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

Рисунок 10 - Концептуальная имитационная модель процесса сушки покрытия

Вторая задача - разработать метод оптимизации технологических параметров процесса вулканизации оцинкованной полосы. Для её решения необходимо осуществить формализацию критерия качества управления и построить модель оптимизации технологических параметров. В связи с тем, что регулирование температурного режима осуществляется за счёт изменения температур печных зон (Tз1…Tз7), данная модель должна оптимизировать их значения (Tз1опт…Tз7опт) согласно критерию качества управления (рисунок 11). Данная модель на вход получает и температуры вулканизации, поскольку без них невозможно определить качество прилипания краски к металлической подложке.

Рисунок 11 - Концептуальная модель оптимизации технологических параметров

.2 Метод управления многосвязными тепловыми объектами агрегата гуммированных покрытий

Модуль, реализующий метод оптимального управления многосвязными тепловыми объектами агрегата защитных покрытий, имеет две составляющие - блок оптимизации и блок расчёта температур печных зон. Обе эти части имеют своё собственное математическое обеспечение.

Блок оптимизации позволяет подготовить набор данных для обучения блока управления. В нём реализован метод оптимизации технологических параметров на основе генетического алгоритма. Данный блок содержит в себе имитационную модель процесса сушки покрытия и предназначенную для проверки адекватности оптимизированных данных. Данный блок осуществляет оптимизацию рецептов, полученных из ретроспективных данных о работе агрегата, и позволяет подобрать оптимальные значения температур печных зон для каждого рецепта. Оптимизированные таким образом рецепты и будут являться обучающими данными для блока управления.

Модель управления была получена благодаря использованию подхода децентрализации. Так общая модель управления была разбита на семь подмоделей, вычисляющих температуру каждой из печных зон. Для реализации каждой подмодели используется нейро-нечёткая сеть. Процедура структурной и параметрической идентификации всех подмоделей идентична. Отличие заключается в количестве входных переменных. В блоке расчёта температур печных зон отсутствует явная реализация критерия и правила оптимального управления. Оптимальность управляющих параметров, полученных с помощью данного модуля, обеспечивается за счёт обучения на данных, прошедших процедуру эвристической оптимизации по целевой функции.

.3 Имитационная модель процесса сушки материала на поверхности металлической полосы в печах агрегата гуммированных покрытий металла

Идея метода имитационного моделирования заключается в том, что вместо аналитического описания взаимосвязей между входами, состояниями и выходами строят алгоритм, отображающий последовательность развития процессов внутри исследуемого объекта, а затем «проигрывают» поведение объекта на ЭВМ. Следует отметить, что поскольку для имитационного моделирования зачастую используются выборки со значительным количеством статистических данных, издержки, связанные с имитацией, почти всегда высоки по сравнению с расходами, необходимыми для решения задач на небольшой аналитической модели.

Имитационные модели не накладывают жестких ограничений на используемые исходные данные, позволяют в процессе исследования использовать всю собранную информацию вне зависимости от ее формы представления и степени формализации [30, 31].

Оценка адекватности и точности математической модели является важнейшей задачей моделирования, так как любые исследования на неадекватной модели теряют смысл. Но с ростом адекватности и точности модели возрастают как стоимость, так и ценность ее для исследования. Приходится решать вопрос о компромиссе между стоимостью модели и последствиями ошибочных решений из-за её неадекватности исследуемому процессу. Оценка адекватности и точности модели представляет собой непрерывный процесс, начинающийся с начала исследования и осуществляющийся на практике за счет повторения цикла «построение модели - проверка модели». Трудность состоит в том, что понятие адекватной модели не имеет количественного измерения. Достоверность и точность имитационной модели будет определяться тем, насколько оптимально сочетаются в ней сложность модели, метода расчета и точность входной информации.

Оценка адекватности построенной имитационной модели, в конечном счете, либо позволит убедиться, что с ее помощью будут получены результаты, которые действительно характеризуют функционирование исследуемого объекта, либо сделать вывод о необходимости корректировки имеющейся модели и ее направлениях [30, 32].

.3.1 Статистическая модель поверхностных явлений при покраске оцинкованной полосы

Полимеризация оцинкованной металлической полосы - поверхностное явление, основным результатом которого - возникновение крепкой адгезионной связи. Адгезия - сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел, обусловленное межмолекулярным взаимодействием. Для рассматриваемой задачи под адгезией понимается прилипание полимерного покрытия к поверхности оцинкованного металла [33].

