WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

САГИРОВ Сергей Николаевич

МЕХАТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРОВ

Специальность 05.02.05 – роботы, мехатроника и робототехнические системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир - 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Малафеев С.И., ВлГУ;

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шахнин В.А., ВлГУ;

кандидат технических наук Родионов Р.В., ООО «РУСЭЛПРОМ-Электропривод» Ведущая организация – Государственный космический научнопроизводственный центр имени М.В. Хруничева – КБ «Арматура»

Защита диссертации состоится 25 мая 2012 г. в 15 час. 00 мин. в ауд. 335-1 на заседании диссертационного совета Д212.025.05 во Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, www.vlsu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВлГУ. Автореферат размещен на сайтах ВАК РФ (www.vak.ed.gov.ru) и ВлГУ (www.vlsu.ru).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета. Тел.: 8-(4922) 47-99-28; Факс: 8-(4922) 53-25-75; Email: sim_vl@nm.ru Автореферат разослан 23 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Е.А. Новикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное развитие технических средств автоматизации характеризуется функциональным и конструктивным объединением электромеханических, силовых и информационно-управляющих компонентов с высоким уровнем организации процессов управления, т.е.

формированием мехатронных систем и комплексов. При экструзионной обработке полимеров мехатронные системы обеспечивают выполнение механической работы по изменению физического состояния полимера, управление его движением в канале экструдера, формирование изделия продавливанием материала, обладающего высокой вязкостью в жидком состоянии, через формующий инструмент, а также координацию всех подсистем экструзионной линии.

Различные вопросы теории и практики экструзионной обработки полимеров исследованы в работах Торнера Р.В., Раувендааля К., Ребиндера П.А., Зимона А.Д., Дерягина Б.В., Классена П.В., Генералова М.Б., Гольдштейна M.H, Шомина И.П., Гришаева И.Г., Володина В.П., Казакова Е.Е., Каталымова A.B., У. Дарнелла, Э. Мола, Э.В. Дженике и др.

Эффективная работа оборудования и качество продукции в сложной мехатронной системе обеспечивается при высоком уровне организации процессов управления. При движении неньютоновской полимерной жидкости в канале экструдера имеют место сложные эффекты: пульсации давления, связанные с образованием застойных зон в угловых областях формующей головки экструдера, образование радиальной температурной неоднородности экструдата, периодическое проскальзывание экструдата, связанное с ориентацией макромолекул полимеров в пристенных слоях расплава (-эффект) и наличием значительных пиков напряжений и давления в выходном сечении формующей головки. В этих условиях традиционные системы регулирования процессов, использующие простые аналитические модели, не обеспечивают адекватного решения сложной задачи.

Современное состояние теории и практики управления экструзией характеризуется использованием совокупности простейших локальных регуляторов основных параметров процесса.

Существующее противоречие между практической потребностью повышения технического уровня мехатронных комплексов для экструзионных производств, с одной стороны, и ограниченными возможностями современных методов управления процессом экструзионной обработки, с другой стороны, определяют актуальность исследований в данном направлении.

Работа выполнялась в период с 2008 по 2012 г. во Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых и соответствует п. 13 «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем» и п. 16 «Технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов» Перечня критических технологий Российской Федерации, утвержденного Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. Научно-исследовательская работа проводилась в рамках реализации ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы (государственные контракты № 2010-400-074-3973 и П-236). Автор работы - лауреат конкурса грантов молодым ученым Администрации Владимирской области в 2009 г.

Цель и задача работы. Цель работы состоит в повышении технического уровня мехатронного комплекса экструзионной обработки полимеров на основе совершенствования аппаратных и программных средств управления.

Для достижения указанной цели сформулирована научная задача:

составить математическое описание процесса экструзионной обработки и компонентов мехатронного комплекса и на основе полученных моделей разработать методику, алгоритмы и программные средства компьютерного моделирования, управления, регистрации и визуализации процессов в мехатронном комплексе.

