Стекольная промышленность в последние годы - наиболее динамично развивающаяся отрасль. В значительной степени эту динамику определяет именно стеклотарный сегмент. Увеличение спроса на стекольную продукцию влечет за собой расширение производства, введение новых мощностей, пуск в эксплуатацию модернизированных производственных линий. При этом особое внимание необходимо обратить на то, что стеклотарное производство является непрерывным процессом, что затрудняет решение этих задач. Формирование сложных технико-технологических подсистем, какими являются участки и технологические линии стеклотарного производства, как правило, ведется в условиях значительной неопределенности и фактической неосуществимости натурного проверочного эксперимента, что не позволяет оптимизировать параметры производства.
Практическая ценность работы заключается в разработке автоматизированного инструментария в виде имитационной модели, позволяющей производить оптимизацию параметров функционирования оборудования и на этой основе устанавливать пропускную способность отдельных технологических звеньев, плановые нагрузки на механизированные линии стеклотарного производства, обосновывать условия достижения и поддержания требуемой интенсивности производства и требуемого для этого парка оборудования.
Одним из главных этапов разработки и реализации имитационных моделей является формализация процессов, происходящих в исследуемой системе.
Независимо от области применения, способа проектирования или моделирования сложной системы можно выделить следующие этапы составления ее формального описания:
1. Составление содержательного описания объектов проектирования (иссле-дования), разработка вербальной модели системы.
2. Декомпозиция системы на конечное число составляющих элементов и формирование компонентов модели, удобных для математического и алгоритмического описания.
3. Разработка математической модели системы и алгоритмизация функционирования ее компонент.
Рассмотрим процесс производства стеклянной тары - достаточно сложный процесс превращения сырьевого материала (шихты и стеклобоя) в готовую к использованию продукцию. Производство стеклотары состоит из следующих технологических процессов: загрузки шихты и стеклобоя в стекловаренные печи, стекловарения, выработки стеклоизделий, отжига, сортировки и упаковки стеклоизделий.
Ванные стекловаренные печи питаются смесью шихты и стеклобоя в строго заданном соотношении. При отсутствии покупного стеклобоя загрузка производится шихтой с равномерным вводом обратного (собственного) стеклобоя, который образуется в процессе производства. Обратный стеклобой из приемного бункера цепным ковшовым элеватором подается в расходный бункер на участке загрузки шихты. Шихта и бой подаются в бункер загрузчиков шихты ленточным транспортером, находящимся вдоль ванных печей по одному с каждой стороны печи, и далее посредством загрузчиков шихты подаются в печи. Загрузчики шихты с помощью наклонного лотка с вибратором и толкающей водоохлаждаемой лопаты подают смесь шихты и стеклобоя в загрузочные карманы печей. Бункера загрузчиков шихты должны быть постоянно заполнены смесью шихты и боя, зависание шихты и боя в них не допускается.
Варка стекла - процесс многостадийного превращения шихты в жидкую стекломассу. При нагревании стекольной шихты происходят сложные физические, химические, физико-химические процессы, которые зависят от состава стекла, условий теплообмена, характера движения стекломассы. Варка стекла осуществляется в ванных стекловаренных печах непрерывного действия, регенеративных, проточных, с подковообразным направлением пламени, оснащенных автоматическими системами регулирования и контроля, при помощи которых производится: поддержание постоянного уровня стекломассы, перевод направления пламени, контроль и управление тепловым, газовым и гидравлическим режимами печи.
Технологический процесс выработки стеклоизделий начинается с образования капли стекломассы. Сваренная стекломасса самотеком поступает из ванной печи в питатели. Питатель предназначен для формирования и выдачи капель стекломассы. Скорость работы питателя зависит от метода выработки, конструкции стеклоформующей машины, массы изделий, их формы, химического состава стекла. Работа питателя должна быть строго синхронизирована по времени с работой стеклоформующей машины, осуществляющей процесс формования стеклоизделий.
