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

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.

Ключевые слова

математические модели; численные методы; программный комплекс; экструзия; полимерные материалы.

Литература

1. 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.
2. Chistyakova, T. 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.
3. Rauwendaal, C. Polymer Extrusion / C. Rauwendaal. - Munich: Carl Hanser Verlag, 2014.
4. 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.
5. Чистякова, Т.Б. 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.
6. 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.
7. Басов, Н.И. 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.
8. Elbirli, B. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. Vergnes, B. 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.
14. 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.
15. 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.
16. Wilczy'nski, K. Melting Model for Intermeshing Counter-Rotating Twin-Screw Extruders / K. Wilczy'nski, J.L. White // Polymer Engineering and Science. - 2003. - V. 43, № 10. - P. 1715-1726.
17. 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.
18. 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.
19. Скульский, О.И. Численное моделирование одночервячных экструдеров / О.И. Скульский // Пластические массы. - 1997. - № 8. - С. 39-44.
20. 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.
21. 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.
22. Lewandowski, A. A Composite Model for an Intermeshing Counter-Rotating Twin-Screw Extruder and Its Experimental Verification / A. Lewandowski, K.J. Wilczy'nski, A. Nastaj, K. Wilczy'nski // Polymer Engineering and Science. - 2015. - V. 55, № 12. - P. 2838-2848.
23. 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.
24. Todd, D.B. Residence Time Distribution in Twin-Screw Extruders / D.B. Todd // Polymer Engineering and Science. - 1975. - V. 15, № 6. - P. 437-443.
25. 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.
26. 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.
27. 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.
28. 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.
29. 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.
30. Скачков, В.В. Моделирование и оптимизация экструзии полимеров / В.В. Скачков, Р.В. Торнер, Ю.В. Стунгур, С.В. Реутов. - Л.: Химия, 1984. - 152 с.
31. 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.
32. 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.
33. 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.
34. 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.
35. 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. \n36. 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.
37. 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.
38. 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.
39. 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.
40. 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.