автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация технологического процесса изготовления воздухофильтра системы впуска мототехники

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

1.1. Алгоритмы и средства автоматизации технологических процессов.

1.2. Методы измерения проницаемости материалов.

1.3. Средства измерения проницаемости материалов.

1.4. Аналитические исследования в области описания процесса фильтрации.

1.5. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ

ПАРАМЕТРОВ ФИЛЬТРАЦИИ ГАЗА И СТРУКТУРЫ ПРОНИЦАЕМЫХ

МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Сущность газодинамического метода измерения проницаемости материалов.

2.2. Аналитическое решение уравнений фильтрации газа через проницаемый материал.

2.3. Получение параметров проницаемости из неявно заданного выражения.

2.4. Диапазон применимости аналитических выражений.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЗДУХОФИЛЬТРА СИСТЕМЫ ВПУСКА

ДВИГАТЕЛЯ.

3.1. Параметры технологического процесса изготовления воздухофильтра системы впуска двигателя.

3.2. Структура автоматизированного управления технологическим процессом изготовления воздухофильтра.

3.3. Структурная схема системы программного управления технологическим процессом изготовления воздухофильтра.

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА И

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Основные требования к автоматизированной системе контроля проницаемости воздухофильтра.

4.2. Структура автоматизированной системы контроля проницаемости воздухофильтров.

4.3. Управление процессом контроля проницаемости воздухофильтра на основе стандартной ЭВМ.

4.4. Обоснование достоверности и точности результатов измерения проницаемости воздухофильтра.

4.5. Сравнительный анализ результатов контроля проницаемости фильтров различными методами.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЗДУХОФИЛЬТРА МОКИКА «ПИЛОТ».

5.1. Методика автоматизированного управления технологическим процессом изготовления воздухофильтра.

5.2. Практическое использование автоматизированной системы управления технологическим процессом.

5.3. Лабораторные испытания двигателей внутреннего сгорания.

Особенностью современного этапа развития мотостроения и машиностроения в целом является предъявление жестких требований к качеству продукции, себестоимости и времени ее изготовления. Требуемые высокие показатели могут быть достигнуты путем обеспечения автоматизации как отдельных технологических процессов, так и производственного процесса в целом, внедрения новых и совершенствования существующие технологических процессов, повышения уровня автоматизации процесса изготовления изделий.

Однако на пути к требуемому результату возникают трудности, связанные с отсутствием приемлемых средств и методов автоматизации отдельных технологических операций и процессов. Так, при изготовлении системы впуска двигателя мототехники встает вопрос обеспечения оптимальных параметров воздухофильтра. Роль этого элемента в работе двигателя внутреннего сгорания достаточно важна, так как он обеспечивает его защиту от грязи, пыли, абразивных частиц, содержащихся во внешней среде, а с другой стороны, позволяет атмосферному кислороду поступать в двигатель для создания горючей смеси требуемой концентрации.

Изготовление воздухофильтра с оптимальными характеристиками позволяет уменьшить потери мощности в двигателе, увеличить срок службы двигателя, минимизировать выброс вредных веществ в атмосферу. Технологический процесс изготовления воздухофильтра заключается в изменении структуры исходного сырья (пенополиуретана) химическим путем. На получаемые свойства воздухофильтра влияет множество факторов: свойства исходного сырья, качество и концентрация активных веществ в химическом растворе, температура раствора, время обработки и т.п.

Критерием качества воздухофильтра является его проницаемость, после изготовления необходима операция контроля свойств этого изделия, на основе которой вносятся требуемые изменения в технологический процесс.

Существующие методы контроля проницаемости материалов: жидкостные, газодинамические, весовые; не удовлетворяют требованиям автоматизированных систем т.к. имеют низкое быстродействие.

Целью работы является повышение качества воздухофильтров, снижение потерь мощности двигателя, минимизация вредных выбросов в атмосферу путем создания автоматизированной системы адаптивного управления технологическим процессом изготовления воздухофильтров. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать принципиальные возможности автоматизации технологического процесса изготовления воздухофильтра, выявить влияние параметров технологического процесса и их отклонений на качество воздухофильтра.

2. Обосновать выбор управляющего технологического параметра, обеспечивающего создание высококачественного воздухофильтра.

3. Разработать математическую модель и устройство контроля проницаемости воздухофильтра, обосновать их достоверность и точность.

