Математические модели и программный комплекс для управления экструзионными процессами в гибких многоассортиментных производствах полимерных материалов
DOI:
https://doi.org/10.14529/mmp190401Ключевые слова:
математические модели, численные методы, программный комплекс, экструзия, полимерные материалы.Аннотация
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 продукцииБиблиографические ссылки
Kohlert M., Hissmann O. Applied Industry 4.0 in the Polymer Film Industry. Proceedings of the 16th TAPPI European PLACE Conference. Basel, 2017, pp. 183–190.
Chistyakova T., Teterin M., Razygraev A., Kohlert C. Intellectual Analysis System of Big Industrial Data for Quality Management of Polymer Films. Advances in Neural Networks – ISNN 2016: 13th International Symposium on Neural Networks Proceedings. Cham, Springer, 2016, pp. 565–572.
Rauwendaal C. Polymer Extrusion. Munich, Carl Hanser Verlag, 2014.
Gartner H., Schnabel A., Kohlert C. Control Systems for Calenders – from Mixer to Take-off. Kunststoffe Plast Europe, 1997, vol. 87, no. 6, pp. 24–27.
Chistyakova T.B., Razygraev A.S., Polosin A.N., Kohlert C. [Software Package for Color Control of the Thin Rigid Polymeric Materials]. Avtomatizatsiya v promyshlennosti [Industrial Automation], 2012, no. 7, pp. 12–18. (in Russian)
Shapiro J., Halmos A.L., Pearson J.R.A. Melting in Single Screw Extruders. Part 1: The Mathematical Model. Polymer, 1976, vol. 17, no. 10, pp. 905–918.
Basov N.I., Volodin I.N., Kazankov Yu.V., Pervushin V.E. Hydrodynamics and Heat Exchange in Melting in the Screw Channel of an Extruder. Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 1983, vol. 17, no. 1, pp. 61–67.
Elbirli B., Lindt J.T., Gottgetreu S.R., Baba S.M. Mathematical Modeling of Melting of Polymers in a Single-Screw Extruder. Polymer Engineering and Science, 1984, vol. 24, no. 12, pp. 988–999.
Pervadchuk V.P., Trufanova N.M., Yankov V.I. Mathematical Model and Numerical Analysis of Heat-Transfer Processes Associated with the Melting of Polymers in Plasticating Extruders. Journal of Engineering Physics, 1985, vol. 48, no. 1, pp. 60–64.
Lee K.Y., Han C.D. Analysis of the Performance of Plasticating Single-Screw Extruders with a New Concept of Solid-Bed Deformation. Polymer Engineering and Science, 1990, vol. 30, no. 11, pp. 665–676.
Voskresenskiy A.M., Kuchinskaya E.A. Pererabotka polimernykh materialov v chervyachnykh mashinakh. Metody tekhnologicheskikh raschetov [Processing of Polymeric Materials in Screw Machines. Technological Calculation Methods]. St. Petersburg, Saint Petersburg State Institute of Technology (Technical University), 2000. (in Russian)
Zhu L., Narh K.A., Geng X. Modeling of Particle-Dispersed Melting Mechanism and Its Application in Co-Rotating Twin-Screw Extrusion. Journal of Polymer Science. Part B: Polymer Physics, 2001, vol. 39, no. 20, pp. 2461–2468.
Vergnes B., Souveton G., Delacour M.L., Ainser A. Experimental and Theoretical Study of Polymer Melting in a Co-Rotating Twin-Screw Extruder. International Polymer Processing, 2001, vol. 16, no. 4, pp. 351–362.
Thibault F., Tanguy P.A., Blouin D. А Numerical Model for Single Screw Extrusion with Poly(Vinyl Chloride) (PVC) Resins. Polymer Engineering and Science, 1994, vol. 34, no. 18, pp. 1377–1386.
Tadmor Z., Broyer E. Solids Conveying in Screw Extruders. Part II: Non Isothermal model. Polymer Engineering and Science, 1972, vol. 12, no. 5, pp. 378–386.
Wilczy´nski K., White J.L. Melting Model for Intermeshing Counter-Rotating Twin-Screw Extruders. Polymer Engineering and Science, 2003, vol. 43, no. 10, pp. 1715–1726.
White J.L., Chen Z. Simulation of Non-Isothermal Flow in Modular Co-Rotating Twin Screw Extrusion. Polymer Engineering and Science, 1994, vol. 34, no. 3, pp. 229–237.
Lyu M.-Y., White J.L. Simulation of Non-Isothermal Flow in a Modular Buss Kneader and Comparison with Experiment. International Polymer Processing, 1997, vol. 12, no. 2, pp. 104–109.
Skul’skiy O.I. [Numerical Modeling of Single-Screw Extruders]. Plasticheskie massy [Plastics], 1997, no. 8, pp. 39–44. (in Russian)
Monchatre B., Raveyre C., Carrot C. Influence of the Melt Viscosity and Operating Conditions on the Degree of Filling, Pressure, Temperature, and Residence Time in a Co Kneader. Polymer Engineering and Science, 2018, vol. 58, no. 2, pp. 133–141.
Mehranpour M., Nazokdast H., Dabir B. Computational Study of Velocity Field in the KE Element of a Modular Ko-Kneader with CFD Method. International Polymer Processing, 2003, vol. 18, no. 4, pp. 330–337.
Lewandowski A., Wilczy´nski K.J., Nastaj A., Wilczy´nski K. A Composite Model for an Intermeshing Counter-Rotating Twin-Screw Extruder and Its Experimental Verification. Polymer Engineering and Science, 2015, vol. 55, no. 12, pp. 2838–2848.
Vergnes B., Della Valle G., Delamare L. A Global Computer Software for Polymer Flows in Corotating Twin Screw Extruders. Polymer Engineering and Science, 1998, vol. 38, no. 11, pp. 1781–1792.
Todd D.B. Residence Time Distribution in Twin-Screw Extruders. Polymer Engineering and Science, 1975, vol. 15, no. 6, pp. 437–443.
Puaux J.P., Bozga G., Ainser A. Residence Time Distribution in a Co-Rotating Twin-Screw Extruder. Chemical Engineering Science, 2000, vol. 55, no. 9, pp. 1641–1651.
Hoppe S., Detrez C., Pla F. Modeling of a Cokneader for the Manufacturing of Composite Materials Having Absorbent Properties at Ultra-High-Frequency Waves Polymer Engineering and Science, 2002, vol. 42, no. 4, pp. 771–780.
Monchatre B., Raveyre C., Carrot C. Residence Time Distributions in a Co-Kneader: A Chemical Engineering Approach. Polymer Engineering and Science, 2015, vol. 55, no. 6, pp. 1237–1245.
Lyu M.-Y., White J.L. Residence Time Distributions and Basic Studies of Flow and Melting in a Modular Kneader. Polymer Engineering and Science, 1998, vol. 38, no. 9, pp. 1366–1377.
Chistyakova T.B., Razygrayev A.S., Polosin A.N., Araztaganova A.M. Joint Innovative IT Projects in the Field of Production of Polymeric Sheet Materials. 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, pp. 61–64.
