Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика процесса производства полимерных пленок. Задачи проектирования и управления. Литературный анализ существующих математических моделей охлаждения на валках 11
1.1. Описание процесса производства полимерных материалов на каландровых линиях 11
1.2. Формализованное описание процесса каландрования 14
1.3. Задачи проектирования и управления системой охлаждения каландровых линий 16
1.4. Описание конструктивной схемы охлаждающей системы каландровой линии, основных типов охлаждающих валков 17
1.5. Влияние режимов охлаждения на качество производимой пленки, описание основных моделей охлаждения полимерных материалов на валках охлаждающих систем 21
1.6. Сравнительная характеристика математических моделей теплофизических процессов, происходящих в тонких пленках на охлаждающих валках 25
Выводы 35
Глава 2. Математическое, алгоритмическое и информационное обеспечения программного комплекса моделирования системы охлаждения каландровых линий 36
2.1. Информационное обеспечение 36
2.2. Обоснование структуры и параметров разрабатываемых моделей 41
2.3. Система автоматизированного синтеза геометрических моделей систем охлаждения каландровых линий 44
2.4. Разработка структуры математических моделей 50
2.4.1. Разработка статической модели 50
2.4.2. Разработка динамической модели 52
2.5. Алгоритмы решения математических моделей 54
2.5.1. Решение статической модели 55
2.5.2. Решение динамической модели 5 9
2.6. Алгоритм расчета начальных температур охлаждающих жидкостей для обеспечения заданного профиля охлаждения 63
Выводы 65
Глава 3. Описание разработанного программного комплекса. Алгоритмы проектирования и управления охлаждающей системой 66
3.1. Основные требования к программному продукту 66
3.2. Описание программного комплекса моделирования системы охлаждения каландровых линий . 67
3.3. Описание подсистемы мониторинга и контроля толщины полимерного материала. 81
3.4. Алгоритмы проектирования и управления охлаждающей системой 83
Выводы 86
Глава 4. Проверка адекватности и исследование разработанных математических моделей. Внедрение программного комплекса 87
4.1. Анализ адекватности разработанных моделей системы охлаждения каландровых линий 87
4.1.1. Анализ адекватности статической модели охлаждающей системы 87
4.1.2. Анализ адекватности динамической модели охлаждающей системы 90
4.2. Исследование влияния различных параметров охлаждающей системы и параметров пленки на результирующий температурный профиль охлаждения полимерного материала по разработанным математическим моделям 92
4.3. Внедрение разработанного программного комплекса в опытно-промышленную и промышленную эксплуатацию 97
Выводы 97
Выводы 98
Список литературы 100
Приложение
- Задачи проектирования и управления системой охлаждения каландровых линий
- Система автоматизированного синтеза геометрических моделей систем охлаждения каландровых линий
- Описание программного комплекса моделирования системы охлаждения каландровых линий
- Исследование влияния различных параметров охлаждающей системы и параметров пленки на результирующий температурный профиль охлаждения полимерного материала по разработанным математическим моделям
Введение к работе
В последние годы в различных странах мира активно развивается производство полимерных плёночных материалов, которые находят широкое применение во многих отраслях промышленности, в народном хозяйстве и в быту.
В галантерейной промышленности плёнки используют для изготовления женских сумок, бумажников и футляров, в полиграфической -для переплётов книг, обложек блокнотов и тетрадей, деловых папок, визитных карточек. В швейной промышленности плёнки применяются для изготовления плащей, курток, спецодежды для рабочих; в обувной - их применяют для обтяжки каблуков, изготовления внутренних деталей и отделки женской обуви. Из плёнок делают абажуры, детские игрушки. Плёнки применяют в автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности и сельского хозяйства.
