Управление процессом формования многослойной полимерной изоляции при производстве кабелей среднего напряжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Казаков, Алексей Владимирович

• Казаков, Алексей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Казаков, Алексей Владимирович

Введение.

1. Общее положение и состояние проблемы.

1.1. Реологические и теплофизические свойства полимеров.

1.2. Процесс тепломассопереноса в кабельной головке.

1.3. Выводы по главе и постановка задач исследования.

2. Постановка задачи оптимизации и управления технологическим процессом экструзии многослойной изоляции.

2.1. Процесс формования изоляции как объект управления.

2.2. Выбор управляющих воздействий.

2.3. Постановка задачи оптимизации и управления процессом формования

2.4. Выводы по главе.

3. Математическое моделирование процесса стратифицированного течения

3.1. Постановка математической модели.

3.2. Метод решения.

3.3. Экспериментальное определение реологических характеристик расплавов полимеров на приборе ИИРТ-АМ.

3.4. Проверка адекватности счетного метода.

3.4.1. Изотермическое однослойное течение.

3.4.2. Неизотермическое однослойное течение.

3.4.3. Неизотермическое многослойное течение.

3.4.4. Проверка стабильности решения при различных граничных условиях.

3.5. Моделирование исходной геометрии и головка альтернативной конфигурации.

3.6. Оценка влияния свойств материалов и параметров технологического процесса.

3.7. Выводы по главе.

4. Методика и алгоритмы автоматизированного управления технологическим процессом наложения нескольких слоев полимерной изоляции.

4.1. Определение оптимального режима экструзии.

4.2. Режим адаптивного управления.

4.3. Процедура параметрической идентификации модели.

4.4. Результаты применения методик и алгоритма автоматизированного управления технологическим процессом экструзии.

4.4.1. Расчет оптимального режима наложения многослойной изоляции

4.4.2. Расчет адаптивного управления.

4.5. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление процессом формования многослойной полимерной изоляции при производстве кабелей среднего напряжения»

Качество и эксплуатационные характеристики кабельного изделия в значительной степени зависят от правильности выбора технологического режима его изготовления. Соблюдение всех нормативных параметров кабеля, в частности толщин накладываемых на токопроводящую жилу полимерных изолирующих и полупроводящих слоев, является весьма нетривиальной задачей, поскольку в ходе технологического процесса экструзии существует ряд параметров, влияющих на качество готового изделия. На сегодняшний день подавляющее большинство предприятий, выпускающих кабели с многослойной полимерной изоляцией, подбирают технологические режимы экструзии лишь на основании общих рекомендаций производителей оборудования, натурных экспериментов и практического опыта технологов, что, безусловно, не являться оптимальным с точки зрения качества конечного продукта и производительности линии в целом. Поэтому одной из актуальных задач кабельной промышленности является автоматизация процесса управления формованием многослойной полимерной изоляции и подбора рациональных режимов данного процесса.

Объектом исследования являлся процесс течения полимеров в каналах кабельной головки при формовании многослойной полимерной изоляции.

Цель работы.

Разработка методики и алгоритмов автоматизированного управления процессом формования многослойной полимерной изоляции при производстве кабелей, обеспечивающего заданное качество выпускаемой продукции.

Задачи исследования.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• построить математическую модель стратифицированного течения расплавов полимеров с различными теплофизическими и реологическими свойствами в каналах кабельной головки;

• разработать методику и алгоритмы определения оптимального режима и расчета управляющих воздействий, поддерживающих в ходе технологического процесса максимальную скорость изолирования при обязательном соблюдении условий обеспечения качества изолируемого провода;

• разработать алгоритм параметрической идентификации математической модели в режиме управления процессом экструзии;

• реализация и практическая апробация разработанных методик и алгоритмов на производстве.

Методы исследования.

