Prevádzkový systém

Prevádzka automatizovaného strojového systému je charakteristická vysokým stupňom automatizácie zabezpečovania vnútorných vzťahov a väzieb. Vysoká zložitosť strojového systému a heterogénnosť riešených problémov vyplývajúcich z interakcie teoretických, konštrukčných, technologických, organizačných a metodických aspektov koncentrovaných do problému optimálnej prevádzky strojového systému vyžaduje aplikovať systémový prístup (obr. 1). Automatizovaný strojový systém A(s) sa kvôli definovaniu vnútorných vzťahov a väzieb ako prevádzkový systém dekomponuje na vonkajší a vnútorný subsystém.

Vonkajší subsystém integruje prevádzkové technológie s cieľom prípravy a zabezpečenia všetkých činností, ako je napr. konštruovanie výrobku, zostavovanie technologických postupov, príprava materiálov a výrobných pomôcok, prevádzkové činnosti, plánovanie a operatívne riadenie výroby. Vnútorný subsystém integruje výrobné technológie s cieľom transformácie kvantitatívnych a kvalitatívnych vlastností polovýrobku na hotový výrobok, napr. výroba súčastí a uzlov, montáž, kontrola, balenie a expedícia.Vo vnútornom subsystéme prebieha proces technologického spracovania objektov na základe podmienok, ktoré boli vytvorené vo ­vonkajšom subsystéme. Dekompozícia vnútorného subsystému (obr. 1) definuje polohu a podiel jeho vlastných ­subsystémov na proces technologického spracovania objektov ­výroby.

V danom prípade je postavený na princípe stavebnicovosti a modulárnosti a vychádza z integrovanej predstavy, v ktorej sú obsiahnuté všetky pracovné funkcie potrebné na zabezpečenie akejkoľvek výrobnej operácie. Podstata riešenia spočíva vo variabilnosti spôsobu zoskupovania stavebných modulov navzájom, resp. k určitej referenčnej základni, na základe požiadaviek realizovať danú výrobnú technológiu a ľubovoľný geometrický tvar objektov. Poskytovaný súbor funkcií a činností z fyzikálneho pohľadu je realizovaný buď ­diferencovane v rámci jednotlivých pracovných častí (nástrojová, predmetová) strojového systému, alebo koncentrovane prostredníctvom integrovanej konštrukcie.

Pre potreby tvorby prevádzkových štúdií boli prijaté tieto charakteristiky pre automatizovaný strojový systém A(s):

  • Objektmi (prvkami) systému sú referenčné, predmetové a ­nástrojové moduly a infraštruktúra stroja (obr. 1). Technicky zložité a funkčne rozhodujúce prvky, ktoré spravidla nepatria do základnej výbavy stroja a ktoré sa vyskytujú v obrábacích centrách, bezobslužných strojoch a pracovných staniciach, ako napr. riadené osi či systémy automatickej výmeny, možno systémovo klasifikovať ako automatizované zariadenia (ďalej A(z)).
  • Vnútri A(s) prebieha technologický proces, tzn. sled technologických a netechnologických operácií, vytvárajúci uzatvorený proces.

Dekompozícia sa môže využiť aj na definovanie reprezentanta A(z), t. j. zložitého technického systému (systémovo rozložiteľného na mechanickú časť – motoriku, riadiacu a senzorickú časť). Ako ­reprezentant A(z) sa ďalej chápe integrujúce manipulačné zariadenie (priemyselný robot).

Model prevádzky

Pod modelom prevádzky sa rozumie súbor pravidiel súvisiacich s prevádzkovým nasadením (obsluha, zaťaženie) a prevádzkovou starostlivosťou (údržbaobnova) stroja. Tvorba „modelu prevádzky A(s) – A(z)“ (obr. 2) a jeho prislúchajúci popis pomocou vybraných charakteristík priamo vychádza z analýzy konkrétnych vzťahov a väzieb stroja a ďalej sa formuje pod vplyvom transformácií vonkajších a vnútorných interakcií podmieňujúcich faktorov. Východiskovou bázou je technická dokumentácia (návod na obsluhu, technické podmienky, používateľský program ap.).

