Система управления качеством на базе адаптируемой математической модели производства пленок на каландровой линии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.07, кандидат технических наук Плонский, Владимир Юрьевич

• Плонский, Владимир Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Плонский, Владимир Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ систем управления современными каландровыми линиями.

1.1 Каландровая линия.

1.2 Система управления ВХ188-смесителем.

1.3 Математические модели для управления экструдерами.

1.4 Математическое описание процессов смешения.

1.5 Система управления каландром.

1.6 Математические модели для управления каландрами.

1.7 Выводы.

Глава 2. Математические модели для системы управления каландровой линией.

2.1 Постановка задачи синтеза системы управления.

2.2 Уравнения баланса

2.3 Реологическое уравнение . Гг.: .>. ¿у;.

2.4 Математическая модель ВШ^-смесителя.

2.4.1 Постановка задачи

2.4.2 Расчет кинематики потоков.

2.4.3 Анализ теплового баланса.

2.4.4 Расчет потока утечек материала через радиальные зазоры

2.4.5 Расчет утечек через прорези в гребнях нарезки шнека.

2.4.6 Построение рабочей точки ВШБ-смесителя.

2.4.7 Расчет термической деструкции.

2.4.8 Алгоритм расчета модульного ВШБ-смесителя.

2.5 Математическая модель каландра.

2.5.1 Постановка задачи.

2.5.2 Расчет энергосиловых параметров процесса.

2.5.3 Определение равнотолщинности пленки.

2.5.4 Алгоритм расчета математической модели каландра.

2.6 Выводы.

Глава 3. Определение параметров моделей и проверка их адекватности.

3.1 Построение профиля температуры и давления материала в BUSS-смесителе.

3.2 Определение энергии активации процесса деструкции.

3.3 Исследование напорной характеристики шнека экструдера при переменной геометрии канала.

3.4 Построение профиля давления в межвалковом зазоре каландра.

3.5 Выводы.

Глава 4. Система управления качеством готового продукта.

4.1 Управление энергопотреблением материала в смесителе.

4.2 Управление толщиной и равнотолщинностью листа.

4.3 Алгоритм управления каландровой линией.

4.4 Выводы.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система управления качеством на базе адаптируемой математической модели производства пленок на каландровой линии»

Интенсивное развитие производства композиционных материалов на основе полимеров, обусловленное повышением спроса на них, привело к возрастанию роли экструзионно-каландровых процессов и уровня их автоматизации в промышленности. Основной тенденцией развития каландровых производств на современном этапе являются их интенсификация и повышение требований к качеству готовой продукции. При этом техническое совершенство каландровых линий уже достигло уровня, позволяющего осуществлять непрерывную переработку полимерных материалов при высоких показателях производительности. Дальнейшее улучшение показателей процесса связано в первую очередь с улучшением качества продукции, сокращением производственных затрат (материальных и энергетических) и повышением гибкости производства для реагирования на изменения потребительского спроса на тот или иной вид продукции. В настоящее время, благодаря ряду преимуществ (экологичность, прочность, водостойкость, другие физико-механические характеристики), наибольшее распространение получили пленки на основе жесткого поливинилхлорида (ПВХ).

Для технологического процесса каландрования характерны многотоннажность и частые переходы на новые типы продукции в соответствии с желаниями заказчика. На этих производствах применяются локальные системы управления, осуществляющие мониторинг основных показателей процесса. Однако недостаточность информации о процессе и невозможность измерения и контроля ряда показателей приводят к ситуации, когда, при изменении задания, операторы вынуждены принимать решения, основываясь на своем опыте. Вследствие этого управление является «субъективным» и часто осуществляется с «запасом», который гарантировал бы отсутствие аварийных ситуаций. Это, с одной стороны, повышает экономические затраты на энергию и материалы, а с другой увеличивает время перенастройки системы управления при переходах на новый тип продукции и производительность, в течение которого линия производит брак. Решение вышеназванных задач возможно при совершенствовании существующих систем управления таким образом, чтобы на базе математической модели процесса осуществлялось прогнозирование качества продукта и запаса работоспособности объекта управления, а также перенастройка на новое задание. Это делает актуальной и экономически обоснованной разработку алгоритмов и математических моделей для целей управления подобными производствами и приводит к повышению уровня автоматизации всей каландровой линии.

