Гибридная система управления цветом в экструзионном и экструзионно-каландровом производстве полимерных материалов Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 004.896:678.027.3

Т.Б. Чистякова, А.С. Разыграев, А.Н. Полосин, К. Колерт ГИБРИДНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЦВЕТОМ В ЭКСТРУЗИОННОМ И ЭКСТРУЗИОННО-КАЛАНДРОВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Представлена гибридная система управления, включающая

интеллектуальные подсистемы и модули математического моделирования и позволяющая управлять цветом в многоассортиментном экструзионном и экструзионно-каландровом производстве полимерных материалов. Применение правил перенастройки на новый метод производства, тип и цвет материала и математических моделей для расчета расходов жидких красителей позволяет повысить эффективность существующих систем управления цветом и снизить брак.

Гибридная система управления цветом, база правил перенастройки, математические модели, экструзия, каландрование, полимерные материалы

A.S. Razygraev, T.B. Chistyakova, A.N. Polosin, C. Kohlert HYBRID SYSTEM FOR COLOR CONTROL AT EXTRUSION AND EXTRUSION-CALENDER PRODUCTION OF POLYMERIC MATERIALS

The hybrid control system consisting of intellectual subsystem and subsystem of modeling, allowing to control material color at multi-assortment extrusion and extrusion-calender production of polymeric materials has been developed. Application of rules for changeover to new production method, type and color of the material and mathematical models for calculation of liquid colorants flow rates allows to increase effectiveness of existing color control system and to lower wastage.

Hybrid control system for color, base of changeover rules, mathematical models, extrusion, calendering, polymeric materials

Введение

Основными методами получения цветных упаковочных полимерных материалов являются: плоскощелевая экструзия (пленки и листы из полиолефинов и поливинилхлорида); экструзия с раздувом (пленки из полиолефинов) и каландрование (пленки и листы в основном из поливинилхлорида). Преимуществом плоскощелевой экструзии и каландрования является высокая производительность (до 3000 кг/ч), а раздувной экструзии - широкий диапазон толщины (0,005 - 0,5 мм) и ширины (50 - 24000 мм) пленки. Экструзионное и экструзионно-каландровое производства являются многостадийными и включают стадии сухого смешения компонентов, входящих в рецептуру пленки (листа), подготовки экструдата (плавления, нагрева и перемешивания материала в экструдере), формования экструдата, охлаждения, обрезки кромки материала (для обеспечения заданной ширины полотна), намотки.

Традиционный способ окрашивания пленок и листов, при котором порошкообразные пигменты смешиваются с сыпучим полимером, характеризуется длительной (до 1 часа) перенастройкой линии на новый цвет, в течение которой производится более 500 кг переходного материала, утилизируемого как безвозвратные отходы, и невозможностью оперативного реагирования системы управления на отклонения цвета, вызванные действием возмущений. Каждая линия перенастраивается на новое задание примерно 30 раз за месяц, поэтому издержки производства пленок и листов с использованием сухого окрашивания существенно уменьшают его рентабельность. Для снижения материальных потерь предлагается новый способ управления, заключающийся в использовании жидких красителей, дозируемых в экструдер, и контроле цвета экструдата. Преимуществами данного способа управления являются: равномерное распределение красителя в объеме расплава материала под действием больших сдвиговых деформаций; уменьшение времени очистки экструдера (до 10 минут) и инерционности системы управления (управлением по отклонению цвета экструдата от эталона), приводящее к существенному снижению брака и экономии дорогостоящего сырья.

Управление цветом многоассортиментных полимерных материалов является сложным и базируется на опыте производственного управленческого персонала. Поэтому актуальна разработка гибридной системы управления, позволяющей решать задачи перенастройки производства на новое задание и управление цветом на основе экспертных знаний, формализованных в виде правил перенастройки, и математических моделей (ММ) для расчета управляющих воздействий, обеспечивающих соответствие цвета материала эталону.

