14.10. 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. 14.16).

Эти АСУТП можно строить на базе раскряжевочных агрега­тов с продольной подачей хлыстов или на базе поперечной по­дачи триммерных агрегатов со значительным числом пил.

Рис. 14.16. Структурная схема АСУТП производ­ства круглых лесоматериалов

Рис. 14.17. Расчетная схема хлыста

При создании АСУТП производства тех или иных изделий вначале дается технико-экономическое обоснование эф­фективности этой системы; далее прово­дится изучение объекта, процесса про­изводства; выявляются математические модели объекта, процесса; определя­ются критерии оптимальности и соответ­ствующие целевые функции оптимального управления техноло­гией; разрабатываются и проверяются алгоритм, 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 исследовнаия показали [10], 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, улучшается также качественный выход 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 цилиндрич-ности 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 или без коры и расстоянием этого сече­ния до комлевого торца у (рис. 14.17).

Проведенные исследования [10] показали, что наиболее пра­вильной, точной моделью, охватывающей все сочетание разме­ров, разрядов высот, коэффициентов формы хлыстов данной породы, является уравнение образующей в относительных ве­личинах

где a₄, a₃, a₂, a₁, а₀ — коэффициенты, имеющие свое значение 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, y₂, ... , y_п — расстояние от верхних концов до комле­вого сечения хлыста соответственно для 1, 2, ..., n-го бревна, тогда

Цилиндрический объем древесины бревен по принятой схеме раскряжевки с известными у₁, y₂, ... , y_п определяется уравне­нием

Экономико-математические модели хлыстов — это зависимо­сти, характеризующие изменение оптовой цены (по прейску­ранту цен круглых лесоматериалов) единицы объема древесины по длине хлыстов.

Величина оптовой цены 1 м³ древесины Q зависит от но­мера тарифного пояса прейскуранта цен круглых лесоматериа­лов Т, породы древесины П, размера бревен по диаметру d и длине l, наличию и степени развития пороков древесины в бревне Ф, то есть Q = Q(T, Π, d, l, Φ). В определенном тариф­ном поясе для хлыстов одной породы оптовая цена единицы объема древесины зависит от размеров бревна и наличия в нем пороков древесины. Учитывая значительное различие величины оптовых цен 1 м³ древесины в зависимости от сорта и размеров бревен, экономико-математическая модель Q(y/H) по относи­тельной длине хлыста представляет линейно-ступенчатую функ­цию. Координаты по (у/Н) ступенчатых переходов Q(y/H) хлы­ста определяются границами качественных размерно-сортовых зон. Учитывая различие хлыстов по размерам и степени фаутно-сти, 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 величинами показателей, критериев 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 лучшим образом 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 лесообрабатывающих отраслях народного хозяйства. Поэтому при построении алгоритма, про­граммы микроЭВМ для оптимального управления раскряжев-

кой необходимо учитывать тип лесозаготовительного предприя­тия по задачам, условиям производства и реализации круглых лесоматериалов.

Например, для комбинированного лесозаготовительно-цел-люлозно-бумажного предприятия, заготавливающего лес для производства целлюлозы, бумаги при максимизации выпуска ле­соматериалов в оптовых ценах Цилиндрический объем бревен не имеет смысла. Наоборот, для комбинированного лесозаготови-тельно-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, Q_общ. Из­вестны длины бревен выпиливаемых из хлыста, начиная с ком­левого: l₁ = y₁; l₂ = y₂—y₁; ...; l_п = у_п—y_п-1. Здесь у₁, у₂,, ..., у_п — расстояние от комлевого торца хлыста до верхнего сечения 1, 2, ..., п-го бревна.

Величина Q_общ зависит от объема каждого бревна V₁, V₂,..., V_n и соответствующей оптовой цены 1 м³ древесины Q₁, Q₂,..., Q_n, которая определяется сортностью и размером 1, ..., п-го сортимента круглых лесоматериалов.

Объем каждого бревна

поэтому Q_общ =

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 п, выпи­ливаемых из хлыста, можно использовать соотношение

где а_cp — 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 размеров.

2. Выпуск лесосортиментов круглых в заданном объемном соотношении плановой номенклатуры. Вид целевой функции определяется условиями производства и количеством заготав­ливаемых сортиментов. Рассмотрим несколько случаев.

а) Предприятие ориентируется на выпуск одного сорти­мента, например, пиловочника диаметром 0,14 м и выше, т. е. каждый хлыст должен распиливаться в сечении 0,14 м. Длина пиловочной зоны y_п определяется по математической модели хлыста:

решение которой дает искомую величину у_п. Пиловочная зона раскраивается на бревна с максимальным цилиндрическим объ­емом.