С учетом вышеизложенного целью диссертационной работы является повышение качества управления процессом каландрования путем использования системы управления, позволяющей, на основе математических моделей осциллирующего смесителя и каландра, определять показатели процесса, характеризующие качество готового продукта, и выбирать управляющие воздействия при переходе на новый тип продукции, производительность и толщину пленки.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

• провести исследование технологического процесса каландрования как объекта управления; определить спектр показателей, определяющих качество готового продукта и выделить факторы, влияющие на него;

• разработать математические модели осциллирующего смесителя и каландра, с помощью которых по исходным данным (конфигурации смесителя, каландра, свойства сырья, частота вращения шнека смесителя и воронки, температуры корпуса и шнека смесителя; скорости вращения валков каландра, зазоры между валками каландра, усилия контризгиба) можно прогнозировать основные показатели качества продукта (толщина, равнотолщинность, степень термической деструкции);

• на базе математических моделей осциллирующего смесителя и каландра разработать систему управления, позволяющую повысить качество готового продукта, получаемого на каландровой линии;

• разработать алгоритмическое и программное обеспечение для системы управления каландровой линией, настраиваемое на характеристики оборудования, свойства перерабатываемого материала и технологические параметры.

Результаты работы изложены в четырех главах.

В первой главе проведено исследование каландровой линии как объекта управления и тенденций развития каландровых производств, представлен обзор существующих математических моделей экструзионной и каландровой техники.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей осциллирующего смесителя на примере Ви88-смесителя и каландра на 9 основе гидродинамического подхода к моделированию процессов переработки полимерных материалов.

В третьей главе проводится проверка адекватности разработанных математических моделей объекта управления, уточнение параметров моделей, а также исследование процессов пластификации полимерной композиции в осциллирующем смесителе и формования на каландре.

Четвертая глава посвящена разработке алгоритма управления каландровой линией, который позволяет оперативно выбирать значения управляющих воздействий при переходе на новое задание при обеспечении заданных показателей качества готового продукта.

При выполнении работы использовались методы теории управления, методы математического моделирования процессов переработки полимеров на экструзионном и каландровом оборудовании, включая реологию полимеров и теорию гидродинамики расплавов полимеров, основы химической технологии, средства разработки программных комплексов для современных систем автоматизированного управления.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Структура системы управления каландровой линией, которая, на базе перенастраиваемых математических моделей осциллирующего смесителя и каландра, позволяет повысить качество полимерной пленки.

• Математическая модель ВШЗ-смесителя, учитывающая переменную модульную конфигурацию шнека, осцилляцию, утечки через радиальный зазор и прорези в гребнях, неполное заполнение каналов смесителя. При этом предлагаемая модель является неньютоновской и неизотермической, что соответствует свойствам перерабатываемых материалов и условиям их переработки. Модель адаптируется на различные типы сырья и позволяет рассчитывать основные параметры процесса (профиль давления, профиль температуры, вязкость материала) и показатели качества пленки (индекс деструкции, удельное энергопотребление).

• Математическая модель каландра, настраиваемая на разные геометрические характеристики оборудования, параметры перерабатываемого материала, позволяющая рассчитывать толщину и равнотолщинность пленки и адаптируемая на различные постановки задачи оптимального управления.

• Программный комплекс, включающий подсистемы моделирования ВШ8-смесителя и каландра, адаптивный по отношению к характеристикам ю сырья и оборудования, применение которого в системе управления каландровой линией позволит повысить уровень автоматизации за счет советов оператору по выбору управляющих воздействий при переходе на новую производительность, тип сырья и толщину пленки.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на X Международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии», Новомосковск, 1997, на Международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии», 1998, Владимир, на ХП Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях», г. Великий Новгород, 1999, на П научно-технической конференции памяти М. М. Сычева, Санкт-Петербург, 1999.

По материалам диссертационной работы опубликовано восемь работ.

Эффективность проведенных исследований подтверждается актом о рекомендации к внедрению результатов работы в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). Работоспособность разработанной математической модели и программного обеспечения подтверждена фирмой KLOCKNER PENTAPLAST (Германия) и фирмой BUSS AG (Швейцария), производящей осциллирующие смесители для каландровых линий.

1. Анализ систем управления современными каландровыми линиями

1.1 Каландровая линия

Новейшая каландровая установка охватывает весь производственный процесс - от подготовки сырья до получения готового продукта (полимерной плёнки) - и предусматривает высокую степень автоматизации на всех стадиях процесса. В такие каландровые установки включают оборудование для предварительного смешения и подготовки смеси, питающей каландр, устройства для проведения отделочных операций, охлаждающую систему, приборы для непрерывного измерения толщины плёнки и автоматического регулирования зазора между валками каландра, намоточные станции и другие устройства /90/.