Характеристика процесса получения цветных полимерных материалов как объекта управления. Постановка задач управления цветом

Характеристика процесса изготовления цветных полимерных материалов на экструзионных и экструзионно-каландровых линиях как объекта управления представлена на рис. 1.

Рис. 1. Процесс получения цветных полимерных материалов как объект управления

Метод производства Mprod определяет аппаратурное оформление стадий подготовки и формования экструдата, состав возмущений, модификации способа управления цветом. При изготовлении материалов методом плоскощелевой экструзии (Mprod = M1) для подготовки экструдата применяются одношнековые и двухшнековые экструдеры со встречным вращением шнеков, а для формования используются плоскощелевые головки. В большинстве производств пленок методом раздувной экструзии (Mprod = М2) применяются одношнековые экструдеры с кольцевыми головками. При каландровании (Mprod = M3) подготовка экструдата осуществляется в одношнековых, осциллирующих, двухшнековых экструдерах с фильерами.

Управление цветом осуществляется изменением оператором расходов жидких красителей, подаваемых в экструдер, Gci, г = 1...пс. Число красителей различных цветов, формирующих цвет пленки, как правило, составляет пс = 1-3.

Изменение расходов красителей по отклонению цвета продукции (пленки, листа) от задания приводит к увеличению массы бракованной продукции вследствие большого запаздывания реакции системы управления на несоответствие цвета эталону. Поэтому одной из отличительных особенностей предлагаемого способа управления является контроль цвета экструдата. При плоскощелевой и раздувной экструзии термическая нагрузка на материал реализуется в экструдере, поэтому цвет экструдата не отличается от цвета продукции, эталоны которого известны для различных типов и цветов материалов в результате предварительно проводимых колориметрических исследований. Поэтому при управлении цветом в экструзионном производстве измеряется и сравнивается с заданным цветовым эталоном только текущий цвет экструдата. Термическое воздействие на экструдат в процессе его формования на каландре приводит к отличию цвета экструдата от цвета продукции. Поэтому при каждом переходе экструзионно-каландрового производства на новый эталон цвета продукции сохраняется полученный цвет экструдата как эталонный [1].

Текущий цвет экструдата измеряется спектрофотометром, установленным в конце зоны транспортировки расплава экструдера, цвет каландрированной пленки (листа) измеряется спектрофотометром, установленным после устройства охлаждения. Результаты измерений представляются в координатах цветового пространства СШЬаЬ: светлота экструдата ЬеМ и каландрированной пленки (листа) I/, координаты положения цветов в диапазоне от зеленого до красного аех{ и а/, координаты положения цветов в диапазоне от синего до желтого ЬеМ и Ь/. Таким образом, выходные переменные объекта управления - цветовые координаты производимого материала Qmater определяются соотношениями: I = ЬеЛ, а = аех{, Ь = Ьехь если Мрш = М1 или Мрш = М2; I = I/, а = а/, Ь = Ь/, если Мро = Мз.

Основными режимами функционирования производственной системы, реализующей заданный метод изготовления Мргой, являются:

- перенастройки на новые характеристики производства;

- изготовления материала заданного типа и цвета в условиях возмущений.

1. Задача управления при перенастройке производства на новое задание Уо = [ТрЫут, G0, I/, а/, Ь/} заключается в:

- выборе из базы данных (БД) характеристик производства типа экструдера Теми е К-Тех^ы и определении значений его режимных параметров N = МТехтй, Gо, Ох°), Ть = f2(Textrud, Троут, О»0), обеспечивающих получение из материала заданного типа Тро1ут экструдата требуемого качества Оех® с производительностью G > G0;

- формировании с использованием базы правил перенастройки советов оператору по подготовке производства к переходу на новый цвет материала Ясыог;

- оценке по эмпирической ММ долей расходов красителей в производительности к = /3(Тро1ут, I/, а/, Ь/), г = 1...пс и расчете расходов красителей Gci = /4(кг , G0), г = 1...пс, обеспечивающих соответствие цвета материала эталону АЕ < йЕ ± Атах;

- сохранении в БД результатов управления цветом долей расходов красителей кг , г = 1...пс (для любого Мргой) и измеренных цветовых координат экструдата ЬеМ, аеМ, Ьх при 196

^ % расходах красителей Gci = /4(к , Gо), г = 1. Пс как эталонных ЬеП = Ьем, aext = аеМ, Ьext = Ьext

(если Мргой = М3).

