CC BY
16УДК 004.8'
Mukim M. Fozilov, Tamara B. Chistyakova, Andrey N. Polosin
A COMPUTER SYSTEM OF INDUSTRIAL DATA ANALYSIS FOR EVALUATION OF EXTRUSION EQUIPMENT STATE AT POLYMERIC FILM PRODUCTION
St Petersburg State Institute of Technology (Technical University),St Petersburg, Russia
A computer system was described for evaluating the extrusion equipment state based on the analysis of data from large-capacity, multi-assortment production of polymeric films. It includes a subsystem for industrial data analysis and evaluation of state parameters of extruders. It also includes a module for calculating the clearance between extruder barrel and screw - as the clearance characterizes wear - a module for calculating dependability measures of extruders, a data and knowledge bank on characteristics of the extrusion stage, a visuaiization subsystem for plotting parameter trends and displaying advices on eiimination of extruder element malfunctions. The system adjusts to a different assortment of polymeric films and types of extruders; it alows us to evaluate the extrusion equipment operating life and to make advice for managerial production staff on elimination of malfunctions that lead to increased vibration and wear of equipment. Testing of the system according to the data of calender and extrusion productions of polymeric films in Russian and German plants confirmed its operabHity and possibility of its using as advisor to operators. The use of the system allows us to save the extrusion equipment operating life and reduce its production downtime, contributing to an increase in the throughput and qualtty of the end product.
Keywords: computer system, databases, knowledge base, mathematical models, production data analysis, equipment dependability measures, equipment state evaluation, extruders, production of polymeric films.
001: 10.36807/1998-9849-2020-57-83-81-89
Введение
Современный этап развития высокотехнологичных производств упаковочных пленок из полимеров, более 50 % которых применяются в фармацевтической и пищевой промышленности, характеризуется активным внедрением в производство комплексных наукоемких технологических решений, ориентирован-
:678.027.3
Фозилов М.М., Чистякова Т.Б., Полосин А.Н.
КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА АНАЛИЗА ПРОМЫШЛЕННЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЭКСТРУЗИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВАХ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Санкт-Петербург, Россия
Описана компьютерная система, предназначенная для оценки состояния экструзионного оборудования на основе анализа данных крупнотоннажных, многоассортиментных производств полимерных пленок. Она включает подсистему анализа промышленных данных и оценки параметров состояния экструдеров, модули вычисления зазора между корпусом и шнеком, характеризующего износ, показателей надежности экструдеров, банк данных и знаний о характеристиках стадии подготовки экструдата, подсистему визуализации для построения трендов параметров и вывода советов по устранению неисправностей элементов экструдеров. Система настраивается на различный ассортимент полимерных пленок и типы экструдеров, позволяет оценить ресурс экструзионного оборудования и сформировать советы управленческому производственному персоналу по устранению неисправностей, приводящих к повышенной вибрации и износу оборудования. Тестирование системы по данным экструзи-онно-каландрового и экструзионного производств полимерных пленок на заводах в России и Германии подтвердило ее работоспособность и возможность использования в качестве советчика операторов. Применение системы позволяет сохранить ресурс экструзионного оборудования и уменьшить его производственные простои, способствуя повышению производительности и качества целевой продукции.
Ключевые слова: компьютерная система, базы данных, база знаний, математические модели, анализ производственных данных, показатели надежности оборудования, оценка состояния оборудования, экс-трудеры, производство полимерных пленок.
Дата поступления - 2 апреля 2021 года
ных на потребителей и связанных с использованием новых типов сырья, совершенствованием рецептур продукции, конфигураций и элементов оборудования, систем управления основными стадиями производства. Технологические инновации способствуют увеличению конкурентоспособности производителей за счет непрерывного роста объемов производства (производи-
тельность более 1000 кг/ч), обеспечения ресурсосбережения, снижения брака, повышения оперативности реагирования на изменения потребностей рынка, роста прибыли вследствие увеличения цены продукции, имеющей уникальные потребительские характеристики. При этом существенно повышается сложность принятия управленческих решений, направленных на бесперебойный выпуск инновационной продукции требуемого качества, характеризуемого толщиной, равно-толщинностью, внешним видом, цветом и другими потребительскими характеристиками, с максимально возможной производительностью. Необходимым условием выполнения указанных требований является обеспечение работоспособного состояния основного производственного оборудования. В экструзионно-каландровых и экструзионных производствах полимерных пленок (ПП) таким оборудованием являются экс-трудеры различных типов (одношнековые, осциллирующие, двухшнековые), применяемые для плавления полимеров, перемешивания и формования их расплавов (подготовки экструдата, формуемого в ПП). Состояние экструзионного оборудования определяет производительность процесса, качество ПП и сроки выполнения производственных заданий. Экструдеры характеризуются