Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Дроздова Наталья Владимировна
АВТОМАТИЗАЦИЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ УРОВНЯ ШУМА В ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЕ С ЦЕЛЬЮ УСТАНОВЛЕНИЯ ЕГО СООТВЕТСТВИЯ НОРМАТИВНЫМ ЗНАЧЕНИЯМ
Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2012 г.
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете СТАНКИН.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Шварцбург Леонид Эфраимович
Официальные оппоненты: Шептунов Сергей Александрович доктор технических наук, профессор, Институт конструкторско- технологической информатики РАН, заместитель директора Пушенко Сергей Леонардович кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Ростовский государственный строительный университет, заведующий кафедрой Безопасность технологических процессов и производств Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых
Защита состоится л25 мая 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете СТАНКИН по адресу:
127055, Москва, Вадковский переулок, д. 3а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного технологического университета СТАНКИН.
Автореферат разослан л23 апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доц. Семячкова Е.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современные производственные машиностроительные системы характеризуются повышенными требованиями к показателям качества технологического процесса. Одним из основных показателей качества является шум, определяющий воздействие технологического процесса на окружающую среду и человека. Шум возникает за счет потерь механической энергии при ее передаче, снижает КПД оборудования, ухудшает показатели безопасности технологических процессов, снижает комфортность труда, а значит и конкурентоспособность продукции.
Решение задачи по снижению шума целесообразно начинать уже на этапе создания продукции. В связи с этим важное значение имеет идентификация уровня шума при реализации технологического процесса на разрабатываемом оборудовании.
Идентификация уровня шума позволяет не только снижать его величину на этапе создания продукции, но и обосновано сформировывать комплекс шумозащитных мероприятий на производстве.
С точки зрения удобства формирование шумозащитных мероприятий на производстве все большее значение приобретают методы визуализации информации, которые позволяют организатору производства наблюдать реальные значения шума в производственной среде и выделять его критические значения.
Визуализацию невозможно обеспечить в отрыве от современных информационных технологий, обеспечивающих объективность данных, необходимую скорость получения информации, удобство анализа полученной информации.
Поэтому задача автоматизации идентификации уровня шума в производственной среде с целью установления его соответствия нормативным значениям является актуальной задачей современного машиностроения.
Цель работы - установление соответствия уровня шума в производственной среде нормативным значениям посредством его идентификации на основе единичного измерения на фиксированном расстоянии от источника.
Методы исследования. Работа выполнена с применением основных положений теории автоматического управления (ТАУ), теории моделирования, теории эксперимента. Экспериментальные исследования проводились с использованием вычислительной техники.
Научная новизна работы заключается в:
установлении взаимосвязей между уровнем шума и его распространением в производственной среде, отличительной особенностью которых является формирование закономерностей его снижения по мере удаления от источника;
разработке алгоритма идентификации уровня шума в производственной среде, реализуемого посредством единичного измерения уровня шума на фиксированном расстоянии от источника;
разработке программы идентификации, реализация которой обеспечивает возможность установления соответствия уровня шума нормативным значениям и его визуализацию в производственной среде, а также адаптации программного продукта MS Visio к задачам идентификации.
Практическая ценность работы заключается в:
реализации возможности получения реальных значений шума в различных точках рабочей зоны;
в методике применения стандартного программного продукта MS Visio для идентификации уровня шума в производственной среде;
в методике визуализации уровня шума в производственной среде.
Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы при выполнении отдельных этапов темы Создание и исследование автоматизированных энергосберегающих систем для металлорежущих станков, адаптированных к машиностроительным технологическим процессам формообразования Федеральной Целевой Программы Научные и научнопедагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы, а также в учебном процессе по дисциплинам направления Техносферная безопасность.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 2-х международных конференциях Производство. Технология. Экология (ПРОТЭК), XXII Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов УБудущее машиностроения РоссииФ (МИКМУС-2010), III Научно-образовательной конференции УМашиностроение традиции и инновацииФ (МТИ-2010) и на заседании кафедры Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности МГТУ Станкин.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе четыре статьи в изданиях, включенных ВАК в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 64 наименований.
Работа изложена на 96 страницах машинописного текста и содержит рисунков и 13 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, ее научная и практическая значимость и сформулирована цель исследования.