В промышленности плёночные материалы на основе ПВХ изготовляют обычно каландровым или экструзионным способами /4, 8, 9, 12, 56/. Целесообразность того или иного способа производства диктуется областью применения плёнки, наличием и стоимостью определённых сортов ПВХ, пластификаторов и других ингредиентов полимерной композиции. Экструзия ПВХ и его производных сопряжена со значительными трудностями (недостаточная стабильность размеров и большая жёсткость плёнки, малая производительность, сложность изготовления экструдеров), поэтому, несмотря на ряд преимуществ экструзионного метода, получение плёнок каландровым методом играет ведущую роль в промышленности.

Технологический процесс получения плёнок каландровым методом -сложный многостадийный процесс. Технологическая схема каландровой линии включает следующие стадии /3, 50/:

• Подготовка сырья в соответствии с рецептурой.

• Смешение композиции в горячем и холодном смесителях.

• Пластификация в экструзионно-смесительном оборудовании.

• Каландрование.

• Вытяжка и охлаждение пленки.

Существуют различные варианты реализации технологической схемы процесса каландрования, один из возможных представлен на рис. 1.1. Схема автоматизации каландровой линии показана на рис. 1.2.

Рис. 1.1 Схема каландровой линии

10

-ф

VI Т

-О:

1 2 3456789

10 11 я й 2

Обозначения:

1 - осциллирующий смеситель; 2 - 5 - валки каландра; 6 - вытяжные валки; 7 - охлаждающие валки; 8 - закаточное устройство. Двигатели валков не показаны.

Для волков 1, 3, 4, а также вытяжных и охлаждающих валков не показаны контуры регулирования, аналогичны^ контурам 13 -15. 8

20

Г12 13 14 15

Г> 8

17 18 20

21 22 23

24 а» 5 « С а

§ а. я

3 8 я £ а,

5щ в © I

215 « I ш

НА НЬЗ

Рис. 1.2 Сх^ца автоматизации каландровой линии

Процесс получения пленки из композиции на основе ПВХ начинается с подготовки сырья и ингредиентов смеси, взвешивания компонентов и их смешения. Рецептура жесткого ПВХ состоит из множества различных компонентов /23/. К важнейшим составляющим рецептуры жесткого ПВХ относятся: ПВХ, внутренние и наружные средства скольжения, термостабилизатор, стабилизаторы для устойчивости при действии УФ, добавки для повышения ударной прочности, красители. Смесь подготавливается автоматически, путем введения в обслуживающую компьютерную сеть кода рецептуры. На производствах создаются склады, оборудованные средствами автоматики для контроля расхода жидких сырьевых компонентов и автоматической подачи в производство. Сыпучие сырьевые компоненты после подаются системой пневмотранспорта в резервуары. ПВХ, полипропилен (1111), модификатор и наполнитель просеивают и с помощью пневмонасосов подают в расходные бункера 1-4 соответственно. Пластификаторы и другие жидкие добавки со склада транспортируют по трубопроводам в расходные емкости 5-8.

После взвешивания смесь поступает в двухстадийный роторный смеситель 12 (в зависимости от конкретно выбранной схемы тип и число смесителей могут быть различными). Двухстадийный вихревой смеситель 12 состоит из двух отдельных каскадно установленных аппаратов, отличающихся принципом перемешивания. В верхнем скоростном «горячем» смесителе композиция интенсивно перемешивается и нагревается за счёт сил трения и за счёт теплоты стенок смесителя, обогреваемых горячим маслом. Температура смеси в «горячем» смесителе колеблется в пределах 80 - 120 °С. «Горячий» смеситель имеет значительное число оборотов с целью увеличения скорости смешения и, соответственно, уменьшения времени пребывания смеси при высокой температуре. После этого, смесь подается в «холодный» смеситель с меньшим числом оборотов ротора и температурой 60 - 80°С. «Холодный» смеситель необходим для уменьшения вероятности проявления термической деструкции и спекания материала. В «холодном» смесителе композиция перемешивается и охлаждается за счёт контакта со стенками смесителя. Оба смесителя снабжены быстровращающимися смесительными роторами, которые обеспечивают эффективное вихреобразное перемешивание компонентов. Перемешивание продолжается 16-20 мин, после чего отбирается лабораторная проба для определения качества смешения. Оба смесительных агрегата имеют свои преимущества и

15 недостатки. Недостатком горячего и холодного смесителя является их размер. Минимальная партия заправки содержит около 300 кг. Поэтому выполнение небольших заказов связано с трудностями. При переходе на другой цвет необходима чистка смесителей. Преимуществом смесителей является возможность варьирования степени гомогенизации в широких пределах. Помехи в смесителях не должны отражаться на ходе процесса, поэтому смесители представляют также и амортизационные накопители.