сложностью конструктивного исполнения и кинематической схемы (большое число модульных конструктивных элементов, сложное движение шнека/шнеков). Неисправности элементов привода экстру-дера - электродвигателя (до 50% неисправностей), редуктора (около 10 % неисправностей), блока упорных подшипников (около 40 % неисправностей), - вызванные их износом в процессе эксплуатации, проявляются в изменении частоты вращения шнека/шнеков, неспособности создания необходимого вращающего момента [1, 2]. Так, снижение напряжения на электродвигателе привода уменьшает вращающий момент и частоту вращения. Это приводит к уменьшению выхода ПП и ухудшению ее потребительских характеристик вплоть до выпуска брака (вследствие снижения качества экструдата). При длительных отклонениях напряжения от номинального значения ускоренный износ изоляции электродвигателя может привести к уменьшению срока ее службы. Износ корпуса и шнека/шнеков экструдера, вызываемый в основном наличием абразивных компонентов в перерабатываемой полимерной композиции, например, наполнителя, и коррозионным действием продуктов частичной термической деструкции полимера, например, соляной кислоты при экструзии поливинилхлорида (ПВХ), проявляется увеличением радиального зазора между внутренней поверхностью корпуса и гребнями витков нарезки шнека/шнеков [3]. Это снижает производительность экструдера и приводит к повышению температурной неоднородности экструдата за счет уменьшения теплового потока между корпусом и расплавом полимера. Приходится прерывать процесс для поиска причины его сбоя на определенное, иногда длительное, время, в течение которого производственная линия простаивает. По данным производителей одни сутки простоя каждой линии влекут около 3 млн. руб. убытков из-за непроизведенной ПП массой ~ 24000 кг (при производительности 1000 кг/ч). В промышленности для выявления неисправностей оборудования на ранней стадии применяются различные методы мониторинга таких параметров состояния оборудования, как сила тока, напряжение, температура, вибрации [4]. Анализ результатов мониторинга позволяет принять
предупредительные меры (осуществить техническое обслуживание) до выхода оборудования из строя. Поэтому перспективным способом уменьшения времени простоя и выпуска некачественной продукции является применение в производствах ПП мониторинга состояния элементов экструдеров, который позволяет предупредить производственный персонал о возможных проблемах с ними (механических неполадках) задолго до их разрушения, вызванного износом.
Основной тренд применения цифровых технологий в международной промышленности пластмасс связан с разработкой компьютерных систем поддержки принятия решений, помогающих операторам эффективно решать задачи управления качеством целевой продукции на основе обработки промышленных данных, получаемых из разных источников, с использованием различных методов интеллектуального анализа [5-7]. Повышение эффективности управления производством достигается интеграцией в системы управления подсистем компьютерного анализа промышленных данных о состоянии экструзионного оборудования, что позволяет определять рациональные режимы проведения процесса экструзии, обеспечивающие требуемую производительность и качество продукции, с учетом оценки работоспособности экструдеров. Таким образом, актуальна разработка перенастраиваемой компьютерной системы анализа промышленных данных многоассортиментных производств ПП, предназначенной для оценки ресурса экструзионного оборудования и формирования советов операторам по устранению неисправностей его элементов, приводящих к отказам экструдеров. Высокая стоимость простоя промышленных экструдеров обусловливает экономическую целесообразность применения такой системы, способствующей уменьшению времени простоя, на производственных линиях.
Целью работы является создание компьютерной системы для оценки фактического состояния экс-трузионного оборудования, включающей модули оценки состояния элементов экструдеров и формирования советов по устранению их неисправностей, приводящих к нештатным ситуациям, вычисления показателей надежности (безотказности, долговечности) экструде-ров, базу данных контролируемых и вычисляемых параметров стадии подготовки экструдата, базу знаний неисправностей элементов экструдеров.
Постановка задач оценки состояния и ресурсосберегающего управления экструзионным оборудованием
В промышленности для изготовления упаковочных ПП различных типов ТЕ = {ТМ,, / = 1, ..., п^ п0еТах, пЫасГх, пЬипГх} применяются разные методы производства Мр каландрование Мс, плоскощелевая экструзия МСЕ, раздувная экструзия МВЕ. Здесь ТМ - тип материала /-го слоя послойной ПП; п0е/"ах, пЫзскг"ах, пьигппах - максимально допустимое (для потребителей) число поверхностных дефектов - включений нерасплавленного полимера, черных точек, желто-коричневых деструкционных полос - на заданной площади полотна ПП. Информационное описание стадии подготовки экструдата как объекта управления представлено на рис. 1 в виде совокупности входных параметров X управляющих воздействий и, возмущений ^ и выходных параметров У Число пЕ и типы ТЕ, у = 1,
..., пЕ экструдеров, применяемых для аппаратурного оформления стадии подготовки экструдата, зависят от числа и типов материалов слоев ПП, а также от метода производства. При каландровании, которое является основным способом изготовления плоских ПП на основе непластифицированного ПВХ, применяются осциллирующие экструдеры ( Те. = Е2), шнек которых совершает одновременное вращательное и возвратно-поступательное движение, а также двухшнековые экс-трудеры с встречным вращением зацепляющихся шнеков (Т. = Е). При плоскощелевой экструзии, например, при изготовлении ПП на основе полиэтилентере-
