Автоматизована система контролю мікроклімату спеціальних виробничих приміщень для складання прецизійних приладів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

Спеціальність: 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Автоматизована система контролю мікроклімату спеціальних виробничих приміщень для складання прецизійних приладів

Мережаний Юрій Григорович

Київ - 2013

Дисертацією є рукопис.

Робота виконувалась на кафедрі виробництва приладів Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівний:

Доктор технічних наук, професор Антонюк Віктор Степанович,

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", м. Київ, професор кафедри виробництва приладів

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Скрипник Юрій Олексійович Київський національний університет технологій та дизайну, м. Київ, професор кафедри автоматизації технологічних процесів та комп'ютерних систем

Кандидат технічних наук, доцент Орнатський Дмитро Петрович Національний авіаційний університет України, м. Київ, доцент кафедри інформаційно-вимірювальних систем

Захист відбудеться "25" квітня о 15:00 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.18 у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, пр-т Перемоги, 37, навчальний корпус №1, аудиторія 293-1.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий "22" березня 2013 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д.т.н., професор H.І. Бурау

Анотації

Мережаний Ю.Г. Автоматизована система контролю мікроклімату спеціальних виробничих приміщень для складання прецизійних приладів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2013.

Дисертація присвячена розв'язанню задачі вимірювання, контролю та прогнозування стану параметрів мікроклімату спеціального виробничого приміщення з метою забезпечення експлуатаційних характеристик прецизійних приладів на стадії виконання процесу їх складання.

В роботі розроблено математичний апарат прогнозування змін стану мікроклімату спеціального виробничого приміщення, заснований на аналітичних залежностях, які враховують перехресні зв'язки технологічного середовища та особливості спеціальних виробничих приміщень, що дає можливість сигналізувати про можливий вихід параметру мікроклімату за допустимі границі ще до його фактичного виходу.

Удосконалено вже існуючі, та створено нові методики для комплексного аналізу технологічного процесу складання, в умовах спеціальних виробничих приміщень з підвищеним класом чистоти, що дозволяє забезпечити експлуатаційні характеристики вихідної продукції на рівні, заданому вимогами технологічного процесу.

В результаті виконання роботи розроблено систему контролю мікроклімату спеціальних виробничих приміщень для складання прецизійних приладів. Використання розробленої автором системи контролю дозволило зменшити відмови вихідної продукції прецизійного складального виробництва в 1,2..1,4 рази.

Ключові слова: автоматизація, система контролю, моніторинг, прогнозування, мікроклімат, прецизійне складання.

Мережаный Ю.Г. Автоматизированная система контроля микроклимата специальных производственных помещений для сборки прецизионных приборов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - приборы и методы контроля и определения состава веществ. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2013.

Диссертация посвящена решению задачи измерения, контроля и прогнозирования состояния параметров микроклимата специального производственного помещения, так называемого "чистого помещения", с целью обеспечения эксплуатационных характеристик прецизионных электромеханических приборов на стадии выполнения процесса их сборки. При этом учитываются такие параметры микроклимата производственного помещения, как температура воздуха, влажность воздуха, концентрация микроскопических частиц пыли в воздухе, а также перепад давления воздуха между чистым производственным помещением и другими помещениями с более низким классом чистоты. вимірювання контроль мікроклімат

В работе разработан математический аппарат прогнозирования изменений состояния микроклимата специального производственного помещения. Для прогнозирования состояния параметров микроклимата специального производственного помещения используются методы интерполяции и экстраполяции функции при помощи кубических сплайнов. При этом учитываются перекрестные связи технологической среды специальных производственных помещений, в которую входит каждый из исследуемых параметров микроклимата сборочного производственного помещения, что дает возможность сигнализировать о возможном выходе параметров микроклимата за допустимые границы еще до их фактического выхода. То есть прогнозируется возможность наступления критической ситуации, при которой на выходе сборочного производства будет продукция не соответствующая требованиям технологического процесса сборки.

Расчет параметрической надежности разработанной системы контроля и прогнозирования параметров микроклимата производственного помещения производится на основе методик оприделения показателей параметрической надежности схем системы контроля.

Для оценки влияния микроклимата на эксплуатационные характеристики прецизионных приборов использовано метод экспертных оценок. Для получения групповой оценки объектов используется среднее значение оценки для каждого объекта. При этом коэффициенты компетентности экспертов оцениваются по степени согласованности с групповой оценкой объектов. Метод экспертных оценок дает возможность оценить, как эксплуатационные характеристики прецизионного прибора, в процессе его сборки, зависят от микроклимата сборочного помещения, а также оценить степень этой зависимости.

Использование в работе метода анализа рисков и критических контрольных точек НАССР (Hazard Analysis and Critical Control Points) позволяет производить комплексную оценку технологического процесса сборки с целью выявления факторов, которые являются наиболее опасными для эксплуатационных характеристик выходной продукции, на уровне сборочных единиц, технологических операций і переходов. При этом проводится анализ опасных факторов и выбираются те из них, устранение или снижение негативного действия которых достаточно сильно влияет на эксплуатационные характеристик изготовляемой продукции.

Благодаря усовершенствованию существующих и созданию новых методик для комплексного анализа технологического процесса сборки, в условиях специальных производственных помещений с повышенным классом чистоты, удалось обеспечить эксплуатационные характеристики выходной продукции на уровне, заданном требованиями технологического процесса.

В работе также разработано схему системы контроля параметров микроклимата специального производственного помещения, выполнено расчеты и построено схемы электрические принципиальные блоков системы контроля, проведены экспериментальные исследования теоретических положений, на примере производственных процессов сборки гироскопических приборов, и приведены полученные результаты.

Использование разработанной автором системы контроля позволило снизить отказы выходной продукции прецизионного сборочного производства в 1,2 ..1,4 раза.

