CC BY
10
А. С. Кузнецов, аспирант, МГУ ИТРЭ, Московский технологический университет, г. Москва, [email protected] В. Ф. Корнюшко, докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой МГУ ИТРЭ, Московский технологический университет, Москва, [email protected]
И. А. Гончаров, студент МГУ ИТРЭ, Московский технологический университет, г. Москва, [email protected] И. М. Агаянц, докт. техн. наук, профессор, МГУ ИТРЭ, Московский технологический университет, г. Москва, [email protected]
Информационная поддержка системы управления технологическим процессом структурирования эластомерных систем с использованием реометрических кривых
В статье рассмотрены вопросы создания информационной поддержки системы управления технологическим процессом структурирования эластомерных систем. На примере производства изделий из эластомеров показано применение методов математического и информационного моделирования для управления технологическими процессами смешения и структурирования. Показана целесообразность применения реометрических кривых при анализе и контролировании процессов смешения и структурирования.
Ключевые слова: информационная поддержка, процесс структурирования, эластомерные системы, информационная модель, реометрические кривые.
Введение
Требования к качеству изделий из эластомеров в настоящее время все более ужесточаются. Важными задачами являются контроль и управление процессом структурирования, необходимые для получения кондиционных изделий, повышения производительности и снижения образования брака.
Одним из важнейших направлений повышения эффективности контроля над технологическими процессами смешения и вулканизации и управления ими является применение математических и информационных
моделей для описания данных виброреоме-трии (т. е. анализ реометрических кривых). Так как на сегодня построение автоматизированных систем управления процессами смешения и структурирования эластомерных систем практически невозможно, то для принятия решений о качестве проведенного процесса используются реометрические кривые (рис. 1). Поэтому реометр является неотъемлемой частью любой Центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ), где и проводится оценка качества полученной эластомерной системы путем анализа проб резиновой смеси. Для снятия кривой обычно применяют различные реометры [1].
Полученная реограмма представляет собой зависимость момента сопротивления материала деформированию от времени и характеризует качество выполнения процесса, соблюдения каждой конкретной рецептуры, выполнения условий рецептуры и проведения технологических операций.
Математическая модель, отражающая основной показатель процесса — степень вулканизации в, находится из физико-химических соотношений и имеет вид
1 + exp
M = a + b x t + d • ln(21/e -1)-
\\
J J
(1)
ß = 1
1 + exp
ft + d x ln(21/e -1) - сл Ye
. (2)
J J
exp
dß _ e
dT=~d7 T
exp
v v
t+d •ln(21/e-1) - с
/
t+d ln(2e-1) - с
\
y+1
+1
/ )
. (3)
'«чг
ч % В = (М-М ШМ -MÍ) ' ^ rpin' 4 max m¡rY
%
+ :+ -...................г®................. ■ i--------------------
-.................................... ' i--------------------
20 30
ВРЕМЯ, мин
Здесь параметр а с учетом воспроизводимости реограмм можно рассматривать как минимальный крутящий момент Мтп. Параметр Ь соответствует приращению крутящего момента ДМ=Мтах -Мтп. Параметр с равен вулканизационной характеристике С50). Параметры й и е связаны между собой и с вул-канизационными характеристиками.
Переходя к степени вулканизации в =
= (М - Мт11)/(Мтх - Мтгп\ получим
Скорость вулканизации определяется соотношением
Выражая время t через степень вулканизации, получим дифференциальное уравнение следующего вида:
4Р=е.(1 -в).(1 -(1 -ву. (4)
dt а
Предложенные модели используются для математического описания процесса структу-
Рис. 1. Иллюстрация реограммы
Fig. 1. Illustration of the rheogram
рирования и предшествуют построению информационной модели.
Построение информационных моделей для процессов смешения, структурирования и контроля производства изделий из эластомеров необходимо для объединения производственных процессов в единую информационную систему для принятия решений и определения участка, на котором производится корректировка процессов.
Построение вербальной модели процесса структурирования
Процесс структурирования — это химический процесс превращения сырой пластичной резиновой смеси в эластичную резину и технологический процесс получения изделия, резины, эластомерного композиционного материала путем закрепления требуемой формы для обеспечения требуемой функции изделия.
На начальном этапе имеются каучук и различные ингредиенты. После развески приступают к процессу смешения. Процесс смешения проводят на вальцах или в рези-носмесителе. В результате получают полуфабрикат — сырую резиновую смесь (промежуточный продукт), которую в дальнейшем подвергают вулканизации (структурированию). На этапе сырой резиновой смеси контролируют равномерность смешения, прове-
ряют состав смеси, оценивают ее вулканиза-ционную способность.