фталата, применяются одношнековые экструдеры (Т/ = Е1), шнек которых только вращается, и значительно реже двухшнековые экструдеры с односторонним вращением зацепляющихся шнеков (Т. = Е3). В производствах рукавных ПП (раздувная экструзия), например, на основе полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) и полиамида (ПА), применяются одношнековые экструдеры [8]. При экструзионных методах производства многослойных ПП число экструдеров, подключенных к плоскощелевой (при МР = МСЕ) или кольцевой (при МР = МВЕ) соэкструзионной формующей головке, равно числу слоев пП: пЕ = пТ
Рис. 1. Информационное описание стадии подготовки экструдата как объекта управления
Геометрические параметры экструдера % = {йв, й, бор р> пь} представляют множество геометрических параметров его элементов - корпуса (внутренний диаметр йВ]), шнека (наружный диаметр й), упорных подшипников (диаметры внешнего и внутреннего кольца, угол контакта р7, диаметр б/ и число п/ тел качения). Состояние электродвигателя привода шнека/шнеков характеризуется электрическими параметрами ЕМ0] = {и0], Ы5], кМ[)]1 т./ номинальное и текущее напря-
Цм/}. Здесь Ц. имо/ жение, В
хронная частота вращения (мин-1) ротора; кМ
Б. N. - номинальное скольжение и син-
Мй]
ко-
эффициент загрузки; т.7 - срок службы изоляции при номинальном напряжении и нагрузке, ч. Управляющими воздействиями на экструдер Ц] являются частоты вращения шнеков загрузочной воронки N(при принудительной подаче сырья в экструдеры типов Е2-Е) и экструдера N температуры пТ] тепловых зон корпуса ТВ]к, к = 1, ..., пТ] и пй] тепловых зон головки Тс^, # = 1, ..., пй] экструдера. Соотношение частот вращения шнеков N^1] и N определяет степень заполнения канала шнека/шнеков экструдера и время пребывания полимера в нем, влияющие на материальную однородность и тепловое состояние экструдата. За счет целенаправленного изменения управляющих воздействий осуществляется компенсация действия возмущений Т к которым относятся расход потока возвратных отходов (раздробленных кромок ПП, образующихся при обрезке ПП до заданной ширины) и уровень (запас) экструдата Т в питающем зазоре каландра (при МР = МС). Возмущения оказывают влияние на показатели эффективности процесса экструзии - производительность экструдера 0/ и температуру экструдата Т. Температура экструдата характеризует его пригодность к дальнейшему формованию, например, на каландре, и возможность получения качественной ПП без включе-
ний нерасплавленного полимера, остающихся при низкой температуре экструдата, и без деструкционных дефектов, возникающих при высокой температуре экс-трудата. Неисправности элементов редуктора и подшипникового узла привода экструдера (зубчатых шестерней, вращающихся деталей подшипников), как правило, сопровождаются повышенной вибрацией корпуса привода, которая указывает на приближающуюся их поломку, приводящую в итоге к отказу экс-трудера [9]. Интенсивность отказов определяется их числом пЕ] (с момента ввода экструдера в эксплуатацию) и наработкой (временем нормальной работы) между ними / = 1, ..., пЕТ. Степень износа внутренней поверхности корпуса и витков нарезки шнека/шнеков характеризуется величиной радиального зазора между корпусом и шнеком 50]. Таким образом, важнейшими параметрами, характеризующими состояние экструзионного оборудования, БЕ/ = {аМй, 607} являются ускорение вибрации аМй/ и радиальный зазор 80]. Надежность экструдера характеризуется вероятностью его безотказной работы Р] и сроком службы изоляции электродвигателя т.
На основе информационного описания стадии подготовки экструдата поставлены задачи оценки состояния экструзионного оборудования и ресурсосберегающего управления, решаемые в порядке приоритетности:
1) задача оценки состояния экструдера в производственной системе, реализующей метод МР изготовления ПП типа ТТ заключается в следующем:
для заданных входных параметров X] и управляющих воздействий Ц] выполнить сравнение текущих значений параметров состояния экструдера Б. с пороговыми регламентными значениями БЕ™ах = {аМсЦ"зх, 50]тах}, идентифицировать нештатную ситуацию Б% связанную с повышенной вибрацией, если выполняет-
ся условие \аМСу\ > Мутах, или с износом оборудования, если 50у > 50утах, определить истинную причину возникновения нештатной ситуации № и сформировать совет №с, содержащий последовательность действий оператора по ее устранению;
2) задача ресурсосберегающего управления стадией состоит в следующем:
для заданных входных параметров Хварьиро-ванием управляющих воздействий в регламентных диапазонах и с [и™; и"ах] определить их значения и, которые в условиях действия возмущений ^ обеспечивают максимальную производительность процесса СГах и температуру экструдата, гарантирующую выполнение ограничений на число поверхностных дефектов:
а» =
тах
пЕ >-р тт ^ гг, т тах
а' а=Ъа,, т - т -т •
уагис| итт;ит''
7=1 ,...,пБ
(1)
при условии обеспечения требуемых показателей надежности экструдеров:
Р^Р-.т^ТГ. .¡=\-,пЕ, (2) где Тут/п, Тутах - пороговые значения температуры экс-трудата, в пределах которых экструдат удовлетворяет требованиям к качеству и пригоден к дальнейшему формованию в ПП (определяются на основе требований к качеству ПП пдеГх, пЫсСГх, пЬг™х); р™, тГ -минимально допустимые значения показателей надежности работы экструдера, зависящие от типа ПП.
Структура и математическое обеспечение компьютерной системы анализа промышленных данных
Для решения поставленных задач разработана компьютерная система анализа промышленных данных, структура которой представлена на рис. 2.