Ключевые слова: автоматизация, система контроля, мониторинг, прогнозирование, микроклимат, прецизионная сборка.

Merezhany Y. Automatic climate control system is of special production facilities for the assembly of precision instruments. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences in specialty 05.11.13 - Devices and methods for monitoring and determining the composition of substances. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2013.

The thesis is devoted to solving the problem of measuring, monitoring and forecasting parameters of the special microclimate of industrial premises to ensure the performance of precision instruments at the stage of a process of assembly.

Developed a mathematical formalism predict climate changes in the status of a special industrial area, which is based on the analytical curves that allow for cross-linking technology environment and the special features of production facilities, allowing the output signal of a possible parameter of the microclimate of bounds before its actual release.

Improved existing and developed new techniques for the comprehensive analysis of the assembly process, in a special production areas with high purity class, which allows for performance outputs at the level specified by the requirements of the process.

As a result of the work developed a system of climate control special production facilities for the assembly of precision instruments. Using a control system developed by the author has reduced the marriage outputs precision assembly plant in 1,2 ..1,4.

Keywords: automation, system control, monitoring, forecasting, climate, precision assembly.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний розвиток приладобудування та впровадження в промисловість нових прецизійних технологій складання потребує високої надійності, швидкодії та точності функціонування систем контролю стану технологічного середовища, а саме - мікроклімату виробничого приміщення.

В зв'язку з цим дослідження та створення надійних і ефективних систем контролю параметрів мікроклімату має велике значення для приладобудівної галузі.

Аналіз технічного стану та відмов прецизійних приладів під час їх експлуатації показує, що деталі з поверхнями тертя у рухомих вузлах приладів і робочих механізмах потребують якісного забезпечення параметрів мікроклімату виробничого приміщення, в якому виконуються операції складання. Широке впровадження на приладобудівних підприємствах сучасних технологічних процесів складання, які здатні забезпечити високі і стабільні показники експлуатаційних характеристик прецизійних приладів, а також підвищити їх надійність і безвідмовність, обмежується відсутністю науково-обґрунтованих розробок по системам моніторингу, контролю та прогнозуванню параметрів мікроклімату, і рекомендацій стосовно застосування таких систем.

Це обумовлює актуальність постановки задачі розробки та впровадження перспективних й ефективних систем контролю мікроклімату спеціальних виробничих приміщень на основі системного підходу до розробки методології, вимірювання і контролю параметрів мікроклімату, а також технологічного забезпечення функціонального апарату прогнозування змін стану параметрів мікроклімату в часі з врахуванням взаємозв'язків і сутності процесів всередині технологічного середовища, що в свою чергу забезпечить якість експлуатаційних характеристик вихідної продукції прецизійного складального виробництва.

Вирішення такої задачі можливе в поєднанні технологічних та математичних методів дослідження параметрів мікроклімату, які дозволяють контролювати властивості технологічного середовища і тим самим чинити вплив на якість виконання складальних операцій, забезпечуючи зокрема зменшення коефіцієнту тертя, інтенсивності зношування, підвищення опору схопленню, заїданню та корозії в робочих механізмах прецизійних приладів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" і пов'язана з пошуком шляхів забезпечення експлуатаційних характеристик, якості, надійності та точності прецизійних приладів, згідно теми №2454 п "Розробка інформаційно-діагностичного комплексу контролю автоматизованого технологічного процесу механічної обробки матеріалів" ДР № 0111U000713.

Мета і завдання дослідження. Автоматизація контролю технологічного середовища спеціального виробничого приміщення, призначеного для складання прецизійних приладів, шляхом моніторингу та прогнозування стану параметрів мікроклімату на етапі виконання технологічних операцій складання, з метою забезпечення експлуатаційних характеристик вихідної продукції.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі основні наукові та прикладні задачі:

* на основі аналізу задачі визначити фактори, що впливають на технологічне середовище спеціального виробничого приміщення, призначеного для складання прецизійних приладів;

* обґрунтувати науковий підхід вирішення задачі підвищення якості процесу контролю і прогнозування параметрів мікроклімату для забезпечення експлуатаційних характеристик вихідної продукції прецизійного складального виробництва;

* запропонувати методологію дослідження параметрів мікроклімату, закономірностей їх формування та оцінки впливу мікроклімату на експлуатаційні характеристики прецизійних приладів під час їх складання;

* створити методи аналізу і прогнозування параметрів мікроклімату на основі фізичних і математичних залежностей, алгоритмів, та методів досліджень;

* розробити автоматизовану систему контролю параметрів мікроклімату спеціального виробничого приміщення, призначеного для складання прецизійних приладів;

* створити комплексну методику аналізу процесу складання прецизійних приладів для забезпечення експлуатаційних характеристик вихідної продукції;

* на основі отриманих результатів створити і впровадити у виробництво технологічні рекомендації до умов складання прецизійних приладів.

Об'єкт дослідження - процес контролю параметрів мікроклімату спеціального виробничого приміщення, призначеного для складання прецизійних приладів.

Предмет дослідження - автоматизована система контролю мікроклімату спеціальних виробничих приміщень для складання прецизійних приладів.

Методи дослідження. При проведенні теоретичних та експериментальних досліджень використовувалися: порівняльний аналіз методів та засобів вимірювання параметрів мікроклімату; методи формалізації, моделювання, оцінки і прогнозування; метод аналізу ризиків та критичних контрольних точок; методи розрахунку відхилень і похибок; методи визначення розмірів і концентрації аерозольних часток, температури та вологості повітряного середовища; методи математичного та фізичного моделювання, зокрема метод експертних оцінок, положення теорії чисельних методів інтерполяції та екстраполяції функції; методи алгоритмізації; положення теорії автоматичного керування та теоретичних основ електротехніки і схемотехніки; методи створення автоматизованих вимірювальних мікропроцесорних систем; методи математичної статистики та обробки експериментальних результатів.