В результате вулканизации получают готовое изделие. Точное соблюдение установленных параметров смеси необходимо для получения изделия с требуемым уровнем заданных свойств.
В процессах производства изделий из эластомеров контролируемыми параметрами являются: температура Т при смешении и вулканизации, давление Р при прессовании, время т обработки смеси на вальцах, а также время вулканизации (оптимум).
Температура смеси при смешении на вальцах измеряется игольчатой термопарой или термопарой с самопишущими приборами. Имеются также датчики температуры [1]. Ее обычно контролируют, изменяя расход охлаждающей воды для вальцев при помощи регулировки вентиля. Возможно применение регулятора расхода охлаждающей воды.
Давление контролируется при применении масляного насоса.
В общем виде вербальную модель процесса структурирования можно свести в таблицу (рис. 2.), где в качестве функций (Ф1, Ф2, Ф3) обозначены основные операции контроля производства, в блоке документов отражены основные источники и нормы контроля параметров процесса (Д1, Д2, Д3), а также указаны исполнители (И1, И2, И3).
Установление параметров изготовления резиновой смеси (Ф1) производится вальцовщиком (И1) по контрольным картам (Д1),
где содержатся необходимые значения параметров процесса.
Контроль качества полуфабриката (сырой смеси) (Ф1) проводится специалистами центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ) (И2) завода-изготовителя по паспорту смеси (Д2).
Процедура оценки вулканизационных ха-рактристик (Ф3) проводится технологом (И3) по паспорту смеси и данным реометрических испытаний (Д3).
Контроль получения кондиционного изделия (Ф4) — завершающая стадия — проводится специалистами отдела технического контроля качества готовой продукции (И4) по данным испытаний технических свойств изделия (Д4).
Построение информационной модели процесса структурирования
Для управления технологическим процессом структурирования эластомерных систем [4] используются экспертные решения, принимаемые на основе реограмм. Для выбора управляющих параметров и оценки их влияния на характеристики получаемых смесей были построены информационные модели процесса.
Функционально-технологическая модель производства изделий из эластомеров описывает последовательное преобразование ресурсов в готовую продукцию усилиями различных исполнителей на основе различных регламентирующих документов [1; 3].
Функции
Документы
Исполнители
Ф1 — определение параметров производства резиновой смеси,
Ф2 — контроль качества смеси, Ф3 — оценка и контроль вулканизационных характеристик смеси,
Ф4 — контроль свойств готового изделия, выявление брака
Д1 — карта производства смеси, Д2 — паспорт смеси, Д3 — паспорт смеси, данные виброреометрии,
Д4 — паспорт смеси, данные физико-механических испытаний
И1 — вальцовщик,
И2 — специалист ЦЗЛ,
И3 — специалист-технолог,
И4 — специалист отдела контроля качества готовой продукции
Рис. 2. Вербальная модель процесса структурирования в табличной форме
Fig. 2. Table form of structuring process verbal model
Рис. 3. Общая схема производства эластомерного композиционного материала (резины)
Fig. 3. General scheme of elastomer composition material (rubber) producting
На начальном этапе производство изделий из эластомеров рассматривается как единый, целостный процесс — материалы, продукция, регламентирующие документы и исполнители не уточняются. Данный этап описывается диаграммой уровня А-0 (рис. 3).
Сырье, используемое для производства, описывается с помощью входных дуг. Полученная продукция (сырая резиновая смесь, полуфабрикат или готовое изделие — эластомерный композиционный материал, резина) описывается с помощью дуг «выход».
В дальнейшем на первом этапе декомпозиции выделено пять основных технологических процессов, применяемых при изготовлении резиновой смеси: подготовка ингредиентов резиновой смеси, смешение в резинос-месителе, доработка смеси, оценка качества резиновой смеси и собственно хранение готовой смеси (рис. 4).
На этом этапе исполнители основных технологических процессов обозначены с помощью дуг «механизм». Из приведенной диаграммы видно, что каждый конкретный технологический процесс реализуется отдельным исполнителем [7].
Функциональный блок «Оценка качества резиновой смеси» был подвергнут дальнейшей декомпозиции и разделен на 4 процесса: проверка смеси на пластичность, оценка вул-канизационных свойств резиновой смеси, проверка однородности смешения и соб-
ственно технологический процесс вулканизации для получения готового изделия (рис. 5).
Из приведенной функциональной диаграммы видно, что на вулканизацию попадает только резиновая смесь, отвечающая всем установленным критериям ее качества.