В первой главе проведен анализ основных источников образования шумов в производственной среде, проанализированы разновидности производственных шумов, их характеристики, воздействия шумов на организм человека и механизмы снижения этого воздействия. Показаны возможности информационных технологий по автоматизации идентификации распространения уровня шума в производственной среде, их основные особенности применения, сформулированы задачи исследования.
С внедрением международных систем стандартов качества ISO - 9000, ISO Ц14000, OHSAS - 18001 и отечественных нормативных документов, в первую очередь Закона О техническом регулировании от 27 декабря 2002 г.
№ 184-ФЗ, требования к показателям качества технологических процессов, характеризующих их безопасность, постоянно возрастают. Одним из характерных для производственной среды показателей безопасности является шум.
Вопросами повышения эффективности производственных процессов и повышения качества производственных машиностроительных систем посвящены работы Веселова О.В., Гаека М., Н.И. Иванова, М. П. Козочкина, Х.
А. Мюллера, М. Хекла, Е. Я. Юдина, Заборовски Т, Косова М.Г., Митрофанова В.Г., Михайлова О. П., Соломенцева Ю.М., Фокина М.Г., Червякова Л.М., Шварцбурга Л.Э., и многих других ученых как в Российской Федерации, так и за рубежом.
Широкое внедрение в промышленность новых интенсивных технологий, мощного и высокоскоростного оборудования привело к тому, что человек на рабочем месте подвергается многократному воздействию шума, что негативно сказывается на его здоровье, снижении производительности труда, ведет к возникновению профессиональных заболеваний.
В совокупности источниками шума на производстве является технологическое оборудование, транспорт, системы вентиляции, пневмо- и гидроагрегаты, а также источники, вызывающие вибрацию.
Прогнозирование и визуализация распространения шума в производственной среде способствует принятию конструктивных и технологических решений относительно мер по защите. Прогнозирование и визуализация распространения шума позволяет определить уровень шума в любой точке и определить параметры пространственного распределения.
Анализ методов прогнозирования распространения шума в производственной среде показал, что этот процесс включает в себя несколько этапов.
На начальном этапе выполнения прогнозирования шума необходимо выбрать акустические параметры и определить их значения, принимая во внимание различные ограничения. Например, ограничения по уровню звукового давления на рабочих местах. Детализация исходных данных должна соответствовать требуемой или возможной точности результатов. Далее следует для известных исходных данных производственной среды рассчитать необходимые характеристики. И, если цели прогнозирования достигнуты, выбранные величины отобразить в виде:
- линий пространственного распределения звука;
- шумовых карт;
- кривых, ограничивающих области превышения заданного уровня звукового давления;
- таблиц.
Результаты можно сравнивать с установленными нормативными или рекомендуемыми значениями. Различия между рассчитанными значениями для исходной и прогнозируемой ситуаций помогают оценить принимаемые решения. На основе достоинств и недостатков каждого решения выбирают наиболее эффективное из них.
На современном этапе развития науки и техники решение этих вопросов невозможно без применения современных информационных технологий. В работе показано, что для реализации этих технологий целесообразно использовать программный продукт MS Visio, который обладает рядом преимуществ. К ним относятся: простота разработки и обслуживания, низкая стоимость владения, возможность интеграции, как с СУБД, так и с другими программами компании Microsoft.
Вторая глава посвящена анализу возможностей информационных технологий в области визуализации информации и аспектам адаптации программного продукта Ms Visio для решения поставленных задач.
В современном компьютеризированном мире все более важным становится формирование визуальной интерпретации воздействия производственных машиностроительных систем на окружающую среду и человека, которая позволяет спрогнозировать это воздействие и принять меры по улучшению показателей безопасности технологического процесса.
Возможности, предоставляемые программным продуктом MS Visio, полностью соответствуют предъявляемым требованиям к прогнозированию и визуализации требуемой информации. Это связано с простотой представления необходимых графических объектов в данном программном продукте и возможностью создания шаблонов с необходимыми графическими инструментами, что позволяет в дальнейшем при построении аналогичных схем ограничивать простым перемещением графических объектов на поле схемы.
На рис. 1 представлено окно нового документа, разработанного на основе шаблона Basic Diagram.
Кроме того, этот программный продукт позволяет обеспечить возможность сохранения параметров для каждого объекта в отдельности, а значит в некоторых случаях отказаться от привязки схемы к внешней базе данных.