При перенастройке на новый тип материала Троут и производительность линии G0 выбор типа экструдера ТеМгий осуществляется из множества типов экструдеров КТехШй, допустимых для заданного метода производства Мргой. Многообразие типов экструдеров-смесителей и экспертные знания по их выбору, формализуемые в виде правил выбора, учитываются при построении системы управления. Значения частоты вращения шнека N и температуры корпуса ТЬ экструдера определяются из БД в зависимости от производительности и требований к качеству экструдата (отсутствие нерасплавленных включений, следов деструкции).

т—Г * * 7 *

Перенастройка на новый цвет, характеризуемый координатами I/ , а/ , Ь/ , связана с подключением к экструдеру дозаторов красителей необходимых цветов, выбор которых осуществляется на основе экспертных знаний, и поиском расходов красителей, при которых цветовое отклонение материала от эталона АЕ не превышает предельное отклонение йЕ с учетом погрешности измерения цвета Атах. Значение йЕ, задаваемое международными стандартами качества, составляет 0,8 - 3,0 в зависимости от области применения материала [2]. Значение Атах = 0,2 определяется пределом допускаемой погрешности спектрофотометра.

В режиме изготовления материала изменение расходов красителей необходимо для компенсации возмущений, связанных с колебаниями запаса экструдата в питающем межвал-ковом зазоре каландра ^еЛ (при Мргой = М3) и колебаниями качества сырья, вызванными подачей в экструдер потока возвратных отходов с расходом Gedg (при заданном Мргой).

Оператор экструзионно-каландровой линии в зависимости от величины запаса экстру-дата ^еЛ изменяет частоту вращения шнека экструдера N, чтобы предотвратить аварийную ситуацию, связанную с соударением питающих валков каландра, и уменьшить опасность термической деструкции материала из-за длительного (до 5 минут) пребывания во вращающемся запасе. Однако изменение частоты вращения шнека приводит к изменению текущей производительности экструдера G и отклонению цвета экструдата от эталона.

При экструзионном и каландровом методах производства подача в экструдер возвратных отходов - раздробленной кромки материала, цвет которой отличается от цвета изготавливаемого материала, также приводит к цветовому отклонению экструдата от эталона.

Поэтому сформулированы задачи управления цветом в условиях действия возмущений:

2. Задача управления в условиях колебаний запаса экструдата ^еЛ заключается в расчете по ММ текущей производительности экструдера G для заданной частоты вращения шнека N = /5(^еЛ) и вычислении расходов красителей Gci = /4(кг , G), г = 1...пс, которые обеспечивают соответствие цвета экструдата эталону АЕеМ < йЕеМ ± Атах.

3. Задача управления при подаче возвратных отходов заключается в оценке по ММ долей расходов красителей кг = /б(Трыут, I, а , Ь ), г = 1. пс и расчете расходов Gci = /4(кг , G), г = 1.пс, обеспечивающих соответствие цвета экструдата эталону АЕеМ < йЕеМ ± Атах.

В постановках задач использованы следующие обозначения: АЕеЛ, йЕеМ - текущее и

* * *

предельно допустимое отклонение цвета экструдата от эталона; Ь , а , Ь - эталонные цветовые координаты материала, определяемые при перенастройке.

Система управления цветом в экструзионном производстве решает задачи 1 и 3. Система управления цветом в экструзионно-каландровом производстве решает задачи 1 - 3.