4. Разработать математическую модель технологического процесса изготовления воздухофильтра системы впуска изделий мототехники.

5. Разработать алгоритмы управления технологическим оборудованием на основе информации о физических свойствах готового изделия, обеспечивающие автоматизацию технологического процесса.

6. Практически подтвердить полученные результаты в технологическом процессе изготовления воздухофильтра мокика «Пилот».

К научной новизне работы можно отнести следующие новые результаты:

1. Разработана математическая модель процесса фильтрации газа через проницаемый материал, на основе которой предложен новый поход к автоматизации технологического процесса изготовления воздухофильтра.

2. Разработан и реализован на ЭВМ алгоритм автоматизированного управления операцией контроля качества воздухофильтра.

3. Разработан и реализован алгоритм двухконтурного управления технологическим процессом изготовления воздухофильтра системы впуска двигателя внутреннего сгорания.

Полученные результаты внедрены в промышленность в ОАО «Завод им. В.А. Дегтярева», г. Ковров, в качестве автоматизированной системы контроля качества воздухофильтров в технологическом процессе изготовления воздухофильтра мокика «Пилот».

В первой главе приведено краткое описание и анализ существующих методов и алгоритмов автоматизации технологических процессов, методов и устройств определения проницаемости материалов, а также анализ аналитических методов математического описания процесса фильтрации газа в пористой среде.

Анализ работ позволил сделать вывод о предпочтительности использования систем адаптивного управления технологическим процессом, т.к. при этом возможно значительное повышение качества изделия, сокращение брака, снижение себестоимости. За информационный параметр, отклонение которого от номинальной величины приводит к необходимости корректировки режима технологического процесса, выбрано давление газа, фильтрующегося через воздухофильтр. Это решение обосновано тем, что качество воздухофильтра зависит от совокупности технологических факторов, которые в ходе обработки могут меняться и проследить их во времени достаточно трудно. С другой стороны, качество воздухофильтра описывается всего одной характеристикой - коэффициентом проницаемости. Коэффициент проницаемости показывает насколько велики потери давления при фильтрации газа через материал и напрямую связывает информационный параметр -давление с качеством готового изделия.

Взаимосвязь проницаемости материала и давления газа, фильтрующегося через него, используется в газодинамическом методе измерения проницаемости материалов. Этот метод позволяет достичь высокой точности результатов за счет выбора измеряемыми параметрами давления и времени. Рассмотрены устройства, реализующие газодинамический метод измерения проницаемости материалов и найдены принципиальные недостатки каждого из них.

Для устранения этих недостатков предлагается более совершенное аналитическое описание процесса фильтрации газа на основе системы нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных, представляющих собой законы сохранения массы и количества движения газа.

Во второй главе описана сущность газодинамического метода определения проницаемости материалов, приведена физическая модель измерительного устройства и ее математическое описание.

В основу математической модели положена система дифференциальных уравнений в частных производных, представляющих собой законы сохранения энергии и импульса газа при фильтрации, уравнение термодинамики, уравнение Дарси, уравнения Вейсбаха. Аналитическое решение задачи фильтрации газа в проницаемом материале проведено методом разделения переменных, что стало возможным благодаря введению коэффициента избыточности давления, который показывает во сколько раз скорость фильтрации газа из замкнутой емкости в атмосферу меньше скорости фильтрации в вакуум. Получено расчетное выражение для определения параметров проницаемого материала.

В этом выражении искомые величины заданы неявно. Для их определения разработана методика, в которой, во-первых, анализируются режимы течения газа и выделяется адекватный по математической модели участок ламинарного течения, во-вторых, на полученном участке вычисляются неявно заданные параметры без использования численных методов.

В третьей главе описана разработка автоматизированной системы адаптивного управления технологическим процессом изготовления воздухофильтра, приведены структурная схема технологического процесса, алгоритм программы управления.

В качестве управляемых технологических факторов в исследуемом технологическом процессе рассматриваются температура и концентрация химического раствора и время обработки им заготовки. Управление этими параметрами составляет внутренний контур управления. Номинальные значения описанных технологических параметров получены эмпирически, и управление происходит по отклонению текущих значений параметров от заданных.

Внешний контур управления предусмотрен для корректировки самих номинальных значений технологических параметров, если в результате технологического процесса физические свойства готового изделия не отвечают требованиям по качеству. Алгоритм расчета новых режимов технологического процесса основывается на информации, полученной при контроле физических свойств заготовки и готового изделия.

