапливать, анализировать и использовать опертивную информацию о качестве сырьевого потока на различных этапах призводственного цикла. Кроме того в результате исследований создана инсрументальная база методов измерений показателей геометрических и струтурных свойств сырья, полуфабрикатов прядильного производства и пряжи.
Научные результаты использованы при создании системы автоматизрованного проектирования продуктов прядильного производства в рамках программы «СТАРТ», финансируемой Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по теме «Разработка методлогии автоматизированного проектирования смесей волокон на основе ркуррентных нейронных сетей с использованием данных мониторинга технлогических процессов». Практическое внедрение результатов работы осущствлялось в условиях прядильного производства Фурмановской ПТФ №3 ОАО «ХБК «Шуйские ситцы» (Ивановская обл.). Часть результатов исследвания внедрена в учебный процесс ИГТА в виде измерительных стендов для выполнения научно-исследовательских и лабораторных работ аспирантами и студентами. Практическое использование результатов диссертационной рабты подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и получили положительную оценку: на заседании кафедры материаловедения, твароведения, стандартизации и метрологии ИГТА; на научном семинаре ИГТА по проблемам повышения эффективности технологических процессов текстилной и легкой промышленности; на заседании кафедры Организация производсва и управление качеством ГОУ ВПО «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им П.А. Соловьева»; на международных научнтехнических конференциях «Современные наукоемкие технологии и перспетивные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2002, 2004…2008, 2010), ИГТА, Иваново, 2002...2010 гг.; на всероссийских научнтехнических конференциях «Проблемы льноперерабатывающего комплекса России», «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях», «Современные наукоёмкие инновационные технологии развития промышленнсти региона» (Лен-2002…2010), КГТУ, Кострома, 2002…2010 гг.; на междунродной научно-технической конференции «Перспективы использования компютерных технологий в текстильной и легкой промышленности» (ПИКТЕ2003), ИГТА, Иваново, 2003 г.; на межвузовских научно-технических конферециях аспирантов, магистров и студентов «Молодые ученые - развитию текстилной и легкой промышленности» (Поиск-2002…2008, 2010), ИГТА, Иваново, 2002...2010 гг.; на международной научно-практической конференции «Актальные проблемы создания и использования новых материалов и оценки их кчества», ПАИМС, Москва, 2002 г.; на межрегиональной научно-практической конференции «Региональные производители? их место на современном рынке товаров и услуг», КГТЭИ, Красноярск, 2003 г.; на всероссийской научнтехнической конференции «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения» (Техтекстил2005), ДИТУД, Димитровград, 2005 г.; на VIII, IX и Х Всероссийских конферециях-семинарах «Проектирование, контроль и управление качеством продукции и образовательных услуг», СамГТУ, Сызрань, 2005 г., ТГУ, Тольятти, 2006, 2007 гг.; на ХI Международной научно-практической конференции «Наука», МГУС, Москва, 2006 г.; на международной научно-практической конференции «Мнеджмент качества продукции и услуг», БГТУ, Брянск, 2007, 2010 гг.; на межргиональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы потрбительского рынка товаров и услуг», КГМА, Киров, 2009 г.
Разработанные научно-технические продукты, в т.ч. лабораторный имерительный комплекс «МиниЛАБ-1», демонстрировались на выставках: Ивановский инновационный салон «ИННОВАЦИИ-2004» (г. Иваново, 15-17 декабря 2004 г.); Ивановский инновационный салон «ИННОВАЦИИ-2005» (г. Иваново, 14-16 декабря 2005 г.); Ивановский инновационный салон «ИННВАЦИИ – 2006» (г. Иваново, 6-7 декабря 2006г.); Ивановский инновационый салон «ИННОВАЦИИ-2007» (г. Иваново, …-… декабря 2007 г.); II Всроссийский молодежный инновационный конвент (С.-Петербург, 9-10 декаря 2009 г.); IV Петербургский партнериат «Санкт-Петербург – регионы Росии и зарубежья. Межрегиональное и международное сотрудничество малого и среднего бизнеса» (г. С.-Петербург, 10-12 марта 2010 г.); Ивановский иннвационный салон «ИННОВАЦИИ-2010» (г. Иваново, 30 сентября - 1 октября 2010 г.).
Личный вклад автора. Соискателю принадлежит основная роль в пстановке и решении задач, в непосредственном выполнении теоретических и экспериментальных исследований, разработке соответствующих алгоритмов и программного обеспечения, обобщении результатов и формулировке вывдов, изложенных в диссертации.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 80 пчатных работ. Из них одна монография, одна статья в журнале «Стандарты и качество», 23 статьи в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», одна статья в журнале «Текстильная промышленность» (указанные журналы, входят в перечень ВАК), две статьи в журнале «Методы менеджмента качества», четыре статьи в журнале «Вестник ИГТА», восемь статей в сборниках материалов семинаров и конференций различного уровня, четыре патента РФ на изобретение, один патент РФ на полезную модель, три свидетельства ФИПС об официальной регистрации программы для ЭВМ, оно свидетельство ОФАП о регистрации разработки, остальные публикации – тезисы конференций различного уровня.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная рабта состоит из введения, шести глав, заключения с основными выводами по работе, библиографического списка и четырех приложений. Работа изложена на 464 страницах машинописного текста, включает 137 рисунков, 115 таблиц. Библиографический список состоит из 253 наименований. Приложения сставляют 57 страниц.