Решение этой научной задачи предполагает:

1. Составление математического описания в переменных состояния на основе анализа движения полимера в канале экструдера, ориентированного на решение задач анализа и синтеза мехатронного комплекса экструзионной обработки.

2. Выбор, обоснование и реализацию численного метода моделирования движения экструдата в канале экструдера.

3. Разработку способа и алгоритма управления процессами в экструдере с идентификатором состояния мехатронной системы в реальном времени.

4. Разработку аппаратного и программного обеспечения мехатронной системы управления экструзионной обработкой полимеров.

5. Разработку и реализацию алгоритмов визуализации процессов в канале экструдера в реальном времени.

6. Разработку и реализацию программных средств автоматизированного контроля экструзионной линии в составе SCADA-системы.

Методы исследования. Для решения сформулированной научной задачи использованы математические методы моделирования физических процессов, классическая электромеханика, вычислительные методы решения нелинейных дифференциальных уравнений, современная теория автоматического управления, теория вычислительного эксперимента и обработки данных.

Основные положения, защищаемые автором.

1. Математическое описание мехатронного комплекса экструзионной обработки полимеров, учитывающее взаимодействие электромеханических, тепловых и информационных процессов и ориентированное на исследование процессов управления движением и обработкой полимера в одношнековом экструдере.

2. Компьютерные модели мехатронной системы управления движением и обработкой полимера в канале экструдера, эффективные для выполнения вычислительных процедур в реальном масштабе времени.

3. Способ и алгоритм управления экструзией с идентификатором состояния.

4. Способ визуализации работы экструдера в реальном масштабе времени с использованием рабочих сигналов мехатронного комплекса.

5. Компьютерная система управления экструдером (структура, аппаратное и программное обеспечение).

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Составлены и исследованы математические модели мехатронных систем одношнековых экструдеров, ориентированные на анализ, синтез и исследование компьютерных систем управления.

2. Разработаны алгоритмическое и программное обеспечение для компьютерного моделирования процессов в мехатронной системе экструдера и синтеза специальных алгоритмов управления.

3. Предложен и исследован алгоритм управления процессом экструзии с идентификатором состояния.

4. Предложен способ визуализации работы экструдера в реальном времени с использованием рабочих сигналов мехатронной системы.

Практическая ценность. Разработанные математические и компьютерные модели процессов движения полимера в канале экструдера позволяют синтезировать алгоритмы управления с идентификатором состояния, регистрировать и визуализировать процессы, благодаря чему обеспечивается качественно новый уровень управления, снижение влияния внешних возмущающих воздействий, в том числе человеческого фактора. Разработанные структуры, технические и программные средства управления позволяют повысить технический уровень мехатронного комплекса экструзионной обработки полимеров.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: результатами теоретических исследований, основанных на фундаментальных положениях физики, электротехники, электромеханики, математического анализа; корректностью сделанных допущений при построении математических моделей; сопоставлением результатов математического моделирования и экспериментальных данных, полученных в производственных условиях, и подтвердивших высокую сходимость результатов теоретических исследований.

Реализация результатов работы. Теоретические результаты и математические модели, прикладные программы, рекомендации, алгоритмы и практические разработки, в том числе защищенные патентом Российской Федерации, использованы в проектной практике ООО «Владимирский завод полимерного машиностроения «Полимер-Техника». На основе разработанного проекта (конструкция, аппаратное и программное обеспечение) организовано серийное производство автоматизированных линий ПЧ-45 с компьютерным управлением. Для мехатронной системы установки нанесения полимерного покрытия УТСП-01 разработано аппаратное и программное обеспечение. Программное обеспечение для мониторинга процессов в мехатронной системе использовано в ООО «Компания «Объединенная Энергия» в оборудовании для наладки горных машин.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических мероприятиях, в том числе:

1. XXXV, XXXVII и XXXVIII Международных молодежных научнотехнических конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, 2009, 2011, 2012).