Наукова новизна одержаних результатів відображена в наступних положеннях, встановлених вперше:

* удосконалено метод оцінки впливу мікроклімату на експлуатаційні характеристики прецизійних приладів;

* вперше розроблено математичні залежності для прогнозування стану параметрів мікроклімату спеціального виробничого приміщення на основі методу інтерполювання за допомогою кубічних сплайнів, що дозволяє зменшити ймовірність виникнення критичних ситуацій, пов'язаних з виходом параметрів мікроклімату за допустимі граничні значення;

* удосконалено метод аналізу ризиків і критичних контрольних точок, який за рахунок аналізу процесу складання дозволяє покращити ефективність контролю та прогнозування стану параметрів мікроклімату.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена та захищена патентами України автоматизована система контролю та прогнозування параметрів мікроклімату, що апаратно реалізує запропоновані алгоритми і схеми, яка забезпечує необхідні параметри технологічного середовища у спеціальному виробничому приміщені, зокрема стан концентрації аерозольних часток у повітрі (патенти України №№55401, 64432) і температурний режим виробничого приміщення (патент України №62945).

Впровадження системи контролю мікроклімату спеціального виробничого приміщення для складання прецизійних приладів на ПАТ "Науково-виробничий комплекс "Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського" (м. Київ) забезпечило зменшення відмов вихідної продукції в 1,2..1,4 рази.

Реалізація результатів роботи. Отримані в дисертаційній роботі результати можуть бути використані фахівцями та підприємствами, які займаються розробкою, виготовленням та експлуатацією прецизійних приладів.

Результати дисертаційної роботи впроваджено і підтверджено актами впровадження, на публічному акціонерному товаристві "Науково-виробничий комплекс "Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського", а також в навчальний процес кафедри виробництва приладів, ПБФ, НТУУ "КПІ" в курс "Мікропроцесори та ЕОМ".

Річний економічний ефект від впровадження автоматизованої системи контролю мікроклімату становив 38,4 (тридцять вісім і чотири десяті) тисяч гривень на рік.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень, виконані особисто автором. Постановка задачі досліджень, розробка методів та підходів до її вирішення здійснювались спільно з науковим керівником [1-3, 6].

Безпосередньо автором роботи виконано теоретичні та експериментальні дослідження з визначення параметрів мікроклімату спеціального виробничого приміщення, фізичних та математичних залежностей для розрахунку виміряних значень параметрів мікроклімату та прогнозування значень цих параметрів, створення методик та проведення експериментів з реалізації розробленої системи контролю [4, 18].

За участі співавторів проведені експериментальні роботи і фізичні дослідження, результати яких відображені в спільних публікаціях [6-8]. В цих роботах автором проведені теоретичні та експериментальні дослідження, розроблені математичні залежності для розрахунку параметрів мікроклімату та математичний апарат прогнозування їх стану. В патентах [23-25] автору належать ідеї з побудови структури систем вимірювання та контролю стану технологічного середовища, принципи функціонування та алгоритми роботи сформульовані спільно зі співавторами.

Апробація результатів дисертації. В продовж роботи основні положення та результати дисертаційної роботи були висвітлені на: X-ХІ Міжнародній науково-технічній конференції "Приладобудування 2011: стан і перспективи" (Київ, 2011 р., 2012р.); Х-ХІ всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції "Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво" (Суми, 2010 р., Житомир, 2011р.); міжнародній науково-практичній конференції "Європрилад - 2010: тенденції розвитку та перспективи" (Луцьк, 2010 р.); 11-му Міжнародному науково-технічному семінарі (Свалява, 2011 р.);

XІІІ Міжнародній молодіжній науково-практичній конференції "Людина і космос" (Дніпропетровськ, 2011 р.); 4-й Міжнародній студентській науково-технічній конференції (Мінськ. Білорусія, 2011 р.); 3-й міжнародній науково-технічній конференції "Модернізація машинобудівного комплексу Росії на наукових основах технології машинобудування" (Брянськ. Росія, 2011 р.); міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених "Прогресивні напрямки розвитку машиноприладобудівних галузей і транспорту" (Севастополь, 2011 р.); VII mezinarodni vedecko - prakticka konference "Dny vedy - 2011" (Прага. Чехія, 2011 р.); 11-й міжнародній науково-практичній конференції (Ялта, 2011 р.); 3 - й науково-практичній конференції "Методи та засоби неруйнівного контролю промислового обладнання" (Івано-Франківськ, 2011 р.); VIII Международной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии жизненного цикла авиационных двигателей и энергетических установок" (Запоріжжя-Алушта, 2011 р.) Х міжнародній науково-технічній конференції "Фізичні процеси та поля технічних і біологічних об'єктів" (Кременчук, 2011 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені у 27 наукових працях, з них 7 статей, 6 з них у провідних фахових виданнях України, 3 статті у закордонних виданнях, 3 патенти України на корисну модель і 14 тез доповідей у матеріалах конференцій.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (161 бібліографічне посилання, 17 сторінок) і додатків (132 сторінки). Повний обсяг дисертації складає 203 сторінки. Обсяг роботи, в якому викладено її основний зміст, складає 134 сторінки, в тому числі 45 ілюстрацій і 8 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, її значимість для науки, визначені мета і задачі дослідження, сформульована наукова новизна і показана практична цінність отриманих результатів, вказано особистий внесок здобувача і наведені дані про публікації та апробацію роботи.

