автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система управления цветовыми характеристиками полимерных материалов

На правах рукописи

РАЗЫГРАЕВ Александр Сергеевич

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЦВЕТОВЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПОЛИМЕРНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Санкт-Петербург 2013

005542670

На правах рукописи

РАЗЫГРАЕВ Александр Сергеевич

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЦВЕТОВЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013

Работа выполнена на кафедре систем автоматизированного проектирования и управления федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

Научный руководитель: Чистякова Тамара Балабековна

доктор технических наук, профессор, проректор по инновациям, профессор кафедры систем автоматизированного проектирования и управления федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный

технологический институт (технический университет)»

Официальные оппоненты: Дозорцев Виктор Михайлович

доктор технических наук, старший научный сотрудник по специальности системный анализ, управление и обработка информации, директор департамента ЗАО «Хоневелл», г. Москва

Пешехонов Алексей Анатольевич

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автоматизации процессов химической промышленности федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова".

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 13.30 часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.230.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, ауд. 19

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТИ(ТУ).

Замечания и отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет). Справки по тел.: (812) 494-93-75; факс: (812) 712-77-91; e-mail: dissowet@technolog.edu.ru

Автореферат разослан 2-5~ноября 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.230.03 доктор технических наук, профессор

В.И.Халимон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Объем производства полимерных материалов в Российской Федерации за 2012 год состав™ приблизительно 3500 тысяч тонн. Объем производства цветных полимерных материалов составляет 20-25% от общего объема производства. Изделия из цветных полимерных материалов находят широкое применение в различных отраслях промышленное™ (пищевой, фармацевтической, косметической, полиграфической) и строительства, поэтому к их качеству (толщине, цвету, состоянию поверхности) предъявляются высокие требования. Выбор красителей, способа окрашивания, метода управления цветом влияет на цену, качество и, в конечном итоге, конкурентоспособность изделия на рынке.

Производство полимерных цветных материалов осуществляется двумя способами: экструзионным и экструзионно-каландровым и в несколько стадий: предварительного смешения компонентов, входящих в рецептуру материала, подготовки эксгрудата (нагрева, перемешивания и плавления материала в экструдере), формования экструдата, охлаждения, обрезка кромки материала (при необходимости), намотка.

Существует три способа окрашивания полимерных материалов: сыпучими пигментами, концентратами и жидкими красителями. Традиционно управление цветом полимерного материала осуществляется по цвету готового изделия путем воздействия на стадии предварительного смешения.

Производство цветных полимерных материалов с окрашиванием сыпучими пигментами, добавляемыми на стадии предварительного смешения, характеризуется следующими основными недостатками:

- наличием циклов очистки оборудования от красителя: технологических агрегатов предварительного смешения (в среднем каждые 12 минут при производительности линии 1000 кг/час), очистка агрегатов всей производственной линии при перенастройке на контрастные цветовые характеристики производимого материала (до 4 часов).

- длительной перенастройкой линии на новый цвет с материальными потерями (время перенастройки до 30 минут с получением 500 кг возвратных отходов при производительности линии 1000 кг/час).

Основным недостатком окрашивания концентратами, подаваемыми в загрузочную воронку экструдера, является высокая стоимость красящего вещества.

Более эффективный способ окрашивания, заключающийся в использовании жидких красителей, подаваемых непосредственно в экструдер, позволяет снизить материальные потери, за счет отсутствия циклов очистки и уменьшить время перенастройки производства с одного цвета на другой цвет. Однако при использовании жидких красителей их расходы зависят от производительности экструдера. Поэтому необходима разработка такой системы управления, которая позволила бы компенсировать возмущения, связанные с колебаниями производительности экструдера, а также с колебаниями цветовых характеристик возвратных материалов.

Актуальным является синтез системы управления и выбор способа окрашивания которые позволят повысить эффективность и качество цветных полимерных материалов за счет снижения материальных потерь, уменьшения времени перенастройки, компенсации действующих возмущений.

Целью работы является разработка системы управления, алгоритмов управления и математических моделей, для управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, позволяющих повысить эффективность производства цветных полимерных материалов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• Анализ существующих способов окрашивания полимерных материалов, математических моделей для управления цветом, систем управления цветом полимерных материалов позволило описать процесс производства полимерных материалов как объект управления, обосновать эффективность способа окрашивания, сформировать требования к разрабатываемой системе управления.

• Разработка функциональной структуры автоматизированной системы управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, включающей библиотеку математических моделей, подсистему управления, информационную подсистему и интерфейсы оператора, технолога и лаборанта-исследователя, позволяющие управлять цветовыми характеристиками различных полимерных материалов.

• Разработка математического обеспечения системы управления, а именно моделей: для расчета расходов жидких красителей, обеспечивающих эталонный цвет материала, моделей, основанных на теории Кубелки-Мунка для расчета рецептуры окрашивания полимерных материалов и моделей для расчета производительности зкструдеров различных типов.

• Разработка алгоритма управления цветовыми характеристиками в различных режимах функционирования: при перенастройке производства на новый цвет материала и при производстве полимерного материала с заданными цветовыми характеристиками.

• Разработка информационного обеспечения, включающего базу данных характеристик производства и полимерных материалов, базу правил управления цветовыми характеристиками полимерных материалов.

• Разработка, тестирование и внедрение в эксплуатацию автоматизированной системы управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, которая настраивается на характеристики производственных линий и полимерных материалов, позволяет управлять цветовыми характеристиками в различных режимах функционирования производственной линии.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что получены новые научные результаты, а именно:

1. Новый способ управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, основанный на окрашивании полимерных материалов жидкими красителями, подаваемыми в экструзионный смеситель-пластикатор, и изменении расходов жидких красителей в зависимости от цветовых характеристик экструдата и готового полимерного изделия.

2. Библиотека математических моделей, включающая модели дня выбора типов красителей, модели для оценки расходов и модели для оценки производительности экструдеров, позволяющая управлять различными цветовыми характеристиками в различных режимах управления.

3. Алгоритм управления цветовыми характеристиками полимерных материалов по двум контурам управления: по цвету готового изделия при перенастройке на новое производственное задание и по цвету экструдата в регламентном режиме изготовления продукции заданного типа и эталона цвета.

4. Программный комплекс автоматизированной системы управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, включающий математическое обеспечение, информационное обеспечение и интерфейсы оператора, технолога и лаборанта-исследователя.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы математического моделирования, проектирования баз данных, обработки экспериментальных данных, численного нахождения экстремумов функции, объектно-ориентированного программирования.

Практическая ценность результатов заключается в том, что разработана автоматизированная система управления цветом полимерных материалов, включающая информационное, математическое, алгоритмическое и программное обеспечение. На разработанный программный продукт получено свидетельство о государственной регистрации в Роспатенте и акт о внедрении в опытно-промышленную эксплуатацию. На новый способ управления получен патент в Германии, и опубликована международная заявка на патентование в России и в других странах. Использование разработанной системы управления позволяет снизить себестоимость производимых цветных полимерных материалов и увеличить выпуск готовой продукции.