Во введении обоснована актуальность темы, определена цель исследваний, дана характеристика научной новизны и практической значимости работы.
В первой главе проведен анализ существующего состояния проблемы проектирования и оценивания качества продукции прядильного производсва. Рассмотрены современные организационные, технико-технологические и экономические факторы, способствующие повышению качества и конкуретоспособности продукции.
Исследование практического опыта по внедрению и функционированию систем менеджмента качества (СМК) на отечественных текстильных предпрятиях показало, что формальное использование документальных методов рапределения ответственности и полномочий не способно привести к значителному изменению результативности бизнес-процессов и повышению качества продукции. Функции управления процессами жизненного цикла должны совешенствоваться на основе теории всеобщего управления качеством (TQM) и свременных информационных технологий. Научному решению проблем упраления качеством, а также совершенствованию подходов и концепций TQM псвящены труды таких отечественных и зарубежных ученых, как Ю.П. Адлер, В.Я. Белобрагин, Б.В. Бойцов, В.В. Бойцов, Г.П. Воронин, В.Г. Версан, А.В. Гличев, О.П. Глудкин, С.Д. Ильенкова, В.А. Лапидус, В.В. Окрепилов, М.З. Свиткин, А.И. Субетто, Ph. Crosby, W.?. D?ming, A. Feigenbaum, К. Ishikawa, J. Juran, W.A Shewhart, G. Taguchi и др.
Предварительный анализ текущего состояния дел в управлении качеством продукции на текстильных предприятиях РФ позволил установить, что ключвым направлением в улучшении их работы может стать разработка и внедрение в рамках СМК новых автоматизированных средств проектирования, учитыващих применимые требования к выпускаемой продукции, а также фактическую информацию о возможностях технологических процессов. В ходе анализа раличных методов проектирования (прогнозирования) свойств текстильной прдукции (в том числе пряжи) установлены общие подходы и принципы получния выходных данных проектирования. Показано, что развитию современных подходов к проектированию текстильной продукции способствовали работы российских ученых Н.М. Белицина, А.Н. Ванчикова, В.А. Ворошилова, К.И. Крицкого, А.А.Синицына, А.Н. Соловьева, В.А. Усенко, Ю.С. Шустова и др. Срди зарубежных разработок в области проектирования свойств текстильных издлий следует отметить труды таких ученых как B. Cavaney, P. G?rkan, G.A.R. Foster, A. Majumdar, M.W. Suh, M.E. ?reyen, и др.
Проведенный анализ научных работ позволил сделать следующие выводы. Во-первых, существующую практику проектирования состава сырья на основе отимизации механических свойств пряжи необходимо дополнить критериями в виде геометрических и структурных характеристик. Во-вторых, в дополнение к традицонному установлению рецептуры сырья (смеси волокон) критически важно полчить инструмент для установления проектных нормативов по важнейшим показатлям качества промежуточных продуктов (полуфабрикатов). В-третьих, процесс пректирования необходимо обеспечить средствами оперативного мониторинга качства продукции на всех этапах производственного цикла: от приемки волокнистого сырья до получения пряжи.
На следующем этапе проведено исследование в отношении существующей системы оценивания качества сырья и продуктов (полуфабрикатов) прядильного производства. Рассмотрены различные виды применяемого контрольнизмерительного оборудования, а также перспективные инновационные разработки в этой области. Показано, что значительный вклад в развитие современных методов оценки качества волокон, нитей и полуфабрикатов прядильного производства внсли работы отечественных ученых Б.Н. Гусева, Н.А. Коробова, С.М. Кирюхина, П.А. Севостьянова, Н.А. Смирновой, Е.Л. Пашина, П.Г. Шляхтенко и др. Среди сществующих разработок особый интерес вызывают новые методы оценки качества текстильных материалов и изделий, основанные на использовании современных компьютерных средств и информационных технологий. Вместе с тем отмечена нобходимость в разработке инструментальных средств количественной оценки качства отдельных свойств волокнистого сырья и полуфабрикатов, поскольку их отсуствие или высокая трудоемкость имеющихся средств могут сказаться на качестве информационной базы, которую предполагается использовать в процессе проектрования.
Выбор компьютерных средств в качестве основы для разработки прграммно-аппаратных измерительных комплексов обусловлен целым рядом примуществ, а именно: универсальностью применения вычислительной и перифрийной техники при реализации различных методов измерений; возможностью совершенствования измерительных алгоритмов и расширения их функций; всокой автоматизацией на различных этапах процесса измерений – от сбора певичных данных до выдачи итоговых результатов; высокими техническими храктеристиками современных устройств ввода/вывода информации, способсвующими снижению инструментальной составляющей погрешности измерений.
