Автоматизированная система управления толщиной каландрованных полимерных материалов в многоассортиментных производствах

Тонкие материалы (полимерные пленки, резина), производимые на каландровых линиях, находят самое широкое применение в различных отраслях промышленности, строительстве, сельском хозяйстве и в быту человека, что обусловлено их высокими эксплуатационными характеристиками, возможностью модифицирования в нужном направлении в сочетании с широким ассортиментом, позволяющим выбирать материал с необходимыми свойствами, и приемлемой для потребителя стоимостью. Важнейшим направлением повышения эффективности производств тонких материалов наряду со снижением материалои энергоемкости является улучшение качества выпускаемой продукции и прежде всего толщины и равпотолщинности каландрованного материала.

Современные каландровые производства тонких материалов характеризуются многостадийностью, частой перенастройкой оборудования и технологии на новый тип продукции, большим числом контролируемых различными способами технологических параметров, возможностью возникновения множества нештатных ситуаций, как в штатных, так и в переходных режимах, сложностью принятия решений по их устранению, разнообразием способов управления качеством целевого продукта, каждый из которых влияет на комплекс физико-химических свойств материала, определяющих эффективность и конкурентоспособность производства на рынке. Так, толщина и равнотолщинность каландруемых материалов зависят от многих производственных факторов, основными из которых являются: зазор между валками каландра, величина перекоса предпоследнего валка каландра, усилие контризгиба, приложенное к последнему валку каландра, температура и равномерность нагрева валков каландра, равномерность распределения материала в питающем зазоре каландра, окружная скорость вытяжных валков. Кроме того, качество каландруемых материалов в значительной степени зависит от знаний и производственного опыта операторов, которые принимают окончательные решения по управлению.

Несмотря на то, что западные производители предлагают современное 1 валковое оборудование, в котором используются последние достижения в области каландрования, широкое применение этих разработок сдерживается высокой стоимостью. Как правило, предлагаемое оборудование рассчитано на создание новых производственных мощностей, а не на модификацию старых. При этом основной тенденцией развития каландровых производств является повышение информационной мощности и управляемости процесса каландрования, и как следствие, эффективности производства за счет внедрения современных автоматизированных интеллектуальных систем управления показателями качества.

В этих условиях для повышения эффективности управления качеством каландрованных полимерных материалов актуальна разработка математических моделей, позволяющих исследовать влияние различных типов управляющих воздействий на толщину и равнотолщинность и выбирать наиболее рациональные способы управления и значения управляющих воздействий, как в номинальном режиме, так и при переходе производств различной конфигурации на новый тип материала или производительность. При этом необходимо учитывать квалификацию и опыт операторов по применению различных методов компенсации прогиба валков каландра (контризгиб, перекрещивание). Кроме того, при управлении в нештатных ситуациях, связанных с браком материала по толщине, распознавание наиболее вероятных причин дефектов качества и формирование советов по управлению основывается на использовании моделей представления знаний. Таким образом, актуальным направлением является разработка гибридной интеллектуальной системы управления толщиной и равиотолщинностью тонких полимерных материалов в различных режимах производства, включающей математические модели и подсистему промышленного интеллекта, аккумулирующую передовой производственный опыт каландровожатых и экспертов-технологов, являющихся высококвалифицированными специалистами в данной предметной области.

В связи с этим целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы управления толщиной полимерных каландрованиых материалов, формирующей советы по управлению на базе математических моделей промышленных способов управления толщиной и подсистемы промышленного интеллекта в номинальном режиме и при возникновении брака материала по толщине.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

• исследован процесс каландрования тонких материалов различных классов (полимерная пленка, резина, бумага) и системы контроля толщины, выявлены конструктивные и технологические характеристики процесса, влияющие на профиль толщины, определены параметры используемого оборудования и требования к системе управления;

• проанализированы математические модели для управления толщиной тонких каландрованиых материалов, на основании которых предложено математическое описание способов компенсации прогиба валков каландра;

• составлено формализованное описание каландрования полимерных материалов, необходимое для построения системы управления толщиной;

• разработано математическое обеспечение системы управления, включающее математические модели для управления толщиной каландрованиых тонких полимерных материалов, критерии оценки качества материала по толщине и методику поиска наилучших значений управляющих воздействий;

• разработана подсистема промышленного интеллекта, включающая базу правил управления толщиной при возникновении брака полимерного материала и базу данных значений управляющих воздействий, обеспечивающих заданную толщину и минимальную разнотолщинность материала, для управления при перенастройке производства на новый тип материала или производительность;

• разработан программный комплекс системы управления толщиной тонких полимерных материалов, включающий подсистему управления в номинальном режиме, реализованную на базе математических моделей с учетом измеренного профиля толщины материала, и подсистему промышленного интеллекта для поддержки принятия решений по управлению при возникновении брака по толщине и при переходе на новое производственное задание;

• проведено тестирование и внедрение системы управления на многоассортиментном каландровом производстве полимерных пленок.

Для решения поставленных задач были использованы основы теории управления химико-технологическими производствами, методы математического моделирования, теория сопротивления материалов, аналитическая геометрия, методы проектирования баз данных, методы теории искусственного интеллекта, методы и средства объектно-ориентированной разработки сложных программных комплексов.

Результаты диссертационной работы изложены в четырех главах.

В первой главе представлены результаты анализа литературы, посвященной особенностям производства тонких материалов различных классов каландровым способом и системам контроля толщины, а также приведены результаты сравнения систем управления этими производствами. Выполнен анализ влияния различных технологических параметров на качество целевого продукта и, прежде всего на его толщину и равнотолщинность, представлены результаты обзора существующих математических моделей для управления толщиной тонких материалов.