Реализация результатов. Результаты работы внедрены в опытно-промышленную эксплуатацию на производстве полимерных плёнок ООО «Клекнер Пентапласт Рус».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях ММТТ-23 (Саратов, 2010г.). ММТТ-24 (Киев, 2011г.); на конференции молодых ученых «Неделя науки - 2011»; на ежегодных конференциях, посвященных международному дистанционному учебно-исследовательскому центру по полимерным пленкам корпорации «Клекнер Пентапласт» (Санкт-Петербург, 2011г. -2013г.); в Рурском университете по программе DAAD (Германия, Бохум, 2009г.). С данной тематикой выигран конкурс по программе "Участник молодежного научно-инновационного конкурса" ("УМНИК") фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Санкт-Петербург, 2013г).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 16 работ, в том числе 4 статьи опубликованы в журналах из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, опубликована 1 заявка на международное патентование, получен 1 патент, получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 свидетельство о внедрении в опытно-промышленную эксплуатацию.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Работа изложена на 134 страницах, содержит 36 рисунков и 14 таблиц, библиографический список включает 107 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, сформулирована научная новизна и практическая ценность результатов, полученных при решении поставленных задач, дано краткое содержание работы.

В первой главе выполнен анализ процесса получения полимерных материалов, как объекта управления, который позволил сравнить и охарактеризовать различные методы производства, выявить состав действующих возмущений, оказывающих влияние на цвет производимого полимерного материала

Анализ методов производства цветных полимерных материалов показал, что они производятся на экструзионных и экструзионно-каландровых линиях из полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола, полиэтилентерефталата и других полимеров для различных отраслей промышленности (пищевой, фармацевтической, косметической, полиграфической). Такие производства являются высокотехнологичными (используются современные системы управления технологическим процессом и системы контроля качества полуфабрикатов и продукции), многоассортиментными, многотоннажными (до 3000 кг/ч), непрерывными, многостадийными, характеризующимися частой перенастройкой линии с цвета на цвет (= 30 раз за месяц), и использующие разные типы экструдеров.

Проведён анализ существующих способов окрашивания полимерных материалов, который показал, что окрашивание полимеров жидкими красителями является эффективным в случае дозирования жидких красителей в экструдер и наличии контура управления по цвету экструдата. Эффективность в основном достигается за счет: низкой стоимости чистки оборудования (исключается необходимость чистки ветки предварительного смешения при каждом изменении цвета и чистки всей линии после каждой производственной программы), быстрой смены цвета производимого материала, разумной стоимости жидких красителей (дороже порошкообразных пигментов, но дешевле концентратов).

Сложность управления цветом экструдагга при перенастройке производства и в регламентном режиме заключается: в периодическом изменении режимных параметров экструдера, влияющих на его производительность, вызванном необходимостью компенсировать избыток или недостаток экструдата в питающем межвалковом зазоре каландра; в наличии возмущения по качеству сырья, поступающего в экструдер. которое связано с подачей окрашенных возвратных отходов.

Анализ возможных точек контроля цветовых характеристик показал, что минимальной с точки зрения инерционности объекта управления при перенастройке производства предполагается управление по цвету готового изделия, а в регламентном режиме - по цвету экструдата.

Анализ средств описания цвета показал, что в качестве средства для описания цвета полимерных материалов используют наиболее распространенное цветовое пространство СШЬаЬ описывающее цвет тремя координатами: Ь — светлота, а - координата положения цвета в диапазоне от зеленого до красного, Ь - координата положения цвета в диапазоне от синего до желтого.

Таким образом, для реализации системы управления цветом полимерных материалов, которая сможет компенсировать действие возмущений при окрашивании жидкими красителями, необходимы: математические модели для выбора типов красителей, модели для оценки расходов красителей, модели для оценки производительности эксгрудеров и информационное обеспечение с данными о различных типов эксгрудеров и полимерных материалов.

Во второй главе представлено описание способа управления, формализованное описание процесса производства полимерных материалов на экструзионной и экструзионно-каландровой линии как объекта управления, сформулированы задачи управления цветом, представлена функциональная структура и алгоритм функционирования системы управления, структура информационного обеспечения.

На основе анализа экструзионной и экструзионно-каландровой линии как объектов управления разработано формализованное описание, представленное на рисунке 1, учитывающее разнообразные методы производства, типы полимерных материалов и экструдеров, управляющие воздействия и возмущения, влияющие на цветовые характеристики производимого полимерного материала.

Формализованное описание процесса изготовления цветных полимерных материалов на экструзионных и экструзионно-каландровых линиях может быть представлено в следующем виде:

йташг &„„.;=Д.. О,

Х={Мрт& Тро1ут Таишь - Ъ;' •

и = {И, Ть, С?с„ /'=/... пс},

р = {у/ехь

гае 0,„мег - вектор выходных параметров, представляющий собой цветовые координаты производимого материала в формате цветового пространства С1Е1.аЬ, втакг = {Ь - светлота, а - координата положения цвета в диапазоне от зеленого до красного, Ь - координата положения цвета в диапазоне от синего до желтого^;

X - вектор входных параметров, X = {МргоЛ - метод производства (М, -экструзионное производство с раздувом, М2 - плоскощелевое экструзионное производство, М3 - экструзионно-каландровое производство); Т„Ыут - тип материала; Ттп,л-тип экструдера; Ьг - требуемая светлота производимого материала, ¿/-требуемое значение координаты цвета в диапазоне от зеленого до красного производимого материала, а/ - требуемое значение координаты цвета в диапазоне от синего до желтого производимого материала, к0" - доля г-го красителя в производительности согласно рецептуре/;

Уирашшкнцне воздействии (> = /У. Г„ <7,„ <=/...„,/

Иомпцрнив г'=1Ч'гаЫ!!

Рисунок 1 - Процесс получения цветных полимерных материалов как объект управления и - вектор управляющих воздействий, V = {И - частота вращения шнека экструдера, об/с: Ть - температура обогрева корпуса экструдера, °С; вс1 - расход г-го красителя, г=1...ис, кг/час; пс - число красителей, формирующих цвет полимерного материала/;

^ - вектор возмущений, Е = ¡V«, - уровень экструдата в питающем зазоре каландра, м; — расход возвратных отходов, кг/час/.

На основе разработанного формализованного описания были сформулированы задачи управления цветом полимерных материалов в различных режимах функционирования производства, а именно при перенастройке производства на новое задание и в условиях действующих возмущений (колебание запаса материала в питающем зазоре каландра и при подаче возвратных отходов).

, Задача управления при перенастройке производства на новое задание Г0 = {Г Ыш„ £/, аг, А/, к0*} и при заданном методе производства МргЫ, типе экструдера ТЮ7Ли полимерного материала ТрЫут заключается в поиске расходов красителей Са = Дк', С), / = 1 ...пс, обеспечивающих соответствие готового изделия эталону ДЕ < ¿Е ± Атах, и соответствующим им эталонные цветовые характеристики экструдата.

Задача управления в условиях колебаний запаса экструдата и связанной с ней производительности экструдера, при заданных значениях долей расходов красителей в производительности к"заключается в поиске расходов красителей Gci =J[k/ , G), i = 1...nc, обеспечивающих соответствие цвета экструдата эталону ДЕ„, < dE± Дтах.

Задача управления при подаче возвратных отходов и при заданной производительности экструдера G заключается в поиске расходов красителей Gd =Лк", G), i = \...пс, обеспечивающих соответствие цвета экструдата эталону АЕШ < àEexl i Дтах-

Для определения эталонных значений цветовых координат и рецептуры окрашивания полимерного материала в лабораторных условиях, система управления решает задачу подбора рецептуры окрашивания.

Задача управления цветом при подборе рецептуры окрашивания заключается в поиске рецептуры окрашивания k", i = 1...и„ для которой сумма квадратов отклонений AR отношения коэффициентов поглощения и рассеивания найденной рецептуры Л/Al' от эталонной K>/Si =f(R>') будет минимальна при длинах волн X = 400, ... 700 нм.

