Применение принципов технологической адаптации при управлении показателями качества в многовариантной технологической системе изготовления холоднокатаной ленты Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 621.77 Голубчик Э.М., Телегин В.Е., Рубин Г.Ш.

С ~ \

ПРИМЕНЕНИЕ ПРИНЦИПОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ АДАПТАЦИИ ПРИ УПРАВЛЕНИИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ КАЧЕСТВА В МНОГОВАРИАНТНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХОЛОДНОКАТАНОЙ ЛЕНТЫ

Аннотация. В работе рассмотрен подход адаптивного управления показателями качества в многовариантной многостадийной системе при производстве холоднокатаной монетной ленты, обеспечивающий гарантированное достижение нормируемого уровня качества металлопродукции при различных внешних возмущающих воздействиях.

Ключевые слова: управление качеством, холоднокатаная лента, алгоритм.

В условиях крупного металлургического производства с большим объемом размерно-марочного сортамента продукции, единым технологическим циклом и непрерывной загрузкой основного технологического оборудования достаточно часто возникает необходимость оперативной корректировки деятельности, как самой технологической системы производства, так и отдельных ее элементов, т.е. на первый план выступает проблема технологической адаптации. Причем, наиболее актуально это для многовариантных многостадийных технологических систем (ММТС). К таким системам можно отнести процесс по производству холоднокатаной ленты, например, предназначенной для изготовления монетной заготовки (монетная лента) [1-3]. Особенностью данной ленты является необходимость обеспечения в ней одновременного сочетания узкого диапазона твердости (1Ж15Т 72-76 ед.), шероховатости поверхности Яа < 0,8 мкм и точности по толщине 0/-0,06 мм, что обусловлено требованиями дальнейшей технологии изготовления монет из такой ленты.

Достижение указанных трудносоче-таемых показателей качества (ПК) ленты при эффективном процессе ее изготовления в условиях подобных систем является актуальной проблемой. Это обусловлено тем, что в таких системах выбор и построение эффективной технологической

схемы производства в явном виде не всегда очевидны. При этом традиционные подходы к разработке в сложных системах технологий производства являются малоэффективными, т.к. предусматривают затратный метод «проб и ошибок» и не позволяют оперативно осуществлять «перестройку» технологии при корректировке требований заказчика, либо при возникшей производственной необходимости. Кроме того, использование традиционного метода приводит к ситуации, когда от лица, принимающего решение (ЛПР) по способу организации технологического процесса, зачастую зависит успешность в достижении требуемой результативности. Причем, от ЛПР требуется высочайшая квалификация по различным аспектам производства, что не всегда имеет место, особенно при ранней оценке технико-технологической возможности производства новой продукции.

Таким образом, учитывая необходимость оперативного принятия решения при выполнении заказа в условиях крупного действующего производства, в настоящее время малоисследованной и трудноразрешимой является задача организации эффективного технологического процесса производства ленты с возможностью адаптивного управления ПК готовой продукции.

На кафедре машиностроительных и металлургических технологий ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» разработан

концептуально новый подход «технологической адаптации» ПК к внешним воздействиям, основанный на системных представлениях. Сущность данного подхода заключается в следующем.

Под «технологической адаптацией» понимается процесс целенаправленного изменения технологической системы в соответствии с определенными критериями приспособления ее структуры и функций к условиям внешней среды, обеспечивающих достижение целей системы (соответствующий уровень ПК, ожидания потребителей, гармонизацию нормативной базы).

С позиций системного подхода любая ММТС может быть представлена как система (объект - для случая конкретного вида продукции) преобразований вещества, энергии и информации (или операндом 0$). Так как операнд находится в системе преобразований, то его состояние определяется через вектор свойств. Таким образом, операнд имеет начальное состояние (начальные свойства) промежуточное состояние и конечное состояние ОсТ. Для удовлетворения соответствующей потребности задается необходимое состояние операнда Ос!\ которое является целью преобразований. Изменение

ОсГ

называется преобразованием, которое реализуется в процессе технологии. В результате преобразований операнд изменяет

вектор свойств Z1J■. Так, в рассматриваемой в качестве примера ММТС «производство холоднокатаной монетной ленты» ее управление качеством (УК) определяется совокупностью показателей механических свойств, геометрических параметров, характеристикой поверхности и структуры [4]:

Б' - вектор геометрических параметров; С' - вектор характеристик поверхности,

Ш" =

А

./

Б

С

Р„

(1)

о', -

вектор характеристик структуры.

где А' - вектор механических свойств,

При преобразовании операнда начального состояния в конечное состояние ОсР => ОС присущие ему свойства характеризуются изменчивостью. Противоположным изменчивости, неразрывно с ней связанным, является понятие наследственности [5].