В наиболее распространенной модели Рауза, используемой для описания динамики полимерных молекул,полимерная структурапредставляется как последовательность частиц, связанных в цепь [33, 34]. Эти связи не сопровождаются переносом заряда от подложки к адатому или наоборот. При более высоких температурах осуществляется обмен электронов между адсорбированной частицей и поверхностью, при котором образуется довольно сильная химическая связь между ними, и о частице говорят, что она хемосорбирована. Каждый адатом теперь оказывается в гораздо более глубокой потенциальной яме Ec. Чтобы попасть в эту яму, частица должна преодолеть энергетический барьер Eb.

Частица может выйти из состояния хемосорбции лишь в том случае, если

выполняется условие.

Задачи статистической механики имеют точное решение лишь в исключительных случаях. Как правило, их приходится решать приближённо. Существующие приближённые методы решения статистических задач можно разбить на следующие группы [36]:

кластерный подход, при котором моделью служит небольшой кластер;

приближённые интегральные уравнения для корреляционных функций, а именно уравнения Кирквуда или Перкуса-Йевика для описания термодинамических характеристик простых жидкостей;

разложение в ряд по степеням подходящей переменной, при котором используется обратная температура или плотность;

метод ренорм-групп Вильсона, реализующий последовательное вычисление статистической суммы, причем на каждом этапе ренормализованный гамильтониан определяется заново.

численное моделирование с помощью метода Монте-Карло.

Следует отметить, что для расчёта фазовых диаграмм адсорбированных частиц в последнее время наиболее активно используется метод Монте-Карло. В рассматриваемой работе в начальный момент времени t = 0 принималось, что для всех узлов решеткиni,j= 0, т.е. адсорбции не было. Расчеты производились с помощью компьютерного моделирования методом Монте-Карло на основе алгоритма Метрополиса, в котором генерируется случайный процесс, который состоит из набора последовательных конфигураций системы. По ансамблю таких систем при достаточно большом числе входящих в него конфигураций можно вычислять средние значения практически любых равновесных физических величин [33, 36].

В дальнейшем было произведено вычисление относительной степени заполнения поверхности металла звеньями гуммированных цепей  как отношение числа адсорбированных узлов к общему числу узлов решетки (5).

,(5)

На рисунке 12б показаны результаты вычислений величины  при различных распределениях температур T(t), значения которых показаны на рисунке 12а.

Рисунок 12 - a) зависимость температуры стальной полосы от времени; б) относительная степень заполнения поверхности металла звеньями гуммированных цепей при соответствующем режиме изменения температуры

При низких значениях температуры (кривая 1 на рисунках 12а и 12б) прилипание слабое. При очень высоких температурах (кривая 3) прилипание возникает, но впоследствии уменьшается. В этом случае после окончания сушки гуммированного покрытия оно отстанет от поверхности, что является главным типом дефектов при покраске металла методом «CoilCoating» [37, 38]. Распределение температур на поверхности стальной полосы, определяемое кривой 2, является оптимальным для максимального прилипания. Поэтому выбор оптимального температурного режима является важной технологической задачей.

При моделировании процесса прилипания использовались значения микроскопических параметров (например, величины Ep, Ec, g и др.), которые первоначально были неизвестны.

Таким образом, необходимо осуществлять прогнозирование температуры поверхности металла на выходе из печи, что позволит определить качество прилипания. Для этого необходимо построить модель процесса сушки полимерного покрытия в печной установке.

.3.2 Математическая модель процесса сушки полимерного покрытия на поверхности оцинкованной полосы

Кратко рассмотрим основные методы сушки лакокрасочных покрытий. В зависимости от характера переноса тепла различают сушку за счёт конвекции или различного рода облучения [12].

Конвекционная, или циркуляционная сушка осуществляется за счёт движения потока нагретого воздуха на изделия, причём на их поверхности происходит интенсивный теплообмен. Нагретый воздух охлаждается, передавая тепловую энергию окрашиваемому изделию. При этом температура изделия повышается, и лакокрасочное покрытие нагревается.

Для нагревания воздуха в сушилках циркуляционного типа могут использоваться все известные источники энергии. На практике чаще всего применяют природный газ.

