авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Мехатронный комплекс экструзионной обработки полимеров

На правах рукописи

САГИРОВ Сергей Николаевич МЕХАТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРОВ Специальность 05.02.05 – роботы, мехатроника и робототехниче ские 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» доктор технических наук,

Научный консультант:

профессор Малафеев С.И., ВлГУ;

доктор технических наук,

Официальные оппоненты:

профессор Шахнин В.А., ВлГУ;

кандидат технических наук Родионов Р.В., ООО «РУСЭЛПРОМ-Электропривод» Ведущая организация – Государственный космический научно производственный 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 Вла димирском государственном университете имени Александра Григорье вича и Николая Григорьевича Столетовых, 600000, г. Владимир, ул. Горь кого, 87, www.vlsu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВлГУ. Авторе ферат 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 дис сертационного совета. Тел.: 8-(4922) 47-99-28;

Факс: 8-(4922) 53-25-75;

E mail: sim_vl@nm.ru Автореферат разослан 23 апреля 2012 г.

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное развитие технических средств ав томатизации характеризуется функциональным и конструктивным объе динением 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 под систем экструзионной линии.

Различные вопросы теории и практики экструзионной обработки по лимеров исследованы в работах Торнера Р.В., Раувендааля К., Ребиндера П.А., Зимона А.Д., Дерягина Б.В., Классена П.В., Генералова М.Б., Гольд штейна 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 жид кости 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 давле ния в выходном сечении формующей головки. В этих условиях традици онные системы регулирования процессов, использующие простые анали тические модели, не обеспечивают адекватного решения сложной задачи.

Современное состояние теории и практики управления экструзией харак теризуется использованием совокупности простейших локальных регуля торов основных параметров процесса.

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

Работа выполнялась в период с 2008 по 2012 г. во Владимирском го сударственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых и соответствует п. 13 «Технологии информаци онных, управляющих, навигационных систем» и п. 16 «Технологии полу чения и обработки конструкционных наноматериалов» Перечня критиче ских технологий Российской Федерации, утвержденного Указом Прези дента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. Научно-исследовательская работа проводилась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы (госу дарственные контракты № 2010-400-074-3973 и П-236). Автор работы лауреат конкурса грантов молодым ученым Администрации Владимир ской области в 2009 г.

Цель и задача работы. Цель работы состоит в повышении техниче ского уровня мехатронного комплекса экструзионной обработки полиме ров 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 компьютерно го 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, ориентирован ного на решение задач анализа и синтеза мехатронного комплекса экстру зионной обработки.

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

3. Разработку способа и алгоритма управления процессами в экстру дере 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 автоматизирован ного контроля экструзионной линии в составе SCADA-системы.

Методы исследования. Для решения сформулированной научной за дачи использованы математические методы моделирования физических процессов, классическая электромеханика, вычислительные методы реше ния нелинейных дифференциальных уравнений, современная теория авто матического управления, теория вычислительного эксперимента и обра ботки данных.

Основные положения, защищаемые автором.

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

2. Компьютерные модели мехатронной системы управления движе нием и обработкой полимера в канале экструдера, эффективные для вы полнения вычислительных процедур в реальном масштабе времени.

3. Способ и алгоритм управления экструзией с идентификатором со стояния.

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

5. Компьютерная система управления экструдером (структура, аппа ратное 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 экстру дера и синтеза специальных алгоритмов управления.

3. Предложен и исследован алгоритм управления процессом экстру зии с идентификатором состояния.

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

Практическая ценность. Разработанные математические и компь ютерные модели процессов движения полимера в канале экструдера позволяют синтезировать алгоритмы управления с идентификатором со стояния, регистрировать и визуализировать процессы, благодаря чему обеспечивается качественно новый уровень управления, снижение влия ния внешних возмущающих воздействий, в том числе человеческого фак тора. Разработанные структуры, технические и программные средства управления позволяют повысить технический уровень мехатронного ком плекса 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 дан ных, полученных в производственных условиях, и подтвердивших высо кую сходимость результатов теоретических исследований.

Реализация результатов работы. Теоретические результаты и мате матические 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 раз работанного проекта (конструкция, аппаратное и программное обеспече ние) организовано серийное производство автоматизированных линий ПЧ-45 с компьютерным управлением. Для мехатронной системы установ ки нанесения полимерного покрытия УТСП-01 разработано аппаратное и программное обеспечение. Программное обеспечение для мониторинга процессов в мехатронной системе использовано в ООО «Компания «Объе диненная 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 научно технических конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, 2009, 2011, 2012).