Структура гибридной системы управления цветом

Структура предлагаемой гибридной системы управления цветом полимерных материалов в экструзионно-каландровом производстве, которая реализует алгоритмы управления цветом во всех режимах функционирования производственной системы, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структура гибридной системы управления цветом каландрированных материалов

Основными компонентами системы управления являются:

- интеллектуальная подсистема, используемая для формирования советов оператору по подготовке производства к переходу на новые характеристики: тип и цвет полимерного материала; производительность линии;

- библиотека ММ, включающая теоретические модели для расчета производительности экструдеров различных типов в зависимости от частоты вращения шнека и эмпирические модели для расчета расходов жидких красителей, обеспечивающих эталонный цвет материала, полученные обработкой экспериментальных данных для заданного типа и цвета материала;

- информационная подсистема, включающая БД характеристик производства, применяемую для настройки системы управления на новый тип материала, тип экструдера, БД результатов управления цветом, необходимую для сохранения значений режимных характеристик (долей расходов жидких красителей в производительности), обеспечивающих эталонный цвет материала, и достигнутых при них цветовых координат экструдата.

Производства цветных полимерных материалов основываются на различных методах переработки, являются перенастраиваемыми на различные типы и цвета материалов, типы экструдеров, текущая производительность экструдера, от которой зависят расходы красителей, не контролируется в производственных условиях, цветовые координаты материала зависят от долей расходов в производительности. Поэтому разработана и интегрирована в систе-

му управления библиотека ММ. При перенастройке системы управления цветом полимерно*

го материала, изготавливаемого данным методом Мргой, на новый тип Троут, эталон цвета I/ , а/ , Ь/ материала, тип экструдера ТехШй осуществляется структурно-параметрический синтез ММ для расчета производительности экструдера G и ММ для оценки долей расходов красителей в производительности кг , г = 1...пс, обеспечивающих эталонный цвет [3]. Теоретическая ММ процесса экструзии позволяет рассчитать производительность экструдера данного типа (одношнековый, осциллирующий, двухшнековый) G в зависимости от текущей частоты вращения шнека N при заданных геометрических параметрах экструдера и характеристиках полимерного материала. По текущей производительности экструдера G в зависимости от долей расходов красителей к , I = 1...пс рассчитываются управляющие воздействия на экструдер Gci, г = 1...пс, компенсирующие отрицательное влияние колебаний запаса экструдата в питающем зазоре каландра ^еЛ на цвет производимого материала. Эмпирические ММ используются для оценки долей расходов красителей кг , г = 1...пс, в зависимости от которых при заданной G0 или текущей G производительности экструдера рассчитываются расходы красителей Gci, г = 1...пс, обеспечивающие соответствие цвета материала эталону при перенастройке производства на новый эталон цвета или подаче в экструдер возвратных отходов Gedg.

Г ибридная система управления цветом полимерных материалов в экструзионном производстве реализует алгоритмы управления цветом при перенастройке производства на новое задание и в условиях подачи в экструдер возвратных отходов, поэтому ее структура, аналогичная структуре системы управления, представленной на рис. 2, не включает модуль расчета расходов красителей при колебаниях запаса экструдата.

База правил перенастройки производства

Для представления знаний производственного управленческого персонала о подготовке к переходу производства на новый тип и цвет материала, производительность линии использована продукционная модель. Примеры продукционных правил приведены в таблице.

Таблица

Примеры продукционных правил перенастройки производства

№ ЕСЛИ ТО

Правила перенастройки производства на новый тип материала и производительность

1 Плоскощелевая экструзионная линия переходит с производства пленки из гранулированного полиэтилена на производство пленки из порошкообразного поливинилхлорида Необходимо заменить одношнековый экструдер на двухшнековый экструдер с встречным вращением зацепляющихся шнеков

2 Экструзионно-каландровая линия переходит на производство пленки из жесткого поливинилхлорида с увеличением производительности с в0 = 1500 кг/ч до в0 = 2500 кг/ч Необходимо отключить от каландровой линии двухшнековый экструдер с встречным вращением зацепляющихся шнеков и подключить осциллирующий экструдер

Правила перенастройки производства на новый цвет материала

1 Экструзионная линия переходит с производства пленки желтого цвета на производство пленки оранжевого цвета Необходимо подключить к экструдеру дозатор красного красителя