В поставленных задачах использованы следующие обозначения: ДЕ, dE - текущее и предельно допустимое отклонение цвета готового изделия от эталона ДEat, dEa, -текущее и предельно допустимое отклонение цвета экструдата от эталона; Дтах - предел допускаемой погрешности цветоизмерительного устройства; йд - коэффициент отражения эталонного образца на X длине волны.

Система управления цветом: для экструзионного производства с раздувом решает задачу управления при перенастройке производства на новое задание; для плоскощелевого экструзионного производства решает задачи управления при перенастройке производства на новое задание и при подаче возвратных отходов; в экструзионно-каландровом производстве решает все сформулированные задачи.

Функциональная структура разработанной системы управления (рисунок 2) включает библиотеку математических моделей, подсистему управления цветом в различных режимах функционирования, подсистему подбора рецептуры окрашивания полимерного материала, информационную подсистему, интерфейсы оператора, технолога и лаборанта-исследователя.

Разработанная информационная подсистема включает базу данных характеристик производств, применяемую для настройки программного комплекса на новый тип и цвет полимерного материала, тип экструдера, базу данных результатов управления цветом, необходимую для сохранения значений режимных характеристик (долей расходов жидких красителей в производительности), обеспечивающих эталонный цвет материала, и достигнутых при них цветовых координат экструдата, и базу правил управления цвета, необходимую для формирования советов по переходу производства на новый тип и цвет материала.

На рисунке 3 представлена схема управления расходами жидких красителей по двум контурам управления: по цвету готового изделия при перенастройке на новое производственное задание и по цвету экструдата в регламентном режиме изготовления продукции.

Таким образом, разработанная система управления позволяет решать задачи управления при перенастройке производства на новое задание, управления в условиях колебаний запаса экструдата и при подаче возвратных отходов, управления цветом при подборе рецептуры окрашивания посредством библиотеки математических моделей, подсистемы управления цветом и подбора рецептуры окрашивания полимерного материала, информационной подсистемы, интерфейсов оператора, технолога и лаборанта-исследователя.

Эксгрузиопнос! производство с1 раздувом і Стадия подготовки зкетрудата А_

лллл/wvwww й;

___дн Плоскоіцелевосі жегрузионное | "«И ~~ л _

*>

производство | АЛАЛЛАЛЛЛАЛД/у —)

с Ал .«.И«*

Экструзионнон каландровое ! производство І

Я

ллл/vvwwww

(Ь-Іх. Ті—'

І. а,

чи

Ингерфснс оператора

Ввод задания на управление Отображение значений расходов красителей

Отображение советов но подготовке к переходу . ь на новое задание

БД

результатов управления цветом

характеристик производства "

Интерфейс технолог а

Редактирование Щ

редактирование оазы правил перенастройки

Подсистема управления в различных режимах функционирования производства

Модуль оценки расходов красителей при перенастрой ке на новый цвет материала Модуль оценки расходов красителей 1ГОИ колебаниях цвета экструдата, вызванных возвратными отходами Модуль оценки расходов красителей при колебаниях запаса экструдатав питающем зазоре каландра

► База правил управления цветом

) - ш) 7ІШи Подсистема подбора рецептуры окрашивании полимерного материала

■«/•*/ -

41

Модуль расчета рецептуры окрашивания

Сохранение эталона I цвега и рецептуры 1.

1>исйш»текя ММ

ш оценки производительности экструдеров

ММ опенки расходов красителей

ММ оценки рецептуры окрашивания

¥\

ІУ

Лабораторные вальцы

I

Лабораторные

ЛИНИЯ

„'АЦ -:-1__IГ і

лаборант_________Исследовательский отдел і

1 - дозаторы жидких красителей; 2 - спектрофотометр (измерение цвета экструдата);

3 - спектрофотометр (измерение цвета готового изделия); 4 - измерение уровня

наполнения зазора каландра; 5 - обрезка кромки материала

Рисунок 2 - Функциональная структура автоматизированной системы управления цветом

полимерных материалов

Устройство измерения цвета готового изделия

D"

Устройство измерения

уровня заполнения питающего изора каландра

Рисунок 3 - Схема управления цветом полимерных материалов В третьей главе приведено описание математических моделей и алгоритма управления цветом в различных режимах функционирования производства.

Математическое обеспечение автоматизированной системы управления цветом полимерных материалов в экструзионном и экструзионно-каландровом производстве включает библиотеки:

- моделей, описывающих зависимости цветовых координат материала от долей расходов красителей ki,i= 1... пс для различных типов и цветов материалов и предназначенных для расчета расходов красителей Gci, i = \...пс, и цветовых отклонений материала АЕ и экструдата Д£е« от эталона:

- моделей для расчета рецептуры окрашивания ко" Для различных типов красителей и материалов:

- моделей для расчета производительности G экструдеров различных типов Tex,md = {Ktxmd, Rt, геяпи}, отличающихся классом Kexnd = {?. С„юп Dw„ a), a именно числом q, характером движения С,т, направлением вращения Droh углом зацепления а шнеков, температурным режимом работы RT и геометрическими параметрами конструктивных элементов Гехти! ~ {Гит, Г,} ;

- реологических моделей для расчета вязкости Г] полимерных материалов различных типов, относящихся к аморфным и кристаллическим материалам;

- моделей для расчета коэффициента гидравлического сопротивления к экструзионных головок различных типов (плоскощелевых, кольцевых, фильер);

-тепловых моделей экструдеров для расчета распределения температуры материала Г по длине шнека L„ экструдеров различных типов, которые работают в различных температурных режимах Rf (обогреваемый электрически R\ или маслом Д2 корпус, охлаждаемый водой Я3 или термонеэтральный Ru шнек), зависящих от типа и метода производства Mproj материала, типа экструдера Гег№г.

Библиотека математических моделей для расчета расходов красителей по цветовым координатам полимерного материала включает:

- модели для расчета цветовых отклонений материала ДЕ и экструдата ДЕа, от эталона:

Д£ = -L/f + (а,' - a/J + (b/ - b/f ,

^ = Jlfj-LJÎ -«jj+{bj-bjf

- модель для оценки долей расходов красителей в производительности к*, i = 1 ...пс при перенастройке производства на новый эталонный цвет каландрированного материала:

U = f (к, ) = С,„ + Y си ■ К + £ с»'» ' V + s ■ к, ■ кя ■ кр

1 <1<пе 1 <1<т&1( \<1<т<р<пе

ас=Ак,) = с1В+ 5>2 lm-krkm+ £c2Jlm ■ к, ■ кт ■ кр

■ bc = f(k,) = c3i,+ Ycvki+ ¿с3 лт-к,-кя-кр

l<J<nr 1 <1<тйпс 1 <J<m<p<nc

к; : min ДЕ(к,) var к, е [к,"" ; кГ 1 ' = 1-лс

- модель для оценки долей расходов красителей в производительности к', i = 1 ...пс при управлении в условиях подачи в экструдер возвратных отходов:

LJ =f(k,) = dl0+ Xrfi Ш-К-К+ Y.dWkrkm-kp

IS/Stf. \<1<т<пс 1</</>/</>£и

aj = f{k, ) = d20 + £,d2l ■k, + £ d2lm -krkm+ £ <V •krkm-kp

l<l<ne l<l<m<nc i </<m<p<ne

' bj =f(ki) = d,a+Yddv-k,+ Y.d*»rkrkm+ ^dijlm - k, -km -kp

1</<л. i</<m<». \<!<m<p&uc

M.» = ÂLJ-Ljj+iaj -aj)1 +{bj -bj)1

k,c :mraàEa,{k,)v2xkt e [i,1""; i-,™" J / =

- уравнение для расчета расходов красителей Gcl, i = 1... пс в зависимости от к," и G:

к, = к,/.4>и t = 0

UM-(V-C)Lгри t > О

Gcl=k'-G, ( = 1..лс,

где лс - число красителей; L/, а/, Ь/, La,, а«,*, - значения координат эталонного цвета готового изделия и экструдата; ¿/, а/, 6/ ¿„Л а„/, ¿„Z - измеренные текущие значения координат цвета готового изделия и экструдата; Lc, tf, bc, Lalc, aa,, bex,c -расчетные цветовые координаты готового изделия и экструдата; cjlmp, dlim,, - эмпирические коэффициенты, зависящие от метода производства, типа смесителя, полимера и эталона цвета материала; АЕ - цветовое отклонение материала от эталона; к!'' - доля /'-го красителя, используемая для формирования предыдущего задания на управление.