Поставленные в работе задачи решены с использованием теорий тепло-массопереноса, теории управления, методов математического моделирования, а также натурных и вычислительных экспериментов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• построена новая математическая модель, описывающая неизотермические процессы тепломассопереноса трехслойного течения аномально-вязких расплавов в коническо-цилиндрических каналах;

• разработаны новые методики и алгоритмы расчета сочетания управляющих воздействий, позволяющие поддерживать в ходе технологического процесса максимальную скорость изолирования при соблюдении условий обеспечения качества изолируемого провода;

• построены расходно-напорные характеристики каналов кабельной головки с учетом взаимного влияния каналов;

• разработан уникальный алгоритм параметрической идентификации математической модели в режиме управления процессом экструзии.

Практическая значимость работы:

• построенные расходно-напорные характеристики каналов кабельной головки и сформированная база данных позволяют в режиме реального времени управлять процессом формования многослойной изоляции;

• предложенная структура системы автоматизированного управления процессом формования изоляции обеспечивает возможность коррекции управляющих воздействий на основании данных наблюдения за процессом;

• разработанная новая геометрия каналов кабельной головки позволяет оптимизировать потоки расплавов полимеров;

• разработанный уникальный алгоритм параметрической идентификации модели позволяет уточнять оптимальные параметры процесса при неполной информации о свойствах перерабатываемых материалов;

• математическая модель процесса формования полимерной изоляции и методика автоматизированного управления могут быть использованы при разработке нового экструзиионного оборудования в составе линий по производству кабелей с многослойной полимерной изоляцией.

Реализация результатов работы.

С использованием разработанных методик внедрены на ООО «Камский кабель» (г. Пермь):

• оптимальный режим экструзионного наложения многослойной полимерной изоляции на существующем оборудовании;

• новая геометрия кабельной головки, оптимизирующая потоки расплавов полимера в каналах;

• методики прогнозирования выходных показателей экструдируемой многослойной полимерной изоляции;

• рекомендации по соблюдению условий обеспечения качества изолируемого кабеля.

На защиту выносятся:

• методика и алгоритмы расчета оптимальных управляющих воздействий, поддерживающих в ходе технологического процесса максимальную скорость изолирования при обязательном соблюдении условий обеспечения качества провода;

• математическая модель, описывающая процессы тепломассопере-носа в каналах кабельной головки, сопровождающие процесс экс-трузионного формования многослойной изоляции;

• методика и алгоритмы автоматизированного управления технологическим процессом экструзии;

• алгоритм параметрической идентификации математической модели процесса формования многослойной изоляции в режиме управления.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается анализом практической сходимости численных решений, а так же удовлетворительным совпадением результатов с данными численных и натурных экспериментов других авторов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (г. Нижний Новгород, 2006 г); 15-ой Зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 2007 г.); 2-й Международной интернет-конференции молодых ученых, аспирантов, студентов (г.Пермь, 2010 г.); 17-ой Зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 2011 г.); 17-й Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (г. Алушта, 2011 г.); 5-й Юбилейной Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2011 г.), а также на научных конференциях «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (г. Пермь, 20052011 г.г.).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 90 наименований, приложения. Общий объем работы 95 страниц, в том числе 46 рисунков, 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Казаков, Алексей Владимирович

4.5. Выводы по главе

1. Описана методика и разработан алгоритм расчета управляющих воздействий, поддерживающих в ходе технологического процесса максимальную производительность линии при обязательном соблюдении условий обеспечения качества процесса и результата.

2. Разработан алгоритм параметрической идентификации математической модели процесса экструзионного формования многослойной изоляции.

3. Построены функциональная и структурная схемы автоматизированной системы управления процессом экструзии.

4. Приведены примеры применения разработанных методик и алгоритмов.

Заключение

1. Построена математическая модель многослойного совместного течения аномально-вязких жидкостей с различными физико-реологическими свойствами в каналах кабельной головки.

2. Разработана методика и алгоритмы определения оптимального режима формования при соблюдении условий обеспечения качества процесса и изоляции.

