pizhurin_a_a_pizhurin_a_a_modelirovanie_i_optimizaciya_proce

Глава 10

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ОБРЕЗКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

10.1.Потери выхода пиломатериалов при ручном управлении операцией обрезки

На лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях операция об­ резки пиломатериалов выполняется с большими потерями выхода. На об­ резку пиломатериалов в узкопросветном рамном потоке поступает до 19 досок в минуту.

Потери выхода из-за ошибок человека, работающего при остром дефиците времени с высокой физической и нервной нагрузками, оценива­ лись 20 тыс. рублей в год в ценах 80-х годов прошлого века. Участок даже с двумя обрезными станками не исключал ошибок человека при ориенти­ ровании доски и выборе ширины обрезки.

Повышение эффективности операции обрезки достигается за счет автоматизации выполнения этих приемов. В этом случае за человеком ос­ тается оценка качества обрезной доски. Совместное выполнение операции обрезки человеком и автоматом образует систему. За критерий оптималь­ ной ширины обрезки могут быть приняты как максимум площади пласти обрезной доски, так и максимум стоимости доски после обрезки.

Эта работа была успешно выполнена и внедрена в производство кандидатом технических наук В.Ф. Дунаевым.

Ниже излагается разработанная система автоматической оптимиза­ ции обрезки пиломатериалов.

10.2. Общая характеристика операции обрезки и этапы разработки системы

Операция обрезки состоит из определенного набора приемов, вы­ полняемых человеком в удобной для него очередности, причем некоторые приемы могут выполняться как одновременно (параллельно), так и раз­ дельно (последовательно).

Ни человек, ни автомат в отдельности не могут выполнять эффек­ тивно все приемы. За человеком остались только те из них, которые на се­ годня он выполняет лучше автомата, - поворот доски наружной (узкой) пластью вверх и определение группы качества доски. Совместное выпол­ нение операции обрезки человеком и автоматом образует систему, в кото­ рой оптимальная ширина обрезки выбирается автоматом и поэтому она на­ зывается системой автоматической оптимизации обрезки. Эта система включает также механизмы центрирования и обмера необрезной доски,

перемещения пил на оптимальную ширину обрезки и устройство поиска этой ширины по результатам обмера.

При формализации операции обрезки фиксировалась некоторая по­ следовательность выполнения приемов. Операция обрезки выполняется автоматом по детерминированному алгоритму. При разработке системы обрезки использована теория конечных и микропрограммных автома­ тов.

В процессе реализации алгоритма система обрезки вырабатывает команды исполнительным механизмам центрователей и датчиков ширины и получает от них информацию, на основе которой определяет последую­ щие команды механизмам перемещения пил. С этой точки зрения систему обрезки следует считать исполняющим автоматом (И-автоматом) и учитывать некоторые особенности, присущие классу И-автоматов.

И-автоматы обладают памятью, распределенной по объектам управления - исполнительным механизмам.

И-автомату приходится управлять объектами, которые могут вы­ полнять отдельные команды лишь через некоторый промежуток времени после их получения. В это время происходит или механическое перемеще­ ние какого-либо узла, или установление какого-либо параметра. В теории автоматического регулирования это время учитывается при анализе пере­ ходного процесса; в теории конечных автоматов - при анализе критиче­ ских состояний элементов памяти.

В И-автоматах однотипные исполнительные механизмы могут иметь разное время срабатывания. Для исключения влияния времени сра­ батывания в И-автоматы вводят специальные временные задержки - реле времени - или дополнительные элементы памяти.

10.3.Формулирование условий работы системы автоматической оптимизации обрезки

Для существующего уровня механизации участка обрезки харак­ терна циклограмма, показанная на рис. 10.1.

Принятое время выполнения основных приемов соответствует средним хронометрическим данным. Расчетная средняя скорость подачи равна 120 м в минуту при обрезке досок длиной 6 м. Продолжительность рабочего цикла для досок длиной от 1,9 до 7,5 м изменяется от 4 до 6 с.

