Размещено на http://www.allbest.ru/

Программное обеспечение модуля исследования усадки полимерной пленки при управлении каландровым производством

Чистякова Т.Б., Авербух А.Б., Козырь В.А.

В настоящее время процесс производства полимерных пленок на каландровых линиях - это стремительно развивающееся многоассортиментное гибкое производство. С появлением новых рецептур каландрованные пленки получают применение в новых отраслях, таких как пищевая, медицинская, технологии материалов для информационных носителей. В связи с этим требования к качеству полимерной пленки предъявляются жесткие требования. Потому в данный момент немаловажной становится задача создания на каландровом производстве такой системы управления качеством продукции, которая будет отвечать все возрастающим современным требованиям /1/. Важную роль для подобного модуля играет программное обеспечение, позволяющее осуществлять прогнозирование значений усадочных характеристик полимерной пленки, а также оценивать степень влияния каналов управления каландровой линии на эти значения.

Для этих целей был разработан программный комплекс для моделирования и управления процессом усадки полимерной плёнки.(Shrinkage Expert) /2/. Общая структура комплекса представлена на рисунке 1.

Для создания интерфейса, позволяющего работать с базой данных справочной системы, и для реализации модели прогнозирования размерных характеристик полимерной плёнки с использование релаксационного спектра выбрана среда разработки Borland C++ Builder 6.0. Borland C++ Builder 6.0 является системой быстрой разработки приложений RAD (Rapid Application Development). Интегрированная среда C++ Builder обеспечивает скорость визуальной разработки, продуктивность повторно используемых компонент в сочетании с мощными языковыми средствами C++ и разномасштабными средствами доступа к базам данных. С++ Builder поддерживает связь с различными базами данных. Borland С++Builder6, обеспечивающий доступ к данным по современной технологии ActiveX Data Objects ADO. Технология позволяет при создании программного продукта, ориентированного на работу с данными, обеспечить подходящий способ доступа к информации, наиболее универсальный и несложный в использовании. Это надстройка над OLE DB, представляющая собой набор простых в применении компонентов ActiveX. ActiveX Data Objects: набор ActiveX компонентов для использования Microsoft OLEDB, чтобы считывать и изменять информацию базы данных. С помощью технологии ADO можно получать доступ к данным, организованным самым разнообразным способом. При этом не требуется использовать механизм BDE.(что может вызвать некоторые неудобства, как в написании программного продукта, так и в дальнейшем его использовании).

Рисунок 1 - Общая структура программного комплекса

Рассмотрим подробнее алгоритмы и программную реализацию двух моделей, наиболее часто используемых в данный момент в рамках комплекса для прогноза и анализа влияния управляющих воздействий на параметры усадки полимерной пленки - модель Муни-Ривлина для случая одноосного растяжения и модель с использованием релаксационного спектра.

Модель Муни-Ривлина для одноосного растяжения дает следующую зависимость /3/ условного напряжения от степени удлинения :

A, B, C - эмпирические коэффициенты - параметры модели, получаемые с помощью анализа экспериментальных данных.

После некоторых преобразований

где

F - тянущая сила;

Н - текущая толщина слоя во время движения к следующему валку;

На - толщина слоя в момент отрыва листа от валка каландра;

W - текущая ширина слоя во время движения к валку приёмного устройства;

Wa- ширина слоя в момент отрыва листа от валка каландра;

Vi- начальная скорость движения (скорость верхнего валка каландра для начального положения заготовки);

Vi+1- скорость валка приёмного устройства;

?o- коэффициент консистенции;

n- индекс течения;

To - начальная температура плёнки;

T- конечная температура плёнки;

L - путь вне контакта с валками;

Подставляя выражение для напряжения вытяжки в уравнение, получим следующую зависимость:

Таким образом, получено выражение для продольной усадки реологического тела Муни-Ривлина. Очевидно, что для прогноза максимально возможной усадки (либо растяжения), необходимо установить максимальный по модулю корень полученного уравнения шестой степени.

Было решено использовать комбинированный метод приближенного решения уравнений, сочетающий в себе метод линейного поиска и метод половинного деления, так как стандартные методы решения требуют знания интервалов изоляции корней на числовой оси.

Поиск интервалов ограничения корней уравнения шестой степени является очень трудоемкой процедурой. К тому же для решения данной задачи совершенно необязательно искать все корни уравнения, а достаточно определить лишь два из них - самый правый и самый левый.

Таким образом, сначала находятся две границы изоляции корней - самая правая и самая левая. Для этого используется теорема оценки «Правило кольца»:

Для уравнения вида:

все корни находятся внутри кольца:

Таким образом, можно ограничить область поиска максимального и минимального (самого левого и самого правого корней), двумя отрезками, изображенными на рисунке 2.

Рисунок 2 - Ограничение корней. Правило кольца

После определения правой и левой границы осуществляется линейный поиск правого и левого корней. Поиск корней осуществляется с шагом, зависящим от заданной точности прогнозирования и прекращается по критерию

для правого корня и

для левого,

где - величина устойчивого шага поиска

Затем, на полученных интервалах изоляции корней применяется метод половинного деления для поиска решений с заданной точностью Е. Условие окончания поиска решений: . Точность вычислений Е задается пользователем.