Наследственность в рассматриваемом случае - это свойство металлопроката сохранять и передавать особенности, имеющиеся изначально, либо приобретаемые в процессе пооперационной технологической переработки. Благодаря наследственности конечный продукт в виде холоднокатаной ленты имеет комплекс характерных признаков, как подката, так и промежуточных состояний ленты по мере его переработки в готовую продукцию. Используя данную терминологию можно выделить следующие виды изменчивости:

Ненаследуемая технологическая изменчивость - приобретенные в процессе конкретной технологической операции характерные особенности проката не оказывают влияния на последующие его состояния после дальнейших переработок.

Наследуемая технологическая изменчивость подразумевает неизбежное влияние предшествующих операций на формирование комплекса окончательных характеристик продукции.

С представленной точки восприятия изменчивости свойств проката в ММТС «производство холоднокатаной монетной ленты», учитывая их тесную взаимосвязь, можно выделить родительскую наследственность (исходную) и приобретенную. Родительская - предопределенность характеристик готовой холоднокатаной ленты начальными свойствами подката. Приобретенная наследственность подразумевает совокупные изменения на разных стадиях в процессе производства ленты, существенные для конечного ее состояния. Это можно представить следующим логиче-

ским набором:

a ^ ab ^ abc ^ abcd ^ abce ^ abcf ^ abcfg, (2)

где a - наследуемый признак подката; b, с, f - наследуемые признаки операций; d, е - ненаследуемые признаки операций; g -признак готовой продукции.

Очевидно, что подобные системы, характеризующиеся значительной ролью наследственности при формировании конечного комплекса качественных показателей, для повышения результативности производства должны быть управляемы. При этом должны быть минимизированы затраты, связанные как с «повседневным» функционированием системы, так и с освоением новой продукции.

Рассмотрим возможность применения технологической адаптации ПК путем целенаправленного воздействия на ММТС, позволяющего перевести исследуемый объект (технологическую систему) в требуемое (целевое) состояние, на примере

системы изготовления холоднокатаной монетной ленты.

Будем считать, что состояние объекта изменяется под воздействием среды, в которой он находится. Пусть X - состояние среды, взаимодействующей с объектом, а У - состояние объекта (рис. 1).

Объект в соответствии с данной схемой можно представить как некоторый оператор-преобразователь J 0 состояния среды в состояние объекта [6]:

У = J0 (X), (3)

0

где л - некоторый оператор связи входа А и выхода В объекта, отражающий способ организации его работы; X - состояние окружающей среды; У - состояние исследуемого объекта.

Рис 1. Схема взаимодействия среды и объекта управления ПК

Другими словами, данный оператор представляет собой определенное управленческое решение, позволяющее достигать заданные цели. Таким образом, процесс управления направлен на достижение определенных конечных результатов, т.е. на реализацию конкретно поставленных целей. Для постановки и определения целей необходимо использование понятие «субъекта». Под субъектом в данном случае подразумевается потребитель с постоянно меняющимися запросами к ПК металлопродукции (в рассматриваемом случае - холоднокатаной ленты), удовлетворение которых является ключевым аспектом успешного функционирования технологической системы и всего предприятия в целом. При этом изменения требований потребителей могут определяться внешней средой в зависимости от ситуации на рынке, а также состоянием нормативной базы на данный вид металлопродукции (например, при необходимости гармонизации отечественных и зарубежных стандартов). Таким обра-

зом, субъект формирует внешние цели деятельности ММТС.

Однако кроме внешних целей управляемая технологическая система должна быть направлена на достижение установленных внутренних показателей Я, к примеру, таких как процент несоответствующей продукции по качеству при ее производстве, позволяющих оценить целесообразность, а также рациональность и эффективность принятого решения по организации конкретного технологического процесса (рис. 2).

В исследуемой ММТС по производству холоднокатаной ленты из горячекатаного подката для реализации процесса технологической адаптации и управления ПК при различного рода внешних возмущениях очевидна необходимость создания системного канала воздействия V, посредством которого оказывается влияние на состояние рассматриваемой системы.

Рис. 2. Схема адаптационного взаимодействия внешней и внутренней сред с объектом

Таким образом, с использованием основных положений теории технических систем состояние рассматриваемой ММТС можно охарактеризовать с помощью следующего выражения:

Х = (ой0, Ойп ,¥, Т^ (4),

где О^ - «вход» в систему, начальное состояние операнда (свойства подката); Оdn - «выход» системы, конечное состояние операнда (ПК готовой ленты); Т - элемент связи между «входом» и выходом» (адаптированная технология); V - управленческое воздействие; п - количество операций.

При этом технологический процесс в ММТС «производство холоднокатаной монетной ленты» за счет введения некого механизма адаптации выражается следующим образом:

Т = (Ой°> Ойп, А, Т0) (5),

где А - механизм адаптации; Т 0 - традиционная (базовая) технология.

В данном случае под «традиционной» будем понимать принятый в рамках данного выбранного варианта технологического процесса изготовления конкретного вида металлопродукции устоявшийся набор операций (технологических воздействий) применительно к рассматриваемой ММТС. При этом результаты традиционной технологии зачастую подразумевают достаточно широкий диапазон разброса получаемых свойств (например, механических характеристик готовой продукции), что в ряде случаев недопустимо.

Под системой управления будем понимать совокупность алгоритма управления и средств его реализации, собранных воедино для достижения объектом заданных целей.

Иными словами, для функционирования ММТС ей нужно определить цель управления (к чему следует стремиться в процессе технологического воздействия на систему), а также алгоритм управления — установку о том, как добиваться определенной субъектом цели, располагая информацией о состояниях входа и выхода объекта, а также поставленной перед ним цели:

¥ = А т^Ой 0, Ойп, У, ^ (6),

где А^Ш - алгоритм управления; У, Я -цели управления.

Технологическую адаптацию следует рассматривать не как отдельный этап управления ПК в отдельно взятой технологической операции, а как генеральную линию по обеспечению требуемого уровня качества на всех стадиях обработки путем разработки соответствующих моделей механизмов. На первоначальном этапе на основе выбранной методики, формулируются цели управления в ММТС. В рассматриваемом случае производства холоднокатаной ленты цели формулируются субъектом (потребителем) и согласовываются с производителем на предмет технической возможности их обеспечения.

При положительном решении производителя по возможности построения технической системы изготовления конкретного вида продукции, сформулированные в виде запроса цели субъекта становятся целями управления. Далее осуществляется выбор объекта управления. Иными словами, происходит выделение границ объекта управления. В качестве объекта управления в условиях исследуемой ММТС рассматривается совокупность технологических процессов изготовления холоднокатаной ленты из горячекатаного подката, т.е. технологические потоки и режимы на конкретных производственных операциях, образующие собой варианты достижения требуемых результатов - нормируемых ПК (рис. 3).

I ^ г

осР

Рис. 3. Схема структуры объекта управления (ММТС)

В результате выделенный объект адаптации - ММТС, представляет собой набор технологических операций, которые могут образовывать линейные последовательности. Каждая система определяется не только самим набором операций - элементов системы, но и возможностью их сочетания в реальной временной последовательности их применения. В то же время каждая из операций характеризуется набором количественных параметров, которые могут изменяться: обжатие, натяжение, скорость прокатки, температура и время нагрева и пр. Выбор этих параметров также является ресурсом адаптации. Таким образом, можно выделить два типа адаптации ПК ММТС: структурная, которая заключается в построении цепи технологических операций в соответствии с возможностью их сочетаний, и параметрическая, которая заключается в определении конкретных количественных характеристик каждой из операций технологической цепочки. Такая классификация соответствует классификации, используемой в общей теории систем.

В целях систематизации применения управленческих решений для рассматриваемой ММТС «Производство холоднокатаной монетной ленты» был разработан адаптационный алгоритм для изготовления стальной ленты с набором качественных показателей, заданных потребителем. Данный алгоритм является описанием деятельности технологической системы в от-

вет на внешний «раздражительный» фактор, например, при поступлении заказа на изготовление холоднокатаной ленты с узким труднодостижимым диапазоном механических свойств.

Разработанный алгоритм технологической адаптации предусматривает оценку технико-технологических возможностей предприятия на стадии принятия заказа, разработку гармонизированного стандарта на поставку продукции и предполагает в качестве ключевой стадию адаптации прецедента (рис. 4), включающую в себя:

- определение вариантов адаптации;

- их проверку на обеспечение требуемого уровня качественных показателей;

- переход к производству с занесением результатов в базу данных с ее последующим накоплением.

Выбор вариантов заключается в определении необходимых элементов адаптации и их сочетаний. С учетом принятого подхода будем различать три вида соответствующих элементов:

- А1 - адаптация технологических режимов в данной операции;

- А2 - адаптация технологической схемы производства;

- А3 - адаптация требуемого набора параметров в исходном состоянии (в данном примере, в горячекатаном подкате для производства ленты).

Адаптация прецедента Т° (традиционной технологии)

Возможность обеспечения нормируемых показателей качества

Выбор вариантов технологической адаптации:

А1, А1А2,А1А3, А2, А2А3, А3, а'а2а3

Т

Проверка вариантов адаптации

I

Сравнение результатов с требуемыми показателями качества

База данных

Производство (обеспечение показателей качества)

Корректировка требований потребителя

Рис. 4. Алгоритм адаптации прецедента в условиях технологической адаптации ПК

Соответственно, существует семь следующих сочетаний элементов (варианты) технологической адаптации функционирования ММТС «производство холоднокатаной монетной ленты» под требования потребителя: а1, а1 а2, а1 а3, а2,

а2а3, а3, а1а2а3.

