Основы построения АСУТП производством круглых лесоматериалов

Автоматизированные системы управления технологическим процессом производства круглых лесоматериалов создаются на базе автоматизированных линий первичной обработки древесины, в контур управления которых включается управляющая микроЭВМ, что позволяет производить оптимизацию раскряжевки каждого хлыста, получать наибольший количественный и качественный выход деловой древесины, выполнять план в заданной номенклатуре сортиментов круглых лесоматериалов. МикроЭВМ, кроме того, выполняет операции учета получаемых круглых лесоматериалов по породам, сортиментам, сортам и размерам, управляет механизмами маркировки и сортировки бревен (рис. 8.14).

Эти АСУТП можно строить на базе раскряжевочных агрегатов с продольной подачей хлыстов или на базе поперечной подачи триммерных агрегатов со значительным числом пил.
При создании АСУТП производства тех или иных изделий вначале дается технико-экономическое обоснование эффективности этой системы; затем проводится изучение объекта, процесса производства; выявляются математические модели объекта, процесса; определяются критерии оптимальности и соответствующие целевые функции оптимального управления технологией; разрабатываются и проверяются алгоритмы, программа микроЭВМ оптимального управления процессом; осуществляется синтез АСУТП производством изделий. Эти результаты позволяют составить техническое задание и технический проект АСУТП, на основании которого разрабатывается документация рабочего проекта АСУТП. После этого создается и внедряется в производство реальная АСУТП.
Технико-экономическая эффективность АСУТП производством круглых лесоматериалов. Проведенные исследования показали, что автоматическая оптимизация раскряжевки хлыстов дает возможность обеспечить использование всех резервов повышения объемного и качественного выхода деловых сортиментов круглых лесоматериалов, повысить производительность технологических линий первичной обработки древесины. АСУТП обеспечивает выполнение плана в заданной номенклатуре сортиментов круглых лесоматериалов. На 2...3,2 % повышается цилиндрический объем древесины бревен. Выпуск товарной продукции лесозаготовок в оптовых ценах в зависимости от качества лесосечного фонда повышается на 3...15 % и даже до 20 %.
Все это повышает прибыль и производительность труда, рентабельность производства. Рассматриваемая АСУТП также дает положительный эффект у потребителей круглых лесоматериалов. Лесопильное производство получает пиловочное сырье повышенного цилиндрического объема древесины, что позволяет на 1,5...2,4 % увеличить объемный выход обрезных пиломатериалов, улучшает также качество досок.
Поставка балансового сырья в соответствии со спецификацией целлюлозно-бумажного производства дает возможность на полную мощность использовать окорочные станки, слешеры, дефибреры и другое оборудование древесномассных цехов, что увеличивает выпуск целлюлозы, бумаги, картона.
Заготовка фанерных кряжей повышенного цилиндрического объема повышает выход высококачественного, полноформатного шпона из бессучковой заболонной части древесины.
Выпуск однородных по сортности и повышенной цилиндричности круглых лесоматериалов для строительства и шахтного крепежа сокращает расход древесины в строительстве и горнорудной промышленности.
Математические и экономико-математические модели хлыстов. Математическая модель хлыста — это уравнение связи между диаметром 2х в коре и без коры и расстоянием этого сечения до комлевого торца у (рис. 8.15).

Проведенные исследования показали, что наиболее правильной, точной моделью, охватывающей все сочетание размеров, разрядов высот, коэффициентов формы хлыстов данной породы, является уравнение образующей в относительных величинах

где а4, а3, а2, а1, а0 — коэффициенты, имеющие свои значения для каждой породы дерева.
Математические модели дают наиболее точную формулу вычисления объема древесины хлыстов:

где F — видовое число (для хлыстов данной породы F=const).
Математические модели определяют и формулы вычисления объема бревен из хлыста по принятой схеме раскряжевки. Пусть у1, у2, ..., уn — расстояние от верхних концов до комлевого сечения хлыста соответственно для 1, 2, ..., n-го бревна, тогда

Цилиндрический объем древесины бревен Vц по принятой схеме раскряжевки с известными у1, у2, ..., уn определяется по уравнению

