Введение к работе
Актуальность темы исследования
Непрерывное развитие и расширение сферы реализации автоматизированных производств, обеспечивающих изготовление высококачественных жидких продуктов, или современных автоматизированных производств, основанных на использовании жидких технологических материалов, в значительной степени обусловлено применением в промышленности новейших методов очистки жидкотекучих компонентов производимой продукции. Этим определяется перспективность проведения исследований по модернизации методов и средств управления и обеспечения чистоты жидких технологических сред.
К числу наиболее эффективных методов достижения чистоты жидкой среды следует отнести процессы фильтрации, являющиеся ключевыми в целом ряде отраслей промышленности, что и предопределяет необходимость построения схем очистки, допускающих их реализацию в автоматизированных технологических комплексах.
Так, например, проблемы осветления и стерилизации фармацевтических и биологических жидкостей, лекарственных препаратов, получения стерильного воздуха, тонкой очистки газовых сред, микробиологической стабилизации вин, осветления и "полировки" различных алкогольных и безалкогольных напитков, фильтрации бутилированной и минеральной воды решаются при помощи микрофильтрационного оборудования. При этом глубокой очистке подвергается весь производимый продукт.
Аналогичная проблема интенсивной очистки жидкой среды существует в технологических процессах термообработки поверхности материала изделий интенсивными пучками электромагнитных излучений, например лазерных.
Используемые в ходе технологического процесса лазерной термообработки охлаждающие закалочные жидкости должны обладать свойством исключительной прозрачности для проникающего лазерного излучения, что (в целях стабилизации режимов термообработки поверхности изделий) обусловлено необходимостью исключения нарастающего во времени побочного рассеивания энергии излучения на загрязняющих жидкую среду примесях. Подобный тренд оптических свойств жидкой среды и, соответственно, характеристик обрабатывающего лазерного излучения приводит к нарушению режимов термообработки материала и, в конечном итоге, к разбросу (существенному отклонению) параметров и характеристик теплофизических и физико-механических свойств поверхности отдельных изделий от номинальных значений в пределах обрабатываемой партии. В связи с этим в условиях крупносерийного автоматизированного производства изделий, подвергающихся лазерной термообработке, необходимо изначально признать целесообразность построения системы охлаждения в автоматизированных технологических комплексах по схеме замкнутого цикла очистки охлаждающей закалочной жидкости, дополненной средствами управления системой микрофильтрации технологической среды. Таким образом, проблема исследования и развития автоматизированных производственных комплексов, оснащенных эффективной системой очистки жидкой технологической среды, является актуальной.
Вопросам и проблемам реализации процессов фильтрации жидких технологических сред посвящены исследования ученых Т. Брока, Ю.И. Дытнерского, В.А. Жужикова, А.Г. Касаткина, Р.Г. Кочарова, Н.С. Орлова и др.
В настоящее время накоплен значительный опыт в области интеграции в производство методов и средств автоматизированных систем управления технологическим оборудованием. Важность внедрения интегрированных систем менеджмента на предприятиях России отражена в работах Ю.П. Адлера, Г.Н. Калянова, А.В. Кострова, Р.И. Макарова, М.З. Свиткина, В.И. Скурихина, Е.Р. Хорошевой и др.
Исследованию процессов автоматизированной лазерной обработки изделий, требующих особой чистоты применяемых технологических жидких сред, посвящены научные труды Г.А. Акулиной, В.М. Андрияхина, СМ. Аракеляна, А.Г. Григорьянца, Н.Н. Давыдова, В.Г. Прокошева, Н.Н. Рыкалина, В.М. Ходаковского, О.В. Чудиной и др.
В диссертационной работе предлагается разработать каскадную систему фильтрации жидкой среды, оснащенную средствами автоматизированного управления, которая позволит обеспечить в условиях серийного производства эффективную систему фильтрации и контроля состояния закалочной охлаждающей жидкости в технологическом процессе лазерной закалки обособленных поверхностей партии малогабаритных стальных изделий.