3. Построены расходно-напорные характеристики каналов кабельной головки для различных реологических свойств перерабатываемых полимеров.

4. Разработана новая конфигурация кабельной головки, оптимизирующая потоки полимеров в каналах истечения.

5. Разработана методика и алгоритмы автоматизированного управления технологическим процессом формования многослойной изоляции с использованием математической модели процесса.

6. Разработан алгоритм параметрической идентификации математической модели в режиме управления процессом формования изоляции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Казаков, Алексей Владимирович, 2011 год

1. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. М.: Химия, 1977.440 с.

2. Хан Ч.Д. Реология в процессах переработки полимеров. М.: Химия, 1979. 368 с.

3. Мидлман С. Течение полимеров. М.: Мир, 1971. 260 с.

4. Тадмор 3., Гогос К. Теоретические основы переработки полимеров. М: Химия, 1984. 632 с.

5. Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров. М.: Химия, 1977. 460 с.

6. Бернхардт Э. Переработка термопластических материалов. М.: Химия, 1965. 747 с.

7. Янков В.И., Первадчук В.П., Боярченко В.И. Процессы переработки волокнообразующих полимеров (методы расчета). М.: Химия, 1989. 320 с.

8. Мак-Келви Д.М. Переработка полимеров. М.: Мир, 1965. 444 с.

9. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкости. Д.: Наука, 1975. 592 с.

10. Реология полимеров. Об универсальности температурно-инвариантной характеристики вязкости полимеров в конденсированном состоянии // Г.В. Виноградов, А.Я. Малкин, Н.В. Прозоровская и др. / Докл. АН СССР, 1963, т.150, № з. с. 574-577.

11. Реология полимеров. Об универсальности температурно-инвариантной характеристики вязкости полимеров в конденсированном состоянии // Г.В. Виноградов, А.Я. Малкин, Н.В. Прозоровская и др. / Докл. АН СССР, 1964, т. 154, № 4. С. 890-893.

12. Силин В.А. Динамика процессов переработки пластмасс в червячных машинах. М.: Машиностроение, 1972. 150 с.

13. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: ГХИ, 1961. 831 с.

14. Курант Р. Уравнения с частными производными. М.: Мир, 1964. 843 с.

15. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. М.: Наука. 1977. 735 с.

16. Khomami, В., and М. М. Ranjbaran. Experimental studies of interfacial instabilities in multilayer pressuredriven flow of polymeric melts. // Rheol. Acta 36. 1997. P. 345-366.

17. Elastic encapsulation in bicomponent stratified flow of viscoelastic fluids / Yue, P., Zhou, C., Dooley, J., Feng, J.J. // 1027 J. Rheol. 524, July/August 2008. P. 1027-1042.

18. Yu, Т. C. and Han, C. D. Stratified Two-Phase Flow of Molten Polymers // J. Appl. Polym. Sei. 1973. 17. P. 1203.

19. Bicomponent flow of molten polymers in annular dies of extruders / A. Ya Malkin, M. L. Friedman, K. D. Vachagin, G. V. Vinogradov // J. Appl. Polym. Sei. 1975. 19. P. 375-390.

20. C. D. Han, R. Shetty. Studies on Multilayer Film Coextrusion // Polym. Eng. Sei. 1976. 16(10). P. 697-705.

21. C. D. Han, R. Shetty. Studies on multiplayer film coextrusion II. Interfacial instability in flat film coextrusion.//Polym. Eng. Sei. 1978. 18(3). P. 180.

22. C. D. Han, H. B. Chin. Theoretical prediction of the pressure gradients in coextrusion of non-newtonian fluids // Polym. Eng. Sei. 1979. 19. P. 1156-1162.

23. Interfacial flow instability in multilayer coextrusion / W. J. Schrenk, N. L. Bradley, T. Alfrey and H. Maack // Polym. Eng. Sei. 1978. 18(8), P. 620-623.