В першому розділі виконано аналіз вітчизняної і зарубіжної науково-технічної літератури з досягнень і проблем щодо контролю та забезпечення мікроклімату спеціальних виробничих приміщень на сучасному технічному рівні. Розглянуто понад 160 вітчизняних і закордонних літературних джерел, які присвячені основним теоретичним положенням і дослідженням в області формування та контролю мікроклімату виробничих приміщень приладобудівної галузі, контролю та створенню спеціальних технологічних середовищ, забезпеченню та підвищенню якості експлуатаційних характеристик прецизійних приладів. Особлива увага приділена розгляду і аналізу публікацій, в яких відображені нові методи і засоби контролю та керування такими параметрами мікроклімату як чистота повітряного середовища, а також температура і відносна вологість повітря виробничого приміщення.

Значний науковий вклад у розвиток новітніх технологій прецизійного приладобудування, дослідження і розробку методів контролю параметрів мікроклімату внесли багато вітчизняних і зарубіжних вчених: Калечиць В.І., Попов А.Ю., Уайт У., Фєдотов А.Е., Хаякава І., Шихт Г.Г. та інші. Вирішенню задач підвищення якості складання, точності та надійності роботи прецизійних приладів присвячено роботи: Нікітіна Е.А., Павлова В.А., Павловського М.А., Пельпора Д.С та інших.

Аналіз науково-технічної літератури визначив ряд невирішених питань, пов'язаних з загальною метою забезпечення високих і стабільних показників експлуатаційних характеристик прецизійних приладів шляхом контролю параметрів мікроклімату спеціальних виробничих приміщень в яких виконуються операції складання. Якість технологічного середовища зокрема забезпечується чітким дотриманням параметрів мікроклімату в межах визначеного класу чистоти приміщення. З цією метою проведено аналіз літератури щодо впливу мікроклімату на експлуатаційні характеристики прецизійних приладів, виконано оцінку методів і засобів контролю та формування параметрів мікроклімату.

В другому розділі описуються методи і засоби вимірювання, та аналізу параметрів мікроклімату спеціальних виробничих приміщень. Об'єктом досліджень визначено процес контролю параметрів мікроклімату виробничого приміщення, призначеного для складання прецизійних приладів. Вимірювання параметрів мікроклімату та аналіз отриманих результатів щодо класу чистоти спеціального виробничого приміщення проводиться згідно міжнародного стандарту ISO 14644.

Розміри аерозольних часток і їх концентрацію в повітрі складального приміщення вимірюють лише для тих розмірів часток, що задані технічними вимогами процесу складання. Вимірювання проводиться методом автоматизованого неперервного відбору проб повітря. Для обробки результатів вимірювання використовується графічний метод послідовного відбору проб. Відбір проб виконується дискретним оптичним лічильником часток Remote 3014Р фірми Lighthouse (США) з вбудованим насосом, що забезпечує прокачування через прилад 2,8 л повітря за хвилину.

Вимірювання температури повітря проводиться на висоті робочої зони, на відстані не менше 300 мм від стін, з періодичністю в 6 хвилин. Для вимірювання температури повітря використовується цифровий термометр опору DS1621, що забезпечує зчитування температури повітря і оцифровуваня даних з розрядністю 9 біт та точністю 0,5 °С, швидкість оцифровування даних становить 1 секунду.

Вимірювання відносної вологості повітря виконується після стабілізації роботи системи вентиляції й кондиціонування. Для вимірювання відносної вологості повітря складального приміщення використовується електричний датчики вологості RC/PC з інтерфейсом передачі даних RS232.

Перепад тиску між спеціальним виробничим приміщенням, з високим класом чистоти, і суміжними приміщеннями виконується при повністю закритих дверях та шлюзових камерах. Вимірювання проводиться за допомогою механічного диференціального пресостату DTV 30.

Для забезпечення зв'язку вимірювальних пристроїв з системою контролю параметрів мікроклімату використовуються цифрові методи передачі даних, а саме: RS-485, I2C, RS-232.

Для прогнозування стану параметрів мікроклімату спеціального виробничого приміщення використовуються методи інтерполяції та екстраполяції функції за допомогою кубічних сплайнів.

Розрахунок параметричної надійності системи виконується на основі методик визначення показників параметричної надійності схем системи контролю.

Для оцінки впливу мікроклімату на експлуатаційні характеристики прецизійних приладів використано метод експертних оцінок. Для одержання групової оцінки об'єктів використовується середнє значення оцінки для кожного об'єкта:

де m - це кількість експертів, що виконують оцінку n об'єктів по l показникам; результати оцінки представлені у вигляді рангу ; j - номер експерта;

i - номер об'єкта; h - номер показника (ознаки) порівняння; - коефіцієнт ваги показників порівняння об'єктів; - коефіцієнт компетентності експерту.

Коефіцієнти компетентності експертів оцінюються за ступенем погодженості з груповою оцінкою об'єктів:

Метод експертних оцінок дає можливість оцінити, які експлуатаційні характеристики прецизійного приладу, в процесі його складання, залежать від мікроклімату складального приміщення, а також оцінити ступінь цієї залежності.

Використання методу аналізу ризиків і критичних контрольних точок НАССР (Hazard Analysis and Critical Control Points) дозволяє виконувати комплексну оцінку технологічного процесу складання з метою виявлення факторів, що є найбільш небезпечними для експлуатаційних характеристик вихідної продукції на рівні складальних одиниць, технологічних операцій і переходів. При цьому проводиться аналіз небезпечних факторів й відбираються ті з них, усунення або зниження негативної дії яких істотно впливає на експлуатаційні характеристик продукції, що виготовляється.

В третьому розділі наведено основі аналітичні залежності для мікрокліматичних параметрів спеціального виробничого приміщення, основою яких є нестаціонарні рівняння Навье-Стокса, а також рівняння переносу тепла, вологи і аерозольних часток. В основу розрахунку в роботі закладено наступні математичні рівняння:

,

,

.

де - температура повітря; - вологість повітря; - об'ємна концентрація аерозольних часток; - час; - прихована теплота конденсації (або сублімації);

- питома теплоємність при постійному тиску; - швидкість формування рідкої фази; (і = 1,2,3) - просторові декартові координати; ,, - розрахункові коефіцієнти; ,, - штучні джерела тепла, вологи і забруднюючих домішок.