2. Международной научной конференции «Дифференциальные уравнения и динамические системы» (Суздаль, 2 -7 июля 2010 г.).

3. Международной научно-технической конференции «Трибология и надежность» (Санкт-Петербург, 27 – 29 октября 2011 г.).

4. Всероссийской конференции «Механика наноструктурированных материалов и систем» (Москва, 13 – 15 декабря 2011 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 работ, в том числе 2 статьи в журналах из Перечня ВАК РФ и получен патент РФ на изобретение.

Объём работы. Диссертация изложена на 226 с. машинописного текста, содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы из 140 наименований, 4 приложения и иллюстрируется 50 рис.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, основные положения, вынесенные на защиту, и кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены современное состояние и тенденции развития мехатронных систем экструдеров. Выполненный анализ дает основание отметить следующие обстоятельства.

1. В современной промышленности экструдеры составляют наиболее важную часть оборудования по обработке различных материалов: полимеров, металлов, керамики, пищевых продуктов и др. При обработке полимеров используют множество различных машин, среди которых наибольшее распространение получили шнековые экструдеры.

2. Современный экструдер – высокопроизводительный комплекс, содержащий множество различных механизмов с электроприводами разных типов и систем автоматического регулирования параметров процессов. Производительность и качество работы экструдеров определяется главным образом техническими характеристиками систем автоматического контроля и регулирования скоростей, температуры и давления. Качество изделия определяется соответствием получаемых характеристик заданным требованиям. Основным направлением повышения производительности и эффективности работы экструдеров является совершенствование аппаратных и программных средств управления.

3. Создание мехатронных комплексов для экструдеров нового поколения с качественно улучшенными характеристиками на основе синергетического объединения различных подсистем с компьютерным управлением возможно только при высоком уровне конструктивной, информационной и электромагнитной совместимости механических, электронных и информационно-управляющих элементов. Это обусловливает актуальность задачи совершенствования всех технических средств мехатронного комплекса для обеспечения их эффективного взаимодействия.

4. В теории и при математическом моделировании процессов обработки полимерных материалов в одношнековых экструдерах достигнуты значительные успехи: разработаны модели и программные продукты на их основе, позволяющие исследовать режимы движения, деформирования, теплообмена в двухфазной системе «сыпучий полимер - расплав полимера», механизм процесса плавления и причинно-следственные связи в зоне плавления. Моделирование позволяет на стадии проектирования оборудования выполнить оптимизацию и сравнительный анализ вариантов. Однако сложные математические модели не позволяют выполнять синтез автоматических систем регулирования процессов с помощью современных методов. Современные математические модели процессов экструзии в основном ориентированы на решение задач научных исследований свойств полимеров, оптимизации конструкций экструдеров и др.

5. При синтезе систем автоматического регулирования для экструдеров используют упрощенные эмпирические линейные модели, грубо отражающие реальные процессы. Принцип работы шнекового экструдера не позволяет непосредственно измерять температуру экструдата и давление в канале. В связи с этим процессы регулирования не обеспечивают достижение заданных режимов стабилизации характеристик процессов.

6. Полный контроль экструзионного процесса в настоящее время на практике не достигается. Современные системы управления представляют собой, как правило, совокупность локальных систем регулирования отдельных параметров, практически не связанных друг с другом.

Разнообразие и сложность мехатронных систем экструдеров и практическая потребность создания моделей и методов для их исследования и совершенствования систем управления с учетом новых компонентов и схемотехнических решений требуют развития теории моделирования физических процессов при экструзии и эффективных вычислительных методов.

В связи с этим проведение исследований, моделирование процессов и разработка на этой основе алгоритмов и средств управления в перспективных мехатронных системах экструдеров обеспечивает качественно новый подход к управлению технологическим процессом. Создание такой методологии позволит на стадии проектирования машины провести оценку и оптимизацию как всей конструкции в целом, так и конкретных её компонентов.

Во второй главе рассмотрено математическое описание механотеплового преобразования и движения полимера в канале экструдера.

