Анализ эффективности электронных систем обнаружения металлических частиц в движущемся материале

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ эффективности электронных систем обнаружения металлических частиц в движущемся материале

Косчинская Е.В.

Одной из серьезных причин образования брака готовой продукции, порчи сырья и выхода из строя технологического оборудования в различных промышленных технологических процессах является наличие металлических частиц, попадающих в продукцию в процессе ее изготовления или обработки. Причины попадания металлических частиц в продукцию различны, однако главный источник - это детали и механизмы, на которых производится обработка сырья. Эта проблема является крайне актуальной для легкой промышленности, в частности, при производстве нетканого полотна, которое осуществляется иглопробивным способом [1, 4]. Неизбежная поломка игл в процессе производства существенно ухудшает качество полотна, а также приводит к преждевременному износу оборудования для его обработки. Очистка полотна от металлических включений путем удаления участков полотна с металлическими частицами, предполагает предварительное решение задачи автоматического определения координат их расположения в полотне [1, 4].

Известны автоматические системы обнаружения и удаления металлических частиц в движущемся материале (рис. 1), реализующие различные способы определения координат частиц [1-4]. Общими элементами всех систем обнаружения и удаления металлических частиц в движущемся материале (рис. 1) являются: датчики обнаружения Dx с логическим выходом; блок определения координат, включающий регистры сдвига и набор конъюнкторов; исполнительный орган (ИО), обеспечивающий удаление обнаруженных частиц; блок транспортного запаздывания (БТЗ), выполняющий функцию согласования времени обнаружения и времени удаления частицы. В основу всех способов определения координат частиц положен принцип, заключающийся в использовании временной задержки между сигналами, обусловленными одной и той же частицей, с непараллельных неподвижных датчиков обнаружения. При этом временная задержка между сигналами с датчиков характеризует координату расположения частицы по ширине материала, а координата по длине материала определяется по сигналу с датчика обнаружения D1, расположенного перпендикулярно к направлению перемещения материала (рис. 1).

Основным недостатком существующих систем определения расположения металлических частиц в движущемся материале, использующих неподвижные логические датчики обнаружения, является невозможность получить достоверную информацию о координатах металлических частиц для всех возможных вариантов их расположения [3]. При этом ошибки определения координат металлических частиц обуславливают наличие пропусков и ложных срабатываний исполнительного органа. В то же время необходимо отметить, что принципиально возможно построение систем обнаружения металлических частиц, использующих подвижный датчик и позволяющих достоверно определять координаты частиц. Однако производительность таких систем, сопоставимая с производительностью систем ручного обнаружения, значительно ниже, чем у систем с неподвижными датчиками (рис. 1) и не может рассматриваться как приемлемая в условиях современного поточного производства.

Актуальной проблемой разработки и внедрения систем обнаружения и удаления металлических частиц является отсутствие систематизированных количественных результатов оценки эффективности различных систем обнаружения. Известные частные результаты моделирования конкретных систем при конкретных ограничениях [3], ввиду различия условий их получения, не могут использоваться для сопоставления различных систем обнаружения. Целью данной работы являлось, во-первых, формирование обобщенного критерия эффективности систем обнаружения металлических частиц в движущемся материале, а, во-вторых, проведение сравнительного анализа существующих и перспективных систем обнаружения с использованием разработанного критерия.

  а)

б)

Рисунок 1. Функциональные схемы систем, реализующих различные способы обнаружения металлических частиц в движущемся материале

металлический частица брак

Критерий эффективности систем обнаружения

Будем рассматривать движущийся материал с расположенными в нем металлическими частицами как двумерную дискретную систему. Это предположение обосновывается дискретным характером перемещения материала, что, в свою очередь, обусловлено спецификой процесса удаления частиц, а также конечной площадью ИО. Примем для определенности, что материал по ширине условно разбит на n зон и размерность регистров сдвига в блоке определения координат также равна n. С учетом введенных предположений весь материал по его длине удобно представить как совокупность квадратных участков - матриц AR^n,n (рис. 1). Элементы матрицы a_i,j могут принимать значение единица или ноль в зависимости от наличия или отсутствия металлических частиц в соответствующей зоне (рис. 1). Будем полагать, что не более чем в k (1kn²) ячейках тестовой матрицы присутствуют металлические частицы, подлежащие удалению. Учитывая статистическую неопределенность характера появления металлических частиц в движущемся материале, будем полагать равновероятными событиями появление различных комбинаций в матрице A из k ячеек, содержащих частицы. Тогда число различных тестовых матриц с k единичными элементами очевидно равно числу сочетаний из n² по k

. (1)

