Автоматизация и управление процессами технологической подготовки производства композиционных материалов

Наше время характеризуется существенным сокращением запасов природных материалов и, в частности, металлов. Решение проблемы их дефицита характеризуется двумя тенденциями: рециркуляцией и разработкой принципиально новых, как правило, композиционных материалов. Последние характеризуются наличием химически разнородных компонентов, четкой межфазовой границей и специфическими свойствами, несвойственными их отдельным компонентам. К композиционным материалам относится целый набор порошковых, металлических и полимерных материалов [1]. Общим для них является жесткая связь технологии изготовления и структуры, что определяет их свойства. Управляя технологией изготовления и структурой композитов можно реализовать создание материала под конкретную деталь с ее рабочими нагрузками. При этом основная масса технических задач в настоящее время решается экспериментально, что требует существенных материальных и временных затрат из-за естественной вариации свойств массовой промышленной продукции. Значительно менее трудоемким и более эффективным представляется решение подобных задач для широкого класса композиционных материалов с помощью компьютерного моделирования и наглядного графического представления на классических диаграммах «состав-свойство», «состав-структура» и т. п. Кроме того, компьютерное моделирование позволяет исследовать самые разные материаловедческие, технологические и эксплуатационные проблемы в недоступных для непосредственного человеческого присутствия местах. Таких как: космический вакуум, океанские глубины, внутренние среды живых организмов и т. д.

Первые автоматизированные программные комплексы для моделирования и оценки параметров композиционных материалов с помощью методов математической статистики и планирования эксперимента были представлены в нашей стране в средине 70-х годов. По мере развития информационных технологий (ИТ) в начале 90-х годов появились профессиональные программные продукты, например, 51аП5йса, МаЛсас!, МайаЬ, Марр1е. Однако данные комплексы не ориентированы на решение узкоспециализированных задач, таких как исследование композитов и композиционных технологий. В этих комплексах отсутствует необходимое информационно — методическое обеспечение и данные системы требуют углубленной статистической и компьютерной подготовки пользователей, а также используют собственные форматы для физического хранения данных.

В связи с относительной малоизученностью композитов и композиционных технологий, а также отсутствием средств автоматизации для контроля и диагностики их параметров в ходе технологической подготовки и промышленного производства композиционных материалов требуются новые подходы и разработка нового класса программных систем с созданием хранилищ информации, и использованием методов интеллектуального анализа данных. Для этого необходимы новые архитектурные решения с привлечением передовых ИТ-технологий. На основании вышеизложенного, автоматизация и управление процессами технологической подготовки и промышленного производства композиционных материалов с использованием автоматизированных интеллектуальных систем моделирования и оценки их параметров в реальном масштабе времени представляется важной и актуальной проблемой.

Научная новизна :

• Разработаны адаптивные алгоритмы для решения интерполяционных, оптимизационных и прогностических задач при определении основных инженерных параметров композиционных материалов на этапе технологической подготовки производства, позволяющие эффективно использовать вычислительные ресурсы ЭВМ, значительно сократить время расчетов при требуемой точности процедур.

• Разработана общая методология систем компьютерного моделирования и графической интерпретации данных, выявлена специфика и направленность исследований в рассматриваемой предметной области.

• Создана структурно-параметрическая модель, на основе которой сформирована информационная технология анализа и диагностики эксплуатационных свойств композитов как большой многофакторной технической системы.

• Реализована подсистема управления моделированием и оценкой параметров композитов и композиционных технологий, входящая в состав АСУТП. Полученные разработки опробованы с удовлетворительными результатами на ряде технических комплексов: материаловедческом (композиционные материалы), технологическом (обработка резанием), эксплуатационном (ресурс антифрикционного покрытия).

Практическая значимость.

Разработанные методы и алгоритмы, а также реализующий их программный комплекс, позволили:

• автоматизировать процесс моделирования и оценки технологических и эксплуатационных параметров деталей из композиционных материалов;

• оценить эффективность комплекса существующих стандартов и другой нормативной документации, которые регламентируют процесс жизненного цикла программной системы при использовании объектно-ориентированной методологии разработки;

• создать инструментарий для оперативного анализа массивов транзиентной первичной информации на основе предварительной статистической обработки, отбирая только статистически значимые данные, что позволяет повысить оперативность процессов контроля качества в ходе промышленного производства композиционных материалов.

Использование полученных результатов позволило реализовать конкретные технические и технологические решения по оценке эксплуатационных параметров деталей из композиционных материалов с применением методов математического моделирования и автоматизированного программного комплекса в нижеследующих работах.

Разработка типовой технологической схемы проектирования программного обеспечения объектно-ориентированными средствами" и «Оценка эффективности использования комплекса существующих стандартов при разработке программного обеспечения» с ФГУП «Градиент», г Ростов-на-Дону;

Разработка автоматизированной системы коллективного доступа NanoJASMINE" с компанией «Narrow Gate Corporation», г. Киото, Япония;

Государственный контракт № 16.647.12.2035 «Создание интерактивного комплекса удаленного доступа для студентов и аспирантов по исследованию наноматериалов на базе многофункционального оборудования» по целевой научно технической — программе «Развитие инфраструктуры наноиндутрии в Российской Федерации на 2008;2011 годы» .