Электромеханическая подсистема представлена двухмассовой моделью с упругой связью. Регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока производится с помощью микроконтроллерной системы с ПИрегуляторами тока и скорости. При вращении шнека за счет сил трения происходит нагрев и расплавление полимера. Средняя температура Т нагрева поверхностного слоя при трении оценивается следующим эмпирическим соотношением:

fk V T =, (1) V I + 2,6k m n g где — коэффициент распределения теплоты между трущимися телами;

f — коэффициент трения; k — давление контакта; V — скорость скольжения; - плотность материала; I — теплопроводность.

Тонкий слой расплава, соприкасающийся с неподвижной плоскостью, по причине «прилипания» имеет скорость, равную нулю, а прилегающий к подвижной плоскости — скорость, равную скорости ее перемещения относительно неподвижной плоскости.

В режиме установившегося течения, когда значения реологических параметров постоянны во времени, справедлива формула (1). Повышение температуры снижает ньютоновскую и эффективную вязкость расплава полимеров. Приближенно можно считать, что в температурном интервале переработки характер изменения вязкости для большинства термопластов практически не зависит от температуры.

Профили температур и скоростей в экструзионных головках тесно связаны между собой из-за высокой вязкости расплава полимера. В результате существования градиентов скорости при течении расплава возникает тепловыделение вследствие вязкой диссипации энергии. Таким образом, если вязкостные свойства жидкости можно описать степенным законом, то при прямолинейном течении скорость диссипации энергии, отнесенная к единице объема, описывается уравнением:

nz E m mn1, (2) d y где m — масса расплава; — локальная скорость сдвига.

Для расчета используются чертежи шнека и формующей головки или таблица параметров, с помощью которых определяются геометрические коэффициенты шнека и головки. При этом необходимо знать зависимость плотности материала от давления и температуры для определения мощности привода; теплоемкости и теплопроводности — от температуры для определения температуры разогрева; гранулометрического состава, насыпной плотности, коэффициента внешнего трения от температуры и давления для определения производительности зоны загрузки и др.

Максимальное давление расплава (РМ) в конце шнека является одним из важнейших технологических параметров, от которого зависит качество экструдера и производительность машины. Величину РМ (в Па) можно приближенно определить по формуле:

DLдn PM , (3) hсрtg где LД=(3…5)t — длина зоны дозирования, см; hср — средняя глубина нарезки в напорной зоне шнека, м; n — частота вращения шнека, об/с.

Величина РМ превышает действительное давление (РД) расплава пе ред головкой в 1,2—1,5 раза. От величины скорости сдвига (в с-1) расплава в канале шнека зависит величина эффективной вязкости расплава:

Dn . (4) h Для построения компьютерной модели движения экструдата были применены численные методы решения дифференциальных уравнений с частными производными. Вся расчетная область делится на контрольные объемы. Узловые точки располагаются в геометрических центрах этих контрольных объемов. Узловые точки для давления расположены в центрах основной сетки. Для продольной и поперечной компонент скорости применена шахматная сетка. Сетка для продольной компоненты скорости сдвинута вправо, узловые точки поперечной компоненты скорости лежат на правых гранях контрольных объемов для давления. Сетка для поперечной компоненты скорости сдвинута вверх, узловые точки лежат на верхних гранях контрольных объемов для давления. Расчеты проводились на четырех различных сетках, соответствующих различной форме расчетной области и характеризующихся переменным шагом и различным количеством узлов. Параметры полимера: коэффициент теплопроводности 0,1817; Температура плавления полимера 110°С; температура экструзии 149°С; Теплоемкость полимера в расплавленном состоянии 2596 Дж/(кг К); Теплоемкость полимера в твердом состоянии 2763 Дж/(кгК); Плотность расплава полимера 791 кг/м3; Плотность твердого полимера 915,кг/м3. Характеристика процесса: массовый расход 61,7/3600 кг/с; диаметр 0,0635 м; глубина канала 0,009398 м; ширина канала 0,05416 м; угол подъема винтового канала по наружному диаметру червяка 17,65.