Для прогнозування стану параметрів мікроклімату використовуються математичні методи інтерполяції та екстраполяції. В якості апарату наближення використовуються кубічні сплайни. Таким чином, визначивши модель для інтерполяції, була отримана можливість отримати дискретні значення

параметрів мікроклімату і нову траєкторію зміни стану параметрів, а саме: температури, вологості та концентрації аерозольних часток:

де и, q, c - відповідно значення температури повітря спеціального приміщення, вологості повітря та концентрації аерозольних часток в повітрі; і - дискретні моменти часу відбору проби; уі - границі інтерполяції; m і h - розрахункові коефіцієнти.

Для визначення моменту виходу значення параметру мікроклімату за допустимі границі необхідно екстраполювати значення параметру на деякий проміжок часу. Таким чином отримано нову систему рівнянь для прогнозування зміни стану параметрів мікроклімату:

де t - це деякий проміжок часу на якому проводиться екстраполяція; j - дискретний момент часу, в якому визначається прогнозований стан параметру мікроклімату.

Розроблений математичний апарат дозволяє прогнозувати стан параметрів мікроклімату у довільний дискретний момент часу j і таким чином визначати можливий момент виходу значень температури повітря, вологості повітря, або концентрації аерозольних часток за допустимі границі, ще до їх фактичного виходу.

Також в розділі розроблено алгоритми роботи автоматизованої системи контролю, що складається з двох підсистем: вимірювальної та прогнозування стану параметрів мікроклімату. Схему розробленого узагальненого алгоритму роботи системи вимірювання параметрів мікроклімату представлено на рис. 1.



Рис. 1. Узагальнений алгоритм роботи автоматизованої системи контролю мікроклімату

В четвертому розділі розроблено схему системи контролю параметрів мікроклімату спеціального виробничого приміщення, виконано розрахунки та побудовано схеми електричні принципові блоків системи контролю, проведені експериментальні дослідження теоретичних положень, на прикладі виробничих процесів складання гіроприладів, та наведено отримані результати.



Схему автоматизованої системи контролю мікроклімату спеціального виробничого приміщення (патенти України №№55401, 64432, 62945) призначеного для складання прецизійних приладів, представлено на рис. 2. Система контролю мікроклімату складається із наступних основних функціональних блоків: блоку живлення (БЖ), блоку задання та відображення (БЗ/В), блоку керування (БК), і блоку первинних вимірювальних перетворювачів (БД).

БЖ складається з випрямляча напруги (1), стабілізатора (2) та мережевого фільтра (3). БЗ/В (рис. 3а) виконує функцію відображення робочих даних та налаштування роботи системи контролю. БЗ/В складається з блоку відображення (4), що виводить, у зручному для оператора системи вигляді, поточні значення параметрів мікроклімату приміщення, налаштування системи контролю та задані порогові значення параметрів мікроклімату, які необхідно контролювати; задатчик (5), за допомогою якого виконується налаштування роботи системи та завдання порогових значень параметрів мікроклімату; порти вводу/виводу (6) призначені для обміну даними між БЗ/В та БК. БК виконує функцію керування роботою системи контролю, опитування БД, обмін даними з БЗ/В та прогнозування можливих критичних ситуацій, пов'язаних зі зміною параметрів мікроклімату (рис. 3б). БК складається з зовнішньої пам'яті (7), призначеної для протоколювання роботи системи; мікропроцесору (8); набору таймерів/лічильників Т/Л 0, Т/Л 1, Т/Л 2 (9), що задають необхідні дискретні часові інтервали для роботи системи; портів вводу/виводу (10); універсального асинхронного приймача-передавача (11); модуля I2C (12). БД виконує функцію збирання даних про стан різних параметрів мікроклімату і складається з вимірників температури (13,14,15, 17, 18, рис. 3в) і блоку керування нагрівачем (23); вимірника відносної вологості повітря (16); вимірників перепаду тиску (19, 20, 21, рис. 3г); вимірника концентрації аерозольних часток (22). Автоматизована система контролю виконує вимірювання параметрів мікроклімату з дискретністю проміжків часу 1 хвилина.

Рис. 3а. Блок задання та відображення системи контролю	Рис. 3б. Блок керування системи контролю мікрокілмату

Рис. 3в. Розміщення вимірника температури DS1621 в вентиляційному каналі та вимірників контролю температури нагрівача	Рис. 3г. Розміщення вимірників перепаду тиску DTV 30 на вентиляторі, що нагнітає повітря в приміщення

Апробацію розробленої автоматизованої системи контролю параметрів мікроклімату виконано на технічній базі ПАТ "Науково-виробничий комплекс "Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського" (м. Київ) в спеціальному виробничому приміщення, призначеному для складання прецизійних гіроскопічних приладів. Слід відмітити, що програмно-апаратні рішення, закладені в роботі, можуть бути реалізовані тільки у випадку правильного виконання монтажу розробленої системи контролю з урахуванням специфіки спеціальних виробничих приміщень з підвищеним класом чистоти повітря, оскільки таке приміщення відрізняється від будь-якого іншого тим, що його призначенням є підтримка заданого, штучно створеного, рівня параметрів мікроклімату, що значно відрізняється від рівня навколишнього середовища. Більш детально вимоги до монтажу розробленої автоматизованої системи контролю викладені у технологічних рекомендаціях до умов складання прецизійних приладів, наведених в роботі, та впроваджених на підприємстві де виконувалась апробація роботи.

Вимірювання та контрол параметрів мікроклімату необхідно проводити у критичних контрольних точках (ККТ) технологічного процесу складання, оскільки це дозволяє ефективно отримувати саме ту інформацію, яка є критичною для конкретного технологічного процесу складання. Для визначення ККТ технологічного процесу складання в роботі застосовується метод експертних оцінок та удосконалений в роботі метод аналізу ризиків і критичних контрольних точок.