Рис. 2. Структура компьютерной системы для оценки состояния экструдеров
Система включает модуль импорта массива промышленных данных стадии подготовки экструдата в БД, подсистему определения неконтролируемых на производстве выходных параметров стадии, подсистему анализа промышленных данных и оценки параметров состояния экструдеров, банк данных и знаний о
характеристиках стадии, подсистему визуализации данных, интерфейсы оператора экструдера, администратора и инженера по знаниям. Банк данных и знаний включает БД контролируемых и вычисляемых параметров стадии подготовки экструдата, БД характеристик методов производства ПП, типов ПП, геометри-
1=1
ческих и электрических параметров экструдеров различных типов, БД отказов экструдеров, а также базу знаний нештатных ситуаций, их причин и рекомендаций по устранению. БД методов производства ПП, типов ПП и параметров экструдеров позволяет настраивать систему на различные методы производства (Мс, МСЕ, МВе) и типы Т ПП, включая требования к качеству ПП (пде/тах, пЫаск™х, пЬиг™ах), а также на разные типы экструдеров Те, их геометрические % и электрические Ещ} параметры.
Стадия подготовки экструдата как объект управления характеризуется неполнотой информации, поэтому для формирования полного набора данных, необходимых для корректной оценки состояния экс-трузионного оборудования, в компьютерную систему интегрирована подсистема математического моделирования. Она позволяет определить неконтролируемые на производстве выходные параметры объекта:
- радиальный зазор между внутренней поверхностью корпуса и витками нарезки шнека 80; (по измеренным значениям диаметров корпуса й] и шнека й), характеризующий степень износа оборудования
У = ,пЕ; (3)
- вероятность безотказной работы экструдера Р] и срок службы изоляции электродвигателя х, характеризующие надежность работы (соответственно безотказность и долговечность) оборудования
Р =ехр(-у), т. =т0./Дд[// 7=1 ,...,пЕ, (4)
где X] - интенсивность отказов (ч-1), принимаемая постоянной для периода нормальной эксплуатации экс-трудера, предшествующего периоду износа, и определяемая по статистическим данным о числе отказов пЕ, и наработке между ними х} t - время работы экструде-ра, ч; //¿щ - коэффициент, зависящий от относительного отклонения напряжения от номинального значения АиМй] = (иМй_] - Ц)])/Ц)] и коэффициента загрузки электродвигателя кМй] [10]:
(5)
-
Г( 47Ди
т - 1,55димц
< Димщ < 0,2.
+1) км
, - 0,2 < Димщ < 0;
Здесь Що] = ища}" V ищй] = Умй], где ищс]", иМ]с - соответственно измеренное и вычисленное значение напряжения на электродвигателе, В.
Если текущее напряжение на электродвигателе не измеряется, то оно может быть вычислено в зависимости от частоты вращения ротора электродвигателя Ы] по следующей формуле [11]:
им»; =7к^о/N - )и0., ]-., пЕ .(б)
При отсутствии на производстве контроля производительности экструдера и температуры экструдата эти выходные параметры вычисляются по детерминированным ММ, описывающим плавление полимеров и неизотермическое течение (в условиях сложного сдвига) их расплавов в каналах шнеков и головок экструдеров различных типов (Е1-Е4) [12]. При моделировании учитываются кинематические характеристики экструдеров, например, наличие осцилляции шнека в экструдере типа Е2, особенности механизмов плавления, например, пробковое плавление в экструдере типа Е1, дисперсное плавление в экструдере типа Е2, нелинейность реологических свойств расплавов и их зависимость от температуры, наличие утечек через радиальный зазор (в экструдерах всех типов), прорези в витках нарезки шнека (в экструдере типа Е2) и зазо-
ры зацепления шнеков (в экструдерах типов Е3 и Е)-Основной особенностью разработанных ММ является учет аппаратной гибкости экструдеров, которая связана с возможностью формировать модульные шнеки различных конфигураций из транспортных, смесительных и других типов элементов, отличающихся геометрическими параметрами, для переработки разных типов полимерных материалов. Структурный синтез ММ процесса переработки полимерного материала в экструдере заданного типа и конфигурации осуществляется путем компоновки ММ плавления и течения в каналах отдельных структурных элементов экструдера (элементов шнека, головки) с учетом условий их сопряжения, определяющих равенство давлений и температур материала на границах стыковки элементов [13]. Для вычисления производительности 0}с реализован алгоритм поиска рабочей точки экструдера (точки пересечения напорно-расходных характеристик шнека и головки).
Измеренные и вычисленные значения параметров стадии подготовки экструдата {X, и} Б], Т, } = 1, ..., пЕ} сохраняются в БД контролируемых и вычисляемых параметров. Здесь = 0}т V 0 = 0]с, Т = Т V Т = Тс, где } 0}с, Т", ТС - соответственно измеренные и вычисленные значения производительности и температуры экструдата. Массив данных передается в подсистему оценки состояния экструзионного оборудования. Эта подсистема осуществляет анализ да н ных, на основе которого идентифицирует нештатную ситуацию, связанную с нарушением нормального состояния экструдера (повышенная вибрация, износ), если текущее значение параметра состояния Бе} = {аМй, 50}} отклоняется за верхнее регламентное значение БЕ}"ЗХ. Для идентификации и обработки нештатных ситуаций используется база знаний, построенная на основе продукционно-фреймовой модели представления сложно структурированных экспертных знаний [14]. Экспертные знания о нештатных ситуациях, связанных с повышенной вибрацией и износом, и неисправностях элементов экструдера, являющихся причинами этих нештатных ситуаций, получены интервьюированием управленческого производственного персонала (опытных технологов, операторов стадии подготовки экструдата) и изучением технологических регламентов производства, журналов технического обслуживания, инструкций по поиску причин нештатных ситуаций и устранению неисправностей оборудования. Например, основными неисправностями упорных подшипников привода шнека/шнеков, приводящими к п ов ыш е нн о й вибрации, являются неисправности (дефекты, повреждения) деталей, из которых состоят подшипники: неисправность внешнего кольца, неисправность внутреннего кольца, неисправность тел качения (шариков или роликов в зависимости от типа подшипника), комбинация неисправностей деталей. Возможными причинами износа витков нарезки шнека являются несоосность шнека и корпуса, их деформация, а также неправильная конструкция шнека, например, высокая степень сжатия или малая длина зоны сжатия одношнекового экструдера. Предметные знания о нештатных ситуациях, неисправностях, приводящих к ним, и рекомендациях по устранению представляются в виде фреймов-примеров, полученных на основе фрейма-прототипа. Процедурные знания, необходимые для идентификации нештатных ситуаций, поиска их истинных причин и формирования советов по устранению, представляются в виде продукционных
правил.