Оценка качества доски в настоящее время не поддается автоматиза­ ции, поэтому сведения о качестве доски в систему обрезки вводятся обрез­ чиком. Укладка доски по оси постава пил производится с помощью меха­ низма центрирования необрезных досок. Установка пил и подача доски в станок выполняется существующими механизмами.

Для поиска оптимальной ширины обрезки доска устанавливается по оси обрезного станка. В контур сцентрированной доски, который охваты­

вает обзол, допускаемый, например, ГОСТ 26002-83, условно вписывают прямоугольники, у которых ширина и длина соответствуют принятой раз­ мерной сетке, а затем из набора условно вписанных прямоугольников вы­ бирается прямоугольник с максимальной площадью. Ширина этого прямо­ угольника и есть оптимальная ширина обрезки. Если она окажется неспецификационной, то выпиливается ближайшая большая или меньшая ши­ рина, в зависимости от состояния выполнения стокнотного задания.

Система обрезки должна иметь режим “советчика”, в котором об­ резчику сообщается значение оптимальной ширины для принятия оконча­ тельного решения.

На основании перечисленных условий, применяя метод синтеза ав­ томатических устройств, было составлено формализованное описание ра­ боты системы обрезки.

10.4. Логические схемы алгоритмов (ЛСА) как начальный язык задания условий работы системы обрезки

При разработке формализованного описания системы обрезки был использован язык логических схем алгоритмов. Все операции, выполняе­ мые автоматом, записываются в строку слева направо в виде последова­ тельности букв (операторов), соответствующей последовательности вы­ полнения операций.

Логические схемы алгоритмов имеют четыре класса операторов: начальный (единственный), функциональные (А, В, С,...), логические (р, q, г,...) и конечный.

Начальный оператор выполняется первым. Следом за ним выполня­ ется оператор, стоящий в строке справа.

Если второй оператор функциональный, то после него выполняется следующий стоящий справа оператор. Если очередной оператор логиче­ ский, то дальнейшее выполнение алгоритма зависит от того, выполнено ли условие, которое проверяется этим оператором. При выполнении условия следующим должен выполнятся функциональный оператор, записанный справа от логического, перед которым стоит стрелка вверх с номером ло­ гического оператора. Если же условие логического оператора не выполне­ но, то начинает выполнятся оператор, перед которым стоит стрелка остри­ ем вниз, отмеченная тем же номером. Например, в ЛСА

			1	2
l A p .		1	t В р 7 t С 1 Д Е
2				J.	j
при выполнении условий,	проверяемых				операторами р х и р 2 (Р\ = 1;

р 2 = 1), порядок выполнения следующий: Л В С . Если условие, проверяе­ мое оператором р х, не выполнено ( р х= 0), то операторы будут иметь сле­ дующий порядок выполнения: АДЕ . При р } = 1 и р 2 = 0 непрерывно вы­

полняются два оператора А В А В ..........

Для записи параллельности выполнения некоторых операторов вво­ дятся специальные операторы и ветви. Любая часть ЛСА, заключенная в фигурные скобки, называется ветвью. Перед каждой ветвью помещается в квадратных скобках символ, записанный буквой греческого алфавита и яв­ ляющийся отметкой соответствующей ветви. Например [а] {А}.

Оператор П (аи а 2,..., а к) указывает начало параллельного выпол­ нения ветвей с отметками [a j, [сх2 ].. - [схк ]• Оператор W (а1? а 2 >...,ак) ука­ зывает на то, что дальнейшее выполнение оператора, стоящего справа от него, возможно лишь при условии, что закончено выполнение ветвей, имеющих отметки [aj ], [а2 ]... [ак ].