Застосування методу експертних оцінок дозволило визначити, на які саме експлуатаційні характеристики прецизійного приладу, що складається, параметри мікроклімату мають найбільший вплив. Відповідно до методики, наведеної в роботі, виконано опитування групи експертів підприємства. Оцінку ступеня узгодженості думок експертів визначено за допомогою коефіцієнта конкордації Кенделла, оскільки отримане значення коефіцієнта наближається до 1, то можна стверджувати, що між думками експертів є значний збіг, а тому такі результати можна вважати достовірними. Гіпотеза про не випадковість співпадіння думок експертів перевірена за допомогою критерію Пірсона - , і оскільки , то можна визнати результати експертизи задовільними та адекватними. Таким чином були отримали результати апріорного ранжиру експлуатаційних характеристик гіроприладу На основі отриманих даних складено кругову діаграму (рис. 4), що показує ранжування експлуатаційних характеристик гіроприладу у залежності від мікроклімату (у відсотковому відношенні).

Метод аналізу ризиків і критичних контрольних точок застосовано до технологічного процесу складання гіроприладу. Аналіз процесу складання дозволив визначити критичні операції процесу складання (ККТ), на яких невідповідність параметрів мікроклімату заданим вимогам суттєво впливає на характеристики вихідної продукції. Критичними були визначені такі операції: 025 Промивочна; 045 Складальна; 075 Регулювальна (рис. 5)

Рис. 5. Схема технологічного процесу складання з врахуванням ККТ

Проведений аналіз дав змогу в 6 разів зменшити кількість контрольних точок для проведення вимірювань параметрів мікроклімату.

Як видно з діаграми (рис. 6), кількість проведених вимірювань розробленою системою контролю мікроклімату становить 1440 за добу, тоді як за цей же період вдалось провести лише 3 вимірювання вручну, 144 вимірювання для методу послідовного відбору проб з усередненим значенням за 10хв і 36 для методу відбору за допомогою колектора (дані для останніх двох методів взяті з літератури). Тобто застосування розробленої автоматизованої системи контролю дало можливість скоротити строки проведення вимірювань в 160 раз (1 хвилина на проведення вимірювань автоматизованою системою контролю проти 160 хвилин для вимірювань вручну) і лише в одній контрольній точці отримати об'єм інформації, що майже на два порядки перевищує інформативність методів послідовного відбору проб (з усередненим значенням та з використанням колектора), та на три порядки перевищує швидкість вимірювань, які проводилися вручну (1440 вимірювань за добу автоматизованою системою контролю проти 3 вимірювань вручну). Результати вимірювання вручну не дають повної картини характеру змін параметрів мікроклімату виробничого приміщення протягом відносно великого проміжку часу і мають більшу похибку вимірювання у порівнянні з розробленою системою контролю (рис. 7)



Рис. 7. Концентрація аерозольних часток в повітрі спеціального виробничого приміщення протягом доби

Розрахунок похибок вимірювання показав (табл. 1), що відносна похибка вимірювання автоматизованою системою та вручну не перевищувала 2,85% (максимальне значення), а середнє значення похибки становило 0,81%.

Таблиця 1.

Відносна похибка проведених вимірювань автоматизованою системою та вручну

Параметр мікроклімату	Відносна похибка вимірювання, %
	ККТ 1	ККТ 2	ККТ 3
Концентрація аерозольних часток в повітрі	0,292334	0,057652	1,245088
Температура повітря	0,446112	0,166667	2,8511
Вологість повітря	0,780379	0,938832	0,493625

Отримані результати показують, що при застосуванні розробленої автоматизованої системи контролю параметрів мікроклімату середня похибка вимірювання не перевищувала 0,61%, а середнє значення похибки становило 0,40%. У порівнянні з вимірюваннями, що проводились вручну, похибка вимірювання зменшилась у 4,5 рази.



Рис. 8. Вихід значення температури повітря за ВДМ та його подальша нормалізація:

де - це момент часу виникнення можливої критичної ситуації; - відправні моменти часу для побудови прогнозу стану параметру мікроклімату; - момент часу сигналізації про можливе виникнення критичної ситуації; - момент часу фактичного виходу параметру мікроклімату за верхню допустиму межу (ВДМ);
- прогнозовані моменти часу виходу параметру мікроклімату за ВДМ.

При моделюванні роботи підсистеми прогнозування стану параметрів мікроклімату, значення параметрів проводилися через наступні стани: нормальний стан, стан підвищеного ризику, критичний стан і стан нормалізації (рис. 8). Де, нормальний стан - це стан параметру мікроклімату в межах, заданих технічними вимогами до процесу складання приладу; стан підвищеного ризику - це стан, коли значення параметру мікроклімату починає наближатись до границі допустимих значень (при цьому можна використовувати корегувальні з метою повернення значень параметру в нормальний стан); критичний стан - це стан, коли значення параметру виходить за допустимі межі - верхню допустиму межу (ВДМ), або нижню допустиму межу (НДМ); стан нормалізації - це стан, коли значення параметру мікроклімату проходить максимальне значення виходу параметру за ВДМ або за НДМ і прямує до стану нормалізації.

Підсистемою прогнозування проводиться постійний моніторинг виміряних значень параметрів мікроклімату, і на основі виміряних значень в кожний момент часу будується прогноз можливої зміни стану параметру мікроклімату.