С помощью дуг «управление» описаны документы, регламентирующие основные технологические параметры рассматриваемых процессов. На данном этапе декомпозиции с помощью дуг «управление» описаны технологические агрегаты, с помощью которых выполняется каждый из рассматриваемых процессов. Например, оценка вулканизационной способности и свойств резиновой смеси выполняется с помощью реометра Монсанто. Полученные при этом реограммы используются для оценки параметров индукционного периода вулканизации.
'с(90)'
-tc (10) = d •ln
10/91'
1
10/9 e-9
31/ e
+—ln9. (5)
e
Величина е характеризует индукционный период процесса. Чем меньше параметр е, тем больше индукционный период.
Полученные данные позволяют принять соответствующие управленческие решения, а именно: смесь либо дорабатывается до необходимого уровня свойств, либо забраковывается и применяется для производства резиновых изделий другого класса.
Рис. 4. Диаграмма А-1. Производство резиновой смеси
Fig. 4. Diagram A-1. Rubber blend producturing
Рис. 5. Диаграмма А14. Оценка качества резиновой смеси
Fig. 5. The quality of rubber blend precision
Рис. 6. Диаграмма А144. Вулканизация резиновой смеси (получение ЭКМ)
Fig. 6. Diagram A144. Rubber blend vulcanization
Информационная поддержка контроля свойств резиновой смеси и ее доработки (при необходимости) приведена в виде функционального блока «Вулканизация».
Технологический процесс вулканизации состоит из 5 функциональных блоков, описан на диаграмме уровня А144 (рис. 6.) и включает в себя процессы контроля свойств резиновой смеси, ее доработку (при необходимости), собственно процесс вулканизации, охлаждение продукта и контроль свойств готового изделия.
С помощью дуг «управление» описаны основные параметры, влияющие на протекание технологического процесса: температура, время и давление. Регламентирующие документы представлены картой смеси и паспортом смеси.
Функциональный блок «Контроль свойств изделия» был подвергнут дальнейшей декомпозиции, в ходе которой были выделены и конкретизированы 5 процессов: внешний осмотр изделия на предмет явных дефек-
тов, оценка физико-механических показателей, твердости, эластичности по упругому отскоку, истираемости (рис. 7). При соблюдении норм контроля мы получаем изделие с заданным комплексом свойств, при значительном отклонении — брак.
Заключение
На сегодняшний день управление процессами структурирования нереализуемо с помощью автоматизированных систем управления, так как основные показатели процесса
МтХ (С(10У (е(50у (е(9о) не могут быть измерены непосредственно, а только с применением вторичных аналитических приборов — виброреометров различных конфигураций, что приводит к применению экспертных систем.
1. Показана возможность применения математического и информационного моделирования для информационной поддержки экспертных решений в управлении техноло-
Рис. 7. Диаграмма А1445. Контроль готового изделия и выявление брака
Fig. 7. Diagram A1445. Finished product control and defect detection
гическим процессом структурирования эла-стомерных систем. На примере производства изделий из эластомеров построены математические и информационные модели для технологических процессов смешения и структурирования. Анализ полученных диаграмм позволяет выделить ряд характерных особенностей технологического процесса структурирования эластомерных систем.
2. Показана целесообразность применения реометрических кривых при анализе и контролировании процессов смешения и структурирования.
При этом при построении информационной модели реограмму рассматривают как инструмент управления технологическим процессом структурирования эластомерных систем.
3. Показано, что функционально-технологическая модель производства изделий из эластомеров позволяет формализовать детальный анализ последовательного преобразования ресурсов в готовую продукцию усилиями различных исполнителей на основе различных регламентирующих документов.
4. На основе декомпозиции функционально-технологической модели построен ряд диаграмм, в том числе для оценки качества резиновой смеси и контроля готового изделия и выявления брака, что позволило фор-
мализовать управление процессом на основе
регламентирующих документов, представленных картой смеси и паспортом смеси.
Список литературы
1. НоваковИ. А, Вольфсон С. И, Новопольцева О. М, КракшинМ. А. Реологические и вулканизационные свойства эластомерных композиций. М.: ИКЦ «Академкнига», 2008. — 332 с.
2. Monsanto Accelerator Rheographs, Brussels, 1987. Measuring visco-elastic properties using the MDR 2000 rheometer, Louvain-la-neuve, 1989. — 20 p.
3. Кашкинова Ю. В. Количественная интерпретация кинетических кривых процесса вулканизации в системе организации рабочего места технолога — резинщика: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2005. — 24 с.
4. Кузнецов А. С., Корнюшко В. Ф, Агаянц И. М. Ре-ограмма как инструмент управления технологическим процессом структурирования эластомерных систем. М.: НХТ, 2015. С. 143.