В четвертой главе приведена схема автоматизированной системы управления операцией контроля проницаемости воздухофильтра, описаны элементы конструкции, структура управляющей программы.

Основными требованиями к автоматизированной системе контроля проницаемости материалов являются простота конструкции и эксплуатации, высокая точность результатов, высокая производительность. Упрощение конструкции системы достигается за счет использования достаточно сложного математического аппарата: системы нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных. Высокая точность результатов обусловлена выбором газодинамического метода измерения, а производительность - применением ЭВМ для управления процессом измерения и обработки полученных данных.

Рассмотрено применение автоматизированной системы для контроля проницаемости материалов. Доказана достоверность получаемых резульга-тов, определена точность измерительной системы, проведен сравнительный анализ разных методов определения параметров пористых материалов.

Для оценки достоверности результатов измерения были использованы образцы, проницаемость которых может быть определена из их геометрических параметров. В итоге были проведены измерения их проницаемости предлагаемой системой, и было получено расхождение результатов в пределах 20%, что можно считать удовлетворительным.

Точность измерительной системы была найдена статистическими методами при измерении образцов одинаковой проницаемости. Погрешность составила 10%, что также приемлемо.

Сравнение результатов измерения проницаемости образцов предлагаемой автоматизированной системой и другим устройством (реализующим жидкостной метод определения проницаемости) дало расхождение в пределах 15-20%.

В пятой главе приведены основные характеристики системы адаптивного управления, описана технология изготовления воздухофильтров, представлены результаты использования автоматизированной системы для управления технологическим процессом изготовления воздухофильтра системы впуска двигателей внутреннего сгорания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы

1. Проведен анализ технологического процесса изготовления воздухофильтра как объекта управления и выявлена взаимосвязь физических свойств готового изделия и основных технологических факторов

2. Обосновано применение газодинамического метода контроля свойств готового изделия, как отвечающего требованиям технологического процесса по точности и оперативности.

3. Разработана математическая модель процесса фильтрации газа в воздухофильтре и получено аналитическое решение соответствующих уравнений.

4. Разработано устройство контроля проницаемости воздухофильтра, реализующее газодинамический метод измерения.

5. Разработаны алгоритмы адаптивного управления технологическим процессом изготовления воздухофильтра на основе анализа физических свойств готового изделия и поддержания оптимального режима технологического процесса.

6. Результаты диссертационной работы в виде автоматизированной системы адаптивного управления технологическим процессом изготовления воздухофильтров и программного обеспечения к ней внедрены на ОАО «Завод им. В.А.Дегтярева» г. Ковров.

1. Теория автоматического управления: Учебник для вузов./В.И. Брюханов, М.Г. Косов, С.П. Протопопов и др. Под ред. Ю.М. Соломенцева. 3-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2000. - 268 с.

2. Справочник по теории автоматического управления /Под ред. А.Н. Кра-совского. -М.: Наука, 1987. -712 с.

3. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев A.B. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования: Учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1985. - 536 с.

4. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - М. Наука, 1989. -304 с.

5. Мирошник Н.В., Никифоров В.О., Фрадков А.Л. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами. СПб.: Наука. 2000. 549 с.

6. Математическое и программное обеспечение технических систем. Новосибирск: Наука, 1989. - 219 с.

7. Волгин Л.Н. Оптимальное дискретное управление динамическими системами/ Под ред. П.Д. Крутько. М.: Наука, 1986. - 240 с.

8. Буравлев А.И., Доценко Б.И., Казаков И.Е. Управление техническим состоянием динамических систем. М.: Машиностроение, 1995. 240 с.

9. Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. М.: Мир, 1989. - 196 с.

10. Автоматизированное испытание в авиастроении /Р.И. Адгамов, М.М. Бахреев, И.А. Заляев. М.: Машиностроение,4 989

11. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978

12. Вопросы кибернетики. Автоматизированные системы научных исследований. /Под. ред. А.Д. Смирнова. М.: Кибернетика, 1987

13. Вопросы кибернетики. Вычислительная аэрогидромеханика. /Под ред. О.М. Белоцерковского. М.: Кибернетика, 1987

14. Вопросы кибернетики. Численный эксперимент в прикладной аэрогидромеханике. /Под. ред. О.М. Белоцерковского. М.: Кибернетика, 1987

15. Вопросы кибернетики. Проблемы автоматизации инженерного труда в машиностроении /Под. ред. О.М. Белоцерковского. М.: АН СССР, 1988. -110 с.