Библиотека математических моделей для расчета рецептуры окрашивания ко, по значениям коэффициентов Яд отражения эталона на различных длинах волн видимого спектра излучения Я = 400, ... 700 нм и с заданным множеством красителей и типом полимерного материала:

*!=/(*,)=y

pe J \ j/ „5 i С D

700 ( ¡r fc Y Г 1

ЛМОО^ ¿я У

где А^ - количество заданных красителей; k¡ - доля ¡'-го красителя в рецептуре окрашивания; Ri - коэффициент отражения эталонного образца на X длине волны; Ки, Su - коэффициент поглощения и рассеивания i-го красителя на X длине волны; A"/, S>s, K¡„ Si, АГ/, S{ -коэффициенты поглощения и рассеивания субстрата, эталонного полимерного материала и рассчитанные значения на X длине волны.

В зависимости от метода производства изменяются составы библиотек математических моделей экструдеров и головок. Библиотека математических моделей экструдеров для управления цветом каландрированных материалов включает модели одношнековых, осциллирующих и двухшнековых экструдеров с различной степенью зацепления шнеков, оснащенных фильерами. Библиотека математических моделей для управления цветом экструдированных материалов включает модели одношнековых экструдеров, оснащенных кольцевыми головками или плоскощелевыми головками, и двухшнековых экструдеров с встречным вращением зацепляющихся шнеков и плоскощелевыми головками.

Библиотека ММ для расчета производительности экструзионных смесителей-пластикаторов различных типов в зависимости от частоты вращения шнека/шнеков N включает:

1) модель одношнекового смесителя, построенную на основе баланса расходов поступательного потока в канале и потока утечки через радиальный зазор 5 между внутренней поверхностью корпуса и витками нарезки шнека

V ■(/ ■ Н -JV ■ Fd ■ cos(p - 8- В)-р_

Г3 ■ [/• • W ■ Fp + 52+" • В2 ■ #-(2+и> • (/ • е • sin V cos фГ } ^

где

2) модель осциллирующего смесителя, построенную на основе баланса расходов поступательного потока, вынужденного потока, вызываемого движением в канале месительных зубьев корпуса с эффективностью транспортировки £,, потока утечки через радиальный зазор 8 и потока утечки через т осевых прорезей шириной 5 в каждом витке нарезки и позволяющую рассчитать среднюю за цикл работы производительность

\H W-Fj -(1-а,)-со5ф+2-£, -^-б-З-от-у (Я-5)-8тф}-р ~ 2 + |/'-#3 - + 2-#-[/-е-5т(2-<р)^1 -(5-62+" ••у,1'" •5пГ|ф+/и-,у-Я3))-Ч/'

3) модель двухшнекового смесителя с зацепляющимися шнеками, построенную на основе баланса расходов потока, определяемого объемом расплава, выдавливаемым за один оборот из каналов двух шнеков и равным удвоенному объему С-образной секции Ус,

потока утечки через радиальный зазор 5. потоков утечек Q, и Q, через боковые и межвалковые зазоры зацепления

с_2•{(/• -Vc -0,5-n-(7t-a)-D2-S-cos-'cp-tgcp)-Af-2-et-g,}-p

1 + (л - a) • £> • Ô3 • [6 • ¿ítr • cos ф • Л • т!5 Г ' ^

где расходы утечек через зазоры зацепления, причиной возникновения которых служит относительное движение поверхностей шнеков и наличие градиента давления вдоль каждого шнека, рассчитываются в зависимости от направления вращения шнеков; 4) модель двухшнекового смесителя с незацепляющимися совмещенными шнеками, построенная на основе модели одношнекового смесителя с учетом того, что работа данного типа двухшнекового смесителя подобна работе двух одношнековых смесителей, присоединенных к одной головке, и кроме утечки через радиальный зазор существует напорный поток утечки через вершину витка.

В уравнениях: В, е, H, W, D, Lscr - шаг и толщина витков нарезки, глубина и ширина канала, диаметр, длина шнека, м;/- число заходов нарезки шнека; F¿, FP - коэффициенты, учитывающие сопротивление боковых стенок составляющим поступательного потока; ф -угол наклона витков, рад; р - плотность, кг/м ; п - индекс псевдопластичности материала; к - коэффициент сопротивления головки, м3; r|, ту, г|б - вязкость в канале, зазоре и на входе в головку, Па-с; F,, а, - площадь боковой поверхности (м2) и относительная площадь основания зуба корпуса смесителя; s, - расстояние между зубом и лопастью нарезки шнека, м; a - угол зацепления шнеков, рад.

Для расчета вязкости расплавов полимеров как неупругих псевдопластичных жидкостей используются модели в виде степенных уравнений (модель Оствальда-де'Вилье), описывающих реологическое поведение расплавов в диапазонах температуры и скорости деформации сдвига, наблюдаемых при экструзии

'/ = /'• У"', Is = /< • Г Г1, Is = M ■ Г J"1, >1 = ■ Г Г'

1) модуль для расчета коэффициента консистенции вязкотекучего материала ц в зависимости от его температуры Г и реологических характеристик Hrheoi = {(До, То, Ь, л}

ц = ц0-ехр[-й-(7--Г0)]

2) модуль для расчета скоростей деформаций сдвига материала в канале шнека у, радиальном зазоре боковом ys и межвалковом уг зазорах зацепления шнеков в зависимости от геометрических параметров шнека/шнеков Г,£, = {Д /.„,, В, H,f, е, s,, As„] и зазоров ГС1 = {6, 5j., ô„ 5,-о} и частоты вращения шнека/шнеков N

I7T-D-N/Н. еслиодношнеков ыйэкструдер л■■ D-N/ s,, если осциллирую ший экструдер

В- N / Н, если двухцпкков ый экструдер с зацгпшпоши мися шшками Y¿ = В- N/5. если двухшнеков ый экструдер с зацгпляюшн мися шшками

[2 • л ■ Aacr ■ N/Ss, если двухшнеков ый экструдер с односторон ним вращением шнеков v \2- ïï -{H - ¿>r0 )• ¡V / Ss, если двухшнеков ый экструдер с встречным вращением шнеков Í2 • к ■ (D - Я) • N / Sr, если двухшнеков ый экструдер с однэсторон ним вращением шнеков |2- л- Я -NI5r, если двухцпкков ый экструдер с встречным вращением шнеков

В реологических моделях ri, ris, п», Чг - вязкости расплава в канале шнека, радиальном зазоре между внутренней поверхностью корпуса и витками нарезки шнека, боковом и межвалковом зазорах зацепления шнеков, Па с; п - индекс течения расплава;

Но - коэффициент консистенции расплава при температуре приведения То, Па с"; Ь - температурный коэффициент вязкости полимера, °С; А„сг - межосевое расстояние шнеков, м; 5 - радиальный зазор между витками нарезки шнека/шнеков и внутренней поверхностью корпуса в одношнековом, осциллирующем и двухшнековых экструдерах, м; 6„ 8Г - боковой и валковый зазоры зацепления в двухшнековых экструдерах, м; би) - валковый зазор между сердечником шнека и вершиной витка сопряженного шнека в двухшнековых экструдерах, м.