К сожалению, в России на данный момент количество производимых полимерных пленок значительно меньше потребляемого объема. Поэтому значительная часть потребности российских предприятий в изделиях из полимерных материалов покрывается за счет импорта. Однако уже сегодня в Российской экономике намечаются тенденции выделения собственных ресурсов, а также привлечения западных инвестиций для увеличения производственных мощностей внутри страны. Таким образом, становится все более актуальной задача автоматизации управления и увеличения экономической эффективности производства получения полимерных пленок. Непрерывный рост потребления плёночных материалов объясняется большой экономической эффективностью, получаемой в результате их применения. Плёночные материалы изготовляют высокопроизводительным непрерывным способом. Невозвратных отходов при их производстве при правильном ведении процесса практически нет, что, с одной стороны, повышает экономическую эффективность производства и снижает
7 себестоимость продукции. Но, с другой стороны, при производстве полимерных пленок каландровым методом возвратные материальные потери могут составлять до 20%, что снижает эффективность использования оборудования, увеличиваются энергетические потери.
Поэтому в ходе управления процессом каландрования часто встает задача определения для заданного целевого продукта «узкого» места технологической схемы, из-за которого происходит снижение производительности всего производства.
Одним из важнейших этапов в производстве полимеров является процесс охлаждения пленки, т.к. именно на этом этапе происходит формирования структуры и физических свойств пленки. Поэтому создание системы позволяющей проектировать и анализировать этот этап является важной задачей.
Целью работы является разработка программного комплекса моделирования охлаждающей системы каландровых линий настраиваемого на различные конфигурации охлаждающих систем, различный ассортимент выпускаемой продукции, производительность и требования качества при проектировании и управлении производством полимерной пленки.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
исследован этап вытяжки и охлаждения, производства полимерных материалов на каландровых линиях позволивший составить формализованное описание процесса охлаждения полимерной пленки;
исследованы теплофизические процессы, происходящие на этапе охлаждения на валках охлаждающей системы каландровой линии;
исследованы и проанализированы существующие математические модели охлаждения тонких материалов, а также основные методы их решения, на основании которых предложено математическое описание стадии охлаждения полимерных пленок;
разработаны математические модели физических процессов этапа охлаждения, позволяющие прогнозировать основные показатели качества продукции, выбирать управляющие воздействия для обеспечения заданного качества получаемой полимерной пленки;
разработана система автоматизированного синтеза конструктивных схем охлаждающих систем каландровых линий из отдельных валков, позволяющая рассчитывать геометрические параметры охлаждаемой поверхности;
разработан программный комплекс, включающий модули геометрического и математического моделирования охлаждающей системы каландровой линии, базы данных свойств материалов, конструктивных схем, параметров расчетов и выходных характеристик процессов охлаждения;
проведено тестирования и внедрение системы на действующих производствах в России и Германии.
Научная новизна работы заключается в следующем:
на основании анализа основных характеристик производства предложено формальное описание систем охлаждения каландровых линий, ставшее основой разработки информационного и математического обеспечения программного комплекса;
разработан алгоритм синтеза модели всей системы охлаждения, позволяющий осуществлять автоматизированное проектирование системы охлаждения каландровых линий для заданного типа пленки и производительности;
разработаны математические модели процесса охлаждения на валках охлаждающей системы каландровой линии, позволяющие рассчитывать профили охлаждения полимерного материала для различных конфигураций охлаждающих систем и типов материалов;
разработан программный комплекс, включающий систему автоматизированного конструирования схем систем охлаждения
9 каландровых линий, модули расчета математических моделей и динамического представления результатов;
разработаны алгоритмы проектирования и управления охлаждающей системой на базе разработанного программного комплекса и математических моделей, позволяющие осуществлять выбор расположения валков и управляющих параметров системы охлаждения.
Широкие возможности компьютерной системы по настройке на различные типы пленок и каландровых линий обеспечиваются за счет математических моделей, поэтому актуальной становится задача разработки математических моделей физических процессов этапа охлаждения как для перенастройки системы охлаждения при переходе с производства одного вида пленки на другой, так и для управления процессом охлаждения полимерного материала.
В первой главе дана краткая характеристика процесса каландрования, представлено формализованное описание процесса производства полимерных пленочных материалов, описываются особенности процесса охлаждения происходящего на валках системы охлаждения, ставятся задачи проектирования и управления охлаждающей системой каландровой линии, представлены результаты анализа литературы, посвященной существующим математическим моделям процессов охлаждения тонких материалов на валках.
Во второй главе описаны разработанные информационное, математическое и алгоритмическое обеспечения программного комплекса моделирования охлаждающей системы каландровых линий, которые позволяют решить поставленные в данной диссертационной работе задачи и значительно облегчают работу проектировщика и оператора каландровой линии.
В третьей главе описывается разработанный программный комплекс, обобщающий все разработанное информационное, математическое и алгоритмическое обеспечение. Приводятся алгоритмы проектирования и
10 управления охлаждающей системой каландровой линии на основе созданного комплекса.
В четвертой главе проводится проверка адекватности разработанных моделей, и описываются результаты исследования процесса охлаждения по разработанным моделям.
Таким образом, разработка программного комплекса, позволяющего синтезировать геометрическое и математическое описание любой конфигурации охлаждающей системы каландровой линии, рассчитывать температурные профили охлаждения полимерного материала для заданных характеристик материала и валков охлаждающей системы, а также рассчитывать необходимые значения характеристик системы охлаждения для обеспечения заданного качества пленки позволяет существенно повысить эффективность всего производства.
Задачи проектирования и управления системой охлаждения каландровых линий
В результате исследования процесса охлаждения полимерных материалов на валках охлаждающей системы были сформулированы следующие задачи проектирования и управления охлаждающей системой и исследования процесса охлаждения, решаемые на базе математических моделей. Задача проектирования
Задача проектирования охлаждающей системы заключается в нахождении такой конфигурации системы охлаждения, которая для заданного типа и параметров полимерного материала (Т, F), требуемой производительности (Р), заданных параметрах охлаждающей жидкости (Rm) обеспечивает заданное качество продукции (Qtask) определяемое оптимальным профилем охлаждения (I шк\/\ где т Сй/е") - рассчитанный температурный профиль охлаждения пленки. Задача управления
Задача управления охлаждающими системами заключается в нахождении такого вектора управляющих воздействий TrmOi, который для заданного типа и параметров полимерного материала (Т, F), требуемой производительности (Р) и заданной схемы системы охлаждения: количества валков (RN), расположения валков (RG) и характеристик валков (RP), обеспечивает заданное качество продукции (Q). Задача исследования
Задача исследования заключается в исследовании влияния различных характеристик схемы системы охлаждения (RN, RG, RP), полимерных материалов (T,F) и параметров охлаждающих сред (Rm) на температурный профиль охлаждения пленки при перенастройке охлаждающей системы на производство пленки другого типа или другую производительность.
Система охлаждения представляет собой в общем виде набор конструктивно схожих валков расположенных по определенной схеме после последнего валка каландра (см. рис. 1.3).
Система охлаждения состоит из двух групп валков, валки входящие в первую группу называются вытяжными валками, они расположены непосредственно после последнего валка каландра, основное охлаждение полимерного материала происходит именно на этих валках. Вытяжные валки имеют небольшой диаметр (порядка 15-30мм), полимерный материал проходит над первым валком, под вторым, потом над третьим и так далее, это обеспечивает чередование поверхностей материала соприкасающихся с валками и обеспечивает более равномерное охлаждение пленки, т.к. охлаждение той стороны материала, которая соприкасается с поверхностью валков происходит намного быстрее, чем противоположной. Т.о. чем меньше диаметры вытяжных валков, тем чаще происходит чередование поверхностей соприкосновения и тем более равномерно охлаждается полимерный материал.
В большинстве каландровых линий в схему включен специальный валок для тиснения, принцип работы которого основан на нанесении на пленку рельефного отпечатка при ее пропускании через зазор между тиснильным валком и резиновым контрвалком с внутренним охлаждением.
Вторая группа валков, называемая охлаждающие валки, расположена после вытяжных валков, температура пленки при подходе к этим валкам уже значительно меньше температуры материала после каландра и поэтому процесс охлаждения на них уже не так важен, как на вытяжных валках. Эти валки имеют больший диаметр, что обеспечивает более продолжительное нахождение пленки на поверхности валка и соответственно большее охлаждение.
На рисунке 1.4 изображено схематическое изображение охлаждающей системы каландровой линии.
На данной схеме первые четыре валка являются вытяжными валками, а остальные пять охлаждающими.
Охлаждающая жидкость обычно не подводиться к каждому валку по отдельности, валки группируются по несколько валков, таким образом регулирование параметров охлаждающих жидкостей происходит на нескольких валках одновременно.
Охлаждающая жидкость может проходить последовательно через все валки системы охлаждения (см. рис. 1.5), при этом если направление движения материала совпадает с общим направлением движения охлаждающей жидкости, то на первых валках будет значительная разность температур, а если пленка движется в противоположную сторону, то охлаждение будет более равномерным.
Система автоматизированного синтеза геометрических моделей систем охлаждения каландровых линий
Для учета особенностей поверхности охлаждения полимерного материала была разработана система автоматизированного синтеза геометрической модели схемы охлаждающей системы каландровой линии, позволяющая синтезировать различные конструктивные схемы систем охлаждения из различных валков и рассчитывать поверхность охлаждения, обеспечивая математические модели входными параметрами: размерами охлаждаемых участков.
Вся поверхность охлаждения может быть условно поделена на участки, которые соприкасаются с валками охлаждающей системы, и которые находятся между валками (см. рис. 2.4) и для точного расчета процесса охлаждения необходимо точно рассчитать их размеры. Построение геометрической модели охлаждающей системы включает в себя 4 этапа: создание и расположение валков относительно центра последнего валка каландра; задание скоростей вращения валков; задание параметров слоев, участвующих в теплопередаче на каждом валке; задание пути прохождения материала по валкам. После задания расположения валков производиться расчет геометрии поверхности, т.е. сначала вычисляются координаты точек соприкосновения материала с валками, а затем по координатам этих точек рассчитываются геометрические параметры участков пленки, лежащих на валках и находящихся между валками. Для расчета геометрии используются два уравнения: уравнение касательной к окружности, имеющей данный угловой коэффициент К: и уравнение касательной проходящей через заданную точку (xj, у і):
Некоторые варианты расположения полимерного материала на валках показаны на рисунке 2.5, а варианты перехода пленки с валка на валок на рисунке 2.6. Задание способа прохода полимерного материала по валкам системы охлаждения может быть сделано в двух формах: для каждого валка задаются стороны, на которую заходит и с которой сходит пленка; для каждого валка задается положение его относительно материала. Последний способ более удобен для использования, но требует дополнительных расчетов. Для вычисления координат точек соприкосновения материала с валками используется следующий алгоритм: По рассчитанным координатам границ участков, вычисляются выходные параметры геометрической модели - углы покрытия материалом валков ( у ), длины участков материала между валками ( / ). При составлении геометрической модели охлаждающей системы все валки описываются упрощенной моделью, схематическое изображение которой представлено на рисунке 2.7. Необходимыми параметрами для описания геометрии участка, через который проходит теплопередаче от полимерного материала к охлаждающей жидкости, являются толщины и радиусы слоев, участвующих в тепловом процессе: полимерный материал; воздушный слой между стенкой валка и полимерным материалом; покрытие валка; стенка валка; загрязнения внутренней поверхности валка. Т.о. выходными параметрами геометрической модели охлаждающей системы каландровой линии являются: - для участков пленки на валках - угол покрытия и толщины слоев теплопередачи; - для участков пленки между валками - длины участков.