Полученная композиция подаётся в промежуточный бункер (буферный бак) 13.

Из буферного бака ПВХ-композиция направляется шнеком в загрузочную воронку 14 кнетера 15. Воронка снабжена мешалкой и подающим шнеком, которые равномерно подают массу в корпус кнетера. Кроме основной смеси в кнетер через воронку подаются для переработки раздробленные обрезки кромок готовой плёнки 25. Задача пластификации состоит в том, чтобы гомогенную порошкообразную рецептуру ПВХ расплавить при помощи подвода энергии, т. е. пластифицировать. Подводимая энергия должна распространяться в смеси равномерно. Полученный материал должен отвечать требованиям, необходимым для дальнейшей переработки на каландре. Пластификация является промежуточным звеном между смесителем и каландром. В качестве пластификатора в производстве пленок из жесткого ПВХ чаще всего применяют ВШ8-смесители (кнетеры). Кнетер представляет собой шнековый осциллирующий смеситель-пластификатор. За счет специальной конструкции шнек имеет возможность как вращения вокруг своей оси, так и продольного движения. При небольшом среднем времени пребывания материала в рабочем цилиндре В118 Б-смесителе достигается высокая степень гомогенизации. Благодаря своим конструктивным особенностям он более приемлем, чем обычный экструдер, кроме того, он может быть использован для переработки различных материалов.

В кнетере происходит дальнейшая гомогенизация композиции и превращение её в расплав. Используемый в данной технологической схеме кнетер предназначен для переработки очень вязких материалов, к числу которых, в частности, относится ПВХ. Такие машины применяются для подготовки термопластичных полимерных композиций. Корпус машины охватывает обогревающая рубашка, которая по длине разделена на отдельные зоны, что позволяет по участкам независимо задавать и поддерживать различные температуры. Обычно на корпусе машины имеется несколько зон обогрева, каждая из которых регулируется индивидуально. Для нагрева обычно используют жидкие теплоносители или используется система электрического обогрева. Для удаления летучих веществ из многокомпонентной полимерной смеси в кнетере предусмотрена зона дегазации. Скорости вращения основного шнека и шнека загрузочного устройства Ви88-смесителя подбираются оператором по субъективной оценке качества экструдата на выходе. Контролируются сила тока привода шнека смесителя и шнека загрузочной воронки.

Переработанная композиция при выходе из кнетера разрезается отрезным устройством 17 на отдельные «шайбы» заданных размеров и проходит проверку на наличие металлических включений 18. В качестве отрезного устройства используется фильера (формующая решётка с множеством отверстий) круглого сечения с пневматически управляемым режущим ножом. Если в транспортируемом материале будут обнаружены металлические частицы, превышающие допустимые размеры (порядка 50-10"6 м), транспортер будет остановлен. Прошедшие проверку «шайбы» попадают на ленточный транспортёр 19.

С транспортёра 19 с помощью качающегося транспортера 20, который может быть снабжен системой инфракрасных излучателей для компенсации охлаждения, расплав подаётся питающий зазор 4-х валкового Ь-образного каландра 21. Следует заметить, что питание первого зазора происходит неравномерно по рабочей длине валка. Так, проходя от левого края рабочей поверхности валка каландра до правого (в среднем 10 с), качающийся транспортер, изменяющий свое направление за счет концевых выключателей, замедляет ход, не доходя до заданного края приблизительно 6 - 8 см и задерживается в конечной фазе колебательного движения при переключении направления движения, тем самым увеличивая количество подаваемого материала в «крайних» областях. Пленка не отвечает требуемой ширине на 4-м валке каландра и поэтому срезается дисковыми ножами по краям, после чего лентой подается соответственно на левый и правый края питающего зазора. Данная часть материала имеет наибольшее время пребывания и наиболее опасна с точки зрения химической деструкции. Однако эта часть попадает на края пленки, которые после обрезаются. Количество запаса материала в питающем зазоре, при установившемся режиме каландрования, регулируется заданием числа оборотов кнетера.