Для определения элемента привода экструде-ра, неисправность которого стала истинной причиной повышенной вибрации корпуса привода, строится спектр дискретизированного по времени сигнала об ускорении вибрации, и вычисляются частоты вибрации, характерные для неисправных элементов привода различных типов. Спектр вибрационного сигнала представляет распределение амплитуд гармоник AMDjk составляющих сигнал, по частотам fk = к/®. Амплитуда к-й гармоники сигнала об ускорении вибрации вычисляется как модуль комплексной амплитуды aMDjk определяемой формулой прямого дискретного преобразования Фурье [15]:
AMDjk =VRe aMDjk2 + ImaMDjk VR ' k = °>->R - 1' (7) где действительная и мнимая части комплексной амплитуды равны
R-1 R-1
Re aMDjk = X aMDjr C0S (2nfklr ) = X aMDjr C0S (2nkrlR ) ' (8)
r= 0 r=°
R-1 R—1
Im aMDjk = —X aMDjr Sin (2nfktr ) = —X aMDjr Sin (2nHR) ' (9)
r=° r= 0
Здесь R - число отсчетных значений ускорения вибрации за заданный период (длительность сигнала) ®; aMDjr - значения (дискретные отсчеты) ускорения вибрации aMDj в моменты времени tr = /At r = 0, ..., R-1 (At - интервал дискретизации аналогового сигнала о вибрации, зависящий от характера сигнала, требуемой точности его временной дискретизации и характеристик применяемого дискретизатора).
При возникновении неисправностей частоты вибрации элементов привода изменяются по сравнению с частотами вибрации исправных элементов. Каждый неисправный элемент имеет характерную частоту вибрации, зависящую от его геометрических параметров. Например, каждая деталь упорного подшипника (внешнее и внутреннее кольцо, тела качения) имеет собственную частоту вибрации, характеризующую ее неисправность. Для оценки частот вибрации элементов привода при возникновении в них неисправностей применяются ММ [16, 17]. Например, ММ для оценки частот вибрации неисправных деталей шарикоподшипников имеет следующий вид:
fjj = 4jNm [1 — 2dj/(dj + dirlj)cosßj]/120' (10)
fnj = IjNMDj [1 + 2dbj/(djj + dij) cos ßj ] /120' (11)
fbj = NMIj [1 — 2dbj/(dj. + dinj) cos ßj ]/120' (12)
где f0j' fm], fbj - частоты вибрации неисправного внешнего кольца, внутреннего кольца и тела качения подшипника, Гц; NMDj - частота вращения выходного вала привода (как правило, выходного вала редуктора), в точке прикрепления шнека к которому располагается подшипниковый узел, мин-1.
Частота вращения выходного вала привода NMDj определяется частотой вращения ротора электродвигателя NRj с учетом коэффициента редукции.
Определение элемента привода, требующего замены, осуществляется путем анализа вычисленных амплитуд гармоник и характеристических частот с использованием продукционных правил. Примеры правил:
ЕСЛИ (существует нештатная ситуация «Повышенная вибрация в приводе экструдера») л (амплитуды гармоник сигнала об ускорении вибрации AMDjk с
частотами f = lfojl l = 1, 2, 3 возрастают), ТО (неисправным элементом привода является подшипниковый узел, в котором имеет место механический дефект внешнего кольца упорного подшипника);
ЕСЛИ (существует нештатная ситуация «Повышенная вибрация в приводе экструдера») л (амплитуды гармоник сигнала об ускорении вибрации AMDjk с частотами fq = qfjnjl q = 1, 2, 3 возрастают), ТО (неисправным элементом привода является подшипниковый узел, в котором имеет место механический дефект внутреннего кольца упорного подшипника) [18].
Советы производственному персоналу по устранению неисправностей элементов оборудования также формируются на основе продукционных правил. Например, ЕСЛИ (существует нештатная ситуация «Повышенная вибрация в приводе экструдера») л (причина «Механический дефект внешнего кольца подшипника» является истинной причиной возникновения нештатной ситуации), ТО (совет по устранению неисправности имеет вид «Остановить работу экстру-дера, проверить и заменить неисправный упорный подшипник»).