5. Агаянц И. М, Наумова Ю. А., Кузнецов А. С. Анализ корелляционных соотношений в области реометрических исследований резин. М.: Вестник МИТХТ, 2013. Т. 8. № 1. С. 15-19.
6. Агаянц И. М, Кузнецов А. С, Овсянников Н. Я. Модификация осей координат при количественной интерпретации реометрических кривых // Тонкие химические технологии. 2015. Т. 10. N° 2. С. 64-70.
7. Бурляева Е. В, Колыбанов К. Ю, Панова С. А. Информационная поддержка систем принятия решений на производственных предприятиях химического профиля. М.: Издательство МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 2013. — 196 с.
References
1. Novakov I. A., Vol'fson S. I., Novopol'ceva O. M., Krakshin M. A. Rheological and vulcanization properties of elastomeric compozitions [Reologicheskie i vulkanizacionnye svojstva jelastomernyh kompozicij]. Moscow, «Akademkniga» Publ., 2008. 332 p.
2. Monsanto Accelerator Rheographs, Brussels, 1987. Measuring visco-elasticproperties using the MDR 2000 rheometer. Louvain-la-neuve, 1989. 20 p.
3. Kashkinova Ju. V. Quantative interpretation of the rheometric curves of vulcanization process in technolog — rezinschikov worklace organization system [Kolichestvennaja interpretacija kineticheskih krivyh processa vulkanizacii v sisteme organizacii rabochego mesta tehnologa — rezinshhika: avtoref. dis. ... kand. tehn. Nauk]. Moscow, 2005. 24 p.
4. Kuznecov A. S., Kornjushko V. F., Agajanc I. M. Rheo-gram as an instrument oftechnological process ofstructuring control [Reogramma kak instrument upravlenija
tehnologicheskim processom strukturirovanija jelastomernyh system]. Moscow, NHT, 2015, p. 143.
5. Agajanc I. M., Naumova Ju. A., Kuznecov A. S. The correlation ratio analysis in rheometric investigation of rubbers field [Analiz korelljacionnyh sootnoshenij v oblasti reometricheskih issledovanij rezin]. Moscow, VestnikMITHT, 2013, vol. 8, no. 1, pp. 15-19.
6. Agajanc I. M., Kuznecov A. S., Ovsjan-nikov N. Ja. The coordinate axes modification at the quantative rheometric curves interpretation [Modifi-kacija osej koordinat pri kolichestvennoj interpretacii reometricheskih krivyh]. Moscow, Tonkie himicheskie tehnologii, 2015, vol. 10, no. 2, pp. 64-70.
7. Burljaeva E. V., Kolybanov K. Ju., Panova S. A. Informational support of the solution making systems on the chemical profile industrial companies [Infor-macionnaja podderzhka sistem prinjatija reshenij na proizvodstvennyh predprijatijah himicheskogo pro-filja]. Moscow, MITHT im. M. V. Lomonosova Publ., 2013. 196 p.
A. Kuznetsov, Moscow Technological University, Moscow, Russia, e-mail: [email protected] V. Kornushko, Moscow Technological University, Moscow, Russia, [email protected] I. Goncharov, Moscow Technological University, Moscow, Russia, [email protected] I. Agayants, Moscow Technological University, Moscow, Russia, [email protected]
Information support of process structuring elastomeric systems control system using the rheometer curves
In this article from the standpoint of system analysis the questions of creation of an information management system to support the process of structuring elastomeric systems are observed. It is necessary to analyze, control and monitor the process of the structuring of elastomers products for the product with desired properties and characteristics obtaining and defect product obtaining prevention. Rheometer curves nowadays are widely used for the mixing and structuring process controlling and monitoring. The functional diagrams of mixing and structuring process are built and also their further decomposition is carried out. For all given functional diagrams all functional blocks are being discussed, the specific operation performers of all technological processes are listed. All necessary equipment for technological operations are named. By example of the products from elastomers manufacture information models for the processes of mixing and structuring were built. For the structuring process description there is also a verbal model in text and table forms is also proposed. The expediency of rheometer curves in the analysis, control and monitoring of the processes of mixing and structuring is shown. Given information model and functional diagramms are represent the basis of the information management system of the mixing and structurig processes support.
Keywords: information support, the process of structuring the elastomer system, information model, rheometric curves. About authors:
A. Kuznetsov, Postgraduate; V. Kornushko, Dr of Technique, Professor, I. Goncharov, Student; I. Agayants, Dr of Technique, Professor
For citation: Kuznetsov A., Kornushko V., Goncharov A., Agayants I. Information support of process structuring elastomeric systems control system using the rheometer curves.
Prikladnaya Informatika — Journal of Applied Informatics, 2016, vol. 11, no. 2 (62), pp. 23-30 (in Russian).
