Математические модели и программный комплекс для управления экструзионными процессами в гибких многоассортиментных производствах полимерных материалов

Математические модели и программный комплекс для управления экструзионными процессами в гибких многоассортиментных производствах полимерных материалов

Автор: Чистякова Тамара Балабековна, Полосин Андрей Николаевич

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математическое моделирование и программирование @vestnik-susu-mmp

Рубрика: Обзорные статьи

Статья в выпуске: 4 т.12, 2019 года.

Бесплатный доступ

Разработаны математические модели экструзионных процессов и программный комплекс, помогающий управленческому производственному персоналу решать задачи ресурсоэнергосберегающего управления экструдерами, применяемыми в гибких многоассортиментных производствах упаковочных полимерных материалов. Для комплексной оценки производительности, энергопотребления процесса и показателей качества материала в экструдерах, отличающихся аппаратной гибкостью и сложностью структуры потоков, предложен комбинированный метод моделирования, базирующийся на использовании статических и динамических моделей. Программный комплекс настраивается на метод производства, тип продукции, требования к производительности, энергопотреблению. Он включает банк данных характеристик экструзионных процессов, модуль выбора аппаратурного оформления процесса, конструктор виртуальных моделей шнеков экструдеров, подсистему структурно-параметрического синтеза математической модели и расчета выходных параметров процесса, подсистему визуализации результатов, в частности, в виде трендов выходных параметров и 3D графиков их зависимостей от управляющих воздействий. Тестирование комплекса по данным производств поливинилхлоридных, полиэтиленовых пленок на заводах в России, Германии подтвердило его работоспособность и возможность использования в качестве эффективного инструмента поддержки принятия решений при определении конфигураций и режимов работы экструдеров, обеспечивающих заданные потребительские характеристики продукции.

Еще

Математические модели, численные методы, программный комплекс, экструзия, полимерные материалы

Короткий адрес: https://sciup.org/147232972

IDR: 147232972   |   УДК: 004.94+678.027.3   |   DOI: 10.14529/mmp190401

Mathematical models and software package for extrusion control at flexible multi-assortment productions of polymeric materials

We develop mathematical models of extrusion and the software package helping production staff to solve problems of resource and energy saving control of the extruders applied in flexible multi-assortment productions of packing polymeric materials. Also, we propose the combined modelling method for complex assessment of throughput, energy consumption of extrusion and quality indices of material in the extruders differing in hardware flexibility and complexity of flow structure. The method is based on use of static and dynamic models. The software package is adjusted according to production method, type of products, as well as requirements to throughput and energy consumption. The software package includes databank of extrusion characteristics, module for extrusion equipment choice, module for design of virtual models of extruder screws, subsystem for structural and parametrical synthesis of mathematical model and calculation of output parameters for extrusion, subsystem for visualization of results, in particular, in the form of trends of output parameters and 3D graphs of their dependences on controlling actions. The operability was confirmed by testing of the software package according to data from productions of polyvinylchloride and polyethylene films at the factories in Russia and Germany. The software package can be used as the effective instrument for support of decision-making when determining configurations and operation modes of the extruders that ensure the set consumer characteristics of the products.

Еще

Список литературы Математические модели и программный комплекс для управления экструзионными процессами в гибких многоассортиментных производствах полимерных материалов