Ниже представлены формулы для расчета времени контроля цветовых характеристик готового изделия (до™, уровня экструдата в питающем зазоре каландра 1>р, цвета экструдата

Ірії« — + '//»с 1 'ч> = 'гй 5 'г« = ^ ^ '//т = 1пы ' ^Ііт , Ал ' Кг '

где 1С - максимальное время пребывания экструдата в питающем зазоре каландра, с; /,, - время пребывания экструдата на транспортере, с; У„1ал — рабочий объем экструдера от точки подачи красителя до головки экструдера, м3; Ьцпе - длина пути прохождения пленки от начала стадии формования до точки измерения цвета готового изделия, м; Г1Ш - скорость производственной линии в зоне формования, м/с; Ь,г— длина транспортера, м.

Для реализации управления цветовыми характеристиками полимерных материалов во всех режимах функционирования производственной системы разработан алгоритм управления цветом в различных режимах производства (рисунок 4). При перенастройке производства на новое задание осуществляется подготовка производства на новое задание и управление по цветовым характеристикам готового полимерного изделия, в регламентном режиме осуществляется управление по цветовым характеристикам экструдата и, независимо от режима функционирования, осуществляется управление при колебании запаса экструдата.

Разработанная система управления позволяет с использованием математических моделей оценивать производительность экструдера при колебаниях запаса экструдата в питающем зазоре каландра, оценивать доли расходов красителей в производительности по цвету готового изделия при перенастройке производства и по цвету экструдата в условиях подачи возвратных отходов, а также производить расчет рецептуры окрашивания при подборе рецептуры полимерного изделия в исследовательском отделе.

Четвертая глава посвящена описанию эффективности разработанной системы управления и тестированию алгоритмов управления для различных производств и типов материалов. Произведена проверка адекватности математических моделей по экспериментальным данным, собранным с двух линий: экструзионно-каландровой линии №1 завода корпорации по производству полимерной плёнки «Клекнер Пентапласт Рус» в Санкт-Петербурге и экструзионно-каландровой линии №7 на заводе «Кіоскпег РсШар^Ь) в Монтебауре в Германии. Результаты тестирования представлены в таблице 1.

Анализ результатов тестирования системы управления с использованием жидких красителей показал, что эффективность системы управления обеспечена за счет: сокращения времени на чистку линии (12 часов в месяц), снижение количества брака за счет сокращения времени перенастройки линии с цвета на цвет (9 тонн в месяц), что составило 3% от выпуска готовой продукции для одной производственной линии (21 тонн в месяц).

( Начало )

БД

характеристик ІДЕоизводствз.

База правил управлення _ цветом _

Библиотека ММ

Ввод задания на производство

V 'и/> МргоЖ Троіуті

Lf.aj.bf ,кш ,пс, і

І...П,

Формирование и вывод советов по подготовке производства к переходу на новые характеристики производства

Считывание режимных параметров

экструдера ЫнТь. расчет производительности экструдера С

ш

Настройка на характеристики системы управления цветом

Расчет и задание,расходов красителей = Ащ С, і=1„ .пс

К„ггл ^Ут. /и

і;/ т/л иу те* г<тг і «сгг

А/-шаг по времени,с

Расчет и задание расход кшрпслрй

иорос эталонных цветовых характеристик экеру дата

I"

Расчет производительности экструдера С, время контроля /№„ 1Г, !„,

Оценка долей расходов красителей в производительности

Расчет и задание расходов і^асігге^и,

і = 1..'.лс'

Управление по цветовым I характеристикам готового | полимерного изделия |

Управление при колебании запаса экструдата

X

Расчет и задание расходов

Л

Управление по цветовым характеристикам

__________________________..зкстудата_________

Рисунок 4 - Алгоритм управления цветом в различных режимах производства

Таблица 1 - Результаты оценки эффективности системы управления цветом

Критерий оценки Характеристика системы управления цветом с

сыпучими пигментами жидкими красителя

Чистка ветки смешения при смене цвета производимой пленки 10 минут Не требуется

Чистка всей линии с остановкой после каждой цветовой производственной программы 4 часа Не требуется

Количество бракованной по цвету переходной пленки получаемой при смене производимого цвета 550 кг 250 кг

Время перенастройки производства с цвета на цвет при производительности линии 1000 кг/час 30 минут 10 минут

Инерционность объекта управления по цвету полимерной пленки при производительности линии 1000 кг/час до 30 минут 12 минут

Инерционность объекта управления по цвету экструдата при производительности линии 1000 кг/час 4 минуты

Для реализации способа окрашивания жидкими красителями и использования разработанной системы управления цветовыми характеристиками полимерного материала необходимо дополнительное оборудование: система дозирования жидких красителей, приборы измерения цвета готового изделия и экструдата, специализированные зубья экструдеров для дозирования жидких красителей и измерения цвета экструдата.

На рисунке 5 приведены зависимости рассчитанных и полученных в результате многократных измерений на экструзионно-каландровой линии № 2 завода ООО «Клекнер Пентапласг Рус» (Санкт-Петербург) значений производительности от частоты вращения шнека (изделие - пленка, материал - поливинилхлорид, цвет - голубой, тип экструдера -осциллирующий экструдер. О = 0,2 м, = 2,2 м). Среднеквадратическое отклонение рассчитанной производительности от измеренной составляет 3,8 кг/ч. Адекватность модели подтверждена выполнением условия адекватности по критерию Фишера И< , F= (4 параллельных опытов, = 147 кг2/ч2, 5вос„/ = 57,1 кг2/ч2, К = 2,56,

= 2,69).

В таблице 2 представлены результаты оценки адекватности математической модели для оценки долей расходов красителей в производительности по экспериментальным данным с параллельными экспериментами производства поливинилхлоридной оранжевой пленки из одного красителя на экструзионно-каландровой линии № 2 завода ООО «Клекнер Пентапласт Рус» в Санкт-Петербурге.

На рисунке 6 представлен пример измеренных и рассчитанных кривых спектрального отражения по модели расчета рецептуры окрашивания для красной непрозрачной поливинилхлоридной пленки из одного красителя при различных концентрациях красного красителя от 0,1% до 1%. Адекватность модели подтверждена выполнением условия адекватности по критерию Фишера Г< /г"„"®л, /•"= .£><) 15юспр (4 параллельных опытов, среднеквадратические отклонение 0,059%, =4,7-10~*,

= 3.2-10"" •р = ^. = V8 )•

Пример работы алгоритма управления при возникновении отклонения цвета пленки представлен на рисунке 7, на котором изображена трехмерная модель, помогающая оператору выбрать направление изменения и количество шагов изменения расхода красителя каждого цвета для достижения эталонного цвета материала.

Средняя ошибка аппроксимации

А, %

Дисперсия адекватности

значение

Г табл.