24. H. Mavridis, A. N. Hrymak and J. Vlachopoulos. Finite Element Simulation of Stratified Multiphase Flows// AIChE J. 1987. 33, P. 410-422.

25. E. Mitsoulis and F.Heng. Numerical Simulation of Coextrusion from a Circular Die//J. Appl. Polym. Sei. 1987. 34. P. 1713-1725.

26. R. Ramanathan, J. Dooley. Dynamics of Mulitlayer Polymer Melt Flow: An experimental and nume&tl investigation // SPE ANTEC. 1992. 50. P. 426-430.

27. A general non-isothermal model for one-dimensional multilayer coextru-sion flows / S. Puissant, B. Vergnes, Y. Demay and J. F. Agassant // Polym. Eng. Sci. 1992. 32(3). P. 213-220.

28. R. Ramanathan and W. J. Schrenk, Plast. Eng. 1993. 6. P. 73.

29. Boundary Conditions for Contact Lines in Coextrusion Flows / A. Torres, A.N. Hrymak, J. Vlachopoulos, J. Dooley and B.T. Hilton // Rheol. Acta. 1993. 32. P. 513-525.

30. M. T. Martyn, T. Gough, R. Spares and P.D. Coates, SPE ANTEC. 2001. 59. P. 1031-1035.

31. Visualisation and Analysis of LDPE Melt Flows in Coextrusion Geometry / M. T. Martyn, T. Gough, R. Spares, P.D. Coates and M. Zatloukal // SPE ANTEC. 2002. 60. P. 937-941.

32. Experimental Observations of LDPE Melt Flow in Coextrusion Geometries / M. T. Martyn, T. Gough, R. Spares, P. D. Coates and M. Zatloukal // SPE ANTEC. 2004. 62. P. 205-209.

33. M. T. Martyn, P. D. Coates and M. Zatlouka. Visualisation and Analysis of Polyethylene Coextrusion Melt Flow // AIP Conference Proceedings, 7/24/2009, Vol. 1152 Issue l.P. 96-109.

34. Левицкий Б.П. Автореф. канд. дис. -М.:МТИ, 1976. 18 с.

35. Khan А.А., Han C.D.//Trans.Soc.Rheol. 1976. Vol.20, №4 P.595-621

36. M. Zatloukal, M. T. Martyn, P. D. Coates and J. Vlc^ek. Modelling of vis-coelastic coextrusion flows in multi-manifold flat dies // Plastics, Rubbers and Composites. 2004. Vol.33 №7. P. 305-309

37. Han, C.D. Multiphase Flow in Polymer Processing. Academic Press: New York, 1981.

38. Ануфриев B.A., Яхно O.M., Петухов А.Д. // Реология полимерных и дисперсных систем и реофизика. Минск: ИТМО АН БССР, 1975. С. 218-228.

39. Ануфриев В.А., Яхно О.М., Петухов А.Д. // Хим. машиностроение. Киев: Техника, 1977. №26. С. 70-74.

40. Власов В.И. // Реология полимерных и дисперсных систем и реофизи-ка. Минск: ИТМО АН БССР, 1975. С. 206-217.

41. Ануфриев В.А., Петухов А.Д., Лукач А.Д., Яхно О.М. // Хим.технология. 1976. №2. С. 44-47.

42. Ануфриев В.А., Петухов А.Д., Лукач А.Д., Яхно О.М. // Хим.технология. 1977. №4. С. 10-12.

43. Панов А.К., Дорохов И.Н. // Докл. АН СССР. 1985. Т.284, №4. С. 921-924.

44. Goto S., Kato Н. // Bull. JSME. 1984. Vol.27, №223. P. 30-37.

45. Nordberg M.E., Winter H.H. // J.Polym.Eng. and Sci. 1988. Vol.28, №7. P. 444-448.

46. Генералов М.Б., Кауфман И.Н. // Тр.факульт.прикл.матем. и механики Воронежского ун-та. Воронеж: ВГУ, 1971. №2. С. 37-40.