Следует так же отметить, что немаловажную положительную роль играет возможность осуществлять импорт и экспорт данных между программным продуктом MS Visio и приложениями Microsoft Office. Существует возможность добавления диаграмм программного продукта MS Visio в электронные таблицы MS Excel, документы MS Word, сообщения электронной почты Microsoft Outlook и презентации PowerPoint.
Рис. 1. Окно нового документа на основе шаблона Basic Diagram Для наглядного представления процессов и взаимодействия между ними такой программный продукт, как MS Visio является самым оптимальным по своим функциональным возможностям. Программный продукт MS Visio предоставляет все необходимые средства и данные для отображения производственных процессов. Схемы, созданные в программном продукте MS Visio, могут обеспечить более глубокое понимание особенностей протекающих процессов, информации, касающейся выполняемых проектов, способствуют повышению эффективности работы. Схемы процессов, построенные в программном продукте MS Visio, делают их более полноценными, прослеживаемыми, наглядными и помогают запомнить ключевые моменты.
Программный продукт MS Visio используется для наглядного представления баз данных Microsoft SQL Server и Microsoft Access путем декомпиляции существующих схем, а также для разработки структур баз данных с помощью диаграмм отношений. Создание и редактирование диаграмм программного продукта MS Visio осуществляется путем создания привязки к базе данных.
В состав программного продукта MS Visio входят средство записи макросов и интегрированный редактор Microsoft Visual Basic for Applications (VBA).
Система разработки Microsoft Visual Basic для приложений, встроенная в программный продукт MS Visio, дает возможность управления образами, а также помогает привязывать их к другим приложениям, используя средства автоматизации.
Третья глава посвящена прогнозированию и визуализации распространения шума в производственной среде, разработке алгоритма прогнозирования и визуализации распространения шума и программы, реализующей разработанный алгоритм, а также предварительной экспериментальной апробации программы.
Разработана методика прогнозирования и визуализации шума в производственной среде, алгоритм которой представлен на рис. 2.
Алгоритм предусматривает формирование пользовательского диалога, формирование значений на заданном расстоянии по всем осям, их контроль и последующую визуализацию.
Начало Построить графики Отобразить пользовательский диалог Нет Ввести количество Будем замеров строить еще? Да Ввести данные, полученные в ходе Очистить графики первого замера Ввести данные, полученные в ходе второго замера Конец Ввести значения R1, R2 и Rn Контроль введенных значений Да Есть ошибки Нет Произвести расчет значений Рис. 2. Алгоритм прогнозирования и визуализации распространения шума Пример окна пользовательского диалога представлен на рис. 3 для случая прогнозирования шума по восьми осям на расстоянии R1 = 20 см и R2 = 40 см.
Рис. 3. Окно пользовательского диалога Программа, реализующая разработанную методику и алгоритм, позволяет прогнозировать шум на любом расстоянии от источника и визуализировать полученные результаты.
Пример визуализации по данным, представленным на рис. 3, показан на рис. 4.
Рис. 4. Визуальное отображение результатов, где 1 - среднее значение уровня шума по результатам первой части эксперимента (измеренные значения на расстоянии 20 см от источника);2 - отклонения от среднего значения в каждой точке первой части эксперимента (измеренные значения);3 - среднее значение уровня шума, полученное исходя из значений, рассчитанных по программе, в соответствие с методикой проведения эксперимента;4 - отклонения от среднего значения в каждой точке эксперимента (значения, рассчитанные по программе);5 - среднее значение уровня шума, полученное по результатам второй части эксперимента (измеренные значения на расстоянии 40 см от источника);6 - отклонения от среднего значения в каждой точке второй части эксперимента (измеренные значения) В четвертой главе представлены результаты исследований прогнозирования и визуализации распространения шума в производственной среде на основе разработанного алгоритма и программы, а также проведен анализ результатов экспериментальных исследований.
В табл. 1, в качестве примера, представлены результаты экспериментальных исследований прогнозирования шума, создаваемого асинхронным электродвигателем.
Табл. 1.
Результаты экспериментальных исследований прогнозирования шума асинхронного электродвигателя № Уровень шума, дБ оси Измеренные значения Результаты прогноза Расстояние 20 см от Расстояние 40 см от Расстояние 40 см от источника источника источника 1 67,2 63,9 63,2 67,7 - 64,3 70,2 - 66,4 70,5 - 67,5 71,2 - 67,6 70,7 - 67,7 67,7 - 64,8 68,9 - 65,В таблице представлены измеренные значения уровня шума на расстоянии 20 см от источника по всем восьми осям, на расстоянии 40 см от источника шума и спрогнозированные значения уровня шума на расстоянии см от источника.