Во второй главе на основании анализа конфигураций каландровых линий, геометрических и технологических характеристик каландровых агрегатов, параметров физических свойств перерабатываемых материалов и показателей качества продукции представлено формализованное описание процесса каландрования с точки зрения управления толщиной. и равнотолщинностыо. Технологический процесс каландрования анализируется как объект управления. Формулируются задачи управления толщиной материала в различных режимах производства. В соответствии с поставленными задачами производится разработка структуры и алгоритма управления толщиной каландрованных полимерных материалов.

Третья глава посвящена описанию разработанного информационного, математического и алгоритмического обеспечения системы управления толщиной каландрованных полимерных материалов в различных режимах производства, которые позволяют решить поставленные в данной диссертационной работе задачи и значительно облегчают работу оператора каландровой линии.

В четвертой главе описывается разработанный программный комплекс, обобщающий все разработанное информационное, математическое и алгоритмическое обеспечение. Приводится краткое описание его основных возможностей, а также результаты проверки адекватности математических моделей и тестирования автоматизированной системы управления толщиной каландрованных полимерных материалов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработаны математические модели, описывающие влияние различных типов управляющих воздействий на профиль толщины материала (перекрещивание, контризгиб, нагрузка, время работы электродвигателей);

• предложен способ комбинированного управления профилем толщины каландрованных материалов в номинальном режиме, заключающийся в поиске значений перекрещивания и контризгиба по математическим моделям с учетом измеренного на объекте профиля толщины, учитывающего характеристики полимерного материала и воздействие производственных факторов;

• разработана подсистема промышленного интеллекта, работающая в режиме управления при возникновении брака материала по толщине и режиме обучения системы, связанном с запоминанием наилучших значений управлений и достигнутых при этом показателей качества материала для управления при перенастройке производства на новый тип материала или производительность;

• разработан программный комплекс системы управления профилем толщины тонких материалов, позволяющий формировать советы управленческому персоналу в виде наилучших значений управляющих воздействий и рекомендаций по устранению брака в режиме интеллектуального советчика оператора.

Основные результаты работы докладывались на Международной научной конференции ММТТ-17, Кострома, 2004, Международной научной конференции ММТТ-19, Воронеж, 2006 (опубликованы тезисы докладов).

По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ, получено 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Эффективность проведенных исследований подтверждена актами о внедрении.

выводы

1. Анализ литературных источников по управлению толщиной тонких каландрованных материалов различных классов (полимерная пленка, резина, бумага), формуемых на многоассортиментных производствах, показал необходимость разработки автоматизированной системы, позволяющей решать основные функциональные задачи управления толщиной и равнотолщинностью материала, настраиваемой на различные конфигурации каландровой линии, различные типы выпускаемого материала и производительность.

2. Разработано формализованное описание многоассортиментного каландрового производства полимерных материалов, являющееся основой для построения системы управления толщиной.

3. Сформулированы и решены задачи управления толщиной тонких полимерных материалов в различных режимах функционирования каландрового производства: номинальном, при возникновении брака материала по толщине, а также при перенастройке на новый тип продукции или производительность.

4. Построены математические модели, которые позволяют рассчитывать профиль толщины материала и выбирать управляющие воздействия (время работы электродвигателей, контризгиб, перекрещивание валков) для обеспечения наилучших значений толщины и равнотолщинности полимерных материалов для различных характеристик каландровых линий.

5. Для обеспечения возможности перенастройки системы управления на различные конфигурации каландровых линий, типы полимерных материалов, режимы функционирования производства разработано информационное обеспечение включающее базы данных геометрических характеристик каландровой линии и типов полимерных материалов, технологических параметров, показаний толщиномера.

6. Разработан алгоритм управления профилем толщины каландрованных полимерных материалов в номинальном режиме, в основе которого лежит способ комбинированного управления, заключающийся в поиске наилучших значений перекрещивания и контризгиба. по математическим моделям с учетом измеренного профиля толщины, учитывающего характеристики полимерного материала и воздействие производственных факторов.

7. Разработана подсистема промышленного интеллекта, включающая базу правил управления толщиной при возникновении брака полимерного материала и базу данных значений управляющих воздействий, обеспечивающих наилучшее качество материала по толщине, для управления толщиной при перенастройке производства на новый тип материала или производительность.

8. Разработан программный комплекс системы управления толщиной и равнотолщинностью полимерных каландрованных материалов, реализованный в среде объектно-ориентированного программирования, включающий подсистему автоматизированного управления профилем толщины в номинальном режиме, реализованную на базе математических моделей, и подсистему промышленного интеллекта, позволяющий решать основные функциональные задачи управления толщиной и равнотолщинностью для различных конфигураций каландровых линий и типов производимого материала.

9. Выполнена проверка работоспособности системы на основе экспериментальных данных по толщине собранных с двух каландровых линий на заводе по производству полимерной пленки ООО «Клекнер Пентапласт Рус». Результаты проверки показали, что среднеквадратическое отклонение расчетных данных по профилю толщины от эксперимента не превышает 10%, что свидетельствует об адекватном описании реального объекта.

10. Программный комплекс автоматизированной системы управления протестирован по данным каландрового производства полимерных пленок на базе ПВХ и полипропилена для различных конфигураций четырехвалкового каландра. Результаты тестирования показали возможность использования разработанной компьютерной системы для управления толщиной и равнотолщинностью полимерных каландрованных материалов разных типов в различных режимах функционирования каландрового производства, что позволило внедрить ее в опытно-промышленную эксплуатацию на производстве полимерной пленки в России и в учебный процесс кафедры САПРиУ СПбГТИ (ТУ).