Экономико-математические модели хлыстов — это зависимость, характеризующая изменение оптовой цены (по прейскуранту цен круглых лесоматериалов) единицы объема древесины по длине хлыстов.
Оптовая цена 1 м3 древесины Q зависит от номера тарифного пояса прейскуранта цен круглых лесоматериалов T, породы древесины П, размера бревен по диаметру d и длине 1, наличию и степени развития пороков древесины в бревне Ф, т.е. Q=Q(Т, П, d, l, Ф). В определенном тарифном поясе для хлыстов одной породы оптовая цена единицы объема древесины зависит от размеров бревна и наличия в нем пороков древесины. Учитывая значительную разницу оптовых цен 1 м3 древесины в зависимости от сорта и размеров бревен, экономико-математическая модель Q(у/Н) по относительной длине хлыста представляет линейно-ступенчатую функцию. Координаты по (у/Н) ступенчатых переходов Q(y/Н) хлыста определяются границами качественных размерно-сортовых зон. Учитывая различие хлыстов по размерам и степени фаутности, единую экономико-математическую модель получить не представляется возможным. Поэтому для определения по каждому хлысту границ размерно-сортовых зон необходимо использовать на автоматизированных линиях автоматические измерители размеров хлыстов и дефектоскопы пороков древесины.
Критерии оптимальности раскряжевки хлыстов. Для наилучшего использования древесины в народном хозяйстве, прежде всего, каждый древесный ствол должен быть раскроен оптимально. Уровень качества раскроя определяется численными показателями, критериями раскряжевки. Критерии оптимальности раскряжевки — это технико-экономические показатели раскроя, характеризующие количественный и качественный выход круглых лесоматериалов.
В теории и практике производства и потребления сортиментов круглых лесоматериалов используются четыре основных критерия оптимальности раскряжевки: общий объемный выход деловых сортиментов круглых лесоматериалов; выпуск лесоматериалов плановых сортиментов; товарный выход круглых лесоматериалов по оптовым ценам, р.; цилиндрический объем древесины бревен, м3.
Получение наибольшего возможного выхода деловой древесины позволяет увеличить выпуск деловых сортиментов с 1 га лесосечного фонда, сократить расходы на строительство лесовозных дорог, на трелевку и вывозку древесины, уменьшить площади лесных вырубок, улучшить снабжение и загрузку производственных мощностей лесообрабатывающих отраслей промышленности.
Выпуск наибольшего возможного объема сортиментов в заданном соотношении плановой номенклатуры дает возможность удовлетворить плановые поставки круглых лесоматериалов потребителям.
Получение наибольшего возможного выхода лесоматериалов в оптовых ценах определяет выпуск товарной продукции, прибыль лесозаготовительного предприятия.
Увеличение цилиндрического объема и снижение объема сбеговой зоны бревен дает возможность улучшить показатели использования древесины. На предприятиях лесопиления, фанерного производства, в строительстве и горнорудной промышленности сокращается количество отходов, уменьшаются затраты на механическую обработку древесины, увеличивается выход конечных продуктов из 1 м3 круглых лесоматериалов.
Рассмотренные критерии в общем-то не противоречивы, увеличение численного значения одного показателя раскряжевки в определенной мере повышает значение других показателей.
При оптимизации раскряжевки нельзя рассматривать четыре критерия изолированно друг от друга, без учета условий лесозаготовок и сбыта лесопродукции. Поэтому оптимальная раскряжевка должна в наибольшей мере удовлетворять конкретным требованиям и условиям производства и потребления круглых лесоматериалов.
Оптимальные схемы раскроя должны обеспечить повышение выхода конечной продукции в деревообрабатывающих отраслях народного хозяйства. Поэтому при построении алгоритма, программы микроЭВМ для оптимального управления раскряжевкой необходимо учитывать тип лесозаготовительного предприятия по задачам, условиям производства и реализации круглых лесоматериалов.
Например, для комбинированного лесозаготовительно-целлюлозно-бумажного предприятия, заготавливающего лес для производства целлюлозы, бумаги при максимизации выпуска лесоматериалов в оптовых ценах цилиндрический объем бревен не имеет значения. Наоборот, для комбинированного лесозаготовительно-лесопильного предприятия необходимо максимизировать выпуск пиловочного сырья с наибольшим цилиндрическим объемом древесины, остальные показатели раскряжевки не имеют существенного значения.
Целевые функции оптимизации раскряжевки. Целевые функции оптимизации раскряжевки покажем в виде аналитических представлений рассмотренных критериев оптимальности.
1. Выход товарной продукции круглых лесоматериалов из хлыста по принятой схеме раскроя в оптовых ценах Qобщ. Известны длины бревен, выпиливаемых из хлыста, начиная с комлевого: l1 = y1; l2 = y2 - y1; ln = yп - yn-1. Здесь у1, у2, ..., yn — расстояние от комлевого торца хлыста до верхнего сечения 1, 2, ..., n-го бревна.
Величина Qобщ зависит от объема каждого бревна V1, V2, ..., Vn и соответствующей оптовой цены 1 м3 древесины Q1, Q1, ..., Qn, которая определяется сортностью и размером 1, ..., n-го сортимента круглых лесоматериалов:

где i = 1,2, ..., n.
Объем каждого бревна

поэтому

Для максимизации товарного выхода круглых лесоматериалов из хлыста в оптовых ценах необходимо раскроить хлыст в сечениях границ сортовых зон на однородные по сортности отрезки, после чего распилить сортовые зоны на сортименты определенной длины. При определении числа бревен и, выпиливаемых из хлыста, можно использовать соотношение

где аср — средняя сортиментная длина бревен, определяемая плановой спецификацией поставки круглых лесоматериалов.
Границы сортиментных зон хлыста определяются в основном размерами сучьев и реже — размерами гнилей.
Для определения мест распиловки однородной по сортности зоны хлыста на бревна целевая функция максимизируется не в пределах длины хлыста, а в пределах длины сортовых зон. Для этого можно воспользоваться методами классического анализа, градиента, одношагового поиска, динамического программирования, итерационного поиска. Полученные длины бревен округляются до стандартных.
2. Выпуск сортиментов круглого леса в заданном объемном соотношении плановой номенклатуры. Вид целевой функции определяется условиями производства и числом заготавливаемых сортиментов. Рассмотрим несколько случаев.
А. Предприятие ориентируется на выпуск одного сортимента, например пиловочника диаметром 0,14 м и более, т.е. каждый хлыст должен распиливаться в сечении 0,14 м. Длина пиловочной зоны у„ определяется по математической модели хлыста:

решение которой дает искомую величину уn. Пиловочная зона раскраивается на бревна с максимальным цилиндрическим объемом.
Б. Предприятие поставляет пиловочник объемом Vп, строевой лес объемом Vc, рудничную стойку объемом Vp. Определим весовое значение каждого сортимента в долях единицы П + С + P = 1:
пиловочник

строевой лес

рудничная стоика

Хлысты поступают из одновозрастных насаждений, и от каждого хлыста можно получить все три сортимента: из комлевой части — пиловочник, из серединной — строевой лес, из вершинной — рудничную стойку.
Длина пиловочной зоны уп определяется уравнением с одним неизвестным

где V — объем хлыста; f(e/H) подставляется из математической модели.
Общая протяженность пиловочной зоны и зоны строевого леса

Решив это уравнение, найдем значение уп + ус, протяженность зоны строевого леса ус = (уп + ус) - уп.
Оставшаяся вершинная часть хлыста соответствует по объему весовому значению рудничной стойки P в сортиментном плане.
В. Лесозаготовительное предприятие работает в разновозрастных смешанных насаждениях. Сортиментная программа включает в себя большинство сортиментов круглых лесоматериалов, указанных в ГОСТе. Из каждого хлыста нет смысла получать все сортименты. В этом случае, исходя из известных по лесорубочному билету объемных распределений по размерам хлыстов, необходимо разделить все хлысты на три категории крупности: крупномерные, средние, тонкомерные. Например, из крупномерных хлыстов следует получать шпальный кряж, пиловочник, строительные бревна; из хлыстов средних размеров — пиловочник, строительные бревна, кряжи для лущения, балансы; из тонкомерных — балансы, рудничную стойку.
Границы крупности хлыстов по диаметру определяют весовыми коэффициентами сортиментов и данными таксации лесофонда. Определение длины сортиментных зон в каждой категории крупности хлыстов проводится по методике пункта «Б».
3. Целевая функция раскряжевки — выход цилиндрического объема древесины бревен определяется выражением

Целевая функция Vц определена, непрерывна в области 0, Н. Следовательно, в этой области существует схема раскроя, при которой Vц получает максимальное значение. Обращение в нуль частных производных 1-го порядка является необходимым условием существования экстремума, т.е.