На рис. 5 показана визуализация результатов прогноза экспериментальных исследований.
Рис. 5. Визуализация результатов прогноза экспериментальных исследований Для оценки достоверности и погрешности прогнозирования и визуализации были сопоставлены результаты прогноза уровня шума с реальными значениями, а также рассчитаны погрешности прогнозирования и визуализации уровня шума по каждой из восьми осей.
В табл. 2 представлены реальные и спрогнозированные значения уровня шума от асинхронного электродвигателя, а также погрешности прогнозирования и визуализации.
Табл. 2.
Реальные и спрогнозированные значения уровня шума от асинхронного электродвигателя, а также погрешности прогнозирования и визуализации № Уровень шума, дБ оси Измеренные значения Результаты прогноза Расстояние 20 см от Расстояние 40 см от источника Границы Расстояние 40 см от Отклонения от источника доверительного источника среднего интервала S (измеренного) значения, Измеренные Среднее значение 1 67,2;66,0;66,1;66,0;67,9 63,9;63,0;62,6;62,5;63,3 63,1 2,12 63,9;63,0;62,6;62,5;63,3 0,8;-0,1;-0,5;-0,6;0,2 67,7;66,4;68,7;67,9;69,0 64,9;64,0;66,3;64,6;63,9 64,8 2,35 64,4;63,3;65,1;64,3;64,3 -0,4;-1,5;0,3;-0,5;-0,3 70,2;70,9;70,3;71,0;71,3 67,9;66,8;68,4;68,3;69,0 68,1 2,23 66,8;67,7;66,6;67,2;66,5 -1,3;-0,4;-1,5;-0,9;-1,4 70,5;69,8;70,0;69,4;71,1 65,9;67,5;65,6;67,2;65,8 66,4 2,28 67,0;66,6;66,3;65,7;66,2 0,6;0,2;-0,1;-0,7;-0,5 71,2;70,1;69,7;72,6;72,9 67,2;68,9;67,9;66,7;67,7 67,7 2,24 67,7;66,9;66,0;68,7;67,9 0,0;-0,8;-1,7;1,0;0,6 70,7;70,8;71,9;71,1;70,8 63,9;63,6;65,3;64,9;63,3 64,2 2,28 67,2;67,5;68,1;67,3;66,0 3,0;3,3;3,9;3,1;1,7 67,7;67,0;68,1;67,3;66,5 67,2;66,0;68,4;68,1;68,0 67,5 2,32 64,4;63,9;64,5;63,7;61,9 -3,1;-3,6;-3,0;-3,8;-5,8 68,9;67,9;68,9;69,4;68,3 64,8;64,3;65,2;65,2;63,5 64,6 2,18 65,5;64,8;65,3;65,7;63,6 0,9;0,2;0,7;1,1;-1,Анализ табл. 2 показывает, что максимальное отклонение величины уровня шума от его действительных значений составляет 5,6 дБ. А погрешность не превышает 2,35дБ, т.е. не превышает 3,63 %.
Таким образом, как показали результаты экспериментальных исследований разработанная методика, алгоритм и программа могут быть использованы для идентификации, прогнозирования и визуализации распространения шума в производственной среде с целью установления его соответствия нормативным значениям. Дополнительным подтверждением их эффективности является положительный опыт реализации методики прогнозирования и алгоритма для прогнозирования и визуализации распространения в производственной среде вибрации.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1. В работе решена задача автоматизации идентификации уровня шума в производственной среде с целью установления его соответствия нормативным значениям, имеющая существенное значение для машиностроения.
2. Установлены взаимосвязи между уровнем шума и его распространением в производственной среде, отличительной особенностью которых является определение коэффициента его снижения по мере удаления от источника.
3. На основе установленных взаимосвязей разработан алгоритм идентификации уровня шума в производственной среде, реализуемый посредством единичного измерения на фиксированном расстоянии от источника.
4. Разработанный алгоритм позволил создать программу идентификации, реализация которой обеспечивает возможность установления соответствия уровня шума нормативным значениям и его визуализацию в производственной среде.