Алгоритм функционирования программного модуля для вычисления величины усадки с помощью модели Муни-Ривлина, представлен на рисунке 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Алгоритм расчета значений усадки с использованием модели Муни-Ривлина

В программной реализации процедуры ограничения и поиска корней выполнены отдельным файлом, что позволяет достаточно быстро модернизировать программу, заменяя методы поиска без переработки основных модулей программы.

При использовании в качестве ядра модели релаксационного спектра получаем для i-го участка вытяжки, то есть пары валков со скоростями и зависимости вида (1):

(см. рис. 4)

Рисунок 4 - Участок вытяжки

, (1)

где

температура приведения

- индекс степенного закона.

- модуль высокоэластичности, связанный с логарифмическим релаксационным спектром , временем релаксации и максимальной ньютоновской вязкостью следующим соотношением /4/

Полученная для зависимость применяется столько раз, сколько имеется участков вытяжки, в результате составляя систему, решения которой и являются искомым режимом для всей линии.

В общем виде, алгоритм расчета термической усадки с использованием релаксационного спектра приведен на рисунке 5.В блок схеме дополнительно обозначены:

- число валов линии

- температура стеклования полимерной смеси

- «коэффициент памяти» (коэффициент пропорциональности, характеризующий «глубину памяти» материала).

- отношение линейных скоростей валков, данное отношение идентифицирует участок вытяжки материала(при условии )

- время прохождения каждого участка

- средняя температура пленки в конце участка

- темп релаксации.

Данные о конфигурациях линии хранятся в специальном классе TLine, конструктор и деструктор которого написаны таким образом, чтобы снизить вероятность ошибок приводе параметров существующих или разрабатываемых каландровых линий. Сами же конфигурации линий хранятся в базе данных линий в виде отдельных таблиц, что в будущем облегчает дополнение баз новыми конфигурациями и выборочный доступ пользователя к данным о тех или иных линиях.

Все данные о перерабатываемом материале во время работы программы хранятся в специальном классе TMaterial, методы которого, позволяют делать поправки к характеристикам материала, с учетом особенностей конфигурации линии. Кроме того, во время работы пользователь может загрузить данные о наиболее часто используемых материалах или последних использовавшихся настройках./5/

пленка полимерный усадка термический

Рисунок 5 - Алгоритм расчета термической усадки с использованием релаксационного спектра

Комплекс также оснащен справочной системой, включающей информацию по целому ряду эмпирических моделей технологической и эксплуатационной усадок полимерной пленки, адаптированных для каландрования. Вся информация по данным моделям оформлена в виде справочной системы.

Разработана логическая структура информационного обеспечения справочной системы в CASE Studio2 (рис. 6)

Рисунок 6 - Структура базы данных справочной системы

Cгенерирован SQL- scripts для физического создания таблиц в Access 2000 базы

данных эмпирических моделей.

База данных содержит четыре основные таблицы:

1. таблицу материалов, содержащую основные характеристики полимера (плотность, допустимую температуру переработки, значения допустимой усадки и т.д.)

2. таблицу всех параметров, от которых зависит расчётное значение усадки, для

каждого параметра определено название, обозначение в формуле, единицы измерения и код модели в которой данный параметр встречается.

3. таблица моделей

4. таблица формул

Физическая структура Базы данных:

Выбрав тип усадки (таблица USADKA), можно определить модели, описывающие выбранный тип усадки (связь с таблицей MODEL). Выбрать модель и посмотреть список параметров для этой модели (связь с таблицей PARAMETR) (см. рис. 7). Для некоторых параметров имеются расчётные формулы (таблица FORMULA). Значения параметров являющихся константами или коэффициентами можно найти в таблице PARAMETR_MATERIAL для каждого типа полимера. Связь таблицы MODEL с таблицей MODEL_ MATERIAL предназначена для выбора модели исходя из заданных условий переработки полимера.

Рисунок 7 - Пример заполнения таблицы «PARAME R »

Общий алгоритм функционирования справочного интерфейса с возможностью оценочного расчета усадки представлен на рис. 8.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8 - Алгоритм работы справочного интерфейса

Таким образом, созданный программный комплекс может успешно применяться на производстве для прогнозирования значений усадки в зависимости от заданных параметров производственного процесса каландрования, выбора управляющих воздействий, а также для анализа ранее полученных результатов.

Экономический эффект от эксплуатации комплекса достигается за счет снижения финансовых и временных затрат при перенастройке производства, снижения затрат на “компенсацию усадки”, снижения брака пленки за счет деформации пленки при усадке/растяжении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Колерт К. Пленки ПВХ в Западной и Восточной Европе // Пленки ПВХ в России: Материалы Междунар. конф., С.-Петерб. гос. технол. ин-т (техн. ун-т), 13 окт. 2004 г.

2. Свидетельство Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам о регистрации программного продукта “Программный комплекс для моделирования и управления процессом усадки полимерной плёнки.(Shrinkage Expert)” №2004611407 от 07.06.2004.Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. - М.: Химия, 1977.

3. Вострокнутов Е.Г., Виноградов Г.В. Реологические основы переработки эластомеров. - М.: Химия, 1988.

4. Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов). - М.: Химия, 1977.

5. Т.Б. Чистякова, А.Б Авербух, К. Колерт Математическое моделирование процессов усадки/растяжения полимерной пленки для управления каландровой линии - «Химическая промышленность», № 10 с 488-507.

Размещено на Allbest.ru