2. Международной научной конференции «Дифференциальные урав нения 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 тек ста, 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: поли меров, металлов, керамики, пищевых продуктов и др. При обработке по лимеров используют множество различных машин, среди которых наи большее распространение получили шнековые экструдеры.

2. Современный экструдер – высокопроизводительный комплекс, содержащий множество различных механизмов с электроприводами раз ных типов и систем автоматического регулирования параметров процес сов. Производительность и качество работы экструдеров определяется главным образом техническими характеристиками систем автоматическо го контроля и регулирования скоростей, температуры и давления. Качест во изделия определяется соответствием получаемых характеристик за данным требованиям. Основным направлением повышения производи тельности и эффективности работы экструдеров является совершенствова ние аппаратных и программных средств управления.

3. Создание мехатронных комплексов для экструдеров нового поко ления с качественно улучшенными характеристиками на основе синерге тического объединения различных подсистем с компьютерным управлени ем возможно только при высоком уровне конструктивной, информацион ной и электромагнитной совместимости механических, электронных и информационно-управляющих элементов. Это обусловливает актуаль ность задачи совершенствования всех технических средств мехатронного комплекса для обеспечения их эффективного взаимодействия.

4. В теории и при математическом моделировании процессов обра ботки 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 полиме ра», механизм процесса плавления и причинно-следственные связи в зоне плавления. Моделирование позволяет на стадии проектирования оборудо вания выполнить оптимизацию и сравнительный анализ вариантов. Одна ко сложные математические модели не позволяют выполнять синтез авто матических 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 экструде ров используют упрощенные эмпирические линейные модели, грубо отражающие реальные процессы. Принцип работы шнекового экструдера не позволяет непосредственно измерять температуру экструдата и давле ние 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 от дельных параметров, практически не связанных друг с другом.

Разнообразие и сложность мехатронных систем экструдеров и прак тическая 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 перспек тивных мехатронных системах экструдеров обеспечивает качественно новый подход к управлению технологическим процессом. Создание такой методологии позволит на стадии проектирования машины провести оцен ку и оптимизацию как всей конструкции в целом, так и конкретных её компонентов.

Во второй главе рассмотрено математическое описание механо теплового 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 ПИ регуляторами тока и скорости. При вращении шнека за счет сил трения Средняя температура Т происходит нагрев и расплавление полимера.

нагрева поверхностного слоя при трении оценивается следующим эмпири ческим соотношением:

fk V, T= (1) V I m + 2,6k 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 ре зультате существования градиентов скорости при течении расплава возни кает тепловыделение вследствие вязкой диссипации энергии. Таким обра зом, если вязкостные свойства жидкости можно описать степенным зако ном, то при прямолинейном течении скорость диссипации энергии, отне сенная к единице объема, описывается уравнением:

n m n 1, Ed m z (2) 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 мощно сти привода;

теплоемкости и теплопроводности — от температуры для определения температуры разогрева;

гранулометрического состава, на сыпной плотности, коэффициента внешнего трения от температуры и дав ления 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:

DL n PM 2 д, (3) hср tg где LД=(3…5)t — длина зоны дозирования, см;

hср — средняя глубина на резки 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) рас плава 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 цен трах 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 расчет ной области и характеризующихся переменным шагом и различным коли чеством 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);

Плот ность 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 подъ ема 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 сис темы автоматического управления процессом экструзии с идентификато ром 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.

T [ C] n=60 n= M n= i 0. W 10 15 0,2 0,4 0,6 X(м) i 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 за грузки 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 дози рования;

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 экстру дера и, продвигаясь по винтовым каналам червяка, уплотняется, нагрева ется 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. Стабили зация вязкости осуществляется за счет регулирования температуры рас плава 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 дан ных с датчиков и информации о системе вычисляются разности давлений в начальных и конечных точках движения материала в областях соответ ствующих 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, реали зуемой с помощью блоков коррекции, использовано реологическое урав нение расплава полимера:

1 nт b T T0 1 2n I2 т, (5) a 0e nт - индекс течения;

где b - температурный коэффициент вязкости;

0 - предельное значение вязкости, соответствующее области ньюто новского течения при минимальных напряжениях сдвига;

T T0 - раз ность температур, соответствующая двум моментам измерения;

I 2 квадратичный инвариант, который определяется формулой:

2 d d I2 x z, (6) dy dy 2 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 z 1 3a 3a ;

x U x 3 2 (7) h h h h где U z DN cos ;

U x DN sin.