Решение этой системы уравнений дает искомые координаты сечений схемы раскряжевки у1в0, у2в0, ..., у0n = Н, которая обеспечивает максимальный выход цилиндрического объема древесины бревен. Эта целевая функция может быть максимизирована также методами градиента, динамического программирования, одношагового и итерационного поиска. Уместно отметить, что этот аппарат максимизации Vц можно использовать не только в пределах длины хлыста Н, но также в пределах отдельных сортиментных, сортовых зон.
4. Получение наибольшего объемного выхода деловых сортиментов круглых лесоматериалов получается при точной вырезке неделовой части хлыста, в основном из комлевой зоны с большим диаметром напенной гнили. Для определения границ деловой и неделовой части хлыста необходима автоматическая дефектоскопия древесины. Можно также воспользоваться и эмпирическими формулами расчета.
Таким образом, рассмотренный аппарат максимизации целевых функций дает математическую основу построения алгоритмов, программ микроЭВМ, расчета оптимальных систем раскряжевки в АСУТП производством круглых лесоматериалов.
Для этого необходима следующая основная исходная информация:
• исходя из условий производства и реализации круглых лесоматериалов устанавливаются необходимые критерии оптимальности раскряжевки и определяется последовательность их максимизации;
• анализируется сортиментный план, вычисляются весовые значения сортиментов, выявляются средние длины сортиментов аср и допустимые диапазоны изменения их диаметров, а также градации длины бревен. Устанавливаются категории и границы крупности хлыстов по диаметру и перечень сортиментов круглых лесоматериалов, заготавливаемых из каждой категории крупности хлыстов;
• в процессе подачи каждого хлыста в раскряжевку измеряется его длина Н, диаметр на середине d0,5, границы сортовых зон по размерам сучьев и диаметр, протяженность внутренних гнилей.
Наиболее эффективным методом контроля качества круглых лесоматериалов, хлыстов является метод рентгено-телевизионной дефектоскопии. На масштабной сетке экрана видеоконтрольного устройства четко видны размеры сучьев, гнилей, и оператор может точно устанавливать и вводить в систему управления информацию о сортовых зонах хлыстов. Кроме того, оператор вводит информацию о породе поступившего хлыста. В раскряжевку могут поступать половинки хлыстов и обмотки. В этом случае объект раскряжевки проходит на транспортере необходимые измерения, микроЭВМ определяет его математическую модель и схему раскряжевки.
Структурная схема АСУТП производством круглых лесоматериалов. В состав общей структурной схемы АСУТП производством сортиментов круглых лесоматериалов (см. рис. 8.14) на автоматизированных линиях первичной обработки древесины должны входить следующие системы управления технологическими операциями: автоматическое управление процессом оптимальной раскряжевки хлыстов; автоматическая маркировка сортиментов; автоматический учет лесоматериалов; автоматическая сортировка бревен.
Система автоматического управления процессом оптимальной раскряжевки работает циклично, и ее функционирование начинается при поступлении очередного хлыста в раскряжевку. Информация о параметрах хлыста при помощи автоматического измерителя и рентгено-телевизионного дефектоскопа через согласующее устройство поступает на микроЭВМ. Система относится к экстремальной, самонастраивающейся системе автоматического управления цикличным технологическим процессом. МикроЭВМ вырабатывает управляющее воздействие на раскряжевочный агрегат индивидуально по каждому хлысту в соответствии с его размерно-качественными характеристиками и алгоритмами оптимизации раскряжевки. Порядок работы раскряжевочного агрегата автоматически перестраивается на каждый хлыст по результатам максимизации целевых функций раскряжевки.
В управляющем вычислительном устройстве возникает информация о размерно-качественных параметрах выпиленных бревен. Эта информация через согласующее устройство поступает в систему автоматического учета лесоматериалов и в систему автоматической сортировки бревен.
Общая структурная схема (см. рис. 8.14) и соответствующий математический аппарат, рассмотренный ранее, являются основой для разработки программного обеспечения АСУТП производством круглых лесоматериалов для различных автоматизированных линий первичной обработки древесины. Разрабатывается, анализируется информационное и математическое обеспечение АСУТП производством круглых лесоматериалов, включающее в себя алгоритмы, программы, инструкции функционирования вычислительной системы управления раскряжевкой хлыстов, учетом, маркировкой и сортировкой бревен. Разрабатываются технические решения по привязке управляющего вычислительного устройства к измерителям хлыстов и к исполнительным органам систем раскряжевки, учета, маркировки, сортировки бревен, т.е. осуществляется синтез соответствующих согласующих устройств. После этого составляется рабочий проект АСУТП и внедрение его на линях первичной обработки древесины.