Для решения задачи ресурсосберегающего управления подсистема анализа промышленных данных осуществляет прогнозирование выходных параметров стадии подготовки экструдата (производительности экструдера, температуры экструдата). Для анализа данных применяется метод главных компонент (МГК) и множественный регрессионный анализ [19, 20]. Получаемые линейные многофакторные регрессионные модели, описывающие зависимости производительности экструдера Q и температуры экструдата T от управляющих воздействий Uj с учетом эффектов взаимодействия, позволяют предсказывать значения выходных параметров Qf, Tfr при новых значениях управляющих воздействий. Проверка адекватности эмпирических ММ выполняется по критерию Фишера и коэффициенту детерминации.
Подсистема визуализации данных позволяет строить тренды управляющих воздействий и выходных параметров стадии подготовки экструдата, в том числе по данным, полученным с использованием прогнозирующих ММ, отображать построенные спектры вибрационных сигналов, вычисленные значения степени износа и показателей надежности работы экструдеров, выводить сформированные советы по устранению не-исп ра вностей экструдеров.
Результаты тестирования компьютерной системы
Компьютерная система протестирована по данным стадий подготовки экструдата промышленного экструзионно-каландрового производства однослойных плоских ПП на основе непластифицированного ПВХ для упаковки фармацевтических препаратов на заводе в России и экструзионного производства многослойных рукавных ПП на основе ПЭНП и ПА для упаковки пищевых продуктов на заводе в Германии. Аппаратное обеспечение стадии составляли осциллирующий экс-трудер PR-200 в экструзионно-каландровом производстве и 11 одношнековых экструдеров, подключенных к соэкструзионной формующей головке, в экструзионном производстве.
Компьютерная система позволяет визуализировать данные, полученные с промышленного объекта управления, в виде трендов управляющих воздействий
и выходных параметров на интерфейсе оператора экструдера (рис. 3).
12:40:24 20:47:06
Время, ч:мин:с
Рис. 3. Тренды управляющих воздействий и выходных параметров стадии экструзии
На трендах отображаются пороговые регламентные значения параметров из БД. Например, на тренде ускорения вибрации представлены пороговые значения 1, 2, 3, соответствующие различным режимам работы оборудования. Превышение ускорением порогового значения 3 является признаком возникновения нештатной ситуации, связанной с повышенной вибрацией. Для определения истинной причины данной нештатной ситуации, вызванной неисправностью одного из элементов привода шнека, компьютерная система осуществляет построение спектра сигнала об ускорении вибрации и вычисляет характеристические частоты вибрации, на которых анализируется характер изменения амплитуд гармоник сигнала (рис. 4).
Частота г
Рис. 4. Спектр сигнала об ускорении вибрации и частоты вибрации неисправного внешнего и внутреннего кольца подшипника
Из рис. 4 видно, что амплитуды гармоник сигнала об ускорении вибрации с частотами, равными fn и 24у, увеличиваются с 0,23 м/с2 (при //) до 0,33 м/с2 (при 2/n,7). На частотах, кратных характеристической частоте foj, тенденция роста амплитуд гармоник не наблюдается. Это свидетельствует об исправности внешнего кольца подшипника и наличии механического дефекта внутреннего кольца, который и приводит к повышенной вибрации. Система выводит оператору экструдера сообщение, содержащее лингвистическое и информационное описание нештатной ситуации и ее
истинной причины, а также совет по устранению нештатной ситуации (устранению неисправности элемента оборудования).
Для оценки запаса работоспособности экстру-зионного оборудования система по статистическим данным об отказах экструдеров в период нормальной эксплуатации и на основе экспоненциального закона распределения времени безотказной работы вычисляет вероятность безотказной работы экструдера в зависимости от времени его работы (рис. 5).
2160 2880 3600 4320 5040 5760 6480 7200 7920 Время работы экструдера в период нормальной эксплуатации, ч
Рис. 5. Зависимость вероятности безотказной работы экструдера от времени работы/
Результаты тестирования подтвердили работоспособность компьютерной системы по обработке часто возникающих в производстве ПП нештатных ситуаций, связанных с повышенной вибрацией и износом экструзионного оборудования, и оценке показателей его надежности, а также возможность использования компьютерной системы для ресурсосберегающего управления стадией подготовки экструдата в режиме советчика оператора.
Заключение
Разработана перенастраиваемая на типы производимых ПП и применяемых экструдеров компьютерная система анализа промышленных данных стадии подготовки экструдата гибких многоассортиментных производств ПП на экструзионно-каландровых и экс-трузионных линиях. Система позволяет оценивать показатели надежности (безотказности, долговечности) экструдеров, идентифицировать нештатные ситуации, связанные с повышенной вибрацией и износом оборудования, определять элементы экструдеров, неисправности которых приводят к возникновению нештатных ситуаций, и формировать советы управленческому производственному персоналу по устранению неисправностей.
Компьютерная система прошла успешную апробацию на современных высокотехнологичных производствах фармацевтических и пищевых упаковочных ПП различного ассортимента заводов в России и Германии. Применение системы в составе единой автоматизированной системы обработки промышленных данных и управления производством ПП позволяет сохранить ресурс и уменьшить внеплановые производственные простои экструзионного оборудования за счет своевременной диагностики неисправностей его элементов и оценки надежности его работы, способствуя повышению производительности линий и качества целевой продукции, а значит, рентабельности и конкурентоспособности производства.
Литература
1. Noroozi S, Rahman A.G.A., Dupac M. Condi-
tion monitoring and diagnostics of an extruder motor and its gearbox vibration problem // Insight: Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. 2016. V. 58, is. 2. P. 101-107. DOI: 10.1784/insi.2016.58.2.101.