Проведене моделювання показало, що використання розробленої автором підсистеми прогнозування дозволило створити запас часу (близько 5 хв, при умові, що побудова прогнозу починається не раніше ніж за 30 хв від початку роботи) між моментом часу виникнення можливої критичної ситуації (точка ) та моментом часу фактичного виходу параметру за допустиму межу, що може призвести до відмов вихідної продукції (точка ), який необхідний оператору, або автоматизованій системі керування мікрокліматом виробничого приміщення, для введення корегувальних дій з метою недопущення виходу параметру мікроклімату за допустимі межі. Точка вважається останнім моментом часу, коли введення корегувальних дій ще може дати необхідний ефект, та повернути значення параметру мікроклімату у нормальний стан. Проведені експерименти, по дослідженню виходу параметрів мікроклімату за допустимі граничні значення, показали достовірність результатів, отриманих під час моделювання (рис. 9).

Рис. 9. Вихід значень температури повітря (и), вологості повітря (q) і концентрації аерозольних часток (с) за ВДМ

Проведений, на основі t-критерію Стьюдента, аналіз отриманих теоретичних та експериментальних результатів показав, що відмінності між вибірками теоретичних та експериментальних даних є випадковими і середні вибірок не відрізняються одне від одного, а тому можуть вважатися достовірними. Отже можна зробити висновок про правдоподібність отриманих результатів.

Використання розробленої автоматизованої системи контролю мікроклімату в спеціальних модульних виробничих приміщеннях малої кубатури дало можливість заздалегідь визначати можливий вихід того чи іншого параметру мікроклімату за допустимі границі, ще до його фактичного виходу, що в свою чергу дало можливість досягти результату - зменшити відмови вихідної продукції прецизійного складального виробництва в 1,2..1,4 рази.

Загальні висновки

В дисертаційній роботі вирішена наукова задача контролю технологічного середовища спеціального виробничого приміщення, призначеного для складання прецизійних приладів, шляхом контролю і прогнозування стану параметрів мікроклімату на етапі виконання технологічних операцій складання, з метою забезпечення експлуатаційних характеристик вихідної продукції.

При цьому одержані наступні основні результати:

1. Створено автоматизовану систему контролю мікроклімату спеціального виробничого приміщення призначеного для складання прецизійних приладів, яка забезпечила скорочення часу проведення одного вимірювання в 160 раз, і відповідно збільшення кількості проведених вимірювань за добу в 480 раз, а також зменшення середньої похибки вимірювання в 4,5 рази;

2. Розроблено математичний апарат прогнозування стану параметрів мікроклімату спеціального виробничого приміщення, що дозволяє зменшити ймовірність виникнення критичних ситуацій, пов'язаних з виходом параметрів мікроклімату за допустимі граничні значення;

3. Розроблено на основі експертних оцінок методику оцінки впливу мікроклімату на експлуатаційні характеристики вихідної продукції прецизійного складального виробництва, яка у поєднанні з удосконаленим в роботі методом аналізу ризиків і критичних контрольних точок (HACCP) дозволяє покращити якість процесу контролю та прогнозування стану параметрів мікроклімату;

4. На основі розробленої методики виконано комплексний аналіз процесу складання прецизійного приладу, з врахуванням особливостей технологічного процесу складання, що дало можливість в 6 разів зменшити кількість контрольних точок для проведення вимірювань параметрів мікроклімату;

5. Розроблено та впроваджено у виробництво технологічні рекомендації до умов складання прецизійних приладів для спеціальних виробничих приміщень;

6. Впроваджено розроблену систему контролю мікроклімату спеціального виробничого приміщення на ПАТ "Науково-виробничий комплекс "Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського", що забезпечило зменшення відмов вихідної продукції у 1,2..1,4 рази та дало економічний ефект у розмірі 38,4 (тридцять вісім і чотири десяті) тисяч гривень на рік.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Мережаний Ю.Г. Вплив мікроклімату виробничого приміщення при складанні гіроскопічних приладів на їх експлуатаційні характеристики / В.С. Антонюк, Ю.Г. Мережаний // Вісник НТУУ "КПІ". Серія приладобудування. - 2011. - Вип.42. - с. 78-84. Автором за допомогою експертного методу досліджено ступінь впливу мікроклімату на експлуатаційні характеристики гіроскопічного приладу.

2. Мережаний Ю.Г. Автоматизована вентиляційно-опалювальна система для малих виробничих приміщень прецизійного приладобудування / Ю.Г. Мережаний, В.С. Антонюк // Нові технології. - Кремечук: 2011. - №1(31). - с. 35-38. Автором розроблено функціональну схему вентиляційно-опалювальної системи.

3. Мережаний Ю.Г. Вимірювання аерозольних часток у повітрі в умовах складального приміщення прецизійного приладобудівного виробництва / В.С. Антонюк, Ю.Г. Мережаний // Процеси механічної обробки в машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Житомир: ЖДТУ, 2011. - Вип. 10. - с. 42-53. Автором проаналізовано специфіку технологічних процесів складання прецизійних приладів та дано рекомендації щодо покращення якості виконання прецизійних операцій складання.

4. Підігрів повітря в чистих виробничих боксах для прецизійного складальння гіроскопічних приладів / Мережаний Ю.Г. // Вісник Чернігівського Державного технологічного університету. Серія "Технічні науки". Збірник. - Чернігів: ЧДТУ, 2011. - №3(51). - с. 221-225.

5. Мережаний Ю.Г. Автоматизований моніторинг та керування мікрокліматом виробничого приміщення складання прецизійних приладів / В.С. Антонюк, Ю.Г. Мережаний, А.І. Пономаренко // Резание и инструмент в технологических системах: Междунар. науч.-техн. сб. - Харьков: НТУ "ХПИ", 2011. - Вып. 80. - с. 3-14. Автором запропоновано математичну модель параметрів мікроклімату виробничого приміщення.

6. Мережаний Ю.Г. Вплив параметрів мікроклімату виробничих приміщень на ресурс прецизійних механізмів приладів / В.С. Антонюк, Ю.Г. Мережаний // Вестник двигателестроения: науч.-техн. журн. - 2012. - №1. - С.98-102. Автором проаналізовано вплив мікроклімату на якість та ресурс роботи прецизійних механізмів, та дані рекомендації щодо зменшення негативного впливу мікроклімату виробничого приміщення на прецизійне виробництво.