Различают прямой и косвенный обогрев. В сушилках с косвенным обогревом перенос энергии в циркулирующий воздух осуществляется с помощью теплообменников. В аппаратах с прямым обогревом сушильная среда нагревается путём введения нагретых газов, образующихся в результате сгорания природного газа. Прямой обогрев более выгоден с точки зрения экономии энергии. Но может быть использован только в тех случаях, когда чистота топочных газов исключает возможность загрязнения окрашиваемой поверхности, так как в противном случае может произойти пожелтение покрытия или внесение частичек сажи, образующихся в результате неполного сгорания [39].

Сушка инфракрасным (ИК) облучением использует еще один способ передачи энергии для отвержения. Интенсивность ИК-излучения зависит от диапазона длины волн и температуры излучателя. Различают длинно-, средне-, коротко- и ультракоротковолновое излучение.

ИК-лучи в зависимости от свойств облучаемой поверхности могут поглощаться или отражаться. Светлые гладкие поверхности, как и при воздействии световых лучей, отражают большую часть облучения по сравнению с шероховатостями и тёмными поверхностями. Неотражённая часть облучения преобразуется в тепло, что приводит к повышению температуры изделий и нагреванию слоя. Преимущество сушки ИК-облучением заключается также и в возможности переноса большого количества энергии за очень короткий промежуток времени. Это позволяет быстрее подготовить сушилку к работе, быстрее нагреть окрашиваемые изделия, а также значительно сэкономить рабочие площади благодаря более короткому пути изделий в процессе сушки [9].

На агрегате полимерных покрытий металла используются печи, сочетающие оба эти метода сушки покрытия. При этом используется прямой обогрев конвекционной сушки и сушка длинноволновым ИК-излучением.

Теплообмен между нагретыми конструкциями и другими объектами количественно характеризуется тепловым потоком и его плотностью. Тепловым потоком называется количество тепла Q передаваемое от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой в единицу времени t.Количество тепла, получаемое полосой определяется выражением [35]:

(6)

где с - теплоёмкость стали, из которой изготовлена полоса,

 - плотность стали,- толщина полосы, a - длина полосы, b - ширина полосы, τmax - время нахождения полосы в печи.

В расчётах используют три вида удельных тепловых потоков [25]:

поверхностную плотность теплового потока;

линейную плотность теплового потока;

объёмную плотность теплового потока.

Для процесса сушки полимерного покрытия используется поверхностная плотность теплового потока[39, 30, 31].Количество тепла, передаваемое от печи металлической полосы будет иметь вид:

(7)

Исходя из уравнения теплового баланса, приравняем выражения (6) и (7)

и получим выражение:.

Из этого следует, что .

Т.к. интеграл равен нулю, то и подинтегральное выражение равно нулю. Следовательно, получим

Расчёт критерия Bi (Био), отражающего соотношение эффективности переноса тепла от воздушной среды к поверхности полосы с эффективностью теплопроводности от поверхности в глубь полосы, показал возможность пренебрежения изменением температуры по толщине полосы. Исходя из этого, получим

(8)

С помощью данного выражения, зная начальную температуру полосы, параметры марки стали и плотность теплового потока, проходящего через поверхность металла, можем определить температуру поверхности металла в любой момент времени.

При оценке величины теплового потока необходимо учесть тот факт, что в печах реализовано одновременно два метода сушки. Следовательно, передача тепла в печи осуществляется совместно конвекцией и излучением. Такой теплообмен называется сложным или радиационно-конвективным. По этой причине плотность теплового потока, описанная в правой части выражения (10), будет иметь две составляющие - конвективный тепловой поток и лучистый тепловой поток [12].

Процесс теплообмена между поверхностью полосы с температурой T полосы и некоторой газообразной средой с температурой T печи,обусловленной естественным или принудительным перемешиванием среды около поверхности, носит название конвективного теплообмена. Передача тепла осуществляется за счёт переноса массы нагретого вещества. Естественная конвекция обеспечивается в присутствии гравитации подъёмом теплого воздуха вверх, поскольку, нагревшись, он становится легче. Принудительная конвекция обеспечивается перемещением воздуха вентилятором. Так полный тепловой поток, отдаваемый средой нагреваемому объекту за счёт конвекции, можно определить с помощью выражения (9).

(9)

где  - коэффициент конвективного теплообмена.