  • Kohlert, M. Applied Industry 4.0 in the Polymer Film Industry / M. Kohlert, O. Hissmann // Proceedings of the 16th TAPPI European PLACE Conference. - Basel, 2017. - P. 183-190.
  • Intellectual Analysis System of Big Industrial Data for Quality Management of Polymer Films / T. Chistyakova, M. Teterin, A. Razygraev, C. Kohlert // Advances in Neural Networks - ISNN 2016: 13th International Symposium on Neural Networks Proceedings. - Cham: Springer, 2016. - P. 565-572.
  • Rauwendaal, C. Polymer Extrusion / C. Rauwendaal. - Munich: Carl Hanser Verlag, 2014.
  • Gartner, H. Control Systems for Calenders - from Mixer to Take-off / H. Gartner, A. Schnabel, C. Kohlert // Kunststoffe Plast Europe. - 1997. - V. 87, № 6. - P. 24-27.
  • Программный комплекс для управления цветом тонких жестких полимерных материалов / Т.Б. Чистякова, А.С. Разыграев, А.Н. Полосин, К. Колерт // Автоматизация в промышленности. - 2012. - № 7. - С. 12-18.
  • Shapiro, J. Melting in Single Screw Extruders. Part 1: The Mathematical Model / J. Shapiro, A.L. Halmos, J.R.A. Pearson // Polymer. - 1976. - V. 17, № 10. - P. 905-918.
  • Гидродинамика и теплообмен при плавлении в винтовом канале шнекового аппарата / Н.И. Басов, И.Н. Володин, Ю.В. Казанков, В.Е. Первушин // Теоретические основы химической технологии. - 1983. - Т. 17, № 1. - С. 72-78.
  • Mathematical Modeling of Melting of Polymers in a Single-Screw Extruder / B. Elbirli, J.T. Lindt, S.R. Gottgetreu, S.M. Baba // Polymer Engineering and Science. - 1984. - V. 24, № 12. - P. 988-999.
  • Первадчук, В.П. Математическая модель и численный анализ процессов теплообмена при плавлении полимеров в пластицирующих экструдерах / В.П. Первадчук, Н.М. Труфанова, В.И. Янков // Инженерно-физический журнал. - 1985. - Т. 48, № 1. - С. 75-80.
  • Lee, K.Y. Analysis of the Performance of Plasticating Single-Screw Extruders with a New Concept of Solid-Bed Deformation / K.Y. Lee, C.D. Han // Polymer Engineering and Science. - 1990. - V. 30, № 11. - P. 665-676.
  • Воскресенский, А.М. Переработка полимерных материалов в червячных машинах. Методы технологических расчетов / А.М. Воскресенский, Е.А. Кучинская. - СПб.: Изд-во СПбГТИ(ТУ), 2000. - 58 с.
  • Zhu, L. Modeling of Particle-Dispersed Melting Mechanism and Its Application in Co-Rotating Twin-Screw Extrusion / L. Zhu, K.A. Narh, X. Geng // Journal of Polymer Science. Part B: Polymer Physics. - 2001. - V. 39, № 20. - P. 2461-2468.
  • Experimental and Theoretical Study of Polymer Melting in a Co-Rotating Twin-Screw Extruder / B. Vergnes, G. Souveton, M.L. Delacour, A. Ainser // International Polymer Processing. - 2001. - V. 16, № 4. - P. 351-362.
  • Thibault, F. А Numerical Model for Single Screw Extrusion with Poly(Vinyl Chloride) (PVC) Resins / F. Thibault, P.A. Tanguy, D. Blouin // Polymer Engineering and Science. - 1994. - V. 34, № 18. - P. 1377-1386.
  • Tadmor, Z. Solids Conveying in Screw Extruders. Part II: Non Isothermal model / Z. Tadmor, E. Broyer // Polymer Engineering and Science. - 1972. - V. 12, № 5. - P. 378-386.
  • Wilczyski, K. Melting Model for Intermeshing Counter-Rotating Twin-Screw Extruders / K. Wilczyski, J.L. White // Polymer Engineering and Science. - 2003. - V. 43, № 10. - P. 1715-1726.
  • White, J.L. Simulation of Non-Isothermal Flow in Modular Co-Rotating Twin Screw Extrusion / J.L. White, Z. Chen // Polymer Engineering and Science. - 1994. - V. 34, № 3. - P. 229-237.
  • Lyu, M.-Y. Simulation of Non-Isothermal Flow in a Modular Buss Kneader and Comparison with Experiment / M.-Y. Lyu, J.L. White // International Polymer Processing. - 1997. - V. 12, № 2. - P. 104-109.
  • Скульский, О.И. Численное моделирование одночервячных экструдеров / О.И. Скульский // Пластические массы. - 1997. - № 8. - С. 39-44.
  • Monchatre, B. Influence of the Melt Viscosity and Operating Conditions on the Degree of Filling, Pressure, Temperature, and Residence Time in a Co Kneader / B. Monchatre, C. Raveyre, C. Carrot // Polymer Engineering and Science. - 2018. - V. 58, № 2. - P. 133-141.
  • Mehranpour, M. Computational Study of Velocity Field in the KE Element of a Modular Ko-Kneader with CFD Method / M. Mehranpour, H. Nazokdast, B. Dabir // International Polymer Processing. - 2003. - V. 18, № 4. - P. 330-337.
  • A Composite Model for an Intermeshing Counter-Rotating Twin-Screw Extruder and Its Experimental Verification / A. Lewandowski, K.J. Wilczyski, A. Nastaj, K. Wilczyski // Polymer Engineering and Science. - 2015. - V. 55, № 12. - P. 2838-2848.