16. Лукас В.А. Теория автоматического управления. Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1990 - 416 с.

17. Подлипенский B.C., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматики: Учебное издание. СПб.: Политехника, 1995. - 432 с.

18. Автоматизация типовых технологических процессов и установок: Учебник для вузов/ A.M. Корытин, Н.К. Петров, С.Н. Радимов и др. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 432 с.

19. Боровиков A.A., Хромова Г.Н. Аттестация работы современных технических установок: цели, показатели, модели. М.: Машиностроение, 1998, -93 с.

20. Казеинов Г.Г., Соколов А.Г. Основы построения САПР АСУТП. М.: Высшая школа, 1989. - 200с

21. Ксеневич. И.П., Тарасик В.П. Теория и проектирование автоматических систем: Учебник для вузов. М.: Издательство МГТУ, 2000. - 360 с.

22. Норенков И.П. Основы автоматизации проектирования. Учебник для вузов. М.: Издательство МГТУ, 2000. 360 с.

23. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989. - 440 с.

24. Чернавский Е.А., Недосекин Д.Д., Алексеев В.В. Измерительно-вычислительные средства автоматизации технологических процессов: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат.

25. Шварце X. Холцтрефе Г.-В. Использование компьютера в регулировании и управлении. Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 176 с.

26. Глазунов Л.П., Смирнов А.Л. Проектирование технических систем диагностирования. Л.: Энергоатомиздат, 1982

27. Монтаж средств измерения и автоматизации. Справочник /Под ред.

28. A.С Клюева. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат 1988

29. Системы и методы автоматизации научных исследований. /Отв. ред.

30. B.М. Пономарев. М.: Машиностроение, 1988.

31. Солодовников В.В. и др. Теория автоматического управления техническими системами. Изд. МГУ, 1993.

32. Болнокин В.Е., Чинаев П.И. Анализ и синтез систем автоматического управления на ЭВМ. Алгоритмы и программы. Справочник.- М.: Радио и связь, 1991

33. Боровяков Л.А., Хромова Г.Н. аттестация работы современных технических установок: цели, показатели, модели. М.: Машиностроение, 1998

34. Цапенко М.П. Информационно-измерительные системы: структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. -2 изд. перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат, 1985.

35. Математическое и программное обеспечение технических систем. Новосибирск, Наука, 1989

36. Основы управления технологическими процессами. Под ред. Н.С. Рай-бмана, М.: Наука, 1978

37. Плескунин В.И., Воронина Е.Д. Теоретические основы организации и анализа выборочных данных в эксперименте: Л.: Изд. Ленинградского института, 1979

38. Альтшуль А.Д. Животовский JI.C., Л.Д. Иванов Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1987

39. Губман X., Вахман Г. Динамика рассеяния газа поверхностью./Пер. с англ. Р.Г. Баранцева и А.В.Богданова. Под ред. Р.Г. Баранцева М.: Мир, 1980.

40. Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами. /Под ред. Л.Е. Стернина, М.: Машиностроение, 1980.

41. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. 2-е изд. пере-раб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1981

42. Рычков А.Д. Математическое моделирование газодинамических процессов в каналах и соплах. М.: Наука, 1988

43. Хиршель Э. Кордулла В. Сдвиговое течение сжимаемой жидкости. Численный расчет пограничного слоя.

44. Черный Г.Г. Газовая динамика М.: Наука, 1988.

45. Четверушкин Б.Н. Кинетически-согласованные схемы в газовой динамике: новая модель вязкого газа, алгоритмы, параллельная реализация, приложения. М.: Изд-во МГУ, 1999

46. Шмыгалев Ю.Д. Аналитические исследования динамики газа и жидкости. М.: Эдиториал УРСС, 1999

47. Альбом течений жидкости и газа. Пер. с англ. /Сост. М.Вальдайк.-М.:Мир, 1986.

48. Вопросы автоматизации фильтрации на ЭВМ /Ляшко И.И., Сергизн-ко И.В., Мистецкий Г.Е.- Киев, Наукова Думка, 1977.

49. Гулиев М.А. и др. Методы моделирования и расчета термо- и гидродинамических процессов в нефтяном пласте.- М.: Недра, 1984.

50. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа.- 6-е изд., перераб. и доп.- М: Наука, 1987.

51. Нигматуллин Р.И. Динамика многофазных сред. Часть 1, часть 2.-М.: Наука, 1987.

52. Лейер Р, Тейлор Т.Д. Вычислительные методы в задаче механики жидкости: Пер. с англ. JL: Гидрометеоиздат, 1986.

53. Полубояринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Наука, 1977.

54. Проблемы турбулентных течений. /Под ред. Струминского В.В., М.: Наука, 1987.

55. Рейнольде А.Дж. Турбулентные течения в инженерных приложениях: Пер. с англ.- М.: Энергия, 1979.

56. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-хт.- М.: Мир, 1991.

57. Хаппель Д., Беннель Б. Газодинамика при малых числах Re. Пер. с англ В.С.Бернона и В.Г. Маркова. Под ред. Ю.А.Буевичаю- М.:Мир, 1976

58. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1972.

59. A.B. Печенов, H.A. Можегов Определение газопроницаемости материалов газодинамическим методом. Материалы всероссийской научно-технической конференции. Красноярск, КГТУ, 1999.

60. Иванов А.Н., Козлова С.Н., Печенов A.B. Измерение проницаемости ма-териалов./Мзмерительная техника. №12, 2000 г, стр. 47-48.

61. Можегов H.A., Печенов A.B., Кузьмин О.С., Фомичев A.B. Исследование пористой структуры меднографитовых материалов. //Вестник ПГТУ. Проблемы современных материалов и технологий. Сборник научных трудов. Выпуск №4, Пермь, 1999, стр. 137-146.

62. Козлова С.Н., Печенов A.B. Классификация методов определения пористости материалов. //Вестник ПГТУ. Проблемы современных материалов и технологий. Сборник научных трудов. Выпуск №5, Пермь, 2000.

63. Печенов A.B., Симаков A.JI., Матросова Ю.Н. Информационно-измерительная система контроля качества фильтров газодинамическим методом. //Радиотехника. Информатика. Управление. 2000, №1

64. Козлова С.Н., Печенов A.B. Перспективные методы определения пористости древесины и древесных материалов //Леса Белоруса. Материалы международной научно-технической конференции. Минск, БГТУ, 2000.

65. Козлова С.Н., Иванов А.Н., Печенов A.B. Определение открытой пористости технологической щепы для целлюлозно-бумажного производства. Материалы международной научно-технической конференции. М.: НТО бумдревпром, 2000.

66. Леонов А.И., Печенов A.B. К вопросу определения газопроницаемости материалов.// Материалы международной научно-технической конференции, Ковров 2000.

67. Козлова С. Н., Печенов A.B. Устройство для определения активной пористости и проницаемости материалов // Материалы международной научно-технической конференции, Ковров 2000.

68. Козлова С.Н., Печенов A.B., Матросова Ю.Н. Имитатор проницаемости пористых материалов. Свидетельство на полезную модель №18774.

69. Леонов А.И., Козлова С.Н., Печенов A.B. Устройство для определения параметров пористых материалов Свидетельство на полезную модель №19583.

70. Козлова С.Н., Печенов A.B. Автоматизированная система измерения пористости и удельной поверхности материалов.// Автоматизация и современные технологии. -М.: 2001. №5.

71. Козлова С.Н., Печенов A.B. Оптимизация устройства контроля проницаемости материалов. Материалы всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Воронеж, ВГЛТА, 2001.

72. Иванов А.Н., Козлова С.Н., Печенов A.B. Автоматизация технологического процесса модифицирования древесных материалов. Материалы всероссийской научно-технической конференции. Вологда, ВГТУ, 2002.

73. Печенов A.B. Автоматизация технологического процесса изготовления воздухофильтра мокика «Пилот». Материалы всероссийской научно-технической конференции. Муром, 2002.

74. СОГЛАСОВАНО Проректор по научной работе КГТА

75. СОГЛАСОВАНО Гл. инженер ОАО «ЗиД»

76. Липсман Д. Л. « ОШ ОКэ 2002 г.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯрезультатов научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ в высших учебных заведениях

77. Заказчик ОАО «ЗАВОД ИМ. В.А. ДЕГТЯРЕВА»в лице гл. инженера ЛИПСМАНА Д.Л.

78. Вид внедрения результатов: эксплуатация установки для определения газопроницаемости воздухофильтров.

79. Характеристика масштаба внедрения: единичное.

80. Форма внедрения: опытный образец установки.