Графики изменения ширины пробки в зависимости от витка шнека при вязком течении полимерного материала при различных начальных условиях показаны на рис. 1.

В третьей главе представлены результаты анализа и синтеза системы автоматического управления процессом экструзии с идентификатором состояния.

Экструзионная обработка полимеров представляет собой технически сложный объект управления. Он характеризуется сложной взаимосвязью нескольких процессов различной физической природы: механических, электромеханических, тепловых, гидравлических и информационных. При экструзии происходит преобразование физического состояния полимера и его сложное движение в канале. Технологический процесс является необратимым, а его параметры (скорость, температура, вязкость, давление) не доступны для непосредственного измерения. Математическое описание процесса как объекта управления не позволяет непосредственно применить классические алгоритмы автоматического управления.

Применение современных технических средств обработки информации позволяет реализовать новые алгоритмы управления с использованием элементов искусственного интеллекта.

1 T [ C] 3n=60 n=Mi n=0.2W 110 15 i 0 0,2 0,4 0,6 X(м) а) б) Рис. 1 – а) график продольного изменения относительной ширины пробки при экструзии ПЭВД; б) результаты расчётов температуры в теплоносителе экструдере На рис. 2 показана функциональная схема разработанной системы. В ее состав входят: модуль идентификации состояния объекта управления и принятия решения об изменении управляющего воздействия 1; зона загрузки полимера (в зависимости от комплектации оборудования может контролироваться дозирующим устройством) 2; n датчиков температуры 3.i, i 1,...,n, расположенных в областях соответствующих нагревателей;

n электрических нагревателей 4.i, i 1,...,n, из которых n1 установлены в зоне предварительного разогрева, а n2 n n1 установлены в зоне дозирования; шнек, обеспечивающий перемещение и разогрев полимерного материала 5; профилирующую головку 6; m электрических вентиляторов 7.i, i 1,...,m, которые обеспечивают отвод тепла при адиабатических режимах работы; модуль управления температурой 8; привод шнека 9;

электродвигатель шнека с редуктором 10; датчик момента привода шнека 11; датчик измерения скорости шнека 12.

Рабочим органом экструдера служит вращающийся с помощью электропривода 9 червяк (шнек 5). Исходный материал (сырье в виде порошка или гранул) поступает из бункера 2 в рабочую область экструдера и, продвигаясь по винтовым каналам червяка, уплотняется, нагревается и плавится. Расплав выдавливается через профилирующую головку 6, на выходе которой формируется изделие. Качество изделия (в первую очередь стабильность погонного веса) обеспечивается при постоянной заданной вязкости расплавленного материала в зоне экструзии. Стабилизация вязкости осуществляется за счет регулирования температуры расплава в процессе его движения вдоль экструдера.

Рис. 2 - Функциональная схема системы управления мехатронным комплексом Изменение вязкости расплава в соответствующей области нагрева зоны дозирования вызывает изменение скорости движения полимера, следовательно, давления в различных областях канала. На основе данных с датчиков и информации о системе вычисляются разности давлений в начальных и конечных точках движения материала в областях соответствующих нагревателей 4.i, i (n1 1),...,n2, и производится коррекция угловой скорости шнека и температуры задания в системе. Коррекция осуществляется на основе нелинейной функциональной зависимости скорости, давления и вязкости полимера в канале экструдера.

Для определения нелинейной функциональной зависимости, реализуемой с помощью блоков коррекции, использовано реологическое уравнение расплава полимера:

1nт T 1 a 0eb T0 I2 2nт, (5) где b - температурный коэффициент вязкости; nт - индекс течения;

0 - предельное значение вязкости, соответствующее области ньютоновского течения при минимальных напряжениях сдвига; T T0 - разность температур, соответствующая двум моментам измерения; I2 - квадратичный инвариант, который определяется формулой:

2 1 dx dz I2 , (6) 2 dy dy где x - проекция вектора скорости движения полимера на ось 0х; у - проекция вектора скорости движения полимера на ось 0у.