Суммарное число ячеек, содержащих металлические частицы, во всех возможных матрицах, в каждой из которых занято частицами не более чем k ячеек, будет определяться выражением

. (2)

При этом общее число всех возможных матриц с числом занятых частицами ячеек, не превышающим k, равно

. (3)

Процентное выражение материала, в котором имеются металлические частицы, равно

. (4)

Пусть при обработке M матриц, содержащих N частиц, число ложных срабатываний исполнительного органа равно L, а число пропущенных частиц - R. Тогда выраженный в процентах относительный коэффициент испорченного материала будет определяться выражением

, (5)

где B₁=Q_ЛСP, B₂=Q_ПP - относительные коэффициенты ложно удаленного и неочищенного материала, соответственно; Q_ЛС, Q_П - выраженные в процентах относительные коэффициенты ложных срабатываний и пропусков, соотнесенные к суммарному числу ячеек, содержащих частицы - N.

Число ложных срабатываний L и число пропусков R могут быть определены в соответствии со следующими выражениями

, (6)

, (7)

где - элемент с координатами (i, j) m-ой матрицы из M возможных; A1 - матрица оценка, полученная в соответствии с выбранным способом обнаружения; sign - функция, результатом которой является плюс единица или минус единица в зависимости от знака аргумента.

Аналитическая реализация выражений (6) и (7) представляется затруднительной, поэтому для определения относительных коэффициентов ложных срабатываний и пропусков целесообразно использовать имитационное моделирование.

С учетом выражений (2) - (7) выход годного материала в АСУ ТП обнаружения и удаления металлических частиц может быть оценен с помощью выраженного в процентах относительного коэффициента

металлический частица брак

. (8)

Относительные коэффициенты G и B₂, определенные по выражениям (5) и (8), могут совместно использоваться в качестве универсального критерия эффективности способов обнаружения металлических частиц. Несмотря на кажущуюся очевидность такого предположения, коэффициент B из выражения (5) не может самостоятельно выступать в качестве критерием эффективности, т.к. не учитывает зависимость площади материала, занятого частицами, от числа элементарных ячеек ИО n.

Сравнительный анализ систем обнаружения

Рассмотрим системы обнаружения металлических частиц, использующие два или три неподвижных датчика обнаружения, предложенные в [2] и [3], соответственно. Функциональные схемы рассматриваемых систем приведены на рис. 1. Будем полагать, что все датчики обнаружения геометрически расположены в пределах участка материала, занимаемого одной матрицей, и могут быть описаны соответствующими матрицами DxR^n,n. Реакция датчика с номером x в процессе прохождения материала может быть представлена выражением ADx, в котором конъюнкция двух матриц выполняется поэлементно. Имитационное моделирование процесса обнаружения реализуется по алгоритму:

1) сформировать тестовую матрицу A;

2) выполнить в цикле:

2.1) вычисление реакции всех датчиков обнаружения;

2.2) формирование текущей строки матрицы A1, являющейся оценкой матрицы A в соответствии с используемым способом обнаружения;

2.3) строковый сдвиг тестовой матрицы A: a_i,j=a_i+1,j для 1i<n, a_n,j=0.

Число повторений цикла в алгоритме равно сумме числа строк матрицы A и числа участков по длине материала, занимаемых датчиками обнаружения. С учетом используемых предположений число повторений цикла равно 2n.

Результаты имитационного моделирования систем обнаружения и удаления металлических частиц приведены на рис. 2 в форме зависимости Q_ЛС от максимально допустимого числа частиц в тестовых матрицах. Сплошной линией на рис. 2 представлены результаты для системы обнаружения с двумя неподвижными датчиками (рис. 1а), пунктиром - результаты для системы с тремя датчиками обнаружения (рис. 1б).

Рисунок 2. Зависимость коэффициента ложных срабатываний от максимального числа частиц в материале для различных систем обнаружения

Обе системы обнаружения не допускают пропусков металлических частиц (Q_П=0), что согласуется с результатами [3]. Однако число ложных срабатываний L сопоставимо с числом правильно обработанных металлических частиц N с устойчивой тенденцией увеличения L при увеличении числа зон n разбиения по ширине материала. Наибольшее число ложных срабатываний ИО для обеих систем обнаружения имеет место для разреженных тестовых матриц, характеризующихся относительно небольшим количеством занятых частицами ячеек - меньшим, чем n/2. В то же время, при увеличении степени заполнения матриц, коэффициент Q_ЛС уменьшается и в пределе при kn становится практически низменной величиной. Уменьшение числа ложных срабатываний ИО для заполненных тестовых матриц, очевидно, объясняется уменьшением числа пустых ячеек, но отнюдь не повышением эффективности способа обнаружения. Зависимость предельного значения Q_ЛС от n при k=n - монотонная, с явной тенденцией к насыщению при увеличении n. Можно предположить, что при n предельное значение Q_ЛС100% для обеих систем. Из сопоставления аналогичных диаграмм рис. 2, полученных для одного и того же n и различных систем обнаружения, следует превосходство системы с тремя датчиками на 1060% для различных значений k. В частности, предельное значение Q_ЛС для системы с тремя датчиками на 20% меньше аналогичного показателя для системы с двумя датчиками обнаружения.