Формование поливинилхлоридной массы в полотно в виде плёнки происходит при последовательном прохождении расплава в зазоре между вращающимися нагретыми валками каландра. Измеряются и контролируются температура, скорость вращения и мощность привода каждого валка. Пластикат, проходя зазор между вторым (снизу) и третьим валками каландра развальцовывается до требуемой ширины и толщины, которая обуславливается зазором между валками. Каждый валок имеет индивидуальный привод от электродвигателя постоянного тока. Частоты вращения отдельных валков связаны друг с другом таким образом, чтобы соотношение скоростей отдельных пар валков оставалось постоянным.

На 1-м и 2-м валке каландра установлены ножи, которые, вступая в контакт с поверхностным слоем материала, надрезают его и, тем самым, уменьшают количество пузырьков воздуха в пленке.

Горячая плёнка снимается с последнего валка каландра. Съём материала происходит за счёт того, что окружная скорость первого и второго съёмных валков многовалкового устройства для съёма 26 больше, чем окружная скорость четвёртого верхнего валка каландра. Эта скорость зависит от толщины плёнки. Пленка, пройдя вытяжные валки, поступает на охлаждающие барабаны. При помощи регулирования скорости вытяжных роликов можно, не меняя зазоров каландра, изменять толщину получаемой пленки, если, конечно, эти изменения не велики. Растягивающее устройство смонтировано на 4-х вытяжных валках. Пленка, пройдя вытяжные валки, поступает на охлаждающие валки (барабаны) 27, число которых может достигать пятнадцати (в данной схеме их одиннадцать, они разделены на три группы: с первого по четвёртый, с пятого по девятый и десятый с одиннадцатым; валки, принадлежащие к одной группе, вращаются с одинаковой скоростью). Затем охлаждённая плёнка проходит измерительную станцию, где измеряется её толщина (например, с помощью применения радиационного толщиномера). Текущий профиль толщины отображается на экране компьютера. Для визуального контроля качества (соблюдение требований к цвету плёнки, и наличие на ней чёрных точек) установлена видеокамера.

После прохождения охлаждающих валков с помощью круглых ножей производится обрезка кромок горячего материала до заданной ширины. Обрезанная кромка плёнки 24 поступает в дробилку 23 для грануляции; гранулированные отходы (раздробленная кромка, крошка) 25 пневмотранспортом подают в загрузочную воронку 14 кнетера 15 для переработки.

После этого плёнка подводится к компенсатору, который обеспечивает смену рулонов плёнки без остановки каландра. Затем плёнка попадает на намоточную станцию 22 с автоматическим узлом для отрезания готовой плёнки. Намоточная станция обеспечивает безнатяжное равномерное сматывание материалов в рулоны требуемого метража. При превышении массы рулона с пленкой установленной величины происходит срабатывание световой и звуковой сигнализации.

Из приведённого выше описания можно видеть, что плёнка, сходящая с последнего валка каландра, до окончательной обрезки и сматывания в рулоны проходит ряд устройств и агрегатов, которые оказывают существенное влияние на ее качество. При этом на всём пути технологического цикла (от съёма с валка каландра до намотки) плёнка подвергается действию продольного растягивающего усилия, за счёт которого может происходить сокращение плёнки по ширине. В современных вариантах каландровых линиях для снижения влияния продольного растягивающего усилия на свойства плёнки её пропускают через устанавливаемое за каландром устройство с большим набором валков малого диаметра, которое позволяет использовать валки для приёмки, растяжения и ориентации плёнки, даёт возможность регулировать температуру охлаждаемой плёнки по всей поверхности валков, в наибольшей степени способствует релаксации внутренних напряжений и исключает поперечное сморщивание.

Каландровожатый обязан следить за количеством запаса материала в первом зазоре, за текущим профилем толщины пленки и ее качеством /30/. Каландр работает с резервом материала по первому зазору, чтобы обеспечить отсутствие аварийной ситуации (соударение валков). При этом материал находится во вращающемся запасе до 5 минут, что требует дополнительных расходов на стабилизатор. При незначительном изменении толщины пленки можно использовать вытяжные ролики, но при этом соответственно должна измениться температура валков каландра. Кроме того, используется пространственный перекос валков. Также существует возможность изменения положения в вертикальном направлении одной стороны валка.