0,95

измеренное ■расчетное

субстрат

Таблица 2 - Результаты проверки адекватности математической модели для оценки долей расходов красителей в производительности

— измеренное

Частота вращения шнека экструдера, об/мин

Рисунок 5 - Зависимости производительности осциллирующего экструдера от частоты вращения шнека

Параметр

№ %шна волны, мй м

Рисунок 6 - Кривые спектрального отражения, измеренные и рассчитанные при различных концентрациях красного красителя в субстрате

Дисперсия воспроизводимости,

Критерий Фишера Р

Пленка

Экструдат _ а

Табличное

Тип материала пвх

Цвет материала оранжевый

Исходные данные:

74,66

а/ 32,32

ь; 48,01

ко і'. к02 0,22,0,044

в 1000 кг/час

Текущие данные

I 73,97

а 33,06

Ь 48,11

ЛЕ 1,02

к, 0.25-10^

кг 0,47-10"-

к," 0,22 10'-

к? 0,44-10--

Управление

1,9 кг/час

Ос2 0,41 кг/час

Рисунок 7 - Зависимость цветового отклонения пленки от долей расходов красителей Разработанная система управления позволяет реализовать способ окрашивания жидкими красителями и решить задачи управления цветом. Использование системы управления позволяет повысить эффективность производства за счет отсутствия циклов чистки, снижения времени перенастройки с цвета на цвет и снижения производства бракованного полимерного материала по цвету

ВЫВОДЫ

• На основании анализа характеристик процессов производства и способов окрашивания цветных полимерных материалов, математических моделей, используемых для управления цветом и существующих систем управления цветом полимерных материалов, сформулированы требования к разрабатываемой системе управления цветом полимерных материалов.

• Разработана функциональная структура автоматизированной системы управления цветом полимерных материалов, включающая библиотеку математических моделей, подсистему управления, информационную подсистему и интерфейсы оператора, технолога и лаборанта.

• Разработано математическое обеспечение системы управления, включающее модели для расчета типов красителей, модели для оценки долей расходов от производительности экструдера и модели для оценки производительности экструдеров.

• Разработан алгоритм управления цветовыми характеристиками полимерного материала в различных режимах функционирования: при перенастройке производства на новый цвет материала и при производстве в условиях действующих возмущений.

• Разработано информационное обеспечение, включающее базу данных характеристик производства, базу данных результатов управления цветом и базу правил управления цветом.

• Разработан программный комплекс, являющийся гибким инструментом, настраиваемым на характеристики производства и позволяющий управлять цветом в различных режимах функционирования производственной линии и в условиях действующих возмущений.

• Внедрение в эксплуатацию и тестирование системы управления цветом полимерных материалов на заводах корпорации по производству полимерной плёнки «Клекнер Пентапласт» в Европе и России подтвердило работоспособность, адекватность и эффективность системы управления для различных типов продукции на экструзионно-каландровых линиях.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Чистякова. Т. Б. Программный комплекс для управления цветом тонких жестких полимерных материалов / Т. Б. Чистякова. A.C. Разыграев, А. Н. Полосин, К. Колерт // Автоматизация в промышленности. -2012. -№ 7. -С. 12-18.

2. Разыграев, А. С. Автоматизированная система управления качеством цветных каландрируемых полимерных пленок / A.C. Разыграев, Т.Б. Чистякова, А.Н. Полосин, К. Колерт // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). -2012. -№14. -С. 102-106.

3. Чистякова Т. Б. Гибридная система управления цветом в экструзионном и экструзионно - каландровом производстве полимерных материалов / Т. Б. Чистякова. А. С. Разыграев. А. Н. Полосин, К. Колерт // Вестник Саратовского государственного технического университета. -2012. -№ 1, вып. 2. - С. 194-201.

4. Полосин, А. Н. Математическое обеспечение гибридной системы управления цветом экструдированных и каландрированных полимерных материалов / А. Н. Полосин, Т.Б. Чистякова, A.C. Разыграев, К. Колерт // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2012. - № 1, вып. 2. - С. 241-249.

5. Чистякова, Т. Б. Структура системы управления скоростью дозирования жидких красителей в зону пластикации экструдера / Т. Б. Чистякова, А. С. Разыграев, А. Б. Иванов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23 : сб. тр. XXIII Междунар. науч. конф., 22-24 июня 2010 г. В 12 т. Т. 10. - Саратов : СГГУ им. Гагарина Ю.А., 2010. - С. 122-124.

6. Разыграев, А. С. Система управления цветом каландрируемых полимерных пленок / А. С. Разыграев, Т. Б. Чистякова, А. Н. Полосин // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24 : сб. тр. XXIV Междунар. науч. конф., 31 мая - 3 июня 2011 г. Т. 6. - Саратов : СГТУ им. Гагарина Ю.А., 2011. - С. 49-53.

7. Разыграев, А. С. Автоматизированная система управления скоростью дозирования жидких красителей в осциллирующий экструдер / А. С. Разыграев, Т. Б. Чистякова II Сборник тезисов научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки-2011»СП6ГТИ(ТУ), 30 марта - 1 апр. 2011 г. - СПб. : СПбГТИ(ТУ), 2011 -С. 115.

8. Чистякова, Т. Б. Автоматизированная система управления качеством цветных полимерных пленок на экструзионно-каландровых линиях / Т. Б. Чистякова, К. Колерт, А. С. Разыграев, А. Н. Полосин // Высокие технологии в производстве и переработке полимерных материалов : сб. тр. V междунар. науч.-техн. конф., 30 июня 2011 г. -СПб. : Изд-во СПбГТИ(ТУ), 2011. - С. 54-60.

9. Чистякова, Т. Б. Программный комплекс для оценки расходов краси-телей по значениям цветовых координат / Т. Б. Чистякова, К. Колерт, Д. Н. Чернышева, А. С. Разыграев // Высокие технологии в производстве и переработке полимерных материалов : сб. тр. VI междунар. науч.-техн. конф., 21 июня 2012 г. - СПб. : Изд-во СПбГТИ(ТУ), 2011. - С. 48-52.

10. 10. Разыграев, А. С. Автоматизированная система управления цветом полимерных пленок при использовании для окрашивания жидких красителей / А. С. Разыграев, Т. Б. Чистякова, А. Н. Полосин, К. Колерт // Инновационные технологии в производстве полимерных пленок : сб. тр. VII междунар. науч.-техн. конф., 20 июня 2013 г. - СПб • Изд-во СПбГТИ(ТУ), 2013.-С. 113-119.

11. Масленникова, А. С. Программный комплекс для подбора рецептур окрашивания полимерных пленок по цвету / А. С. Масленникова, Т. Б. Чистякова, А. С. Разыграев, К. Колерт // Инновационные технологии в производстве полимерных пленок : сб. тр. VII междунар. науч.-техн. конф., 20 июня 2013 г. - СПб. : Изд-во СПбГТЩТУ), 2013. -С. 125-129.

12. Разыграев, А. С. Программный комплекс и математические модели для оценки и управления цветовыми характеристиками полимерных мате-риалов / А. С. Разыграев. Т. Б. Чистякова II Участники школы молодых ученых и программы УМНИК : сб. тр. XXVI Междуиар. науч. конф., 24-26 апреля 2013 г. В 2 ч. Ч. 1. - Саратов : СГТУ им. Гагарина Ю.А., 2013. -С. 170-173.

13. Разыграев, A.C. Программный комплекс и математические модели для оценки и управления цветовыми характеристиками полимерных материалов в высокотехнологичных производствах / А. С. Разыграев, Т. Б. Чистякова, А.Н. Полосин, К. Колерт // Методология и организация инновационной деятельности в сфере высоких технологий : сб. тр. междунар. науч.-практ. школы для молодежи, 13-15 мая 2013 г. - СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2013. - С. 34-44.

14. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2011618884 Рос. Федерация. Математические модели для управления цветом каландрованных тонких полимерных материалов / Т. Б. Чистякова, А.Н. Полосин, К. Колерт, А. С. Разыграев, С. С. Белослудцева // Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем : офиц. бюл. Федер. службы по интеллект, собственности, пат. и товар, знакам. - М. : ФИПС. 2012.-Вып. 1.

15. Пат. DE10201113543 МПК: В 29 D 7/01. G 01 F 23/28, G 01 J 3/46. Gefärbte polymère Formkörper, Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung der Formkörper / Kohlert C„ Schmidt В.. Schnabel A., Michels F.. Schaaf M., Razigraev A., Chistyakova T. ; Klöckner Pentaplast GmbH ; заявл. 15.09.11 ; опубл. 21.01.13.

16. Заявка РСТ/ЕР2012/003767 МПК: С 08 J 3/20, В 01 F 13/10, В 01 F 15/00, В 01 F 15/04, В 29 В 7/88, С 08 J 5/18 Coloured polymeric moulded bo-dies, and method and device for producing the moulded bodies / Kohlert C., Schmidt В., Schnabel A., Michels F., Razigraev A., Chistyakova T. ; Klockner Pentaplast GmbH & CO. KG ; заявл. 07.09.12 ; опубл. 21.03.13.

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60х90'/іб Печ.л. 1,25. Тираж экз. 100. Зак. №190

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 Типография издательства СПбГТИ(ТУ). тел. 49-49-365, e-mail: pubI@technolog.edu.ru

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)»

04201455042

На правах рукописи^^о^-оД

РАЗЫГРАЕВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЦВЕТОВЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПОЛИМЕРНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА

ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Чистякова Тамара Балабековна

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Условные обозначения...........................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................8

ГЛАВА 1 ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЦВЕТНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ....................................................................................14

1.1 Описание процесса получения полимерных материалов, как объекта управления..........................................................................................................14

1.2 Характеристика существующих способов окрашивания при производстве полимерных материалов...........................................................19

1.3 Анализ математических моделей для управления цветом.....................27

1.4 Анализ существующих систем управления цветом при производстве полимерных материалов...................................................................................34

1.5 Выводы к первой главе...............................................................................40

ГЛАВА 2 ОПИСАНИЕ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ......42

2.1 Общее описание способа управления по цветовым характеристикам экструдата и полимерной пленки.....................................................................42

2.2 Формализованное описание экструзионной и экструзионно-каландровой линии как объектов управления................................................52

2.3 Постановка задач управления цветом......................................................53

2.4 Функциональная структура системы управления цветом......................54

2.5 Разработка информационного обеспечения.............................................56

2.6 Выводы ко второй главе.............................................................................58

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ................................................................................60

3.1 Разработка математических моделей........................................................60

3.2 Разработка алгоритма управления цветом в различных режимах производства......................................................................................................71

3.3 Выводы к третьей главе.............................................................................74

ГЛАВА 4 ТЕСТИРОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ......................................................................................................75

4.1 Тестирование алгоритмов управления.....................................................75

4.2 Проверка адекватности математических моделей..................................82

4.3 Тестовые примеры работы программного комплекса системы управления..........................................................................................................88

4.4 Анализ эффективности системы управления..........................................93

4.5 Выводы к четвёртой главе.........................................................................95

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................96

Список литературы...............................................................................................97

ПРИЛОЖЕНИЕ А...............................................................................................108

ПРИЛОЖЕНИЕ Б................................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ В...............................................................................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ Г................................................................................................134

Условные обозначения

X вектор входных параметров

и вектор управляющих воздействий

¥ вектор контролируемых возмущений

0,пиаег вектор выходных параметров

¥0 вектор задания на производство

Мргоа метод производства

Тро1ут тип полимерного материала

Тгхиий тип экструдера

V требуемая светлота готового изделия

ъ; требуемое значение координаты цвета в диапазоне от зеленого до красного готового изделия

* аг требуемое значение координаты цвета в диапазоне от синего до желтого готового изделия

измеренная светлота готового изделия

ау измеренная координата цвета в диапазоне от зеленого до красного готового изделия

Ь/ измеренная координата цвета в диапазоне от синего до желтого готового изделия

АЕ,(1Е текущее и предельно допустимое отклонение цвета готового изделия от эталона

А/пах предел допускаемой погрешности цветоизмерительного

N частоту вращения шнека экструдера, об/с

Ть температура обогрева корпуса экструдера, °С

вы расход /-го красителя, кг/час

пс число красителей формирующих цвет полимерного материала

Уе* уровень экструдата в питающем зазоре каландра, м

(¿ейя расход возвратных отходов, кг/час

в производительности экструдера, кг/час

доля /-го красителя

требуемая светлота производимого экструдата

* аех( требуемое значение координаты цвета в диапазоне от зеленого до красного экструдата

Ьех! требуемое значение координаты цвета в диапазоне от синего до желтого экструдата

измеренная светлота экструдата

вех! измеренная координата цвета в диапазоне от зеленого до красного экструдата

Ьеа измеренная координата цвета в диапазоне от синего до желтого экструдата

АЕа! текущее отклонение цвета экструдата от эталона

ЛЕа предельно допустимое отклонение цвета экструдата от эталона

V измеренная светлота готового изделия в момент времени \.

измеренная координата цвета в диапазоне от зеленого до красного готового изделия в момент времени X

ь} измеренная координата цвета в диапазоне от синего до желтого готового изделия в момент времени 1

Г ' ^ех! измеренная светлота экструдата в момент времени X

аех! измеренная координата цвета в диапазоне от зеленого до красного экструдата в момент времени 1

Ьех1 измеренная координата цвета в диапазоне от синего до желтого экструдата в момент времени X

я: коэффициент отражения эталонного образца на X длине волны

ъ количество заданных красителей для определения рецептуры

Кп коэффициент поглощения /-го красителя на X длине волны

^ коэффициент рассеивания /-го красителя на X длине волны

X длина волны, нм

к! коэффициент поглощения субстрата на X длине волны

коэффициент рассеивания субстрата на X длине волны

2> диаметр шнека, м

е осевая толщина витков нарезки, м

/ число заходов нарезки шнека

Н глубина канала шнека

IV ширина канала шнека

Я & Рр коэффициенты, учитывающие сопротивление боковых стенок составляющим поступательного потока

9 угол наклона витков, рад

5 радиальный зазор зацепления, м

боковой зазор зацепления, м

8Г межвалковый зазор зацепления, м

В шаг витков нарезки, м

Р плотность, кг/м3

п индекс течения расплава

к коэффициент сопротивления головки экструдера, м3

п вязкости расплава в канале шнека, Па-с

48 вязкости расплава в радиальном зазоре между внутренней поверхностью корпуса и витками нарезки шнека (д= 1, 2), Па-с

вязкости расплава в боковом зацеплении шнеков ^ = 2), Па-с

Пг вязкости расплава в межвалковом зазорах зацепления шнеков ^ = 2), Па с

Ча вязкость на входе в головку, Па-с

^(Г длина шнека, м

аг относительная площадь основания зуба корпуса осциллирующего экструдера

а угол зацепления шнеков, рад

Ь эффективность транспортировки потока утечки

т Количество осевых прорезей

Б ширина осевой прорези, м

расстояние между зубом и лопастью нарезки шнека, м

& объемный расход утечек через боковой зазор зацепления, м3/с

йг объемный расход утечек через межвалковый зазор зацепления, м3/с

Ус объем С-образной секции, м

межосевое расстояние шнеков, м

Сь Сг коэффициенты, зависящие от доли свободного объема аморфного материала

Рас отношение длин окружностей корпусов одношнекового экструдера и двухшнекового экструдера с незацепляющимися шнеками