47. Первадчук В.П., Лялькина Г.Б., Казаченко Т.А. // ИФЖ. 1989. Т.56, №1. С. 135-136.

48. Бабчин А.И., Левин С.М. // Журн. Научн. и прикл. фотографии и кинематографии. 1972. Т.17, №5. С. 21-324.

49. Будак Б.М., Соловьева Е.Н., Успенский А.Б. // Журн.вычисл.мат. и мат.физики. 1965. Т.5. С. 828-840.

50. Воронцов Е.Г., Яхно О.М. // Хим.машиностроение. 1985. №41. С. 23-28.

51. Гарин Р.И., Вачагин К.Д. // Тр.Казанского хим.-технол.ин-та. Казань: КХТИ, 1972. №48. С. 120-124.

52. Тябин Н.В., Скрябин О.Б. // Машины и аппараты переработки каучу-ков, полимеров и резиновых смесей. Ярославль: ЯрПИ, 1978. №2. С. 88-92.

53. Nordberg, M.E.III. Numerical Modelling of Multilayer Polymer Flows. Ph.D. dissertation. University of Massachusetts, Amherst, 1989.

54. Matsunaga, К., Kajiwara, Т., Funatsu, К. Numerical simulation of multilayer flow for polymer melts—a study of the effect of viscoelasticity on interface shape of polymers within dies. Polym. Eng. Sci. 1998, 38 (7). P. 1099-1 111.

55. Gifford, W.A. Three-dimensional analysis of coextrusion. Polym.Eng. Sci. 1997,37 (2). P. 315-320.

56. Sunwoo, K.B.; Park, S.J.; Lee, S.J.; Ahn, K.H.; Lee, S.J. Numerical simulation of three-dimensional viscoelastic flow using the open boundary condition method in coextrusion process. J. Non-Newton. Fluid Mech. 2001, 99 (2-3). P. 125— 144.

57. Southern J.H., Ballman R.L. Stratified bicomponent flow of polymer melts in a tube //Appl.Polym.Symp. 1973. №20. P. 175-189.

58. Southern J.H., Ballman R.L. Additional observations on stratified bicomponent flow of polymer melts in a tube //J.Polym.Sci. 1975. Vol.13, №4. P. 863-869.

59. Lee B.L., White I.L. An experimental study of rheological properties of polymer melts in laminar shear flow and of interface deformation and its mechanisms in two-phase stratified flow // Trans.Soc.Rheol. 1974. Vol.18, №3. P. 467-492.

60. Arda, D.R.; Mackley, M.R. The effect of die exit curvature, die surface roughness and a fluoropolymer additive on sharkskin extrusion instabilities in polyethylene processing. J. Non-Newtonian Fluid Mech. 2005, 126. P. 47-61.

61. Zhang, M., Sun, S.; Jia, Y. Three-dimensional finite element simulation and analysis of half club coextrusion processes. Polymer-Plastics Technology and Engineering. 2008, 45. P. 1257-1262.

62. Zhang, M., Huang, C., Sun, S.; Jia, Y. The Finite Element Simulation of Polymer Coextrusion Based on the Slip Boundary/ Polymer-Plastics Technology and Engineering. 2009. 48. P. 754-759.

63. Подгаец P.M. // Краевые задачи: Межвуз.сб.научн.трудов Пермского политех.ин-та. Пермь:ППИ, 1985. С. 54-59.

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

65. Митрошин В.Н. Методы автоматического управления процессом наложения кабельной изоляции на экструзионных линиях // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. Самара, 2005. Вып. 33. С. 51-55.

66. Митрошин В.Н., Митрошин Ю.В. Использование системного подхода при автоматизации непрерывных технологических процессов кабельного производства // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. 2010. № 7(25). С. 26-31.