Зависимость относительного коэффициента выхода годного материала от максимального числа занятых частицами ячеек матрицы, рассчитанная для обеих систем обнаружения с использованием выражений (8), (4) и результатов имитационного моделирования, представлена на рис. 3. Штрихпунктирная тонкая линия соответствует предельно достижимой границе выхода годного материала для n=5.

Рисунок 3. Зависимость выхода годного материала от максимального числа частиц в материале для различных систем обнаружения

Для обеих рассматриваемых систем обнаружения для числа занятых частицами ячеек в тестовых матрицах меньшем или равном количеству датчиков обнаружения, выход годного материала совпадает с его предельно достижимым значением. Увеличение числа частиц в матрицах обуславливает снижение выхода годного материала за счет ложных срабатываний ИО. Кроме того, из диаграмм рис. 3 следует, что для разреженных матриц с максимальным числом занятых частицами ячеек k<n/2 выход годного материала увеличивается с увеличением числа зон разбиения по ширине материала - n. Напротив, для заполненных матриц с k>n/2 больший выход годного имеет место при уменьшении числа зон разбиения по ширине материала.

Сопоставление рассматриваемых систем обнаружения по аналогичным диаграммам рис. 3 позволяет утверждать систематическое превосходство системы с тремя датчиками обнаружения над системой с двумя датчиками. Трехдатчиковая система обеспечивает на 10% больший выход годного материала при расчете, использующем исходный необработанный материал за 100%. Очевидно, что расчет, выполненный относительно конечного продукта АСУ ТП обнаружения и удаления частиц, позволит получить повышение эффективности за счет использования третьего датчика не менее чем на 20%.

Предложенный в работе относительный коэффициент выхода годного материала в качестве критерия эффективности АСУ ТП обнаружения и удаления металлических частиц в движущемся материале позволил провести с единых позиций сравнительный анализ двух систем обнаружения. В результате проведенного сравнительного анализа установлено превосходство системы с тремя неподвижными датчиками обнаружения (рис. 1б). Использование указанной системы обеспечивает повышение эффективности АСУ ТП не менее чем на 20% относительно выхода годного продукта, по сравнению с традиционной двухдатчиковой системой обнаружения (рис. 1а). В практическом приложении увеличения выхода годного продукта можно добиться увеличением числа зон разбиения по ширине материала - n (т.е. уменьшением площади исполнительного органа АСУ ТП) для наиболее вероятного случая относительно редких появлений металлических частиц в материале. При этом повышение выхода годного будет обеспечиваться при одновременном наличии не более чем n/2 металлических частиц в каждой nxn матрице по длине материала. В случае одновременного наличии более чем n/2 металлических частиц в nxn матрице по длине материала увеличение числа зон разбиения по ширине материала приведет к снижению выхода годного продукта за счет увеличения числа ложных срабатываний исполнительного органа.

Литература

1. Архангельский, В.А. Обнаружение металлических частиц в нетканых материалах [Текст] / В.А. Архангельский, М.А. Овчинников // Труды Орл. НИИлегмаш. - Орел, 1974. - Т3.

2. А.С. 767254 СССР, МКИ D 06 H 3/14. Устройство для обнаружения металлических частиц в движущемся материале [Текст] / М.А. Овчинников, А.И. Суздальцев, А.М Ланген (СССР). - №2656177/28-12; заяв. 18.08.78; опубл. 30.09.80; Бюл. №36. - 3 с. ил.

3. Мосина, Е.В. Автоматизация технологического процесса обнаружения металлических частиц в движущемся материале [Текст]: автореф. дис…. канд. техн. наук: 05.13.07: защищена 07.09.99 /Мосина Елена Викторовна. - Орел, 1999. - 19 с.

4. Расторгуев, А.К. Приборы для обнаружения металлических частиц в ткани и валах каландров [Текст] / А.К. Расторгуев // Технология текстильной промышленности. Известия вузов, 1961. - №4. - с. 108.

Размещено на Allbest.ru