Ďalej sú to nasledujúce algoritmické kroky a postupy:

  • štrukturálny (logický) model funkčných a technologických vzťahov, informačného a materiálového prepojenia,
  • špecifikácia prevádzkových, bezpečnostných a spoľahlivostných charakteristík a ukazovateľov, návrh konštrukčných a informačných opatrení bezpečnosti a spoľahlivosti,
  • štrukturalizovaný program činnosti stroja, tvorba pracovných operácií a podoperácií (popis technologického procesu, manipulácie s nástrojmi, náradím, obrobkami a odpadom a obslužnej logistiky), tvorba logických štruktúr následnosti (priradenie prostriedkov k operáciám – strom prevádzkových prostriedkov, diagram pracovných operácií), formovanie algoritmu činnosti systému A(s) – A(z).

Na základe uvedených vstupov a ich overenia sa spracúvajú formalizované (podľa zaužívaných zvyklostí používateľa, resp. výrobcu) technicko-prevádzkové dokumenty:

  • prevádzkový predpis – určenie prevádzkového režimu (technologické a výkonné činnosti), stratégia vyťaženosti (optimalizácia operácií a sekvencií na báze výrobných dávok), monitorovanie a registrácia stavu stroja a infraštruktúry (presný záznam o prevádzkových aktivitách a stave majetku – prírastokúbytok),
  •  projekt udržiavateľnosti – podľa zásad udržateľnosti údržby ­(špecifiká a princípy udržateľnosti, model údržby),
  • program pre výnimočné stavy – monitorovanie výnimočného stavu a detekcia nedostatkov, chýb a porúch, simulácia výrobnýchtechnologických úloh vo výnimočných situáciách, optimálna ­reakcia na udalosti v systéme A(s) – A(z) – proaktívna diagnostická údržba (sledovanie skutočného stavu stroja a efektívny informačný systém).

Z dôvodu širokého sortimentu A(s), A(z) a ich aplikácií treba uvedené zásady rozpracovať na konkrétny A(s), A(z) a podmienky ich aplikácie.

Atribúty prevádzkovej spoľahlivosti

Každý A(s), resp. každé A(z), sa hodnotí podľa prevádzkových vlastností (výkonnosť, stabilita kvality, prevádzková spoľahlivosť, zložitosť obsluhy a údržby, náklady na prevádzku a pod.). Rozhodujúcou vlastnosťou je spoľahlivosť definovaná ako všeobecná vlastnosť (schopnosť) plniť požadovanú funkciu pri zachovaní stanovených prevádzkových podmienok počas daného obdobia. Prevádzková spoľahlivosť je priamym prejavom kvalitatívnej úrovne vyhotovenia A(s) – A(z) a je ovplyvňovaná spôsobom prevádzkového nasadenia a sústavou prevádzkovej starostlivosti o stroj (úrovňou obsluhy, ­prevádzkovým zaťažením a systémom údržby a obnovy, t. j. bežnou údržbou, diagnostikou, opravami, modernizáciou a rekonštrukciou). Má charakter kvalitatívneho znaku a jeho kvantitatívne vyjadrenie sa realizuje pomocou normovaných ukazovateľov. Pri posúdení správania A(s) – A(z), resp. opise ich technického stavu v prevádzke, využíva sa súbor systematicky usporiadaných charakteristík (merateľných parametrov, ukazovateľov, závislostí) podľa vzťažnej a funkčnej závislostí.

V prípade strojových systémov (NC stroj, robot) medzi vybrané konštrukčno-prevádzkové charakteristiky a parametre zaraďujeme:

  • presnosť (opakovateľnosť) polohovania,
  • veľkosť pracovného priestoru,
  • rýchlosť pohybu,
  • kinematika rezania, manipulatívnosť – obratnosť,
  • nosnosť, tuhosť konštrukcie,
  •  typ pohonov,
  • spôsob riadenia pohybových osí,
  • iné: nároky na údržbu, poruchovosť, životnosť, cena, vlastná hmotnosť a rozmery.