Представленные исследования выполнены в Донском государственном техническом университете (ДГТУ) в рамках подпрограммы «Новые материалы» научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы в области приоритетных направлений науки и техники» по разделу «Функциональные порошковые материалы» (проект 202.05.01.026) за 2001;2004 г. г.

Результаты диссертации используются в учебном процессе в ДГТУ и ЮФУ, в разработанных автором учебно-методических комплексах по дисциплинам «Управление процессами» и «Системный анализ» .

Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими актами, свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ, опубликованными учебно-методическими пособиями и монографиями.

На защиту выносятся:

• Онтологическая и объектная модели АСУТП, созданные на базе численных методов, математической теории планирования эксперимента и математической статистики.

• Новые методы и информационные структуры для физического хранения и интеграции основных информационных объектов в области композиционных материалов и технологий.

• Алгоритмы компьютерного моделирования, анализа полученных моделей и на этой основе оптимизации и прогнозирования инженерных характеристик композиционных материалов.

• Алгоритмы графической интерпретации многокомпонентных (>3-х компонент) моделей.

• Впервые полученные результаты комплексных экспериментальных исследований эксплуатационных и технологических характеристик порошковых и полимерных антифрикционных композитов, результаты их диагностики и параметрического прогнозирования в области технологических режимов и качества рабочей поверхности.

Общие выводы.

1. Разработана и сформулирована общая структура основных этапов методологии создания автоматизированной информационной системы в области композиционных технологий, включающая: декомпозицию и системный анализ частных задач, их алгоритмическое обеспечение на основе численных методов, математической теории планирования эксперимента и математической статистики. Выбрана программная платформа для их реализации на базе стандартов открытых систем, а также построены и исследованы модели для оценки инженерных свойств композиционных материалов. Это позволяет снизить временные затраты на разработку подобных систем в смежных предметных областях и сократить время простоя технологического оборудования.

2. Реализованы алгоритмы моделирования инженерных свойств композиционных материалов на базе математической статистики (дискриминация входной информации), математической теории планирования экспериментов (двухуровневый полнофакторный эксперимент, методы симплекс планирования) и других численных методов, позволившие решить интерполяционные, оптимизационные и прогностические задачи, что повышает эффективность технологических процессов при их производстве.

3. Разработан новый метод графической интерпретации результатов диагностики композитов и деталей из них в виде правильных многоугольных псевдосимплексов, обеспечивающий наглядное графическое представление взаимовлияния параметров технологического процесса на плоскости, при числе переменных факторов более трех. Метод позволяет снизить трудоемкость и время выполнения операции за счет уменьшения количества экспериментов при реализации контроля качества в ходе производства композитов и деталей из них.

Реализована структурно-параметрическая модель на основе которой создана сервис-ориентированная архитектура распределенной спаемы оперативной обработки и управления гехноло] ическими параметрами процесса, в виде набора взаимодействующих сервисов Ото позволило адаптировать систему к конкретным условиям промышленно1 о производства легко и оперативно выполнять процесс смены 1ехнологичсских режимов и оптимизировать комбинацию элементов входящих в соиав композиционных материалов расширяя ее функциональные возможности.

Создан модуль на базе стратегии оперативной обработки больших массивов данных технологического процесса полученных при авгомашче-ском или ручном режиме их ввода в вице библио1еки Qt предеявляющей собой интерпретатор языка SQL Разработанные алюритмы позволили увеличить производительное ib обработки промежуточных данных Получено эксперимешальное подтверждение правильноеш выбранного подхода по сравнению с традиционным взаимодсисi вием через JDBC с существующими платформами СУЪД.

Получен новый подход к организации управления процессами техиоло-I ической подюговки и производства композиционных материалов за счет непрерывною мониториша основных параметров при котором ло-I ика управления процесса выносится на машину правил и являекя неотъемлемой частью SOAP — инфраструктуры системы Эю позволяем использовав систем) в условиях raepoi енпоп вычисли i ельной среды и реализовать децентрализованною обработку данных увеличивая эффективное^ использования системных ресурсов.

Создан комплекс проблемно-ориен!ированных кроссплатформенных программных модулей на базе стандарюв открытых сии ем п технологий UML lava IBoss Web-ссрвисов BPEL для автоматизации и управления процессами технологической подготовки производства композиционных материалов и де! алей из них Эю позволяы довольно ле! ко интегрировать полученный комплекс в соыав практически любой АСУТП.

Произведена оценка эффективности испопьзования комплекса суще-авующих стандартов, представлены рекомендации, но его доработке и разработана типовая технологическая схема проектирования автоматизированной информационной системы с помощью современных среды в и методологий В результат установлена номенкпагура токлмсшов ко-юрые необходимо скорректировать с учетом специфики предприятий и современных 1ехнологий и выдвинуш предложения по их доработке Экспериментально подтверждена эффективность разработанной автоматизированной информационной системы на ряде 1спически обьекюв в промышленном произволе 1 ве Резулыаш апробации включаю 1 модели 1 схнических систем таких как порошковые и попимерпые композиционные материалы и процессы их обработки и эксплуатации.

— i lis I.

Vbit 1.

12 м i.

1 -«WS S.