Введение к работе
Актуальность темы. В условиях жесткой конкуренции на рынке кабельной продукции перед производителями встают проблемы повышения производительности оборудования и качества готовой продукции, снижения её себестоимости. Одним из путей решения указанных проблем выступает управление процессом экструзии полимеров при наложении пластмассовой изоляции с учетом изменяющихся реологических свойств исходного сырья.
Качество кабельной продукции, получаемой методом экструзии, определяется рядом механических, электрических и других показателей. Экспериментально подобранный режим технологического процесса, обеспечивая необходимую производительность, ещё не гарантирует необходимого качества готового продукта. Даже при удачно подобранном технологическом режиме существует возможность его нарушения при изменении свойств исходного сырья, что, в свою очередь, приводит к снижению качества готового продукта в целом. Таким образом, существует проблема контроля и обеспечения заданного качества готового продукта при случайных изменениях свойств исходного сырья непосредственно в процессе наложения электрической изоляции.
Проблемам автоматизации управления процессом экструзии посвящены работы ряда авторов (Соколов М.В. Сагиров С.Н., Митрошин В.Н., Ковригин Л.А., Орлов С.П., Малафеев С.И., Дормайер С., Макафи М., Шармю Ж-И и др.). В данных работах рассматриваются, как правило, задачи управления отдельными элементами экструзионной линии, например задачи высокоточного поддержания температурного профиля корпуса, повышения эффективности электропривода экструдера и пр. В тоже время практически отсутствуют работы, описывающие подходы к решению задач управления процессом экструзии на основе модели, одновременно учитывающей влияние на процесс реологических свойств перерабатываемого материала, условий переработки и характеристик формующего инструмента. Поэтому разработка моделей и алгоритмов управления процессом экструзии с учетом изменяющихся свойств сырья и условий переработки является весьма актуальной задачей.
Цель работы. Разработка моделей и алгоритмов управления технологическим процессом экструзии полимерной изоляции при производстве кабелей, учитывающих влияние изменяющихся реологических свойств перерабатываемого полимера и обеспечивающих заданное качество выпускаемой продукции и производительности процесса.
Задачи исследования.
1. Исследовать влияние условий переработки и реологических свойств перерабатываемого полимера на процесс экструзии.
2. Построить имитационную модель процесса экструзии, учитывающую влияние условий переработки и реологических свойств материала на выходные переменные процесса.
3. Выполнить постановку задачи управления процессом экструзии; разработать показатели качества готового продукта, учитывающие изменяющиеся реологические свойства сырья и условия переработки.
4. Построить численную модель процессов тепломассопереноса в экструдере на основе законов сохранения массы, энергии и импульса, предназначенную для вычисления показателей качества готового продукта и параметрической идентификации имитационной модели.
5. Разработать алгоритмы определения оптимальных управляющих воздействий, учитывающие влияние изменяющихся реологических свойств перерабатываемого полимера на показатели качества выпускаемой продукции и производительность процесса.
6. Разработать методику определения реологических свойств перерабатываемого полимера по выходным переменным процесса в режиме реального времени.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи решены с использованием теории тепломассопереноса, теории управления, методов математического моделирования, а также натурных и вычислительных экспериментов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
– на основе экспериментального исследования процессов переработки полимерных материалов на экструзионном оборудовании получена регрессионная зависимость между переменными реологического уравнения и выходными параметрами процесса;
– построена имитационная модель процесса экструзии, учитывающая влияние условий переработки и реологических свойств материала на выходные параметры процесса, новизна которой заключается в учете реологического поведения расплава на основе степенного закона и уравнения Рейнольдса;
– разработан алгоритм параметрической идентификации имитационной модели на основе численного моделирования процессов тепломассопереноса в экструдере, позволяющий уменьшить затраты на натурное исследование процесса;
– построена численная модель процессов тепломассопереноса в экструдере на основе законов сохранения массы, энергии и импульса, новизна которой заключается в описании процессов тепломассопереноса с учетом влияния теплопроводности шнека и в сравнительно с известными моделями меньших затратах времени на вычисления.
Практическая значимость работы:
– разработанные модели и алгоритмы управления технологическим процессом экструзии полимерной изоляции при производстве кабелей позволяют значительно сократить временные и материальные затраты за счет исключения натурных испытаний при изменении режимов технологических процессов;
– разработанные алгоритмы управления процессом экструзии обеспечивают выпуск продукции заданного качества при случайных изменениях свойств перерабатываемого материала;
– разработанная методика определения реологических свойств перерабатываемого полимера непосредственно в процессе производства продукции, позволяет контролировать изменяющиеся свойства сырья и управлять процессом на основе наиболее полной информации о реологическом поведении полимера;
– разработанные алгоритмы управления могут быть использованы при проектировании и практической реализации автоматических систем управления одношнековыми экструзионными установками.
Реализация результатов работы:
– предложенные в работе модели и алгоритмы внедрены на ООО «Камский кабель» (г. Пермь) в виде программного обеспечения и используются для анализа и разработки новых режимов экструзии, а также для разработки рекомендаций по соблюдению условий обеспечения качества кабельной продукции, что позволяет при производстве кабелей на средние напряжения сократить в среднем на 70% затраты времени при изменении технологических режимов и на 80% снизить расход материалов за счет исключения натурных испытаний;
– предложенная в работе методика определения реологических свойств полимерных материалов используется в лаборатории пластмасс ООО «Камский кабель» (г. Пермь) при анализе нарушений процесса экструзии, связанных с изменением свойств сырья;
– имитационная модель процесса экструзии используется в учебном процессе в рамках дисциплины «Автоматизация исследований и технологий в электроизоляционной, кабельной и конденсаторной технике» при обучении студентов специальности 140611.65 «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника» на кафедре «Конструирование и технологии в электротехнике» Пермского национального исследовательского политехнического университета.
На защиту выносятся:
– постановка задачи и алгоритмы управления процессом экструзии полимеров при производстве кабелей;
– имитационная модель процесса экструзии, учитывающая влияние условий переработки и реологических свойств перерабатываемого полимера на выходные переменные процесса и методика ее параметрической идентификации;
– численная модель процессов тепломассопереноса в экструдере на основе законов сохранения массы, энергии и импульса;
– методика определения реологических свойств перерабатываемого полимера по выходным параметрам процесса экструзии.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Изоляция-99» (г. С.-Петербург, 1999г.); VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной Механике (г. Пермь, 2001г.); 13-й Зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 2003г.); XVI Международной научной конференции (г. Санкт-Петербург, 2003г.); Краевой научно-технической конференции «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (г. Пермь, 2008 г.), а также на научных семинарах кафедры «Конструирование и технологии в электротехнике» Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 147 наименований, приложения. Общий объем работы 149 страниц, в том числе 56 рисунков, 22 таблиц.