Таким образом, запись

/ М 2Я (а,р,у)[а]{л3}[р ]{ А ,Л 5} Ы { л 6,Л 7} ^(а ,р )[5]{ л 8|^ ( у , 5)A9 S

обозначает следующее. Вначале выполняются операторы А } и A2i затем начинается одновременное выполнение трех ветвей с отметками [а ]. [Р ]и [ у ] , то есть [а]{л3}[р]{/44, А5 }[т]{^б» ^7 }• После того, как будет закон­ чено выполнение двух из этих ветвей с отметками [а] и [р], начнет вы­ полняться ветвь с отметкой [б], то есть [б]{л8}. После выполнения вет­ вей с отметками [у] и [5 ] будут выполняться операторы А 9 и S.

Оператор, после которого не выполняется ни один из операторов, называется конечным.

Для записи работы автомата в ждущем режиме вводится специаль­ ный оператор тождественно-ложного условия (или оператор безуслов­ ного перехода) со. После выполнения оператора со всегда происходит пере­ ход по стрелке, стоящей справа от него.

Для отражения временных зависимостей вводится оператор Д (Aj, т ). Запись А{ Д [AJy т ) обозначает, что после выполнения операто­

ра Д до начала выполнения оператора Aj проходит т времени. J1CA ста­

новится полностью временной, если каждому оператору ЛСА приписыва­ ется время его выполнения. В этом случае в операторе W вместо отметок ветвей может указываться время, по прошествии которого будет выпол­ няться ветвь, начинающаяся с оператора, стоящего справа от W.

При описании многорежимных систем управления удобно сначала описывать ЛСА отдельно для каждого из режимов, объединяя впоследст­ вии всех их в одну общую ЛСА.

Во всех автоматах, реализующих ЛСА, имеются распределенные или централизованные блоки программ (блоки команд), учитывающие мо­ менты выполнения функциональных операторов и значения условий, про­ веряемых логическими операторами.

Запись алгоритмов на языке ЛСА не зависит от того, какими сред­ ствами будет реализован алгоритм, и не гарантирует минимальность объе­ ма используемых технических средств. При разработке системы обрезки, имеющей дело с доской, была предложена модификация языка ЛСА, на­ званная языком физически реализуемых логических схем алгоритмов

(ФЛСА).

Каждому оператору ФЛСА придается смысл физической величины, получаемой в результате преобразования предыдущего оператора. Первый член такой ФЛСА - либо неизвестная величина, подлежащая определению, либо оператор - функциональный или логический. Конечный оператор - результирующая величина или параметр, совпадающий по обозначению с оператором общей ЛСА или символом цели, если нет частных ЛСА. Про­ цесс преобразования физической величины обозначается символом — При сокращении записи этот символ может быть опущен.

Физически реализуемая логическая схема алгоритма (ФЛСА) при­ менима для формализованного описания задач автоматизации, анализа и синтеза систем автоматического регулирования, а также механизмов и устройств, содержащих преобразователи сигналов и энергий. В этом слу­ чае запись на языке ФЛСА эквивалентна известным кинематическим схе­ мам.

Для минимизации ФЛСА применимы правила группирования одно­ родных членов, подстановки (для сложных ФЛСА) и правило обхода, по­

зволяющее переходить от предыдущего оператора, минуя соседний, к по­ следующему, используя известные физические принципы.

Если алгоритм, записанный на языке ФЛСА, содержит функцио­ нальные и логические операторы, то при его анализе следует применять метод перемещения логических операторов и исследовать получающиеся варианты. Все возможные перемещения логических операторов образуют множество вариантов анализируемого алгоритма. Число их может быть вычислено заранее и служит гарантией от пропуска варианта при анализе.

После минимизации исходного алгоритма и оценки его вариантов производится выбор наилучшего или предварительный отбор нескольких для дальнейшей проработки, если на уровне ФЛСА нет однозначного ре­ шения.

Оценка алгоритма может быть произведена по различным критери­ ям: надежности, себестоимости, металлоемкости, трудозатратам. Для этого в логической схеме алгоритма все операторы заменяют соответствующими коэффициентами, в результате получают модель по выбранному критерию, которая применима для задач оптимизации наряду с граф-методами. Графметоды впервые были использованы А.А. Пижуриным [26] для минимиза­ ции суммарной себестоимости обработки при заданной производительно­ сти лесопильного потока.