Решение уравнения (6) приводит к выражениям, описывающим поле скоростей:

2 y y y y z U 1 3ah 3a ; x Ux 3 2 (7) z h h h где Uz DN cos ; Ux DN sin .

Коэффициент выхода а определяется по формуле:

h2tg P a , (8) 6DN l y где - безразмерная координата сечения . Считая, что датчик давлеh ния можно поставить лишь в стенке канала, 1.

P Производная давления по длине определяется по приближенной l формуле:

P P . (9) l l dz dx Значения и равны соответственно:

dy dy dZ 1 3a 6ay dX 1 3a 6ay ND cos ; NDsin (10) dy h h dy h h h Квадратичный инвариант тензора скоростей записывается в виде (6), следовательно, требуемое значение температуры для соответствующего нагревателя определяется по формуле:

1 a T T0 ln. (11) 1nт b 1 2nт 0 I С учетом (6) - (12), выражение (13) принимает вид:

1 a Т Т0 ln, (12) 1nт b 2nт 02N2D2cosK1P2 sinK2P2 1 h2tgP 2DNL h tgPy где K1(P) ;

h DNL 1 h2tgP 2DNL h tgPy K2(P) .

h DNL h Таким образом, в предлагаемой системе регулирования параметров расплава материалов в экструдере обеспечивается повышение качества выпускаемой продукции. Это обусловлено тем что, вязкость и температура расплава регулируются по всей длине зоны дозирования, таким образом, что обеспечивается стабилизация параметров, определяющих качество изделий на выходе экструдера.

Для визуализации процесса разработаны алгоритм и его программная реализация с использованием метода сеток и библиотекой openCL совместно с openGL.

В четвертой главе представлены результаты практической реализации и экспериментальных исследований промышленной серии экструзионных линий с компьютерным управлением.

Функциональная схема разработанной системы управления для автоматизированной линии показана на рис. 3. Система реализована на основе традиционной двухуровневой структуры. Первый уровень составляют электроприводы пресса и тянущего устройства, локальные регуляторы температуры, контроллеры отрезного устройства, дозатора и коммутационных аппаратов, второй уровень – пульт оператора, представленный промышленным компьютером и монитором с сенсорным экраном.

Мехатронный модуль червячного пресса реализован с использованием двигателя постоянного тока типа MP132LC, (23 кВт, 1750 об/мин.), редуктора с передаточным числом 17 (STM-GSM) и тиристорной системы управления. Модуль обеспечивает стабилизацию заданной угловой скорости шнека с подчиненным контуром регулирования тока. Предусмотрено измерение угловой скорости шнека и крутящего момента для отображения текущей информации на мониторе.

Рис. 3. Упрощенная функциональная схема системы Мехатронный модуль тянущего устройства выполнен на основе трехфазного асинхронного двигателя (1,5 кВА, 1450 об/мин.) и преобразователя частоты типа FR-E700 Mitsubishi Electric. Модуль обеспечивает стабилизацию скорости тянущего устройства.

Контроллер отрезного устройства обеспечивает: задание длины отрезка материала; измерение текущей длины материала на выходе линии;

измерение скорости движения материала; формирование сигнала управления отрезным устройством (пилой или гильотиной); учет количества выполненных отрезков материала; индикацию текущей длины материала, скорости движения материала, количества отрезков и коэффициента передачи измерительного преобразователя.

Для регулирования температуры использован многоканальный прибор «Термодат-22» фирмы «Измерительная техника». В качестве датчиков температуры использованы термопары. Предусмотрен контроль состояния нагревателей и исправности твердотельных реле. Регулятор обеспечивает:

стабилизацию температуры в 8 зонах нагрева; включение вентиляторов при превышении температуры для ускоренного охлаждения; контроль ошибки регулирования температуры. Модуль дискретных входов/выходов обеспечивает управление коммутационными аппаратами линии.