Применение новых информационных технологий на сегодняшний день не ограничивается аппаратными и программными средствами получения и обрботки сигналов. В последнее время активно развивается теория интеллектуалных вычислений, связанная с построением и применением искусственных неронных сетей. Использование данного инструментария в целях проектирования заданного уровня свойств текстильных материалов является оправданным, пскольку нейронные сети не только выполняют однажды запрограммированную последовательность действий над заранее определенными данными, но и спсобны сами анализировать вновь поступающую информацию, находить в ней закономерности и самостоятельно производить моделирование причиннследственных связей.
На основании проведенного анализа сделан вывод о том, что процесс пректирования продукции в потоковых системах может стать основой для эффетивного управления ее качеством при условии интенсивного использования воможностей современных информационных технологий как в получении первиных данных, так и в определении связей между влияющими факторами.
Вторая глава посвящена разработке теоретических основ проектировния продуктов прядильного производства и оптимизации состава смеси волкон с использованием рекуррентных нейронных сетей.
В основе предложенной модели проектирования свойств пряжи и других продуктов прядильного производства лежит концепция PDCA (рис. 1), согласно которой управление любым процессом осуществляется посредством четырех этапов: «Планируй» - «Делай» - «Проверяй» – «Действуй».
В соответствии с предложенной в работе концепцией проектирование не может опираться на единственную, заранее определенную и неизменную во времени формулу. Аналитические выражения могут и должны динамично изменяться, они сами являются внутренним результатом проектирования, онованным на статистическом анализе накопленных фактических данных лбораторных испытаний и операционного технического контроля. Главными результатами проектирования следует считать состав смеси волокон, утвежденный соответствующим уполномоченным лицом, а также номинальные и предельно допустимые значения определяющих единичных показателей кчества (ЕПК) пряжи и полуфабрикатов прядильного производства, устаноленные в ходе статистического анализа и с учетом действующих стандартов.
Задачи обработки информации о производимой продукции и процессах прядильного производства осложняются большим количеством технологичских переходов, видов полупродуктов и соответствующих им ЕПК. В связи с этим, целесообразно применить принципы искусственного интеллекта, когда решение о выборе проектируемого значения принимается на основании мнжества критериев (функций), соревнующихся между собой и дополняющих друг друга. Подобные динамичные системы и устойчивые алгоритмы проетирования реализуются с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС), а именно сетей с обратной связью.
PвТ пр f ?? T ? где Pпр – разрывная нагрузка пряжи, сН; Pв – средневзвешенная разрывная нгрузка волокон смеси, сН; Тпр – фактическая линейная плотность пряжи, текс; Тв – средневзвешенная линейная плотность волокон смеси, текс; f(?Т) – фунция, устанавливающая влияние интенсивности скручивания на величину Pпр.
Следующей задачей разработки ИНС является установление перечня влияющих параметров, которые относятся к качеству исходного сырья или к результативности технологических процессов. Для выявления и оценивания таких параметров предложена стратегия непрерывного формирования добаленной ценности продуктов прядильного производства (рис. 2).
На каждом этапе прядильного производства происходит преобразовние, которое преследует определенную цель и может быть оценено с помщью единичных и комплексных показателей результативности. Для описания сущности добавленной ценности материального потока предложено общее выражение для оценки качества продукта на любом производственном этапе:
? i ?1 ? i ?1 где Qn, Qn-1 – значение КПК продукта рассматриваемого (п-го) и предшесвующего (п–1-го) технологических этапов прядильного производства; ?i – кэффициент весомости i-го технологического этапа; Rn – комплексный показтель результативности (КПР) рассматриваемого технологического этапа:
? ? где x j - фактическое значение j-го единичного показателя результативности;
? - негативный показатель.
Предлагаемая схема объединяет такие понятия, как качество продукта и результативность технологического этапа. Результативность технологичских этапов предлагается оценивать вторичными свойствами продуктов, т.е. величиной изменения их первичных свойств.
Отправной точкой в данной схеме служит качество спроектированной смеси, которое, в свою очередь, оценивается совокупностью показателей (удельной разрывной нагрузкой Рув, верхней средней длиной UHML, показтелем зрелости Z, средней линейной плотностью Tв, площадью сорных прмесей Area), преобразованных в безразмерные величины.
Результирующая комплексная оценка качества пряжи в шкале отношний от 0,0 до 1,0 указывает на общее состояние технологической линии, кторое учитывается в дальнейшем при проектировании оптимального состава смеси волокон. Результаты по определению применимости ЕПР промежутоных технологических этапов приведены в табл. 1.
Следующая задача исследования состояла в установлении причиннследственных связей между проектируемыми параметрами пряжи и влиящими факторами, в т.ч. показателями качества исходного сырья. Результаты построения методами множественного корреляционного анализа математичских моделей, описывающих влияние характеристик волокнистого сырья на проектируемые показатели качества пневмомеханической пряжи, приведены в табл. 2.
Значения коэффициентов, представленные в табл. 2, могут быть ипользованы только в определенном контексте (в условиях конкретного преприятия) и только на стадии запуска нейронной сети. Согласно плану экспримента построены матрицы связей, позволившие определить наиболее значмые факторы (табл. 3).
| Страницы: 1 2 3 4 |