б) Предприятие поставляет пиловочник объемом V_п, строе­вой лес объемом V_с, рудничную стойку объемом V_р. Определим весовое значение каждого сортимента в долях единицы П +C+

+Р=1. Пиловочник П=V_п/(V_п+V_c+V_p); строевой лес С =

V_c/(V_п+V_c+V_p) рудничная стойка Ρ =V_р/(V_п+V_c+V_p). Хлысты

поступают из одноворзастных насаждений, и от каждого хлы­ста можно получить все три сортимента: из комлевой части — пиловочник, из серединной — строевой лес, из вершинной — рудстойку.

Длина пиловочной зоны у_п определяется уравнением с од­ним неизвестным

где N — объем

хлыста;

подставляется из математической модели.

Общая протяженность пиловочной зоны и зоны строевого леса

Решение этого уравнения дает величину у_п + у_с, а протяжен­ность зоны строевого леса у_с= (y_п+у_с)—у_п.

Оставшаяся вершинная часть хлыста соответствует по объ­ему весовому значению рудстойки Ρ 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, рудстойку.

Границы крупности хлыстов по диаметру определяют весо­выми коэффициентами сортиментов и данными таксации лес-фонда. Определение длины сортиментных зон в каждой кате­гории крупности хлыстов проводится по методике пункта «б».

3. Целевая функция раскряжевки — выход цилиндрического объема древесины бревен характеризуется выражением

Целевая функция V_ц определенна, непрерывна в области 0, Н. Следовательно, в этой области существует схема раскроя, при которой V_ц получает максимальное значение. Обращение в нуль частных производных первого порядка является необхо­димым условием существования экстремума, т. е.

Решение этой системы уравнений дает искомые координаты сечений схемы раскряжевки у⁰₁, у⁰₂, ... , у⁰_п = Н, которая обес­печивает максимальный выход цилиндрического объема древе­сины бревен. Эта целевая функция может быть максимизирована также методами градиента, динамического программирования, одношагового и итерационного поиска [10]. Уместно отметить, что этот аппарат максимизации V_ц 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 [9].

Таким образом, рассмотренный аппарат максимизации целе­вых функций дает математическую основу построения алго­ритмов, программ микроЭВМ, расчета оптимальных схем рас­кряжевки в АСУТП производством круглых лесоматериалов.

Для этого необходима следующая основная исходная инфор­мация:

1. Исходя из условий производства и реализации круглых лесоматериалов, устанавливают необходимые критерии опти­мальности раскряжевки и определяют последовательность их максимизации.

2. Анализируется сортиментный план, вычисляются весовые значения сортиментов, выявляются средние длины сортиментов а_ср 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.

3. В процессе подачи каждого хлыста в раскряжевку изме­ряется его длина Я, диаметр на середине d_0,5, границы сорто­вых зон по размерам сучьев и диаметр, протяженность внутрен­них гнилей.

Уместно отметить, что 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 обломки. 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. 14.16) на автоматизированных линиях первичной обработки древесины должны входить следующие системы управления технологиче­скими операциями: автоматического управления процессом оп­тимальной раскряжевки хлыстов; автоматической маркировки сортиментов; автоматического учета лесоматериалов; автомати­ческой сортировки 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 телевизионного измерителя и рентгено-телевизионного дефектоскопа через со­гласующее устройство поступает в микроЭВМ. Система отно­сится к экстремальной, самонастраивающейся системе автома­тического управления цикличным технологическим процессом. МикроЭВМ вырабатывает управляющие воздействия 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. 14.16) и соответствую­щий математический аппарат, рассмотренный выше, являются основой для составления технического задания на проектирова­ние АСУТП производством круглых лесоматериалов для раз­личных автоматизированных линий первичной обработки древе­сины. В техническом проекте проводятся структурно-аналитиче­ский синтез и более детальная проработка отдельных систем с определением и выбором технических средств контроля, уп­равления. 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 линиях пер­вичной обработки древесины.

Контрольные вопросы

1. Как производится автоматическое управление раскряжевочной уста­новкой с одной пилой и несколькими пилами?

2. Как производится автоматическое управление подающим транспорте­ром раскряжевочной установки?

3. Как производится автоматическое управление скоростью надвигания пильного аппарата?

4. Какие способы управления и элементы применяются при цифровом и логическом управлении расстановкой пил?

5. В чем состоит методика расчета оптимального способа раскряжевки хлыстов?