Все устройства нижнего уровня подключены к промышленному компьютеру с использованием коммуникационной шины и стандартных интерфейсов RS-232, RS-485.

Пульт оператора выполнен на основе промышленного компьютера и монитора с сенсорным экраном. Он формирует сетевые запросы к контроллерам нижнего уровня, получает от них оперативную информацию о ходе технологического процесса, отображает на экране монитора ход технологического процесса в виде мнемосхемы, осуществляет долговременное хранение динамической информации, выполняет коррекцию параметров алгоритма управления в контроллерах нижнего уровня.

Предусмотрена поддержка интерфейсов RS-232, RS-485 для связи с контроллерами нижнего уровня и исполнительными устройствами. Порт USB используется для идентификации в системе с помощью электронного ключа. Встроенный Ethernet-адаптер необходим для удаленного управления по локальной сети или сети Internet.

В системе использована операционная система на основе LINUX. В ней удачно реализовано распараллеливание задач, она имеет лицензию GPL, является более стабильной и гибкой.

На рис. 4 изображена упрощенная структура разработанной программы. Графический интерфейс пользователя основан на библиотеке GTK 3 и GLADE_3. Ядро программы выполняет функции распределения потоков данных между модулями и обработки событий в системе. В программном комплексе предусмотрено подключение специализированного модуля работы с пакетом научных программ для вычислений Scilab для оптимизации настроек оборудования линии экструзионной обработки полимеров.

Рис. 4. Упрощенная схема программного обеспечения системы Автоматизированное управление линией осуществляется с помощью цветного сенсорного монитора. Организация технологических экранных страниц предусматривает как параллельное представление установки и всех процессов, так и детальное отображение процессов в отдельных подсистемах с графическими формами данных и параметрами компонентов линии.

Разработанный мехатронный комплекс экструзионной обработки полимеров обеспечивает полное выполнение всех основных технологических функций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Теоретические и экспериментальные исследования и компьютерное моделирование, выполненные в настоящей работе, позволили получить следующие результаты.

1. Составлены модели мехатронных систем одношнековых экструдеров, ориентированные на анализ и синтез процессов управления обработкой полимера. Для математического описания электромеханических компонентов использованы классические уравнения Лагранжа – Максвелла.

Математическое описание движения экструдата разработано на основе дифференциальных уравнений Навье-Стокса для неньютоновской жидкости и моделей преобразования энергии.

2. Разработаны компьютерные модели для расчета процессов движения экструдата и идентификации состояния в реальном времени. Модели основаны на использовании численных методов решения дифференциальных уравнений с частными производными и позволяют с достаточной точностью рассчитать поля скоростей и давлений (температур) расплава полимера.

3. Адекватность разработанных математических моделей процесса движения экструдата обоснована идентификацией и верификацией на промышленных установках ПЧ-45, разработанных на основе предложенных структур, аппаратного и программного обеспечения.

4. Впервые разработан и реализован способ управления процессом экструзии с идентификатором состояния. Система управления на основе измерения основных параметров: угловой скорости шнека, крутящего момента приводного двигателя, температуры в контрольных точках, выполняет вычисление полей температуры и давления в канале на основе математической модели процесса и характеристик полимера, коррекцию сигналов задания для регуляторов температуры и прогнозирование качества изделия.

5. Разработанный комплекс программных средств позволяет в широком диапазоне изменения свойств обрабатываемого сырья, геометрических и кинематических параметров рабочих органов определять рациональные характеристики процесса экструзии по критерию качества изделия.

6. Предложен и реализован способ визуализации движения полимера при экструзии, основанный на построении синтетического изображения скоростей, температур и давлений на основе измерений основных параметров процесса и вычисления диаграммы распределения переменных на основе модели в реальном времени. Способ защищен патентом Российской Федерации.

7. Разработан и реализован мехатронный комплекс экструзионной обработки полимеров, включающий систему электроприводов шнека и тянущего устройства, контроллеры дозатора и отрезного устройства, многоканальный регулятор температуры, датчики параметров, панель оператора и промышленный компьютер, связанные стандартным интерфейсом.