Тогда весь процесс адаптации представляется как набор отдельных составляющих, т.е. реально возможных разных путей решения задачи освоения производства нового вида изделия. Все они обеспечивают достижение необходимых качественных показателей. Поэтому возникает задача выбора рационального варианта адаптации. Разумеется, возможен экономический подход, определяющий выбор на основе наименьших затрат. Однако для проектируемых процессов экономическая

оценка очень трудоёмка и имеет значительную погрешность в силу неопределённости многих параметров проектируемого процесса. Возможны и другие пути получения количественной оценки предпочтительности различных вариантов адаптации: экспертный, квалиметрический и др.

Представленный подход адаптивного управления показателями качества в многовариантной многостадийной системе позволил разработать и освоить в условиях ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» высокоэффективную технологию производства холоднокатаной монетной ленты, обеспечивающую гарантированное достижение нормируемого уровня качества металлопродукции при различных внешних возмущающих воздействиях.

Список литературы

1. Алгоритмизация адаптации многообъектных технологических систем / Телегин В.Е., Кур-бан В.В., Смирнов П.Н., Голубчик Э.М. // Производство проката. 2012. № 8. С. 8 - 14.

2. Построение эффективных технологий производства холоднокатаной ленты на основе адаптационных принципов / Телегин В.Е., Смирнов П.Н., Горшков С.Н., Курбан В.В., Голубчик Э.М. // Труды IX конгресса прокатчиков. Т.1. 2013. С. 232 - 236.

3. Полякова М.А., Голубчик Э.М., Телегин В.Е. Повышение результативности технологии производства холоднокатаной ленты из сверхниз-коуглеродистой стали. // XIII Междунар. научная конф. «Новые технологии и достижения черной металлургии и строения материалов». Коллективная монография под ред. X. Дыя, А. Кавалек, П. Чаптер. Серия: Монография. Ченстохова (Польша). № 24. 2012. С. 333-336.

4. Телегин В.Е., Хохлов А.В., Голубчик Э.М. Построение адаптационных моделей при проектировании многообъектных технологических систем // Управление большими системами: материалы VIII школы-конференции молодых ученых. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2011. С. 318 - 321.

5. Анализ метода непрерывного деформационного наноструктурирования проволоки с использованием концепции технологического наследования / Чукин М.В., Корчунов А.Г., Полякова М.А., Гулин А.Е., Голубчик Э.М. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им Г.И. Носова. 2012. №4. С.61-65.

6. Растригин Л.А. Адаптация сложных систем. Методы и приложения. Рига: Зинатне, 1981. 375 с.

References

1. Telegin V.E., Kurban V.V., Smirnov P.N., Golubchik Je.M.. Adaptation algorithm presentation

for multiobject technological systems. Proizvodstvo prokata [Production of rolled]. 2012, no. 8, pp. 8 - 14.

2. Telegin V.E., Smirnov P.N., Gorshkov S.N., Kurban V.V., Golubchik Je.M.. Development of efficient technology for cold rolled strip production based on adaptation principles. Trudy IX Kongressa prokatchikov [Proceedings of the IX Congress of distributors], vol. 10, 2013, pp. 232 - 236.

3. Poljakova M.A., Golubchik Je.M., Telegin V.E. Improvement of technology efficiency for cold rolled strip production from ultralow carbon steel XIII Mezhdunarodnaja nauchnaja konferencija «Novye tehnologii i dostizhenija chernoj metallurgii i stroenija materialov» [XIII International Scientific Conference "New technologies and achievements of ferrous metallurgy and building materials"]. Collective monograph Ed. H. Dyja, A. Kavalek, P. Chapter. Series: Monograph no. 24, Czestochowa, Poland 2012r, pp. 333-336.

4. Telegin V.E., Hohlov A.V., Golubchik Je.M.. Adaptation model development during multiobject technological systems design. Upravlenie bolshimi sistemami: materialy VIII shkoly-konferencii molodyh uchenyh. Magnitogorsk [Managing large systems: Materials VIII School-Conference for Young Scientists. Magnitogorsk]. Publisher Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [NMSTU]. 2011, pp. 318 - 321.

5. Chukin M.V., Korchunov A.G., Poljakova M.A., Gulin A.E., Golubchik Je.M. Analysis of continuous method of deformational wire nanostructuring using technological inheritance concepts. [Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2012,

no. 4, pp.61-65.

6. Rastrigin L.A. Adaptacija slozhnyh sistem. Metody i prilozhenija [Adaptation of complex systems. Methods and applications]. Zinatne, Riga,1981, 375 p.