Лукашенко А.Г., Моамар Д.Н., д.т.н. Рябцев В.Г., Уткина Т.Ю.

Черкасский государственный технологический университет

Метод моделирования алгоритмов управления исполнительными механизмами, адаптируемых к отказам

Технологические процессы фасовки и упаковки плодоовощной и плодомолочной продукции выполняются параллельно, поэтому для координации действий исполнительных механизмов необходимо контролировать как факты включения/выключения, так и моменты времени, в которые механизмы достигают своих конечных положений. Однако из-за изношенности движущихся элементов или неисправностей в системе энергообеспечения существует возможность ухудшения динамических свойств данных механизмов. Следовательно, если в установленный момент времени не достигнуто одно из заданных на циклограмме положений какого-либо исполнительного механизма, о чём свидетельствуют сигналы, полученные от соответствующих датчиков, то должен произойти аварийный останов фасовочно-упаковочной машины.

В известных алгоритмах управления, если возникнут неисправности в цепочке последовательно расположенных механизмов, выполняющих технологические операции по фасовке и укупориванию скоропортящихся продуктов, то останавливаются все механизмы для устранения поломки. Этот процесс может занять продолжительное время, в течение которого на рабочем столе остается упаковочная тара, с которой не завершены все технологические операции, и она может быть по ошибке отправлена потребителю или будет храниться в надлежащих климатических условиях. Кроме того, при продолжительном ремонте продукция может испортиться и будет списана как технологические потери. Учитывая, что механизмы работают в условиях неблагоприятной окружающей среды (повышенная влажность и загрязненность) вероятность возникновения неисправностей механизмов очень велика и потери продукции могут быть значительными [1].

Целью данной работы является разработка метода моделирования алгоритмов управления исполнительными механизмами, адаптируемых к возможным отказам, путем продолжения выполнения операций механизмами, которые расположены в цепочке после отказавшего механизма, и отключения только неисправного механизма и механизмов, расположенные в цепочке раньше отказавшего механизма.

С целью снижения трудоемкости синтеза алгоритмов управления технологическими операциями фасовки и упаковки скоропортящейся продукции необходима разработка метода синтеза алгоритмов управления технологическими процессами, на основе функционального моделирования и анализа возможных неисправностей исполнительных механизмов, что обеспечит прогнозирование последствий неисправностей исполнительных механизмов еще на этапе отладки управляющих программ, а также снизит технологические потери фасуемых продуктов.

Для функционального моделирования алгоритмов управления технологическими процессами фасовки и упаковки продукции целесообразно использовать сети Петри, которые являются средством формального описания процессов функционирования дискретных систем [2, 3]. Сети Петри определяются множеством позиций, множеством переходов , функцией входов I: и функцией выходов O: .

Графически сети Петри представляются в виде двудольного графа с вершинами двух видов: окружности соответствуют позициям, а планки – переходам. Функции I и O представляются дугами. Позиции, дуги из которых ведут в переход t_j, образуют множество входных позиций этого перехода и обозначаются I(t_j). Позиции, которые ведут дуги из перехода t_j, образуют множество исходных позиций этого перехода и обозначаются O(t_j).

Состояние сетей Петри описывается маркировкой. Маркировка – это функция, которая ставит в соответствие каждой позиции неотъемлемое целое число маркеров (точек). Составляют сети Петри, основываясь на соображениях условия и события. Условия моделируются наличием или отсутствием маркеров в позициях, а события переходами. В сетях Петри всегда переходу предшествует позиция, а позиции – переход.

Для возникновения события необходимо выполнение некоторых условий, которые называются предпосылками. Возникновение событий t_j может привести к нарушению предпосылок для выполнения некоторых других условий, которые называются постусловными. Будем называть условием запуска перехода t_j наличие маркеров во всех входных позициях I(t_j). Если условие запуска перехода выполнено, то выполняется запуск перехода. Это означает, что из всех входных позиций I(t_j) устраняется маркер, а во все исходные позиции O(t_j) маркер добавляется. Таким образом, изменением маркировки сетей Петри отображается последовательность событий протекающих в моделируемой системе.

Фасовочно-упаковочная машина (ФУМ) обычно является автоматом карусельного типа периодического действия. Круглый стол, вращаясь, перемещает стаканчики/коробки от одной позиции к другой с целью реализации определенных операций, заданных технологическим процессом. Для обеспечения возможности комбинирования механизмов на диске карусели равномерно расположены отверстий, над которыми устанавливаются и закрепляются необходимые механизмы.

Дозаторы предназначены для объемного дозирования и загрузки в стаканчики/коробки фасованного продукта и пищевых наполнителей. При наличии на рабочем столе десяти позиций для размещения механизмов поворот карусели на осуществляется специальным пневмоцилиндром, вмонтированным на станине машины. На первой позиции выполняется операция отделения стаканчиков/коробок из подготовленного заранее магазина и их поштучная загрузка в гнездо карусели, на последней позиции осуществляется съем готовой продукции.

На рис. 1 приведена сеть Петри машины, содержащей 4 параллельно работающих механизма. В сети используются простые переходы – TE и переходы-переключатели – TX. Переход в позицию  возможен с вероятностью возникновения отказа соответствующего механизма . Переход  возможен, если все механизмы исправны c вероятностью работоспособного состояния каждого механизма  и успешно выполнились все технологические операции.

Рисунок 1 – Состояние ФУМ при исправных механизмах

Если в ФУМ, состояние которой показано на рис. 2, произойдет отказ одного из механизмов, (например 4-го), то в позиции появиться фишка и все механизмы остановятся.

Рисунок 2 – Состояние ФУМ при отказе 4-го механизма

Для учета возможных отказов механизмов предлагается разработать команды управления механизмами так, чтобы они смогли выполнить еще несколько операций для логичного завершения технологического процесса. Причем каждый механизм должен выполнить разное число операций, число которых возрастает при удалении места расположения механизма от позиции отказавшего механизма.

Сеть Петри машины, алгоритм управления которой обеспечивает контроль работоспособности 1-го механизма, при этом принимается решение по адаптированному управлению остальными механизмами, показана на рис. 3. В позиции  указано количество тары, предназначенной для упаковки.

Рисунок 3 – Сеть Петри с контролем отказа 1-го механизма

На рис. 3 видно, что после отказа первого механизма третий механизм должен сработать один раз, а четвертый – два раза. Это отмечено весами соответствующих ветвей. Аналогичным образом можно смоделировать алгоритмы управления, адаптируемые к отказам остальных механизмов.

Предлагаемый адаптированный к отказам алгоритм управления механизмами обеспечит уменьшение технологических потерь продукции, а главное обеспечит их высокое качество за счет сокращения времени нахождения продукции на столе фасовочно-упаковочной машины.

Литература:

1. В.С. Анфилатов, А.А. Емельянов, А.А. Кукушкин. Системный анализ в управлении: учебное пособие. – М.: Финансы и статистика, 2002. – 368 с.

2. Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. Моделирование систем: Учеб. для вузов – М.: Высшая школа, 2001. – 343 с.

3. А. Гультяев. Визуальное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. СПб.: Корона принт, 2001. – 288 с.