Системный анализ и синтез информационно-измерительной ультразвуковой системы контроля качества эластомеров Хвостов, Анатолий Анатольевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. В настоящее время в процессах синтеза и переработки эластомеров для оценки их качества используется совокупность лабораторных методов контроля. Показатели качества отражают физико-механические и молекулярно-структурные характеристики эластомера (вязкость по Муни, пластичность по Карреру, твердость по Шору, предельная прочность, средние молекулярные массы, функция молекулярно- массового распределения (ММР)). Использующиеся методы обладают большим запаздыванием и низким уровнем автоматизации. Воспроизведение измерений использующихся методов контроля с достаточной для целей управления точностью в рамках одной интегративной системы контроля с использованием современных средств обработки информации обеспечит автоматизацию измерений, повышение их оперативности и включение систем контроля в контур АСУТП в условиях действующего производства.

Опыт применения ультразвуковых (УЗ) методов контроля во многих отраслях промышленности показал, что они отвечают предъявляемым к такой системе требованиям и обладают рядом ценных для практического использования свойств: низкой стоимостью, компактностью, оперативностью, высокой чувствительностью, возможностью реализации бесконтактности и автоматизации измерений, а так же реализации множества режимов измерений за счет изменения частоты и температуры.

Однако, в промышленности СК, РТИ и на предприятиях, перерабатывающих эластомеры, эти методы не получили широкого распространения ввиду необходимости адаптации УЗ методов контроля к измерению показателей качества эластомеров. Это невозможно без решения проблемы выявления структуры УЗ системы контроля качества эластомеров с учетом отраслевых особенностей, обеспечивающей с достаточной точностью воспроизведение оценок использующихся методов контроля, а так же осуществления идентификации системных связей между измеряемыми акустическими свойствами эластомера и его показателями качества. Таким образом, эта проблема является актуальной, а её решение имеет большое научное и народнохозяйственное значение.

Работа основана на результатах исследований Дж. Ферри, А. А. Та- гер, С.Я. Соколова, И. Г. Михайлова, Ю. П. Сырникова, С. Я. Френкеля, Г. В. Виноградова, Г. М. Бартенева, А. Я. Малкина, И. И. Перепечко в области реологии полимеров и молекулярной акустики.

Исследование выполнялось в рамках госбюджетной НИР «Разработка и совершенствование математических моделей, алгоритмов регулирования, средств и систем автоматического управления технологическими процессами» (№ г.р. 01960007315). Результаты работы удостоены премии правительства Воронежской области на XIX региональном конкурсе в области науки и образования среди высших учебных заведений и научных организаций.

Цель: разработка методологии синтеза информационно- измерительной УЗ системы контроля показателей качества аморфных эластомеров и их растворов для повышения эффективности систем управления периодическими и непрерывными технологическими процессами в производстве и переработке эластомеров, обеспечивающей с достаточной точностью воспроизведение совокупности использующихся методов контроля качества, автоматизацию и оперативность оценки спектра показателей качества производимой продукции.

Для достижения указанной цели поставлены задачи:

1. Провести системный анализ методов оценки качества эластомеров в промышленности, выявить их общие системные свойства и закономерности обработки измеряемой информации.

2. На основе проведенного системного анализа и выявленных закономерностей разработать структуру УЗ информационно-измерительной системы, осуществляющей обработку информации об акустических свойствах эластомеров и условиях её получения для расчета их показателей качества и обеспечивающей с достаточной точностью воспроизведение оценок использующихся методов контроля.

3. Синтезировать комплекс математических моделей, идентифицирующих информационные связи акустических свойств с показателями качества эластомеров.

4. Разработать и реализовать методы УЗ контроля показателей качества эластомеров в условиях производства.

5. Обосновать технические решения по реализации разработанных методов контроля качества в рамках системы УЗ контроля спектра показателей качества эластомеров и их интеграции в состав промышленных АСУТП для повышения эффективности управления технологическими процессами.

Объект исследования. Система УЗ контроля качества эластомеров.

Методы исследования. В работе используются общая методология системного анализа и моделирования систем, методы прикладной и молекулярной акустики, математической статистики, физики полимеров, математического моделирования и дифференциального исчисления, методы идентификации, оптимизации.

Научная новизна:

5. 1. На основе выявленных общих системных свойств и закономерностей обработки информации в использующихся методах оценки показателей качества эластомеров разработана структура УЗ информационно- измерительной системы, отличительной особенностью которой является использование для получения исходной информации подсистемы УЗ измерений, дополнение её подсистемой выбора частотно-температурных условий УЗ измерений, обеспечивающей минимизацию погрешностей измерений, а так же подсистемой математического моделирования информационной связи показателей качества эластомеров с их акустическими свойствами.

   2. Синтезирован комплекс новых математических моделей, отличительной чертой которых является формализация информационной связи измеряемых акустических свойств и показателей качества эластомеров (вязкости по Муни, предела прочности при разрыве и твердости по Шору аморфных эластомеров, а так же среднечисленной, средневзвешенной молекулярных масс и концентрации полимера в растворе) с учетом молеку- лярно-структурных особенностей строения эластомеров.

   3. Разработан новый алгоритм обработки получаемых в результате частотно-температурного сканирования распределений акустических свойств эластомеров, ключевым моментом которого является декомпозиция обработки информации на этапы: разделения исходной выборки на интервалы, обладающие одним максимумом; аппроксимации каждого интервала, а так же установления связи между параметрами взвешенной суммы аппроксимирующих функций и показателями качества (температурами релаксационных, фазовых переходов и функцией ММР эластомеров).

   4. Синтезированы новые методы контроля качества эластомеров, отличающиеся от известных получением информации о качестве на основе обработки информации об измеренных акустических свойствах эластомера посредством УЗ воздействия в рабочем диапазоне частот и температур.

   5. На основе синтезированных методов контроля разработаны решения по автоматизации системы контроля качества эластомеров в условиях производства, обеспечивающие повышение эффективности управления технологическими процессами получения и переработки эластомеров.

   На защиту выносятся:

   5. 5. 1. Структура информационно-измерительной УЗ системы, обеспечивающей воспроизведение совокупности использующихся методов контроля качества.

         2. Комплекс математических моделей показателей качества эластомеров как функции акустических свойств.

         3. Алгоритм обработки получаемых в результате частотно- температурного сканирования распределений акустических свойств эластомеров по частоте и температуре и математические модели, связывающие параметры распределений с качеством полимера.

         4. Методы УЗ контроля показателей качества эластомеров.

         5. Технические решения по автоматизации контроля качества эластомеров в условиях производства.

         Практическая значимость работы заключается в создании автоматизированной информационно-измерительной УЗ системы контроля спектра показателей качества эластомеров (вязкости по Муни, предела прочности при разрыве, твердости по Шору, температур релаксационных и фазовых переходов, времени релаксации, средних молекулярных масс, концентрации полимера, функции ММР полимера) в условиях действующего производства для повышения эффективности управления, его реализации на опытной установке, а так же повышении точности расчета температурных и частотных спектров тангенса угла механических потерь, и определении по ним ряда характеристик полимера (температур релаксационных и фазовых переходов, времени релаксации). Апробация работы.

         Основные положения диссертационной работы были доложены на II республиканской электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 1997,1998), международной научно- практической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 1997), научно-практической конференции «Современные методы теории функций и смежные проблемы» (Воронеж, 1997), III всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии и системы» (Воронеж, 1999), всероссийской научно-технической конференции «Теория конфликта и ее приложения» (Воронеж, 2000), 12 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» (Москва, 2001), первой всероссийской конференции по каучуку и резине (Москва, 2002), III Междунар. научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (Новочеркасск, 2002), отраслевой конференции по метрологии и автоматизации в нефтехимической и пищевой промышленности (Воронеж, 2002, 2003), IV международной научно-технической конференции «Кибернетика и технологии XXI века» (С&Т 2003) (Воронеж, 2003), XIX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-19 (Воронеж, 2006), II международной научно-практической конференции «Качество науки - качество жизни» (Тамбов, 2006), XX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-20 (Ярославль, 2007), XXI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-21 (Саратов, 2008), XXII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-22 (Псков, 2009), III Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2009), Международной научно-практической конференции «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2009).

         Математические модели, система контроля, алгоритмическое и программное обеспечение для определения вязкости по Муни, предела прочности при разрыве и твердости по Шору, структурно-молекулярных характеристик, концентрации, и ММР полимера в растворе по данным акустических измерений апробированы и внедрены на ООО «Совтех» (г. Воронеж), ООО «Курскпром» (г. Курск), где под руководством и при непосредственном участии автора были разработаны и внедрены системы контроля показателей качества эластомеров. На ОАО «Шинный комплекс «АМТЕЛ-Черноземье», ОАО «Воронежсинтезкаучук» проведена успешная апробация математических моделей, программ и методик, обеспечивающих оперативный контроль степени кристалличности, определение времени декристаллизации брикетов сырьевых каучуков и ММР растворов полимеров. Разработанные математические модели используются в учебной практике и при выполнении учебно-исследовательских работ на кафедрах «Технология переработки полимеров», «Информационные и управляющие системы» ВГТА. Расчетный годовой экономический эффект при внедрении составил 5 млн.руб.

         Публикации. По результатам проведенных исследований и практических разработок опубликовано 50 научных работ, включая 20 работ в научных изданиях и журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для публикации результатов докторской диссертации, 1 моно
         графия, получено 6 патентов на изобретения, зарегистрировано 3 программных продукта.

         Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в постановке задач и их решении. Автором проведен системный анализ и обоснование УЗ методов контроля качества эластомеров [8, 10, 25], разработаны математические модели [1, 6, 7, 11, 13, 14, 23], методы расчетов для проведения их параметрической идентификации [3, 9, 12, 15], предложены алгоритмы обработки входной информации об акустических свойствах эластомеров для расчета показателей качества[18, 19, 20, 30, 33-35], синтезированы методы оперативного контроля качества эластомеров [2, 5, 16, 17, 21, 22, 24, 27-32]. Результаты, вошедшие в диссертационную работу, являются итогом исследований, проведенных автором совместно с сотрудниками ВГТА (Воронеж).

         Структура и объем работы. Диссертация изложена на 309 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, 126 рисунков, 34 таблиц, заключения, списка литературы из 302 наименований и приложения.

         Похожие диссертации на Системный анализ и синтез информационно-измерительной ультразвуковой системы контроля качества эластомеров

         

         Объектно-ориентированная система анализа и синтеза систем газоснабжения ракетно-космических комплексовКотов Владимир Валерьевич

         

         Анализ и синтез систем управления с двумя управляющими релейными элементамиФедоровский Платон Юрьевич

         

         Развитие метода D-разбиения в задачах анализа и синтеза систем управленияГрязина Елена Николаевна

         

         Анализ и синтез системы управления техническим состоянием сложных радиоэлектронных системКриволапов Вадим Леонидович

         

         Спектральный метод анализа и синтеза систем со случайной структуройРыбаков Константин Александрович

         

         Анализ и синтез систем управления с интервальными параметрами на основе корневого подходаЗамятин Сергей Владимирович

         Алгоритмы повышения эффективности решения задач анализа и синтеза систем управления с использованием параллельных вычисленийСтепанов, Андрей Михайлович

         

         Корневой анализ и синтез систем с интервальными параметрами на основе вершинных характеристических полиномовСуходоев Михаил Сергеевич

         

         Анализ и синтез систем координированного управления динамическими объектами по показателям качества сепаратных подсистемСмирнова, Елена Александровна

         Методы анализа и синтеза систем управления объектами с ограничителямиРуднев, Сергей Александрович