Объект исследования — процессы промышленной фильтрации технологических жидких сред.
Предмет исследования - методы и средства управления процессами микрофильтрации жидких сред в автоматизированных производствах.
Целью диссертационной работы является совершенствование системы управления процессами микрофильтрации жидких сред в автоматизированных технологических комплексах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ факторов, влияющих на эффективность фильтрации промышленных жидких сред.
-
Разработать математическую модель и алгоритм численного решения уравнений, описывающих процесс нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале с образованием осадка на поверхности мембраны.
-
Провести анализ адекватности полученной математической модели.
-
Разработать систему управления процессом микрофильтрации технологических жидкостей для автоматизированных комплексов лазерной термообработки изделий серийного производства.
Научная новизна
-
Разработана математическая модель нестационарной микрофильтрации в тупиковом канале с образованием осадка на поверхности мембраны.
-
Разработана структура двухступенчатой системы мембранной микрофильтрации жидкой среды для автоматизированных технологических комплексов.
3. Разработан алгоритм функционирования и управления работой автоматизированного технологического комплекса, оснащенного встроенной каскадной системой очистки жидкой технологической среды.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость исследования состоит в том, что доказана возможность использования предложенной математической модели при организации технологических процессов микрофильтрации жидких сред. Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс существующих базовых методов исследования, в том числе численных методов, экспериментальных методик, методов математической статистики, теории алгоритмов и математического моделирования. Изложены основные факторы, определяющие эффективность управления процессами микрофильтрации промышленных жидких сред.
Практическая ценность состоит в том, что результаты диссертационной работы приняты к использованию и внедрены в промышленности в ООО НИИ «Технофильтр», ОАО «ВПО «Точмаш», ФКП «ТЛИ «Радуга», 000 «РУСАЛОКС», в учебный и научный процессы ВлГУ. Определены перспективы дальнейшего использования производственных процессов микрофильтрации промышленных жидких сред. Сформулированы практические рекомендации по применению мембранных средств микрофильтрации в промышленных технологических процессах очистки жидких материалов и продуктов.
Методы исследования включают физические эксперименты, математическое моделирование процессов фильтрации жидких сред, статистические методы обработки результатов измерений, методы теории управления и алгоритмизации.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
-
Математическая модель процесса нестационарной микрофильтрации в автоматизированных технологических комплексах очистки промышленных жидких сред.
-
Архитектура каскадной системы фильтрации с автоматическим блоком управления при лазерной закалке опорной поверхности игл вращения высокоскоростных центрифуг.
-
Алгоритм и структура автоматизированного контроля и управления замкнутой системой каскадной микрофильтрации в автоматизированных технологических комплексах.
Апробация и реализация результатов исследования Основные научные результаты доложены на международной практической конференции «Мембраны - 2007», г. Москва, 2007г.; международной научно-практической конференции «Высокие технологии, исследования, промышленность», г. Санкт-Петербург, 2010г.; всероссийской научно-практической конференции «Производственная инфраструктура: экономические, технико-технологические, организационно-управленческие и информационные аспекты», г. Кострома, 2011г.; международной научной конференции ММТТ-24 «Математические методы в технике и технологиях», г. Саратов, 2011г.; всероссийской научно-практической конференции «Модернизация отраслевой производственной инфраструктуры», г. Кострома, 2012г.; международной заочной конференции «Актуальные вопросы теории и практики технологии материалов», г. Москва, 2012г; межвузовской научно-практической конференции ВЗФЭИ, г. Владимир, 2011г.; научно-технических конференциях ВлГУ, г. Владимир, 2013г.
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 13 публикациях, из них 2 - в журналах, рекомендованных ВАК России. Опубликована заявка на изобретение №2012154705.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Содержит 132 страницы, в том числе 28 рисунков, 6 таблиц, 4 приложения, список литературы из 150 наименований.