5. Экспериментальные исследования разработанного алгоритма и программы показали, что максимальные отклонения идентифицированного уровня шума от его действительных значений не превышают 5,6 дБ (при погрешности идентификации не более 3,63 %).
6. Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию практически в любых производственных системах, в частности на машиностроительных предприятиях, реализующих обработку изделий, а также в учебном процессе по направлениям 220700 УАвтоматизация технологических процессов и производствФ и 280700 УТехносферная безопасностьФ.
Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:
Публикации в изданиях из перечня ВАК:
1. Бутримова Е.В., Дроздова Н.В. CALS-технологии в решении задач мониторинга энергетических загрязнений // Вестник МГТУ УСтанкинФ.
Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ УСтанкинФ, № 3 (3), 2008. - 145 с.: ил. - с. 43 - 45.
2. Шварцбург Л.Э., Дроздова Н.В., Бутримова Е.В. Визуализация в среде MS Visio распространения шума и вибраций в рабочей зоне // Вестник МГТУ УСтанкинФ. Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ УСтанкинФ, №(13), 2011. - 154 с.: ил. - с. 110 - 112.
3. Шварцбург Л.Э., Дроздова Н.В., Бутримова Е.В. Возможности и адаптация программного продукта MS Visio для визуализации экологической информации // Научно-практический и научно-методический журнал УБезопасность жизнедеятельностиФ. М.: Изд-во УНовые технологииФ, УБезопасность жизнедеятельностиФ, № 10 (130), 2011. - с. 35 - 37.
4. Шварцбург Л.Э., Бутримова Е.В., Дроздова Н.В. Экспериментальное исследование распространения виброакустических факторов в среде для прогнозирования их уровней в заданной точке пространства // Научнопрактический и научно-методический журнал УБезопасность жизнедеятельностиФ. М.: Изд-во УНовые технологииФ, УБезопасность жизнедеятельностиФ, № 2 (134), 2012. - с. 27 - 30.
Публикации в других изданиях:
5. Емельянова Н.В. (Дроздова Н.В.) Визуализация распространения акустических волн // Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение. Материалы Международной научно-практической конференции. Выпуск IX (Ростов-на-Дону - Шепси, 2007 г.)Ц с. 86 - 88.
6. Емельянова Н.В. (Дроздова Н.В.) Применения приложения Microsoft Visio для моделирования экологической информации // Экологическая безопасность как ключевой фактор устойчивого развития. Сб. докладов / Одиннадцатая международная экологическая конференция студентов и молодых ученых. Москва, МГГУ. 2007г. Том 2. - Смоленск, Ойкумена, 2007. - 174с. - с. 71 - 73.
7. Бутримова Е.В., Дроздова Н.В. Возможности и применение концепции CALS-технологий в решении задач мониторинга шума и вибрации // Производство. Технология. Экология. Научные труды. Сборник монографий № 11 в 2-х тт. Том 1: Москва / Под ред. член-корр. РАН Ю.М.
Соломенцева и проф. Л.Э. Шварцбурга. - М.: УЯнус-КФ, 2008 - 288 с. - с.
36 - 38.
8. Бутримова Е.В., Дроздова Н.В. Графическое моделирование экологической информации в Microsoft Visio // Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение: Т38. Материалы Международной научнопрактической конференции. Выпуск XII. - Ростов-н/Д: Ростовский государственный строительный университет, 2010 - 503 с.
9. Бутримова Е.В., Дроздова Н.В. Моделирование и визуализация распространения шума и вибрации в рабочей зоне // XXII Международная инновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов (МИКМУС-2010) УБудущее машиностроения РоссииФ: сборник материалов конференции с элементами научной школы для молодежи. - М.: Цифровичок, 2010 г. - 221 с. - с. 10.
10. Бутримова Е.В., Дроздова Н.В. Визуализация распространения энергетических загрязнений в пространстве // Материалы III научнообразовательной конференции УМашиностроение - традиции и инновацииФ (МТИ-2010). Сборник докладов. - М.: МГТУ УСтанкинФ, 2010.
Ц 222 с. - с. 12 - 17.
11. Бутримова Е.В., Дроздова Н.В. Исследование колебательных процессов в технологической среде // Производство. Технология. Экология.
Монография. Выпуск № 14. - М.: ГОУ ВПО МГТУ УСтанкинФ, 2011 - 2с. - с. 13 - 16.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям