Дипломная (вкр): Совершенствование системы контроля качества в технологическом процессе гуммирования

Рассмотрим модели тепловых объектов. Модель теплового расчёта объекта сложной формы, разработанная компанией «CADFEM», предназначена для проведения расчётных и экспериментальных исследований теплового состояния сложной конструкции, включающей в себя компоненты, образующие закрытые полости и конфигурации, характеризуемые контактной теплопроводностью и сложным радиационным теплообменом [31].

С помощью данной модели осуществляется расчет стационарного теплового состояния методом установления. На рисунке 6 представлен пример расчёта распределения температур на поверхности сложного объекта, покрытого эмалью AK 512.

Рисунок 6 - Распределение температуры на объекте с покрытием

Учебный стенд «Тепловой объект», разработанный НПФ «Круг» (рисунок 7) предназначен для моделирования теплообменных процессов, а также для построения систем управления такими процессами. К основным функциональным возможностям стенда можно отнести:

дистанционное измерение температуры до и после заслонки;

дистанционное управление нагревательным элементом (накалом инфракрасной лампы) с помощью унифицированного аналогового сигнала тока, подаваемого на тиристорный регулятор;

дистанционное управление скоростью вращения вентилятора с помощью унифицированного аналогового сигнала тока, подаваемого на тиристорный регулятор;

возможность строить контуры регулирования технологических параметров различной сложности, в том числе реализовывать каскадное регулирование.

Рисунок 7 - Схема учебногостенда «Тепловой объект»:

- секционная задвижка, 2 - датчик температуры, 3 - четырехпозиционная заслонка, 4 - ручка управления четырех позиционной заслонкой, 5 - датчик температуры, 6 - инфракрасная лампа, 7 - вентилятор.

Стенд состоит из следующих частей: термоизолированного корпуса цилиндрической формы, нагревательного элемента (инфракрасная лампа накаливания) с тиристорным регулятором, вентилятора с тиристорным регулятором, четырехпозиционной заслонки с ручным приводом, двух датчиков температуры, расположенных до и после заслонки.

Из анализа зарубежных и отечественных систем управления тепловыми объектами можно сделать вывод, что для их разработки применяются все вышеописанные типы адаптивным систем управления и системы управления на основе идеального моделирования теплового объекта. Как видно из приведенных примеров существующих средств управления, для решения многих задач сложно ограничиться одним типом системы и методов, что приводит к необходимости их композиции. Существующие системы управления многосвязными тепловыми объектами агрегата полимерных покрытий функционируют на основе идеального моделирования теплового объекта и беспоисковой самонастройки. Применение данных подходов не позволяет определять управляющие воздействия для нового вида сортамента. Кроме того, настройка эталонного состояния системы на этапе проектирования приводит её в неактуальное состояние при длительной эксплуатации и износе оборудования.

Далее был рассмотрен процесс гуммирования оцинкованной полосы как объект управления. Это необходимо для определения конкретных типов систем и методов, применение которых возможно для его управления.

.2 Характеристика процесса гуммирования оцинкованной полосы как объекта управления

Технология нанесения гуммированного покрытия при производстве предварительно окрашенного проката заключается в химической подготовке полосы, нанесении краски на полосу и термообработке полосы для гуммирования (закрепления) краски. На данный момент существует два основных способа нанесения лакокрасочного покрытия на металл - порошковый и валковый методы.

В процессе гуммирования частицы резины электрически заряжаются от внешнего источника или электризацией при трении. Электрическим полем частицы резины переносятся к изделию, которое имеет противоположный заряд. Не осевшие на изделие частицы резины улавливаются в камере напыления и могут быть использованы для повторного напыления. Далее изделие с нанесенной резиной переносится в камеру вулканизации для «запекания» резины.

В процессе формирования покрытия из нанесенного резинового слоя создается монолитное качественное покрытие на поверхности изделия.

Процесс формирования покрытия осуществляется путем нагрева слоя резины до состояния его оплавления с образованием монолитного слоя. При последующей обработке в результате отвердения (для термореактивных материалов) или охлаждения (для термопластичных материалов) слоя образуется твердая пленка.

Технологический процесс вулканизации рулонного металлопроката методом представлен следующими этапами [2]:

Подготовка поверхности перед окраской:

двойное обезжиривание поверхности полосы в специальных ваннах с применением вращающихся щеток, с последующей двойной промывкой чистой водой распылением форсунками;

пассивация поверхности полосы специальным хроматирующим раствором с последующей сушкой горячим воздухом.

Вулканизация полосы:

нанесение резины на полосу;

сушка резины в сушильных печах по зонам при заданных температурах;

намотка окрашенной полосы в рулоны.

Исходным материалом для производства проката с полимерным покрытием являются холоднокатаные горячеоцинкованные полосы в рулонах из низкоуглеродистых и углеродистых качественных и обыкновенного качества марок стали с химическим составом по ГОСТ 9045-93, ГОСТ 1050- 88, ГОСТ 380-05, EN 10326-04, EN 10327-04 [33].

Для нанесения гуммированного покрытия чаще всего используют марку стали «08пс». Её физические свойства при различных температурах представлены в таблице 1. В таблице введены следующие обозначения физических величин: - температура, при которой получены данные свойства;- модуль упругости первого рода;

α - коэффициент температурного расширения (диапазон 20o - T);

λ - коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала);

Таблица 1 -Физические свойства марки стали «08пс»

Размеры холоднокатаных горячеоцинкованных полос и исходных рулонов [34]:

толщина полосы: 0,4-1,2 мм;

толщина полосы: 900-1550 мм;

наружный диаметр рулона: не более 2100 мм;

внутренний диаметр рулона: 600-620 мм;

масса рулона: до 35 т;

телескопичноть: не более 10 мм;

предельное отклонение по ширине полосы: 5 мм.

Механические свойства исходных полос по способности к вытяжке стальной основы должны соответствовать требованиям заказов и отвечать ГОСТ 9045-93, ГОСТ 14918-80, ГОСТ 52246-2004, EN 10326-04, EN 10327-04 (в соответствии с сертификатом качества на подкат) [33].

Ниже приведено схематическое изображение непрерывной линии по покрытию рулонного металла (рисунок 8). Такую линию также называют агрегатом гуммированных покрытий [1, 2].

Сушка резинового покрытия состоит в нагреве основного материала до пиковой температуры металла, при которой происходит вулканизация и отверждение покрытий. Значение пиковой температуры металла равно температуре вулканизации.

Рисунок 8 - Схема линии по вулканизации металла:

- разматыватель рулонов; 2 - сшивка лент; 3, 11 - накопитель ленты; 4 - химическая подготовка поверхности; 5 - нанесение резинового слоя; 6 - сушка в печи грунтовочного слоя; 7, 10 - водяное охлаждение; 8 - нанесения защитного слоя; 9 - сушка в печи отделочного слоя; 12 - резка; 13 - наматыватель рулонов.

Время отверждения колеблется в интервале от 20 до 70 секунд при пиковой температуре металла. Для различных марок стали и резины эта температура варьируется в диапазоне от 220 ºС до 260 ºС. Сушка гуммированных покрытий осуществляется в проходной печи в среде рециркулируемого потока воздуха. Максимально допустимая температура циркуляционного воздуха в зонах печи составляет 400 ºС. Воздух подаётся соплами в направлении, перпендикулярном направлению движения полосы. Печь включает в себя 7 зон, каждая из которых оснащена отдельной горелкой (рисунок 9).

Рисунок 9 - Схема печи сушки отделочного слоя

Тепловой режим вулканизации рассчитывается для каждого типа материала с учётом следующих факторов:

толщина и ширина исходного металла;

толщина наносимого слоя резины;

скорость полосы в технологической части агрегата гуммированных покрытий;

объём отработанного воздуха, отводимого из печи;

мощность вентиляторов расположенных в зонах печи.

Для достижения соответствия физико-механических свойств покрытия допускается корректировка пиковой температуры поверхности металла в пределах ±5 ºС от указанной в сертификате на партию [33].

Для управления процессом сушки полимерного покрытия технический персонал цеха покрытий металла использует:

показания контрольно-измерительных приборов, установленных на пультах оператора;

данные технологических карт, составляемых работниками цеха покрытий металла;

личные визуальные наблюдения за внешним видом полосы.

Выводы

На основе системного анализа процесса гуммирования оцинкованной полосы определены модели и методы, применение которых необходимо для реализации метода управления: имитационная модель процесса сушки полимерного покрытия, метод оптимизации технологических параметров процесса полимеризации на основе генетического алгоритма и модель нейро-нечёткого управления процессом.

Определено, что разработка и реализация метода управления процессом вулканизации оцинкованной полосы на агрегате полимерных покрытий на основе нейро-нечетких сетей является актуальной и перспективной научно-технической задачей с точки зрения экономической выгоды, сокращения издержек и оптимизации производства.

Установлено, что процесс вулканизации оцинкованной полосы в печах агрегата покрытий металла является многосвязным объектом с распределённостью параметров по координате, работающим в условиях нестационарности и требует системного подхода к изучению.

Определены требования, предъявляемые к математическому обеспечению системы управления многосвязными тепловыми объектами агрегата покрытий металла: обеспечение функционирования в режиме непосредственной связи с объектом и в режиме реального времени, разнообразия выполняемых функций при их относительной неизменности во время эксплуатации, обмена информацией с большим количеством её источников и потребителей в процессе решения основных задач, работоспособности в условиях, ограничивающих время расчета управляющих воздействий.

2.МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ НЕЙРО-НЕЧЁТКОГО УПРАВЛЕНИЯ МНОГОСВЯЗНЫМИ ТЕПЛОВЫМИ ОБЪЕКТАМИ АГРЕГАТА ГУММИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТАЛЛА

Концептуальное проектирование - начальная стадия проектирования, на которой принимаются решения, определяющие последующий облик системы, и проводятся исследование и согласование параметров созданных решений с возможной их организацией. В настоящее время становится постепенно осознанным то, что для построения систем на качественно ином уровне новизны, а не просто их модернизации, необходимо быть вооруженным теоретическими представлениями о том, в каком направлении развиваются системы. Это необходимо для организации управления этим процессом, что повысит как показатели качества этих систем, так и эффективность процессов их проектирования, функционирования и эксплуатации [39].

На данном этапе необходимо сформулировать задачу управления, из которой получим задачи исследования. После анализа процесса полимеризации оцинкованной полосы как объекта управления необходимо определить границы предметной области, представляющие интерес при построении модели управления процессом, т.е. определиться с требуемым уровнем абстракции моделей, которые предстоит построить.

Важнейшим приемом системного исследования является представление любых сложных систем в виде моделей, т.е. применение метода познания, в котором описание и исследование характеристик и свойств оригинала заменяется описанием и исследованием характеристик и свойств некоторого другого объекта, который в общем случае имеет совершенно другое материальное или идеальное представление. Важно, что модель отображает не сам объект исследования в наиболее близком к оригиналу виде, а только те его свойства и структуры, которые в большей степени интересуют для достижения поставленной цели исследования.

Задача управления заключается в задании таких значений параметров процесса вулканизации оцинкованной полосы, которые позволят достичь максимального коэффициента прилипания при минимальном расходе энергоресурсов.

К качеству произведенного предварительно окрашенного проката предъявляется ряд требований, которые описаны в ГОСТ, перечисленных в разделе 1.3. Процесс сушки в печах агрегата гуммированных покрытий влияет только на качество прилипания к подложке. Поэтому такие дефекты как неравномерность покрытия, отклонение по блеску и рытвины в данной работе не рассматриваются.

Для осуществления процесса сушки полимерного покрытия необходимо знать следующий набор технологических параметров: температуры 7 печных зон (Tз1…Tз7), скорость линии (V), плотность и теплоёмкость металлической подложки (r, с), толщина и начальная температура полосы (h, Tнач.), интервал температур полимеризации наносимой краски ([Tпол1;Tпол2]).

Эти параметры в производстве принято называть рецептом.

Такие параметры как мощность вентиляторов, установленных в печных зонах, объем подводимого чистого воздуха, параметры взрывоопасности лаков исключаются из рассмотрения, так как они влияют на скорость прогрева зон перед сушкой и концентрацию взрывоопасных газов, которые в данной работе не раскрываются. Их регулирование осуществляется отдельно от управления самим процессом вулканизации.

Определим задачи исследования, которые необходимо выполнить для достижения цели управления. Отметим, что текущее состояние системного анализа предъявляет особые требования к решениям, принимаемым на основе исследования полученных моделей. Мало просто получить возможные решения (в данном случае, значения температур печных зон) - необходимо, чтобы они были оптимальны. Системный анализ, в частности позволяет предложить методики принятия решений по целенаправленному поиску приемлемых решений путем отбрасывания тех из них, которые заведомо уступают другим по заданному критерию качества. Цель его применения к анализу конкретной проблемы состоит в том, чтобы, применяя системный подход и, если это возможно, строгие математические методы, повысить обоснованность принимаемого решения в условиях анализа большого количества информации о системе и множества потенциально возможных решений [39].

В связи с тем, что на данном этапе нам известны только входные и выходные параметры моделей, опишем их с помощью подхода с позиции «чёрного ящика».

Первая задача, которую необходимо решить, - это построить имитационную модель процесса сушки покрытия, т.е. получить математическое описание объекта, использующееся для проведения экспериментов на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта. Это нужно, чтобы определить, до какой величины повысится температура поверхности металла (Тпов. вых.) при выходе из печи при заданных значениях скорости полосы, толщины, плотности, теплоёмкости и начальной температуры металла, а также температур печных зон. В дальнейшем сравнение величины, полученной на выходе этой модели, с температурой полимеризации краски позволит сделать вывод о качестве прилипания покрытия (рисунок 10).