ЛСА и ФЛСА применимы в качестве начального языка для описа­ ния системы автоматической оптимизации обрезки пиломатериалов. Эти схемы не исключают использования аппарата булевой алгебры при детали­ зации описания и составления функциональных схем.

10.5. Логическая схема алгоритма системы автоматической оптимизации обрезки

Были введены следующие обозначения:

N - начальный оператор (выполняется обрезчиком);

L -	оператор измерения длины доски;
С -	оператор центрирования доски по оси постава пил;
В -	оператор измерения ширины доски в заданных сечениях с
	учетом обзола;
О -	оператор поиска оптимальной ширины обрезки;
Р - оператор перемещения пил на ширину обрезки;
R -	оператор подачи доски в обрезной станок.

Начальный оператор N считается выполненным, если обрезчик ввел в систему сведения о качестве древесины. Остальные операторы выполня­ ются автоматически. Оператор Р перемещения пил должен выполняться только в том случае, если в обрезном станке на участке “передние валь­ цы - расклинивающие ножи” нет доски, то есть станок свободен. Для про­

верки этого условия введен логический оператор р. Если р —1, то станок свободен, если р = 0, то в станке есть доска.

С учетом принятых обозначений и правил записи алгоритмов с по­ мощью JICA, алгоритм работы системы обрезки имеет следующий вид:

I	2	(10.1)
i N L C B O i p ^ P R c o ^ .

Последовательность выполнения операторов JICA сохраняется при любых значениях входных сигналов и функциональных операторов. После оператора О возможен останов в реализации алгоритма, если не выполня­ ется условие, проверяемое логическим оператором р у После проверки

тождественно-ложного условия со2 система обрезки приходит в исходное

положение (по стрелке I ).

2

Длительность перевода пил в станке с симметричным раздвиганием пил, например Ц2Д7С, не более 0,4 с, что значительно меньше затрат вре­ мени на подачу доски до передних вальцов станка (0,7 с), поэтому опера­ торы Р иЯ могут выполняться одновременно. Это условие отражено в ло­ гической схеме алгоритма работы системы обрезки

1	2
i N L C B O l p ^ П( Р, Я) со21 .		(10.2)

Эта JICA принята в качестве исходной для синтеза блока команд, который определяет продолжительность и порядок работы исполнитель­ ных механизмов системы обрезки. Содержание команд, вырабатываемых блоком, зависит от входных сигналов, поступающих от обрезчика, - 2 ко­ манды о качестве, а также от датчика длины - 19 сигналов для диапазона длин 2,4.. .7,5 м и датчиков ширины - 8 сигналов от каждого из девяти дат­ чиков.

Все сигналы запоминаются элементами памяти, одна часть сигна­ лов используется для формирования вспомогательных сигналов управле­ ния - центрирования, обмера и подачи доски в станок; другая - служит главной задаче системы, а именно, поиску оптимальной ширины обрезки.

10.6. Частные логические схемы алгоритмов системы автоматической оптимизации обрезки

10,6,1. Описание операторов начала и измерения длины

На специализированных потоках лесоэкспортных предприятий к обрезному станку поступают доски только одной толщины, которые ус­ ловно можно разделить на две группы качества. К первой группе качества отнесены пиломатериалы, которые по сортообразующим порокам древе­

сины соответствуют 1 - 3-му сортам (бессортные); ко второй - с пороками, допускаемыми в пиломатериалах 4-го сорта согласно ТУ.