2 Экструзионно-каландровая линия переходит с производства пленки оранжевого цвета на производство пленки коричневого цвета Необходимо отключить от экструдера дозаторы красного и желтого красителей и подключить дозатор коричневого красителя

Тестирование гибридной системы управления цветом

Тестирование системы управления в различных режимах производства выполнено по данным процессов изготовления фармацевтических поливинилхлоридных пленок различных цветов (синего, желтого, оранжевого, коричневого) на экструзионно-каландровой линии 1 завода компании «Клекнер Пентапласт Рус». В качестве устройства, питающего каландровую линию экструдатом, использован осциллирующий экструдер, к которому в зависимости от заданного эталона цвета пленки подключались 1 или 2 дозатора жидких красителей соответствующих цветов. На рис. 3 представлен пример работы системы в режиме управления цветом при подаче в экструдер возвратных отходов, представляющий трехмерную модель, отображающую зависимость цветового отклонения экструдата от долей расходов красителей, текущие 1 и наилучшие 2 значения управляющих воздействий, при которых цветовое отклонение экструдата от эталона не превышает предельно допустимое отклонение.

Рис. 3. Зависимость цветового отклонения экструдата от долей расходов красителей

Трехмерная модель помогает оператору выбрать направление изменения и количество шагов изменения расхода красителя каждого цвета для достижения эталонного цвета материала. Величина шага при построении 3Э-модели связана с возможностями физической реализации найденных управлений на экструдере.

Проверка работоспособности системы управления показала, что система настраивается на метод производства, позволяет сформировать советы оператору по подготовке к переходу производства на новое задание и рассчитать расходы красителей, обеспечивающие соответствие цвета материала эталону при перенастройке на новый цвет, в условиях колебаний запаса экструдата и подачи в экструдер возвратных отходов.

Выводы

1. Разработана гибридная система управления цветом в многоассортиментном экструзионном и экструзионно-каландровом производстве полимерных материалов, которая настраивается на характеристики производства и позволяет на основе библиотеки ММ и базы правил управлять цветом материалов (экструдата, продукции) при перенастройке на новый тип и эталон цвета материала, производительность и в регламентном режиме.

2. Применение системы управления позволяет использовать окрашивание полимерных материалов жидкими красителями и повышает эффективность производства за счет снижения времени перенастройки на новый цвет материала, брака по цвету и возвратных отходов. Предлагаемый способ управления цветом и реализующая его гибридная система могут быть использованы на аналогичных производствах, выпускающих материалы экструзионным и каландровым методом (например, производства линолеума, резинотехнических изделий).

ЛИТЕРАТУРА

1. Разыграев А.С., Чистякова Т.Б., Полосин А.Н., Колерт К. Автоматизированная система управления цветом каландрированных полимерных пленок // Известия СПбГТИ(ТУ). 2012. № 14. С. 102-106.

2. Мюллер А. Окрашивание полимерных материалов. СПб.: Профессия, 2006. 280 с.

3. Полосин А.Н., Чистякова Т.Б., Разыграев А.С., Колерт К. Математическое обеспечение гибридной системы управления цветом экструдированных и каландрированных полимерных материалов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 2.

Чистякова Тамара Балабековна -

доктор технических наук, проректор по учебной работе, профессор кафедры «Системы автоматизированного проектирования и управления» Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета)

Разыграев Александр Сергеевич -

старший преподаватель кафедры кафедры «Системы автоматизированного проектирования и управления» Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета); инженер по развитию исследовательского отдела компании «Клекнер Пентапласт Рус»

Полосин Андрей Николаевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы автоматизированного проектирования и управления» Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета)

Колерт Кристиан -

кандидат технических наук, почетный профессор Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), член Научного общества им. Г.В. Лейбница, директор по технологиям компании «Клекнер Пентапласт Европа»

Статья поступила в редакцию 10.02.12, принята к опубликованию 12.03.12