8. Эффективность разработанного мехатронного комплекса подтверждена промышленными испытания при обработке полимеров ПА-12, ПА610 и др. На основе разработанных конструкции, аппаратного и программного обеспечения в ОАО «Владимирский завод полимерного машиностроения «Полимер-Техника» организовано серийное производство новой серии экструзионных линий ПЧ-45 с компьютерным управлением.

Основные публикации по теме диссертации Статьи в журналахиз перечня ВАК РФ:

1. Малафеев С.И., Сагиров С.Н. Автоматизированная система управления экструзией полимерных материалов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2010, № 2. – С. 10 - 12.

2. Сагиров С.Н. Исследование и моделирование процесса движения полимера в одношнековом экструдере / Фундаментальные исследования, 2011, № 12, часть 1. – С. 179 – 183.

Патент РФ:

3. Патент РФ № 2440243, МПК В29С 47/92. Способ визуализации работы экструдера / С.И. Малафеев, С.Н. Сагиров. - Опубл. 20.01.2012.

Бюлл. № 2.

Материалы международных научных конференций:

4. Сагиров С.Н. АСУ ТП экстузионной переработки пластмасс // XXXY Гагаринские чтения. Научные труды международной молодежной научной конференции в 8-ми т. Т. 8, ч. 2. – М., МАТИ, 2009. – С. 48 - 49.

5. Малафеев С.И., Сагиров С.Н. Управление процессом экструзии с использованием прогнозирующей модели // Международная конференция по дифференциальным уравнениям и динамическим системам. Тезисы докладов. Суздаль, 2 – 7 июля 2010 г. – М., МИАН, 2010, с. 125 - 126.

6. Сагиров С.Н. Визуализация движения полимера в экструдере / XXXYII Гагаринские чтения. Международная молодежная научная конференция. Научные труды в 8-ми томах. Москва, 5 – 8 апреля 2011 г. – М.:

МАТИ, Т. 4. 2011. – С. 22 – 23.

7. Малафеев С.И., Сагиров С.Н. Управление процессом экструзионной обработки полимеров / Трибология и надежность. Сборник научных трудов ХI Международной конференции (27 – 29 октября 2011 г.). – СПб., Петербургский государственный университет путей сообщения, 2011. - С.

302 - 312.

8. Малафеев С.И., Сагиров С.Н. Моделирование и управление мехатронным комплексом экструзионной обработки полимеров / Механика наноструктурированных материалов и систем. Материалы Всероссийской конференции. Москва, 13 – 15 декабря 2011 г. – М., ИПРИМ РАН, 2011. – С. 98.

9. Малафеев С.И., Сагиров С.Н. Мехатронный комплекс экструзионной обработки полимеров: моделирование, визуализация и управление / Сборник трудов Всероссийской конференции «Механика наноструктурированных материалов и систем», М.: ИПРИМ РАН, 2011 г., т. 2, с. 134 - 144.

10. Сагиров С.Н. Мехатронный комплекс одношнекового экструдера / XXXYIII Гагаринские чтения. Международная молодежная научная конференция. Научные труды в 8-ми томах. Москва, 10 – 14 апреля 2012 г. – М.: МАТИ, Т. 5. 2012. – С. 174 – 175.

Личный вклад соискателя [1] - функциональная схема системы и программное обеспечение; [3] – разработка функциональной схемы и алгоритма; [5] – программирование и экспериментальные исследования; [7] – алгоритм, программное обеспечение системы управления.

Подписано в печать 18.04.2012.

Формат 60х84/16. Бумага для множит. техники. Гарнитура Times. Печать на ризографе. Усл. печ. л. 0,95. Уч.-изд. л. 0,98. Тираж 100 экз. Заказ №1АНО «Типография на Нижегородской» 600020, г. Владимир, Б. Нижегородская, д. 88. Т/ф (4922) 322-1






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.