Оператор начала N. Оператор N считается выполненным, если об­ резчик ввел в систему обрезки сведения о группе качества, то есть

		N = K xVK2,	(10.3)
где К х -		команда о первой группе качества;
К 2	-	команда о второй группе качества;
V	-	символ логического сложения («или», дизъюнкция).
	Оператор L измерения длины. Измерения длины х доски,		посту­

пившей на впередистаночный стол обрезного станка, осуществляется в метрах или градациях, равных, например, 0,3 м для экспортных пиломате­ риалов. Подобные измерения надежно и просто выполняются с помощью дискретных датчиков, размещенных по оси стола на расстоянии принятой единицы измерения длины. Количество сработавших датчиков п одно­ значно определяет длину доски:

x - ^ n - r L .	(10.4)
Если для срабатывания датчика необходим поворот воспринимаю­
щего элемента, то
х —г п ¥ —гЬ.	(10.5)
Зная общую длину доски, легко найти расстояние	/. от комля до
/-го сечения обмера:	(Ю.6)
I.I =L - Ai >

где А - расстояние между датчиками в градациях длины; / - номер сечения. Рабочий диапазон длины в системе обрезки составляет 18 градаций.

10,6.2, Частная ЛСА центрирования необрезной доски

Для досок различной кривизны и сбежистости существуют две зоны оптимального размещения вершинных и комлевых центрователей (рис. 10.2).

Анализируя возможные варианты расстановки центрователей досок длиной от 2,4 до 7,5 м, пришли к выводу, что механизм центрирования должен иметь два вершинных и три комлевых захвата (рис. 10.3). Первый вершинный центрователь Сj устанавливается на расстоянии 0,6 м от вер­

шинного торца и применяется для пиломатериалов длиной до 3,9 м. Вто­ рой вершинный центрователь С2 размещается на расстоянии 1,2 м и при­ меняется для досок длиной более 3,9 м. Первый комлевой центрователь С3 устанавливается на расстоянии 2,4 м от вершинного торца и центрирует

доски длиной до 3,9 м. Второй комлевой центрователь С4 размещается на расстоянии 3,6 м и используется для досок длиной от 3,9 до 5,4 м. Длин­ ные доски (свыше 5,4 м) устанавливаются третьим комлевым центрователем С5, смонтированным на расстоянии 4,8 м от вершинного торца.

2

4

6

L, м

Рис. 10.2. Зоны расположения вершинного 1 и комлевого 2 центрователей. L - длина доски, Zu - расстояние от вершинного торца до центрователя

Рис. 10.3. Расстановка центрователей необрезных досок: 1 и 2 - зоны размещения центрователей;

Ьц - расстояние от вершинной отметки до центрователя; 1в,2в - места установки вершинных центрователей; 1к, 2 к, Зк - места установки комлевых центрователей

Оператор центрирования С считается выполненным, если включе­

ны два центрователя:
для	2,4 м < х 1< 3,9 м		С = С ,С 3;
для	3,9м	5,4м	С - С 2 СА\ У	(Ю.7)
для	5,4 м < jc3 < 7,5 м		С = С2 С5.
Интервалу длины		поставлено в соответствие значение Z,, опера­
тора L измерения длины, интервалу х2 -			L 2, а интервалу х3 -	L 3. В ре­

зультате получено следующее условие выполнения оператора центрирова­ ния С:

С = СХC3 L l V C 2 C4 L 2 V C 2 C5 L 3.

(10.8)

Необходимо отметить, что расстояние от центрователей до вер­ шинной отметки кратно градации длины.

10.6.3. Частная ФЛСА измерения ширины необрезной доски с учетом обзола в нескольких сечениях

Измерительный комплекс, состоящий из девяти датчиков ширины необрезной доски, определяет расстояние от точек, ограничивающих обзол в сечении обмера, до оси впередистаночного стола. При этом должны быть выполнены три условия обмера: если расстояния от двух точек, ограничи­ вающих обзол в сечении, до оси впередистаночного стола не равны, то за ширину необрезной доски с учетом обзола принимается удвоенное мини­ мальное расстояние; если эти расстояния равны, то для определения ширины доски может быть удвоено любое из расстояний; если результат измерения ширины доски в сечении, расположенном ближе к вершинному

Рис. 10.4. Геометрические места точек, ограничивающих обзол досок первой 1 и второй 2 групп качества древесины