В процессе формования в результате неравномерного остывания поверхностей и внутренних слоев стеклоизделия, что объясняется плохой теплопроводностью стекла, в нем возникают напряжения сжатия и растяжения. Процесс устранения остаточных напряжений называется отжигом стекла. От каждой стеклоформующей машины стеклоизделия транспортируются с помощью пластинчатого или цепного конвейера, а затем при помощи сталкивателя попадают в печи отжига. Печи отжига снабжены устройствами, позволяющими: вести наблюдение и автоматически регулировать температуру отжига; транспортировать изделия в рабочем туннеле печи; изменять скорость транспортировки изделий в широком диапазоне. На изделия при их прохождении через установки горячего и холодного напыления на горячем и холодном участках печи отжига наносится защитный слой упрочняющих материалов. Изделия в печи транспортируются сетчатым конвейером. После выхода из печи отжига на изделия наносится защитно-упрочняющее покрытие методом распыления.
Сортировка и контроль качества готовых изделий осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТ 5717-91 и ГОСТ 10117.1-2001. Сортировка стеклоизделий, выработанных на стеклоформующих машинах, осуществляется контролерами стекольного производства вручную путем визуального осмотра и с помощью инспекционного оборудования: разбраковочного аппарата, проверщика на сжатие, детектора посечки.
Упаковка стеклоизделий осуществляется на участке пакетирования. Стеклотара подается по системе конвейеров в упаковочную машину, которой набирается установленное количество стеклоизделий. Полученный набор обворачивается полиэтиленовой пленкой. Полученный пакет с помощью рольганга поступает в термоусадочную печь, где пакету придается прочность, а изделиям обеспечивается сохранность без боя. После термоусадки пакеты со стеклотарой ленточным транспортером подаются на склад готовой продукции транспортно-складского цеха.
Исходя из вышеприведенного описания системы и в соответствии с рекомендациями Н.П. Бусленко [1] целостный процесс функционирования технологической линии стеклотарного производства на уровне структурных элементов можно представить в виде ряда взаимосвязанных технико-технологических подсистем стеклообработки: «Загрузка шихты и стеклобоя в стекловаренные печи», «Стекло-варение», «Выработка стеклоизделий», «Отжиг», «Сортировка», «Упаковка стеклоизделий» (табл.1). Каждая подсистема соответствует технологическим процессам, выполняемым определенным видом и типом оборудования, которое в свою очередь может принимать определенные технологические состояния. При этом модель событий функционирования оборудования стеклотарного производства формально можно представить в виде последовательно связанных графов (таблица 1). Вершины графов показывают технологические состояния рассматриваемого оборудования; дуги - взаимосвязь операций.
Где с1 - подготовительно-заключи-тельная операция; с2, с3, с4 - подача соответственно стеклобоя в расходный бункер, шихты и стеклобоя в бункер загрузчиков шихты, смеси шихты и стеклобоя в загрузочные карманы печей; с5 - получение жидкой стекломассы (варка стекла); с6 - оформление и выдача капель стекломассы; с7 - формование стеклоизделий; с8, с11, с14 - транспортирование стеклоизделий соответственно до печи отжига, в рабочем туннеле печи, до упаковочной машины; с9 - перегрузка стеклоизделий в печь отжига; с10 - отжиг стеклоизделий; с12 - сортировка стеклоизделий; с13 - контроль качества; с15 - упаковка стеклоизделий в пакет; с16, с18- транспортирование пакета соответственно в термоусадочную печь, на склад готовой продукции; с17 - термоусадка пакета; с19 - вспомогательные технологические операции; с20 - отказ по техническим причинам; с21 - отказ по технологическим причинам; с22 - простой оборудования из-за отсутствия фронта работ.