Ширина материала является постоянной величиной по всей длине каландрируемого материала и поэтому в расчетах не участвует. Для решения поставленных задач были разработаны математические модели процесса охлаждения полимерного материала в охлаждающей системе каландровой линии. Математическая модель системы охлаждения синтезируется из математических моделей отдельно взятых участков полимерного материала: лежащих на поверхности валков и между валками. Для решения задач проектирования и управления с учетом принятых допущений создана статическая математическая модель. На рисунке 2.8 показано схематическое описание участков пленки на валке и между валками
Описание программного комплекса моделирования системы охлаждения каландровых линий
Для решения поставленных задач была разработана компьютерная система, включающая конструктор, обладающий широкими возможностями по синтезу геометрических моделей охлаждающих систем каландровых линий; библиотеку и модуль расчета математических моделей, которые позволяют решать задачи проектирования и управления процессом охлаждения, а также модуль представления результатов расчетов, благодаря которому пользователь системы может анализировать рассчитанные профили изменения температуры охлаждаемого материла в графической, табличной и 3-х мерной формах, а также сравнивать полученные результаты с заданием или расчетами при других параметрах. Функциональная схема разработанной компьютерной системы показана на рисунке 3.1. Разработанная компьютерная система позволяет: синтезировать и редактировать различные существующие и новые геометрические модели систем охлаждения; формировать математическую модель спроектированной системы охлаждения; осуществлять расчет графика охлаждения полимерного материала на валках охлаждающей системы; осуществлять автоматический подбор параметров охлаждающей системы для обеспечения заданного графика охлаждения полимерного материала. осуществлять расчет переходного режима при перенастройке каландровый линии на производство пленки другого типа;
Т.о. разработанный программный комплекс позволят моделировать один из важнейших этапов в производстве полимерных материалов, этап охлаждения. Что дает возможность спроектировать эффективную и экономичную систему охлаждения для любой каландровой линии, анализировать процессы охлаждения пленки на спроектированных или уже существующих охлаждающих системах, рассчитывать необходимые параметры охлаждения для охлаждения материала по заданному профилю, а также произвести расчет энергетических затрат на охлаждение и т.о. повысить эффективность всего производства. Для создания и редактирования схем систем охлаждения в программе присутствует конструктор, позволяющий добавлять, удалять, перемещать валки проектируемой охлаждающей системы, а также задавать параметры как самих валков, так охлаждающей жидкости протекающей через них. Главное окно программы в режиме конструктора показано на рисунке 3.2. В верхней части окна показываются: текущая толщина, ширина, скорость движения и тип полимерного материала, а также производительность всей линии.
Для задания общих параметров системы охлаждения используется диалоговое окно, показанное на рисунке 3.3. С помощью этого окна можно задать параметры, относящиеся ко всей системы в целом: толщина, ширина, начальная температура полимерного материала, скорость вращения валков, коэффициенты теплоотдачи от пленки к воздуху и лучеиспускания, тип пленки, температуру окружающего воздуха, угол захода пленки на первый вытяжной валок, коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности валков к охлаждающей жидкости, а также некоторые параметры отображения. Для упрощения и ускорения процесса задания новых конструктивных схем в программе предусмотрено задания типов или шаблонов валков, пленок и охлаждающих жидкостей. При необходимости в дальнейшем можно просто выбрать текущие шаблоны, и большая часть параметров будет браться из них. Диалоговые окна создания и выбора шаблонов представлены на рисунке 3.4. V Для задания параметров каждого валка используется диалоговое окно, показанное на рисунке.3.5. Оно позволяет задавать координаты расположения валка относительно центра последнего валка каландра, его внешний радиус, ширину, скорость вращения, тип охлаждающей жидкости, протекающей через валок, ее начальную температуру, положение валка относительно полимерного материала, а также параметры слоев теплопередачи.
Угол покрытия рассчитывается автоматически. Слоев теплопередачи может быть задано несколько, обязательным является только стенка валка, но кроме нее могут быть заданы воздушная прослойка между валком и пленкой, покрытие валка, загрязнения на внутренней поверхности валка и т.п.
Исследование влияния различных параметров охлаждающей системы и параметров пленки на результирующий температурный профиль охлаждения полимерного материала по разработанным математическим моделям
Проверка адекватности динамической модели была произведена по экспериментальным данным с нескольких различных охлаждающих систем, на рисунке 4.2. показаны динамические характеристики для одной конфигурации охлаждающей системы при изменении температуры охлаждающей жидкости в первых двух валках, во второй паре валков и при изменении скорости движения материала.
Были исследованы динамические характеристики при изменении различных параметров охлаждающей системы, таких как температуры различных валков системы охлаждения, скорости вращения валков, начальная температура полимерного материала.
Наибольшее влияние на изменение температурного профиля оказывает изменение скоростей вращения валков охлаждающей системы, недостатком такого воздействия является изменение других параметров каландрируемого материала, в частности толщины пленки, т.о. этот параметр может варьироваться только при исследовании системы охлаждения.