Коэффициент выхода а определяется по формуле:

h 2tg P, (8) a 6DN l y где - безразмерная координата сечения. Считая, что датчик давле h ния можно поставить лишь в стенке канала, 1.

P Производная давления по длине определяется по приближенной l формуле:

P P. (9) l l d z d x Значения и равны соответственно:

dy dy d Z 1 3a 6ay d X 1 3a 6ay ;

dy ND sin h h h (10) ND cos dy h h Квадратичный инвариант тензора скоростей записывается в виде (6), следовательно, требуемое значение температуры для соответствующего нагревателя определяется по формуле:

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

1 a Т Т0 ln, (12) 1nт b 2 2 2n 0 N D cosK1P sin K2P т h tgP 1 2DNL h tgPy где K1 (P) ;

DNL h h 2 tgP 1 2DNL h tgPy.

K 2 (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 температу ра расплава регулируются по всей длине зоны дозирования, таким обра зом, что обеспечивается стабилизация параметров, определяющих качест во изделий на выходе экструдера.

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

В четвертой главе представлены результаты практической реализа ции и экспериментальных исследований промышленной серии экструзи онных линий с компьютерным управлением.

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

Мехатронный модуль червячного пресса реализован с использовани ем 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 скоро сти шнека с подчиненным контуром регулирования тока. Предусмотрено измерение угловой скорости шнека и крутящего момента для отображе ния 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 преобра зователя частоты типа FR-E700 Mitsubishi Electric. Модуль обеспечивает стабилизацию скорости тянущего устройства.

Контроллер отрезного устройства обеспечивает: задание длины от резка материала;

измерение текущей длины материала на выходе линии;

измерение скорости движения материала;

формирование сигнала управле ния отрезным устройством (пилой или гильотиной);

учет количества выполненных отрезков материала;

индикацию текущей длины материала, скорости движения материала, количества отрезков и коэффициента пере дачи измерительного преобразователя.

Для регулирования температуры использован многоканальный при бор «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 кон троллерам нижнего уровня, получает от них оперативную информацию о ходе технологического процесса, отображает на экране монитора ход технологического процесса в виде мнемосхемы, осуществляет долговре менное хранение динамической информации, выполняет коррекцию па раметров 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 управле ния 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 програм мы. 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 оптими зации 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 под системах с графическими формами данных и параметрами компонентов линии.

Разработанный мехатронный комплекс экструзионной обработки по лимеров обеспечивает полное выполнение всех основных технологиче ских функций.

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

1. Составлены модели мехатронных систем одношнековых экструде ров, ориентированные на анализ и синтез процессов управления обработ кой полимера. Для математического описания электромеханических ком понентов использованы классические уравнения Лагранжа – Максвелла.

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

2. Разработаны компьютерные модели для расчета процессов движе ния экструдата и идентификации состояния в реальном времени. Модели основаны на использовании численных методов решения дифференциаль ных 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 предложен ных 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, вы полняет вычисление полей температуры и давления в канале на основе математической модели процесса и характеристик полимера, коррекцию сигналов задания для регуляторов температуры и прогнозирование качест ва изделия.

5. Разработанный комплекс программных средств позволяет в широ ком 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 пара метров 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, мно гоканальный регулятор температуры, датчики параметров, панель опера тора и промышленный компьютер, связанные стандартным интерфейсом.

8. Эффективность разработанного мехатронного комплекса подтвер ждена промышленными испытания при обработке полимеров ПА-12, ПА 610 и др. На основе разработанных конструкции, аппаратного и про граммного обеспечения в ОАО «Владимирский завод полимерного маши ностроения «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 управ ления экструзией полимерных материалов // Приборы и системы. Управ ление, 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 конфе ренция. 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 экструзион ной 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 меха тронным 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 экструзион ной обработки полимеров: моделирование, визуализация и управление / Сборник трудов Всероссийской конференции «Механика наноструктури рованных 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 кон ференция. 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 обеспе чение 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 № АНО «Типография на Нижегородской» 600020, г. Владимир, Б. Нижегородская, д. 88. Т/ф (4922) 322-

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

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.