На основе построенной модели событий (табл.1) были разработаны математические модели технико-технологических подсистем в виде совокупности соотношений логических условий и полученных на этой основе моделирующих алгоритмов, определяющих их реальное функционирование. Экспериментальной основой создания моделей послужило исследование статистических закономерностей распределения случайных величин протекания основных и вспомогательных процессов, наработки на отказ, времени ликвидации технологических и технических отказов для различных видов и типов оборудования технологических линий изготовления стеклотары. Синтез математических моделей подсистем позволил построить обобщенную математическую модель функционирования механизированной линии стеклотарного производства, которая интерпретируется системой логических уравнений, описывающих условия перехода одной технико-техноло-гической подсистемы в другую. При этом учитывается, что подсистема Т1 включает подсистемы низшего уровня Т1.1,Т1.2, Т1.3, а подсистема Т4 включает подсистемы низшего уровня Т4.1,Т4.2, Т4.3, (табл.1).
Таблица 1. Модель событий функционирования оборудования
где Nпсб(t), Nпшсб(t), Nпс(t) - случайная функция соответственно количества поданного стеклобоя в расходный бункер, шихты и стеклобоя - в бункер загрузчиков шихты, смеси - в загрузочные карманы печей; Nс(t), Nф(t), Nп(t), Nо(t), Nти(t), Nкк(t), Nнп(t) - случайная функция соответственно количества полученной стекломассы, формованных изделий; изделий, перегруженных в печь отжига; изделий, прошедших отжиг; изделий, транспортированных в рабочем туннели печи; проверенных изделий, готовых пакетов; Nпсб, Nпшсб, Nпс,- соответственно необходимое количество стеклобоя для подачи в расходный бункер, шихты и стеклобоя - в бункер загрузчиков шихты, смеси - в загрузочные карманы печей; Nс, Nф, Nп, Nо, Nти, Nкк, Nнп(t) - соответственно необходимое количество стекломассы, формованных изделий, изделий для перегрузки в печь отжига, изделий для отжига, изделий для транспортировки в рабочем туннели печи; изделий, требующих проверки; готовых пакетов.
При реализации полученной модели на ЭВМ были использованы два основных принципа: принцип «∆t» - фиксированных интервалов времени (для программирования вспомогательных модулей, которые отражают взаимосвязи между подсистемами) и принцип «особых состояний» (для программирования технико-технологических подсистем, являясь весьма удобным и экономичным в отношении машинного времени) [1]. При этом на каждом шаге модельного времени для оборудования вычисляется время его работы и надежность. Определение надежности осуществляется путем моделирования наработки на отказ и времени восстановления соответствующего технологического оборудования.
Для разработки программы ModelPus 1.0 был использован язык программирования Microsoft Visual Basic из интегрированного пакета для создания приложения под Windows - Microsoft Visual Studio 6.0. Данный язык имеет широкие возможности в создании приложений различной степени сложности, при этом разработчику не приходится тратить время на разработку кода описывающего пользовательский интерфейс, все элементы управления можно добавлять на форму методом рисования в интерактивном режиме.
Программа ModelPus 1.0 позволяет имитировать процесс производства стеклянной тары, начиная с процесса выработки стеклоизделий заканчивая их упаковкой. Также в её возможности входят: расчёт брака продукции (на стадии выработки стеклоизделий, на стадии отжига стеклоизделий); имитация отказа оборудования (с помощью ручной установки, в автоматическом режиме). Кроме того, в программе предусмотрена возможность установки скорости протекания процессов производства стеклотары.
Список литературы:
- 1. Бусленко Н. П. Моделирование сложных систем. - М: Наука, 1978. - 401с.
- 2. Морозова Е.В. Моделирование параметров функционирования технологических линий для поддержки задач управления стеклотарным производством. // Стекло мира №5 / 2007 - стр.89.
- 3. Морозова Е.В. Моделирование технологических процессов производства стеклотары.//Стеклянная тара №10/2007 - стр.14.
- 4. Редько С.Г. Разработка концептуальной модели функционирования механизированной линии стеклотарного производства / Эпов А.А., Морозова Е.В. //Прогрессивные технологии в обучении и производстве: материалы IV Всероссийской конференции, КТИ ВолгГТУ, 2006-стр.189-192