Введение к работе
Аетуальность. Интенсивное развитие производства композиционных материалов на основе полимеров, обусловленное повышением спроса на них, привело к возрастанию роли экструзионно-каландровых процессов и уровня их автоматизации в промышленности. Основной тенденцией развития каландровых производств на современном згапе являются их интенсификация и повышение требований к качеству готовой продукции. При этом техническое совершенство каландровых линий уже достигло уровня, позволяющего осуществлять непрерывную переработку полимерных материалов при высоких показателях производительности. Дальнейшее улучшение показателей процесса связано в первую очередь с улучшением качества продукции, сокращением производственных затрат (материальных и энергетических) и повышением гибкости производства для реагирования на изменения потребительского спроса на тот или иной вид продукции. В настоящее время, благодаря ряду преимуществ (экологичность, прочность, водостойкость, другие физико-механические характеристики), наибольшее распространение получили пленки на основе жесткого поливинилхлорида (ПВХ).
Для технологического процесса каландрования характерны многотоннажность и частые переходы на новые виды продукции в соответствии с желаниями заказчика. На этих производствах применяются локальные системы управления, осуществляющие мониторинг основных показателей процесса. Однако недостаточность информации о процессе и невозможность измерения и контроля ряда показателен приводят к ситуации, когда, при изменении задания, операторы вынуждены принимать решения, основываясь на своем опыте. Вследствие этого управление является «субъективным» и часто осуществляется с «запасом», который гарантировал бы отсутствие аварийных ситуаций. Это, с одной стороны, повышает экономические затраты иа энергию и материалы, а с другой, при переходах на новый тип продукции и производительность, увеличивает время перенастройки системы управления, в течение которого линия производит брак. Решение вышеназванных задач возможно при совершенствовании существующих систем управления таким образом, чтобы на базе математической модели процесса осуществлялось прогнозирование качества продукта и запаса работоспособности объекта управления, а также перенастройка на новое задание. Это делает актуальной и экономически обоснованной разработку алгоритмов и математических моделей для целей управления подобными производствами и приводит к повышению уровня автоматизации всей каландровой линии.
Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение качества управления процессом каландрования путем использования системы управления, позволяющей, на основе математических моделей осциллирующего смесителя и каландра, оценивать показатели качества готового продукта (полимерной пленки) и выбирать управляющие воздействия при переходе на новый тип продукции и производительность.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
провести исследование технологического процесса каландрования как обьекі
управления; определить спектр показателей, определяющих качество готового продукта
выделить факторы, влияющие на него;
разработать математические модели осциллирующего смесителя и каландра, с помощы которых по исходным данным (конфигурации смесителя, каландра, свойства сырья, частот вращения шнека смесителя и воронки, температуры корпуса и шнека смесителя; скорост вращения валков каландра, зазоры между валками каландра, усилия контризгиба) можн прогнозировать основные показатели качества продукта (толщина, равнотолщинность, степей термической деструкции);
на базе математических моделей осциллирующего смесителя и каландра разработат систему управления, позволяющую повысить качество готового продукта, получаемого н каландровой линии;
разработать алгоритмическое и программное обеспечение для системы управлена
каландровой линией, настраиваемое на характеристики оборудования, свойств
перерабатываемого материала и технологические параметры.
Научная новизна.
Разработана структура системы управления каландровой линией, которая, на баз
перенастраиваемых математических моделей осциллирующего смесителя и каландра, позволяв
повысить качество полимерной пленки.
Разработана математическая модель осциллирующего смесителя, учитывающа
переменную модульную конфигурацию шнека, осцилляцию, утечки через радиальный зазор
прорези в гребнях, неполное заполнение каналов смесителя. Модель адаптируется на различны
типы сырья и позволяет рассчитывать основные параметры процесса (профиль давлеши
профиль температуры, вязкость материала) и показатели качества пленки (индекс деструкцій
удельное энергопотребление).
Разработана математическая модель каландра, настраиваемая на разные геометрически
характеристики оборудования, параметры перерабатываемого материала, позволяюща
рассчитывать толщину и равнотолщинность пленки и адаптируемая на различные постановк
задачи оптимального управления.
Разработан программный комплекс, включающий подсистемы моделировани
осциллирующего смесителя и каландра, адаптивный по отношению к характеристикам сырья ;
оборудования. Его применение в системе управления каландровой линией позволит повысит
уровень автоматизации за счет советов оператору по выбору управляющих воздействий пр,
переходе на новую производительность, тип сырья и толщину пленки.
Методы исследования. При выполнении работы использовались методы теори управления, методы математического моделирования процессов переработки полимеров н зкструзионном и каландровом оборудовании, включая реологию полимеров и теории гидродинамики расплавов полимеров, основы химической технологии, средства разработк программных комплексов для современных систем промышленной автоматизации.
Практнчсская ценность результатов. Разработана структура, математическое и программное обеспечение для системы управления каландровой линией, позволяющей повысить качество готового продукта. Кроме того, программный комплекс может быть использован для автоматизированного проектирования каландровой и экструзионной техники, а также в составе тренажерных комплексов для операторов каландровых линий.
Реализация результатов. Основные результаты диссертационной работы рекомендованы к внедрению в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). Работоспособность разработанной математической модели и программного обеспечения подтверждена фирмой KLOCKNER PENTAPLAST (Германия) и фирмой BUSS AG (Швейцария), производящей осциллирующие смесители для каландровых линий.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на X Международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии», Новомосковск, 1997, на Международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии», 1998, Владимир, на ХП Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях», г. Великий Новгород, 1999, на И научно-технической конференции памяти М. М. Сычева, Санкт-Петербург, 1999.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано восемь работ.
Структура и объем работы. Работа изложена на 167 страницах, состоит из 4 глав, выводов, содержит 60 рисунков и 11 таблиц, библиографический список включает 113 наименований.