2. Kar C, Mohanty A.R. Monitoring gear vibrations through motor current signature analysis and wavelet transform // Mechanical Systems and Signal Processing. 2006. V. 20, is. 1. P. 158-187. DOI: 10.1016/j.ymssp.2004.07.006.
3. Раувендааль К., Пилар Норьега Е. Мд, Хар-рис Х. Выявление и устранение проблем в экструзии. СПб.: Профессия, 2011. 367 с.
4. Singh G.K, AIKazzaz S.A.S. Induction machine drive condition monitoring and diagnostic research - A survey // Electric Power Systems Research. 2003. V. 64, iss. 2. P. 145-158. DOI: 10.1016/S0378-7796(02)00172-4.
5. Kohlert M, König А. Large, high-dimensional, heterogeneous multi-sensor data analysis approach for process yield optimization in polymer film industry // Neural Computing and Applications. 2015. V. 26. № 3. P. 581588. DOI: 10.1007/s00521-014-1654-5.
6. Kohlert M, Hissmann O. Defects put to good use // Kunststoffe International. 2018. V. 108. № 6-7. P. 34-37.
7. Chistyakova T.B, Kleinert F., Teterin M.A. Big data analysis in film production // Studies in Systems, Decision and Control. 2020. V. 259. P. 229-236. DOI: 10.1007/978-3-030-32579-4_18.
8. Тихонов Н.Н., Шерышев М.А. Современные технологии и оборудование экструзии полимеров. СПб.: Профессия, 2019. 256 с.
9. Колгрюбер К. Двухшнековые сонаправлен-ные экструдеры. Основы, технология, применение. СПб.: Профессия, 2016. 352 с.
10. Пахомов И.К., Дроздов Н.В. Влияние отклонений напряжения на работу асинхронных двигателей // Сборник материалов IX Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Россия молодая». Кемерово: КузГТУ, 2017. 0201051.
11. Фозилов М.М, Чистякова Т.Б, Полосин А.Н. Программный комплекс для ресурсосберегающего управления экструзионным оборудованием в производстве рукавных полимерных пленок // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. между-нар. науч. конф. В 12 т. Т. 12, ч 1. СПб.: Изд-во Поли-техн. ун-та, 2019. С.114-119.
12. Чистякова Т.Б, Полосин А.Н. Математические модели и программный комплекс для управления экструзионными процессами в гибких многоассортиментных производствах полимерных материалов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер. «Математическое моделирование и программирование». 2019. Т. 12, № 4. С. 5-28. DOI: 10.14529/mmp190401.
13. Polosin A.N., Chistyakova T.B. The mathematical models and program complex for synthesis of reciprocating extruders with adjustable configurations // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1202. 012007. DOI: 10.1088/1742-6596/1202/1/012007.
14. Советов Б.Я, Цехановский В.В, Чертовской В.Д. Представление знаний в информационных системах. М.: Академия, 2011. 143 с.
15. Aherwar A, Khalid S. Vibration analysis techniques for gearbox diagnostic: A review // International Journal of Advanced Engineering Technology. 2012. V. 3, iss. 2. P. 4-12.
16. Kumar V.R., Vara Prasad P.V, DiwakarG. De-
tection of gear fault using vibration analysis // International Journal of Research in Engineering and Science. 2015. V. 3, iss. 2. P. 45-53.
17. Kulkarni S, Wadkar S.B. Experimental investigation for distributed defects in ball bearing using vibration signature analysis // Procedia Engineering. 2016. V. 144. P. 781-789. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.05.086.
18. Фозилов М.М, Чистякова Т.Б, Полосин А.Н. Компьютерная система вибрационного анализа для оценки работоспособности экструзионного оборудования в производствах многоассортиментных полимерных пленок // Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики: сб. тр. Между-нар. науч. конф. Воронеж: Науч.-исслед. публ., 2021. С. 1806-1813.
19. Jollfffe I.T, Cadima J. Principal component analysis: a review and recent developments // Philosophical Transactions of the Royal Society A "Mathematical, Physical and Engineering Sciences". 2016. V. 374, iss. 2065. 20150202. DOI: 10.1098/rsta.2015.0202.
20. Фозилов М.М, Чистякова Т.Б, Полосин А.Н. Интеллектуальная система для ресурсосберегающего управления экструзионным оборудованием в многоассортиментных производствах полимерных пленок // Динамика сложных систем - XXI век. 2020. Т. 14, № 4. С. 21-37. DOI: 10.18127/j19997493.
References
1. Noroozi S, Rahman A.G.A., Dupac M. Condition monitoring and diagnostics of an extruder motor and its gearbox vibration problem // Insight: Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. 2016. V. 58, iss. 2. P. 101-107. DOI: 10.1784/insi.2016.58.2.101.
2. Kar C, Mohanty A.R. Monitoring gear vibrations through motor current signature analysis and wavelet transform // Mechanical Systems and Signal Processing. 2006. V. 20, iss. 1. P. 158-187. DOI: 10.1016/j .ymssp.2004.07.006.
3. Rauwendaal C, Pilar Noriega E. M.d., Harris H.E. Troubleshooting the Extrusion Process. A Systematic Approach to Solving Plastic Extrusion Problems. 2nd ed. Munich: Carl Hanser Verlag, 2010. 353 p.