Pomocou týchto charakteristík možno opísať a charakterizovať (kvalitatívne, kvantitatívne) rozhodujúce úžitkové vlastnosti strojov, ako aj hodnotiť ich vývoj. Každá skupina charakteristík predstavuje funkčné ucelený, usporiadaný súbor konkrétnych parametrov ­(ukazovateľov) zoradených do významových podskupín. Táto štrukturalizácia charakteristík predstavuje otvorený systém, ktorý možno na základe skúseností a poznatkov spresniť a doplniť. Štruktúry charakteristík súčasne zohľadňujú požiadavky príslušných noriem. Vzťahy medzi úžitkovou hodnotou a vlastnosťami A(s) – A(z) možno v skrátenej forme na príklade kompatibilného strojového modulu vyjadriť modelom vzťahov sústava – porucha – príčina – parameter.

Reťazec vzťahov určuje vzájomné väzby a interakcie jednotlivých prvkov systému a ich dosah na vlastnosti systému, resp. umožňuje určiť požiadavky na prvky (parametre, tolerancie) pre stanovenú úroveň spoľahlivosti alebo identifikovať slabé články. Pri analýze vzťahov porucha – príčina – parameter a ich podielu na výslednej presnosti sa treba sústrediť na otázky konštrukčných a technologických vlastností a väzieb medzi základnými subsystémami strojového systému A(s), resp. A(z) (motorika, riadenie, senzorika). Zo strany mechaniky sú úlohy orientované na problém opotrebenia a životnosti mechanizmov a uzlov, napr. energetických, prevodových a prenosových (mechanické deformácie, vôle, priehyby a pružnosť v konštrukcii, tepelné deformácie).

Na strane riadenia a odmeriavania sa so zdrojmi nepresnosti polohovania stretávame v prípadoch konečnej rozlišovacej schopnosti a nepresnosti snímačov ­polohy bežne upevnených na hriadeli motora, chýb ­kinematického ­modelu oproti hodnotám vystupujúcim vo výpočtoch realizovaných ­riadiacim systémom či chýb kalibrácie (inicializácie) realizovaných v prípade relatívneho odmeriavania (inkrementálne snímače). Pri hodnotení dynamickej nepresnosti navyše pristupujú numerické chyby vznikajúce pri generovaní priestorovej dráhy, regulačné odchýlky vznikajúce pri riadení polohy v jednotlivých stupňoch voľnosti a tiež kmity.

Záver

Príspevok približuje problematiku prevádzky automatizovaných strojových systémov v užšom kontexte vzhľadom na jej štruktúru a program. Zameriava sa na dekompozíciu prevádzkového systému stroja, model prevádzky stroja a na atribúty prevádzkovej spoľahlivosti vedúcich k odhaľovaniu nespoľahlivostí strojov a k praktickým odporúčaniam prevádzkového využitia stroja. Predstavuje bázu metód, techník a nástrojov, ktoré môžu byť prinajmenšom inšpirujúce, ak nie smerodajné vo vývoji a prevádzkovaní strojov.

Literatúra

[1] KOVÁČ, J. – RUDY, V. Prevádzka výrobných systémov. Košice SjF TU 2006. 136 s. ISBN 80-8073-233-7.
[2] SMRČEK, J. Prevádzka a údržba automatizovaných zariadení. Košice ELFA 1996. 50 s. ISBN 80-88786-25-8.
[3] TOLNAY, M. Prevádzka a údržba výrobných systémov. Bratislava EU STU 2008, 110 s. ISBN 978-80-89313-39-6.
[4] VALENČÍK, Š. Prevádzka a spoľahlivosť výrobného stroja. In 4. medzinárodná vedecká konferencia BezpečnosťKvalitaSpoľahlivosť. Košice 2009. IBN 978-80-553-0137-2.
[5] VALENČÍK, Š. Údržba a obnova strojov. Košice EVaOL Strojnícka fakulta TU Košice 2010. 417s. ISBN 978-80-533-0514-1.
[6] VALENČÍK, Š. Metodika obnovy strojov. Košice EVaOL Strojnícka fakulta TU 2011. 330 s. ISBN 978-80-533-0679-7.

Pokračovanie v budúcom čísle.

 doc. Ing. Štefan Valenčík, CSc.

Technická univerzita v Košiciach
Strojnícka fakulta
Katedra výrobnej techniky a robotiky
stefan.valencik@tuke.sk