  • Vergnes, B. A Global Computer Software for Polymer Flows in Corotating Twin Screw Extruders / B. Vergnes, G. Della Valle, L. Delamare // Polymer Engineering and Science. - 1998. - V. 38, № 11. - P. 1781-1792.
  • Todd, D.B. Residence Time Distribution in Twin-Screw Extruders / D.B. Todd // Polymer Engineering and Science. - 1975. - V. 15, № 6. - P. 437-443.
  • Puaux, J.P. Residence Time Distribution in a Co-Rotating Twin-Screw Extruder / J.P. Puaux, G. Bozga, A. Ainser // Chemical Engineering Science. - 2000. - V. 55, № 9. - P. 1641-1651.
  • Hoppe, S. Modeling of a Cokneader for the Manufacturing of Composite Materials Having Absorbent Properties at Ultra-High-Frequency Waves / S. Hoppe, C. Detrez, F. Pla // Polymer Engineering and Science. - 2002. - V. 42, № 4. - P. 771-780.
  • Monchatre, B. Residence Time Distributions in a Co-Kneader: A Chemical Engineering Approach / B. Monchatre, C. Raveyre, C. Carrot // Polymer Engineering and Science. - 2015. - V. 55, № 6. - P. 1237-1245.
  • Lyu, M.-Y. Residence Time Distributions and Basic Studies of Flow and Melting in a Modular Kneader / M.-Y. Lyu, J.L. White // Polymer Engineering and Science. - 1998. - V. 38, № 9. - P. 1366-1377.
  • Joint Innovative IT Projects in the Field of Production of Polymeric Sheet Materials / T.B. Chistyakova, A.S. Razygrayev, A.N. Polosin, A.M. Araztaganova // Proceedings of the 2016 IEEE V Forum "Strategic Partnership of Universities and Enterprises of Hi-Tech Branches (Science. Education. Innovations)". - St. Petersburg: Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI", 2016. - P. 61-64.
  • Моделирование и оптимизация экструзии полимеров / В.В. Скачков, Р.В. Торнер, Ю.В. Стунгур, С.В. Реутов. - Л.: Химия, 1984. - 152 с.
  • Полосин, А.Н. Математическая модель одношнековой экструзии для управления качеством пластиката в многоассортиментных производствах полимерных пленок / А.Н. Полосин, Т.Б. Чистякова // Системы управления и информационные технологии. - 2009. - № 2. - С. 87-92.
  • Полосин, А.Н. Математические модели осциллирующего движения и плавления полимеров для проектирования и управления экструдерами / А.Н. Полосин, Т.Б. Чистякова // Системы управления и информационные технологии. - 2006. - № 4. - С. 30-36.
  • Чистякова, Т.Б. Методы и технологии синтеза математических моделей процессов экструзии в гибких производствах полимерных материалов / Т.Б. Чистякова, А.Н. Полосин // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - № 4. - С. 170-180.
  • Полосин, А.Н. Технология моделирования неизотермического течения расплавов полимеров в одношнековых экструдерах на базе теории плоских потоков / А.Н. Полосин // Информационные технологии моделирования и управления. - 2007. - № 3. - С. 376-386.
  • Chiruvella, R.V. Extrusion of Non-Newtonian Fluids in a Single-Screw Extruder with Pressure Back Flow / R.V. Chiruvella, Y. Jaluria, V. Sernas // Polymer Engineering and Science. - 1996. - V. 36, № 3. - P. 358-367.
  • Чистякова, Т.Б. Математическое моделирование химико-технологических объектов с распределенными параметрами / Т.Б. Чистякова, А.Н. Полосин, Л.В. Гольцева. - СПб.: ЦОП "Профессия", 2010. - 239 с.
  • Чистякова, Т.Б. Система имитационного моделирования для управления экструдерами в гибких производствах полимерных материалов / Т.Б. Чистякова, А.Н. Полосин // Автоматизация в промышленности. - 2010. - № 7. - С. 35-40.
  • Polosin, A.N. The Mathematical Models and Program Complex for Synthesis of Reciprocating Extruders with Adjustable Configurations / A.N. Polosin, T.B. Chistyakova // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - V. 1202, № 1. - 12 p.
  • Chistyakova, T.B. Computer Modeling System of Industrial Extruders with Adjustable Configuration for Polymeric Film Quality Control / T.B. Chistyakova, A.N. Polosin // Proceedings of 2017 IEEE II International Conference on Control in Technical Systems. - St. Petersburg: Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI", 2017. - P. 47-50.
  • Chistyakova, T.B. Intelligence Computer Simulators for Elearning of Specialists of Innovative Industrial Enterprises / T.B. Chistyakova, I.V. Novozhilova // Proceedings of the XIX International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM'2016). - St. Petersburg: Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI", 2016. - P. 329-332.
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp