Введение к работе
Актуальность темы. Объем производства полимерных материалов в Российской Федерации за 2012 год составил приблизительно 3500 тысяч тонн. Объем производства цветных полимерных материалов составляет 20-25% от общего объема производства. Изделия из цветных полимерных материалов находят широкое применение в различных отраслях промышленности (пищевой, фармацевтической, косметической, полиграфической) и строительства, поэтому к их качеству (толщине, цвету, состоянию поверхности) предъявляются высокие требования. Выбор красителей, способа окрашивания, метода управления цветом влияет на цену, качество и, в конечном итоге, конкурентоспособность изделия на рынке.
Производство полимерных цветных материалов осуществляется двумя способами: экструзионным и экструзионно-каландровым и в несколько стадий: предварительного смешения компонентов, входящих в рецептуру материала, подготовки экструдата (нагрева, перемешивания и плавления материала в экструдере), формования экструдата, охлаждения, обрезка кромки материала (при необходимости), намотка.
Существует три способа окрашивания полимерных материалов: сыпучими пигментами, концентратами и жидкими красителями. Традиционно управление цветом полимерного материала осуществляется по цвету готового изделия путем воздействия на стадии предварительного смешения.
Производство цветных полимерных материалов с окрашиванием сыпучими пигментами, добавляемыми на стадии предварительного смешения, характеризуется следующими основными недостатками:
наличием циклов очистки оборудования от красителя: технологических агрегатов предварительного смешения (в среднем каждые 12 минут при производительности линии 1000 кг/час), очистка агрегатов всей производственной линии при перенастройке на контрастные цветовые характеристики производимого материала (до 4 часов).
длительной перенастройкой линии на новый цвет с материальными потерями (время перенастройки до 30 минут с получением 500 кг возвратных отходов при производительности линии 1000 кг/час).
Основным недостатком окрашивания концентратами, подаваемыми в загрузочную воронку экструдера, является высокая стоимость красящего вещества.
Более эффективный способ окрашивания, заключающийся в использовании жидких красителей, подаваемых непосредственно в экструдер, позволяет снизить материальные потери, за счет отсутствия циклов очистки и уменьшить время перенастройки производства с одного цвета на другой цвет. Однако при использовании жидких красителей их расходы зависят от производительности экструдера. Поэтому необходима разработка такой системы управления, которая позволила бы компенсировать возмущения, связанные с колебаниями производительности экструдера, а также с колебаниями цветовых характеристик возвратных материалов.
Актуальным является синтез системы управления и выбор способа окрашивания, которые позволят повысить эффективность и качество цветных полимерных материалов за счет снижения материальных потерь, уменьшения времени перенастройки, компенсации действующих возмущений.
Целью работы является разработка системы управления, алгоритмов управления и математических моделей, для управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, позволяющих повысить эффективность производства цветных полимерных материалов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Анализ существующих способов окрашивания полимерных материалов, математических моделей для управления цветом, систем управления цветом полимерных материалов позволило описать процесс производства полимерных материалов как объект управления, обосновать эффективность способа окрашивания, сформировать требования к разрабатываемой системе управления.
Разработка функциональной структуры автоматизированной системы управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, включающей библиотеку математических моделей, подсистему управления, информационную подсистему и интерфейсы оператора, технолога и лаборанта-исследователя, позволяющие управлять цветовыми характеристиками различных полимерных материалов.
Разработка математического обеспечения системы управления, а именно моделей: для расчета расходов жидких красителей, обеспечивающих эталонный цвет материала, моделей, основанных на теории Кубелки-Мунка для расчета рецептуры окрашивания полимерных материалов и моделей для расчета производительности экструдеров различных типов.
Разработка алгоритма управления цветовыми характеристиками в различных режимах функционирования: при перенастройке производства на новый цвет материала и при производстве полимерного материала с заданными цветовыми характеристиками.
Разработка информационного обеспечения, включающего базу данных характеристик производства и полимерных материалов, базу правил управления цветовыми характеристиками полимерных материалов.
Разработка, тестирование и внедрение в эксплуатацию автоматизированной системы управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, которая настраивается на характеристики производственных линий и полимерных материалов, позволяет управлять цветовыми характеристиками в различных режимах функционирования производственной линии.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что получены новые научные результаты, а именно:
-
Новый способ управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, основанный на окрашивании полимерных материалов жидкими красителями, подаваемыми в экструзионный смеситель-пластикатор, и изменении расходов жидких красителей в зависимости от цветовых характеристик экструдата и готового полимерного изделия.
-
Библиотека математических моделей, включающая модели для выбора типов красителей, модели для оценки расходов и модели для оценки производительности экструдеров, позволяющая управлять различными цветовыми характеристиками в различных режимах управления.
-
Алгоритм управления цветовыми характеристиками полимерных материалов по двум контурам управления: по цвету готового изделия при перенастройке на новое производственное задание и по цвету экструдата в регламентном режиме изготовления продукции заданного типа и эталона цвета.
-
Программный комплекс автоматизированной системы управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, включающий математическое обеспечение, информационное обеспечение и интерфейсы оператора, технолога и лаборанта-исследователя.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы математического моделирования, проектирования баз данных, обработки экспериментальных данных, численного нахождения экстремумов функции, объектно-ориентированного программирования.
Практическая ценность результатов заключается в том, что разработана автоматизированная система управления цветом полимерных материалов, включающая информационное, математическое, алгоритмическое и программное обеспечение. На разработанный программный продукт получено свидетельство о государственной регистрации в Роспатенте и акт о внедрении в опытно-промышленную эксплуатацию. На новый способ управления получен патент в Германии, и опубликована международная заявка на патентование в России и в других странах. Использование разработанной системы управления позволяет снизить себестоимость производимых цветных полимерных материалов и увеличить выпуск готовой продукции.
Реализация результатов. Результаты работы внедрены в опытно-промышленную эксплуатацию на производстве полимерных плёнок ООО «Клекнер Пентапласт Рус».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях ММТТ-23 (Саратов, 2010г.), ММТТ-24 (Киев, 2011г.); на конференции молодых ученых «Неделя науки - 2011»; на ежегодных конференциях, посвященных международному дистанционному учебно-исследовательскому центру по полимерным пленкам корпорации «Клекнер Пентапласт» (Санкт-Петербург, 2011г. -2013г.); в Рурском университете по программе DAAD (Германия, Бохум, 2009г.). С данной тематикой выигран конкурс по программе "Участник молодежного научно-инновационного конкурса" ("УМНИК") фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Санкт-Петербург, 2013 г).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 16 работ, в том числе 4 статьи опубликованы в журналах из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, опубликована 1 заявка на международное патентование, получен 1 патент, получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 свидетельство о внедрении в опытно-промышленную эксплуатацию.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Работа изложена на 134 страницах, содержит 36 рисунков и 14 таблиц, библиографический список включает 107 наименований.