ъ площадь боковой поверхности корпуса осциллирующего экструдера, м2

В ¿СП площадь сечения канала шнека, м2

площадь поверхности теплообмена, м2

Ухсг объем канала шнека, м

аь а2 коэффициенты аппроксимации уравнения для расчета расхода потока утечки через вершину витка нарезки

Ь температурный коэффициент вязкости кристаллического материала, °С

к, IV высота и ширина равнобедренного треугольника, аппроксимирующего вершину витка нарезки, м

1,1г длины бокового и валкового зазоров зацепления, м

Чь Ъсг поверхностные плотности тепловых потоков от корпуса с температурой Ть и в шнек с температурой Т5СГ, Вт/м

аЬ /у коэффициенты теплоотдачи от корпуса и в шнек, Вт/(м -°С)

8го валковый зазор между сердечником шнека и вершиной витка сопряженного шнека, м

Ноу Из коэффициенты консистенции расплава при температуре приведения То и в радиальном зазоре, Па-с"

У, у& у» Уг скорости деформаций сдвига материала в канале шнека, радиальном зазоре, боковом и межвалковом зазорах зацепления шнеков, м/с

(с максимальное время пребывания экструдата в питающем зазоре каландра, с

иг время пребывания экструдата на транспортере, с

V г плав рабочий объем экструдера от точки подачи красителя до головки экструдера, мЗ

длина пути прохождения пленки от начала стадии формования до точки измерения цвета готового изделия, м

Уипе скорость производственной линии в зоне формования, м/с

Цт длина транспортера, м

ВВЕДЕНИЕ

Объем производства полимерных материалов в Российской Федерации за 2012 год составил приблизительно 3500 тысяч тонн. Объем производства цветных полимерных материалов составляет 20-25% от общего объема производства. Изделия из цветных полимерных материалов находят широкое применение в различных отраслях промышленности (пищевой, фармацевтической, косметической, полиграфической) и строительства, поэтому к их качеству (толщине, цвету, состоянию поверхности) предъявляются высокие требования. Выбор красителей, способа окрашивания, метода управления цветом влияет на цену, качество и, в конечном итоге, конкурентоспособность изделия на рынке [1-4].

Производство полимерных цветных материалов осуществляется двумя способами: экструзионным и экструзионно-каландровым и в несколько стадий: предварительного смешения компонентов, входящих в рецептуру материала, подготовки экструдата (нагрева, перемешивания и плавления материала в экструдере), формования экструдата, охлаждения, обрезка кромки материала (при необходимости), намотка.

Существует три способа окрашивания полимерных материалов: сыпучими пигментами, концентратами и жидкими красителями. Традиционно управление цветом полимерного материала осуществляется по цвету готового изделия путем воздействия на стадии предварительного смешения.

Производство цветных полимерных материалов с окрашиванием сыпучими пигментами, добавляемыми на стадии предварительного смешения, характеризуется следующими основными недостатками:

— наличием циклов очистки оборудования от красителя: технологических агрегатов предварительного смешения (в среднем каждые 12 минут при производительности линии 1000 кг/час), очистка агрегатов всей производственной линии при перенастройке на контрастные цветовые характеристики производимого материала (до 4 часов).

- длительной перенастройкой линии на новый цвет с материальными потерями

(время перенастройки до 30 минут с получением 500 кг возвратных отходов при производительности линии 1 ООО кг/час).

Основным недостатком окрашивания концентратами, подаваемыми в загрузочную воронку экструдера, является высокая стоимость красящего вещества.

Более эффективный способ окрашивания, заключающийся в использовании жидких красителей, подаваемых непосредственно в экструдер, позволяет снизить материальные потери, за счет отсутствия циклов очистки и уменьшить время перенастройки производства с одного цвета на другой цвет. Однако при использовании жидких красителей их расходы зависят от производительности экструдера. Поэтому необходима разработка такой системы управления, которая позволила бы компенсировать возмущения, связанные • с колебаниями производительности экструдера, а также с колебаниями цветовых характеристик возвратных материалов.

Актуальным является синтез системы управления и выбор способа окрашивания, которые позволят повысить эффективность и качество цветных полимерных материалов за счет снижения материальных потерь, уменьшения времени перенастройки, компенсации действующих возмущений.

Целью работы является разработка системы управления, алгоритмов управления и математических моделей, для управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, позволяющих повысить эффективность производства цветных полимерных материалов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: Анализ существующих способов окрашивания полимерных материалов, математических моделей для управления цветом, систем управления цветом полимерных материалов позволило описать процесс производства полимерных материалов как объект управления, обосновать эффективность способа окрашивания, сформировать требования к разрабатываемой системе управления.

- Разработка функциональной структуры автоматизированной системы управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, включающей

библиотеку математических моделей, подсистему управления, информационную подсистему и интерфейсы оператора, технолога и лаборанта-исследователя, позволяющие управлять цветовыми характеристиками различных полимерных материалов.

Разработка математического обеспечения системы управления, а именно моделей: для расчета расходов жидких красителей, обеспечивающих эталонный цвет материала, моделей, основанных на теории Кубелки-Мунка для расчета рецептуры окрашивания полимерных материалов и моделей для расчета производительности экструдеров различных типов.

- Разработка алгоритма управления цветовыми характеристиками в различных режимах функционирования: при перенастройке производства на новый цвет материала и при производстве полимерного материала с заданными цветовыми характеристиками.

- Разработка информационного обеспечения, включающего базу данных характеристик производства и полимерных материалов, базу правил управления цветовыми характеристиками полимерных материалов.

- Разработка, тестирование и внедрение в эксплуатацию автоматизированной системы управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, которая настраивается на характеристики производственных линий и полимерных материалов, позволяет управлять цветовыми характеристиками в различных режимах функционирования производственной линии. .

При выполнении диссертационной работы использовались методы математического моделирования, проектирования баз данных, обработки экспериментальных данных, численного нахождения экстремумов функции, объектно-ориентированного программирования.

Результаты работы изложены в четырех главах.

В первой главе выполнен анализ процесса получения полимерных материалов, как объекта управления, который позволил сравнить и охарактеризовать различные методы производства, выявить состав действующих возмущений, оказывающих влияние на цвет производимого полимерного

материала.

Во второй главе представлено описание способа управления, формализованное описание процесса производства полимерных материалов на экструзионной и экструзионно-каландровой линии как объекта управления, сформулированы задачи управления цветом, представлена функциональная структура и алгоритм функционирования системы управления, структура информационного обеспечения.

В третьей главе приведено описание математических моделей и алгоритма управления цветом в различных режимах функционирования производства.

Четвертая глава посвящена описанию эффективности разработанной системы управления, тестированию алгоритма управления для различных производств и типов материалов. Произведена проверка адекватности математических моделей.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Разработанный новый способ управления цветовыми характеристиками полимерных материалов, основанный на окрашивании полимерных материалов жидкими красителями, подаваемыми в экструзионный смеситель-пластикатор, и изменении расходов жидких красителей в зависимости от цветовых характеристик экструдата и готового полимерного изделия;

- Разработанная библиотека математических моделей, включающая модели для выбора типов красителей, модели для оценки расходов и модели для оценки производительности экструдеров, позволяющая управлять различными цветовыми характеристиками в различных режимах управления;

- Разработанный алгоритм управления цветовыми характеристиками полимерных материалов по двум контурам управления: по цвету готового изделия при перенастройке на новое производственное задание и по цвету экструдата в регламентном режиме изготовления продукции заданного типа и эталона цвета;