Наиболее удобными для варьирования, и влияющими только на температуру материала, являются температуры охлаждающих жидкостей проходящих через валки системы охлаждения. Наибольшее влияние оказывает изменение температуры охлаждающей жидкости протекающей через первые валки системы охлаждения. Чем дальше от каландра находиться валок, тем слабее его влияние на конечный температурный профиль каландрируемого материала, т.к. температура пленки меньше и соответственно разность температур между пленкой и охлаждающей жидкостью тоже меньше (изменение температуры материала зависит также от степени покрытия валка).
Т.о. наилучшим каналом управления, являются начальные температуры охлаждающих жидкостей, т.к. они влияют только на показатели качества производимой пленки (степень усадки, прозрачность), и не влияют на другие характеристики материала.
Данный компьютерный комплекс моделирования системы охлаждения каландровых линий внедрен в опытно-промышленную эксплуатацию на заводе Klockner-Pentaplast-GmBh Германия, а также в учебный процесс кафедры САПРиУ.
Разработанный программный комплекс позволяет решать основные функциональные задачи проектирования и управления этапом охлаждения многоассортиментного производства полимерной пленки. Что дает возможность спроектировать эффективную и экономичную систему охлаждения для любой каландровой линии, анализировать процессы охлаждения пленки на спроектированных или уже существующих охлаждающих системах, рассчитывать необходимые параметры охлаждения для охлаждения материала по заданному профилю, а также произвести расчет энергетических затрат на охлаждение и т.о. повысить эффективность всего производства.
Основные результаты работы могут быть сформулированы в следующих пунктах: 1. Анализ литературы по проектированию и управлению гибкими многоассортиментными производствами полимерных материалов, показал необходимость разработки математического обеспечения физических процессов этапа охлаждения, настраиваемого на различные конструктивны схемы охлаждающих систем каландровых линий и различный ассортимент выпускаемой продукции и производительность; 2. Анализ существующих математических моделей тепловых процессов в тонких материалах на валках позволил выявить все основные составляющие процесса охлаждения пленки: теплопроводность по длине и толщине материала, теплопередача через пленку, теплоотдача и лучеиспускание от поверхности пленки, позволившие составить наиболее полные математические модели. Характеристики материалов и оборудования получены путем аппроксимации и обобщения экспериментальных данных. 3. Сформулированы и решены задачи проектирования охлаждающих систем каландровых линий на базе математических моделей: для заданных параметров и требований качества производимого материала рассчитать конструктивную схему системы охлаждения; 4. Сформулированы цели и задачи управления этапом охлаждения многоассортиментным производством полимерных материалов, найдены и проанализированы основные каналы управления; 5. Разработаны математические модели стадии охлаждения, которые позволяют рассчитывать температуру поверхности полимерного материала, выбирать характеристики конструктивных схем охлаждающих систем и охлаждающих жидкостей, обеспечивающих требуемое качество продукции при соблюдении заданных ограничений. 6. Разработано информационное обеспечение системы управления, включающее базы данных технологических режимов и параметров (15 режимов), характеристик материалов, характеристик полимерных пленок (7 типов), оборудования и конструктивных схем (13 охлаждающих систем); 7. Разработан программный комплекс, реализованный в среде объектно-ориентированного программирования, позволяющий решать основные функциональные задачи проектирования и управления многоассортиментным производством полимерной пленки для различный конфигураций охлаждающих систем и типов производимых пленок; 8. Произведена проверка адекватности математических моделей по экспериментальным данным собранным с 13 каландровых линий заводов Klockner Pentaplast в Германии и России; 9. Программный комплекс моделирования системы охлаждения каландровых линий, включающий систему автоматизированного синтеза конструктивных схем охлаждающих систем, модули расчета математических моделей, подсистему мониторинга и оперативного контроля толщины полимерной пленки, внедрен в опытно-промышленную эксплуатацию на заводах по производству полимерный пленок (Клекнер Пентапласт Гмбх -Германия и Россия).