67. Бульхин А.К., Ключников В.Ф., Кижаев С.А. Моделирование технологических процессов в реальном масштабе времени с помощью программ для ЭВМ//Кабели и провода. 2010. №1. С. 12-13.

68. Окрепилов В.В. Управление качеством: Учебник для ВУЗов /2-е изд., доп. и перераб. СПб.: ОАО «Издательство «Наука», 2000. 912 с.

69. Огвоздин В.Ю. Управление качеством: основы теории и практики. Уч. пос. М.:Дело и сервис, 2002.

70. Столбов В.Ю., Швейкин А.И. Построение системы адаптивного управления процессом восстановления насосных штанг // Труды XXXIII Уральского семинара «Механика и процессы управления». Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2003. С. 338-345.

71. Готлиб Б.М., Добычин И.А., Баранчиков В.М., Стародумов В.В., Зай-нулин А.К. Адаптивное управление процессами обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1985. 144 с.

72. Цыпкин Я.З. Адаптация и обучение в автоматических системах / Я.З. Цыпкин. М.: Наука: Физматлит, 1995. 336 с.

73. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. 4-е изд., перераб. и доп. СПб: Профессия, 2004. 749 с.

74. Анисимов С.А., Дынькин В.Н., Касавин А.Д. и др. Основы управления технологическими процессами. М.: Наука, 1978. 440 с.

75. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 392 с.

76. Флетчер К. Численные методы на основе метода Галёркина. Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 352 с.

77. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2 т. Пер. с англ. М.: Мир, 1991. Т. 1. 504 с.

78. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2 т. Пер. с англ. М.: Мир, 1991. Т. 2. 552 с.

79. Основы кабельной техники / В.А. Привезенцев, И.И. Гроднев, С.Д. Холодный, И.Б. Рязанов. Под ред. В.А. Привезенцева. М.: Энергия, 1975. 472 с.

80. Ковригин JI.A., Сырчиков И.Л., Щербинин А.Г., Щепеткова В.Г. Исследование реологических свойств электрозоляционных полимеров на приборе ИИРТ // Электрическая изоляция кабелей и проводов. Тез. докл. Всесоюз. на-уч.-техн. семинара. М. 1990. С. 50-51.

81. Ковригин Л.А. Труфанова Н.М. Сырчиков И.Л., Щербинин А.Г. Определение реологических характеристик полимеров, используемых в качестве изоляции и оболочек кабелей. М.: 1990. С. 130.

82. Ковригин Л.А., Сырчиков И.Л., Щербинин А.Г. Экспресс-контроль реологических характеристик полимеров на компьютерах типа IBM // Моделирование и синтез вычислительных и управляющих систем. Межвуз. сб. науч. тр. Пермь: ПГТУ. 1992. С. 135-142.

83. Терлыч А.Е., Щербинин А.Г., Труфанова Н.М. Экспериментальное определение реологических характеристик блоксополимера этилена с пропиленом // Информационные управляющие системы. Сб. науч. тр. Пермь: ПГТУ. 2000. С. 52-56.

84. Щербинин А.Г. Процессы движения и теплообмена нелинейных полимерных сред в условиях фазового перехода в каналах экструзионного оборудования. Дис. . д-ра. техн. наук. Пермь. ПГТУ. 2005. 327 с.

85. Труфанова Н.М. Разработка методов расчета процесса пластикации и рабочих органов экструзионного оборудования для пластмасс. Дис. . д-ра. техн. наук. Пермь. ПГТУ. 1993. 304 с.

86. R.I.Tanner. Some Experiences Using Finite Element Methods in Polymer Processing and Rheology. Proceedings of the Seventh International Congress on Rheology, Gothenburg, Sweden, 1975. p. 140.

87. Крылов В.И., Бабков В.В., Монастырский П.И. Вычислительные методы. Москва, Наука, 1976.