4. Singh G.K., AI Kazzaz S.A.S. Induction machine drive condition monitoring and diagnostic research - A survey // Electric Power Systems Research. 2003. V. 64, iss. 2. P. 145-158. DOI: 10.1016/S0378-7796(02)00172-4.
5. Kohlert M, König А. Large, high-dimensional, heterogeneous multi-sensor data analysis approach for process yield optimization in polymer film industry // Neural Computing and Applications. 2015. V. 26. № 3. P. 581588. DOI: 10.1007/s00521-014-1654-5.
6. Kohlert M, Hissmann O. Defects put to good use // Kunststoffe International. 2018. V. 108. № 6-7. P. 34-37.
7. Chistyakova T.B, Kleinert F, Teterin M.A. Big data analysis in film production // Studies in Systems, Decision and Control. 2020. V. 259. P. 229-236. DOI: 10.1007/978-3-030-32579-4_18.
8. Tikhonov N.N, Sheryshev M.A. Sovremennye tekhnologii i oborudovanie ekstruzii polimerov. SPb.: Pro-fessiya, 2019. 256 s. In Rus.
9. Kohlgrüber K. Co-Rotating Twin-Screw Extruders. Fundamentals, Technology, and Applications. Munich: Carl Hanser Verlag, 2008. 367 p.
10. Pakhomov I.K, Drozdov N.V. Vliyanie ot-kloneniy napryazheniya na rabotu asinkhronnykh dvigate-
ley // Sbornik materialov IX Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii molodykh uchyonykh "Rossiya molodaya". Kemerovo: KuzGTU, 2017. 0201051. In Rus.
11. Fozilov M.M., Chistyakova T.B., Polosin A.N. Programmny kompleks dlya resursosberegayushchego upravleniya ekstruzionnym oborudovaniem v proizvodstve rukavnykh polimernykh plyonok // Matematicheskie meto-dy v tekhnike i tekhnologiyakh: sb. tr. mezhdunar. nauch. konf. V 12 t. T. 12, ch. 1. SPb.: Izd-vo Politekhn. un-ta, 2019. S. 114-119. In Rus.
12. Chistyakova T.B., Polosin A.N. Matematiches-kie modeli i programmny kompleks dlya upravleniya ekstruzionnymi protsessami v gibkikh mnogoassortiment-nykh proizvodstvakh polimernykh materialov // Bulletin of the South Ural State University, Series: Mathematical Modelling, Programming and Computer Software. 2019. T. 12, № 4. S. 5-28. In Rus.
13. Polosin A.N, Chistyakova T.B. The mathematical models and program complex for synthesis of reciprocating extruders with adjustable configurations // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1202. 012007. DOI: 10.1088/1742-6596/1202/1/012007.
14. Sovetov B.Ya, Tsekhanovskiy V.V., Cher-tovskoy V.D. Predstavlenie znaniy v informatsionnykh sistemakh. M.: Akademiya, 2011. 143 s. In Rus.
15. Aherwar A., Khalid S. Vibration analysis techniques for gearbox diagnostic: A review // International Journal of Advanced Engineering Technology. 2012. V. 3,
iss. 2. P. 4-12.
16. Kumar V.R., Vara Prasad P.V., Diwakar G. Detection of gear fault using vibration analysis // International Journal of Research in Engineering and Science. 2015. V. 3, iss. 2. P. 45-53.
17. Kulkarni S, Wadkar S.B. Experimental investigation for distributed defects in ball bearing using vibration signature analysis // Procedia Engineering. 2016. V. 144. P. 781-789. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.05.086.
18. Fozilov M.M, Chistyakova T.B., Polosin A.N. Komp'yuternaya Sistema vibratsionnogo analiza dlya otsenki rabotosposobnosti ekstruzionnogo oborudovaniya v proizvodstvakh mnogoassortimentnykh polimernykh plyonok // Aktual'nye problem prikladnoy matematiki, in-formatiki i mekhaniki: sb. tr. Mezhdunar. nauch. konf. Voronezh: Nauch.-issled. publ., 2021. S. 1806-1813.
19. Jollfffe I.T, Cadima J. Principal component analysis: a review and recent developments // Philosophical Transactions of the Royal Society A "Mathematical, Physical and Engineering Sciences". 2016. V. 374, iss. 2065. 20150202. DOI: 10.1098/rsta.2015.0202.
20. Fozilov M.M, Chistyakova T.B, Polosin A.N. Intellektual'naya sistema dlya resursosberegayushchego upravleniya ekstruzionnym oborudovaniem v mnogoassortimentnykh proizvodstvakh polimernykh plyonok // Dinamika slozhnykh sistem - XXI vek. 2020. T. 14, № 4. S. 21-37. DOI: 10.18127/j19997493.
Сведения об авторах:
Фозилов Муким Мухторович, аспирант каф. систем автоматизированного проектирования и управления; Mukim M. Fozilov, post-graduate student of computer-aided design and control department, e-mail: mukim.fozilov@yandex.ru
Чистякова Тамара Балабековна, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. систем автоматизированного проектирования и управления; Tamara B. Chistyakova, Dr. Sc. (Eng.), Professor, head of computer-aided design and control department, e-mail: chistb@mail.ru
Полосин Андрей Николаевич, канд. техн. наук, доцент каф. систем автоматизированного проектирования и управления; Andrey N. Polosin, Ph.D (Eng.), associate professor of computer-aided design and control department, e-mail: polosin-1976@mail.ru