7. Merezhany Y. Automotive indoor climate control for the precision instrument assembly workrooms. / Y. Merezhany, V. Antonyuk // Nauka i studia (Poland). - Przemysl: Sp-ka z o.o. "Nauka i studia", 2011. - NR 14(45). - с. 57-63. Автором запропоновано математичну модель, що описує мікроклімат виробничого приміщення для складання прецизійних приладів.

8. Мережаный Ю.Г. Автоматизированный контроль микроклимата производственных помещений для сборки прецизионных приборов / В.С. Антонюк, Ю.Г. Мережаный, А.И. Пономаренко // Сборка в машиностроении, приборостроении. - Москва: ООО "Издательство Машиностроение", 2012. - 2(139) - с. 38-43. Автором розроблено систему контролю мікроклімату виробничого модульного боксу, що забезпечує клас чистоти приміщення.

9. Мережаный Ю.Г. Подогрев приточного воздуха в системах вентиляции / Ю.Г. Мережаный, Т.О. Матвеева // Научно-теоретический и практический журнал "ОРАЛДЫН FЫЛЫМ ЖАРШЫСЫ". ЖШС "Уралнаучкнига". Республика Казахстан. - Белгород: ООО "Руснаучкнига", 2011. - №9(36). - с. 74-78. Автором запропоновано метод забезпечення мікрокліматичних параметрів у виробничих приміщеннях приладобудівних цехів.

10. Пат. №55401 Україна, МПК F 24 F 11/08. Спосіб очищення приточного повітря в системах вентиляції. / Антонюк В.С., Мережаний Ю.Г., Демченко М.О., Матвієнко С.М. - №201007542; заявл. 16.06.2010; опубл. 10.12.2010, Бюл. №23. Автором запропонована автоматизація способу очищення приточного повітря на базі мікроконтролерної системи та розроблена блок-схема цієї системи.

11. Пат. №62945 Україна, МПК F 24 F 11/00. Спосіб підігріву припливного повітря в системах вентиляції / Антонюк В.С., Матвєєва Т.О., Мережаний Ю.Г. - №201101182; заявл. 02.02.2011; опубл. 26.09.2011, Бюл. №18. Автором запропонована автоматизація способу підігріву припливного повітря на базі мікроконтролерної системи та розроблена блок-схема цієї системи.

12. Пат. №64432 Україна, МПК F 24 F 11/00. Спосіб фільтрації повітря в системах вентиляції / Антонюк В.С., Мережаний А.Г., Мережаний Ю.Г., Щербаков Є.М. - №201103930; заявл. 01.04.2011; опубл. 10.11.2011, Бюл. №21. Автору належить ідея додатково використання вимірника витрат повітря та вимірника обертів вентилятора.

13. Мережаный Ю.Г. Автоматизированный контроль параметров микроклимата при сборке прецизионных приборов. / В.С. Антонюк, Ю.Г. Мережаный // Мир Техники и Технологий. - Чугуев: ООО Редакция "Мир Техники и Технологий", 2012. - №12(133)2012 - с. 54-55. Автором розроблено компоновку автоматизованої системи контролю параметрів мікроклімату складального виробничого приміщення.

14. Мережаний Ю.Г., Антонюк В.С. Система фільтрації приточного повітря в виробничих приміщеннях прицезійного складального виробництва (тези) // Збірник тез доповідей Десятої всеукраїнської молодіжної науково-технічної конференції "Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво" - Суми: Вид-во СумДУ, 2010. - с. 100-102.

15. Антонюк В.С., Мережаний Ю.Г. Підігрів приточного повітря в виробничих приміщеннях прицезійного складального виробництва (тези) // Збірник тез доповідей Міжнародної науково-практичної конференції "Європрилад - 2010: тенденції розвитку та перспективи" - Луцьк: ЛНТУ, 2010. - с. 12-14.

16. Мережаний Ю.Г. Забезпечення термостатичного стану виробничого приміщення складального виробництва (тези) // Современные проблемы производства и ремонта в промышленности и на транспорте: Материалы 11-го Международного научно-технического семинара, 21-25 февраля 2011 г., г. Свалява. - Киев: АТМ Украины, 2011. - с. 182-184

17. Мережаний Ю.Г. Прямоточна система вентиляції для чистих виробничих приміщень (тези) // Збірник тез доповідей X Міжнародної науково-технічної конференції "ПРИЛАДОБУДУВАННЯ 2011: стан і перспективи". - Київ: НТУУ "КПІ", 2011. - с. 104

18. Мережаний Ю.Г., Антонюк В.С. Забезпечення мікроклімату в виробничих боксах при складанні гіроскопічних приладів (тези) // Збірник тез доповідей XІІІ Міжнародної молодіжної науково-практичної конференції "Людина і космос". - Дніпропетровськ: 2011. - с. 312

19. Щербаков Е.Н., Мережаный Ю.Г. Особенности современных систем контроля чистых помещений (тезисы) // Материалы 4-й Международной студенческой научно-технической конференции. - Минск: БНТУ, 2011. - с. 97

20. Мережаный Ю.Г., Антонюк В.С. Преимущества использования модульных чистых помещений в авиакосмической промышленности (тезисы) // Сборник трудов 3-й международной научно технической конференции "Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011). - Брянск: Десяточка, 2011. - с. 209-210

21. Антонюк В.С., Мережаный Ю.Г. Влияние микроклимата производственных помещений на ресурс работы прецизионных сборочных механизмов (тезисы) // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених "Прогресивні напрямки розвитку машиноприладобудівних галузей і транспорту". - Севастополь: СевНТУ, 2011. - с. 222-223

...