Содержание к диссертации
Введение
1 Системный подход к проблеме автоматизации непрерывных технологических процессов кабельного производства 14
1.1 Основные принципы системного подхода и системные свойства технологических процессов кабельного производства 14
1.2 Критерии качества технологических процессов кабельного производства 16
1.2.1 Формирование параметров качества коаксиального кабеля с пористой изоляцией 17
1.2.1 Формирование параметров качества симметричного кабеля со сплошной изоляцией 26
1.2.3 Формирование параметров качества LAN-кабелей 28
2 Обобщенная структурная схема объекта управления в установившемся режиме непрерывного наложения кабельной изоляции 43
2.1 Технология процесса наложения химически вспененной изоляции при изготовлении коаксиальных кабелей 44
2.1.1 Статические модели коаксиального кабеля с химически наложенной пенопластовой изоляцией как объекта управления 46
2.1.2 Содержательный анализ свойств процесса наложения химически вспененной изоляции как объекта управления 56
2.1.3 Анализ существующих решений по управлению процессом наложения химически вспененной изоляции коаксиальных кабелей.. 63
2.1.4 Постановка задачи контроля и управления параметрами качества коаксиальных кабелей при наложении химически вспененной изоляции 68
2.2 Наложение физически вспененной кабельной изоляции 71
2.2.1 Постановка задачи контроля и управления параметрами качества LAN-кабелей при наложении физически вспененной изоляции 73
2.3 Наложение сплошной кабельной изоляции на токопроводящую жилу 75
2.4 Наложение защитной оболочки 76
2.5 Постановка задачи контроля и управления процессом наложения защитной оболочки кабелей связи 77
3 Моделирование управляемого процесса экструзии кабельной изоляции 79
3.1 Моделирование зоны загрузки экструдера 79
3.2 Моделирование плавления полимерных материалов в экструдерах 94
3.3 Моделирование температурного поля и движения расплава полимера в зоне дозирования червяка экструдера 106
3.4 Моделирование движения расплава в кабельной головке 118
3.5 Моделирование температурного поля изолированной кабельной жилы на участке охлаждения 126
4 Структурное моделирование процессов наложения кабельной изоляции на одночервячных прессах 138
4.1 Структурное моделирование температурных полей при охлаждении изолированной кабельной жилы 138
4.2 Структурное моделирование температурных полей расплава полимера . 154
5 Синтез алгоритмов и систем управления процессами наложения изоляции при производстве кабелей связи 169
5.1 Синтез алгоритмов и систем управления процессом наложения сплошной изоляции 169
5.1.1 Задача на минимум длины ванн охлаждения при наложении кабельной изоляции 170
5.1.2 Синтез САР температурным распределением зоны дозирования экструдера 186
6 Разработка и реализация промышленных систем управления технологическими процессами изолирования кабелей связи 193
6.1 Система автоматизированного управления процессом наложения химически вспененной изоляции 193
6.1.1 Выбор месса установки датчиков на экструзионной линии 193
6.1.2 Контроль параметров процесса в ходе нормальной эксплуатации . 197
6.1.3 Автоматизированная система управления экструзионной линией 203
6.2 Система распределенного управления процессом охлаждения изоляции... 207
Заключение 210
Литература 213
Приложения 231
- Формирование параметров качества коаксиального кабеля с пористой изоляцией
- Статические модели коаксиального кабеля с химически наложенной пенопластовой изоляцией как объекта управления
- Моделирование температурного поля и движения расплава полимера в зоне дозирования червяка экструдера
- Структурное моделирование температурных полей при охлаждении изолированной кабельной жилы
Введение к работе
В диссертации рассматривается методология системного подхода к проблеме автоматизации непрерывных технологических процессов кабельного производства, осуществляется математическое и структурное моделирование операций изолирования кабелей связи как объектов управления с распределенными параметрами, делается обоснованный выбор критериев качества кабельного производства и формулируются требования к синтезу систем автоматического управления с целью разработки научно-обоснованного подхода к проектированию высокопроизводительных технологических установок и систем управления, обеспечивающих их эффективное функционирование.
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.
Важнейшими задачами, которые должны быть решены для интенсификации производства, повышения его эффективности и конкурентоспособности выпускаемой продукции являются: увеличение производительности труда, экономия материальных ресурсов, сокращение численности работающих, повышение качества продукции и ее эксплуатационных характеристик.
Решение этих задач невозможно без комплексной автоматизации производственных процессов, оптимизации технологических режимов и управления процессами производства [99,100].
Сказанное в полной мере относится к производству проводных кабелей, используемых качестве линий передачи информации, и являющихся одной из важнейших составляющих любой сложной системы в различных областях техники. К ним относятся радиочастотные коаксиальные кабели, коаксиальные кабели зоновой связи, миниатюрные компьютерные кабели, сверхпроводящие коаксиальные кабели, кабели для систем кабельного телевидения, LAN-кабели и другие.
Неотъемлемой составляющей производства любого проводного кабеля является операция изолирования - наложения изоляции на токопроводящую жилу. Именно на операции изолирования формируются основные параметры кабеля как канала связи, определяющие в конечном итоге его применимость в том или ином частотном диапазоне.
Проблеме повышения эффективности управления технологическими процессами кабельного производства, разработке моделей, систем и алгоритмов автоматического управления различными технологическими процессами производства кабелей связи посвящены научные исследования К.Д. Колесникова, Б.К. Чостковского, Э.Б. Попова, А.А. Абросимова, А.Г.Михеева, В.К. Тяна, О.Н. Авдеева, С.А. Кижаева и других [1,2,13, 21,42,58,119,138]. Однако в известных работах по автоматизации решались, как правило, задачи управления не экструзионными линиями по наложению кабельной изоляции, а
5 другим технологическим оборудованием кабельного производства - установкой отжига медной проволоки, сварочньм станом, бумагомассным агрегатом и т.д.
В работах Н.М. Труфановой, В.И. Боярченко, P.P. Зиннатуллина, В.П. Первадчук, В.И. Янкова, В.И. Щербинина, Е.В. Субботина, А.А. Москвичева, Н.И. Никитенко, Л.Б. Радченко, А.В. Самойлова, И.И. Стародубцева и других [36,37,83,84,93+98,103,115,123, 127,135+137,159+165] основное внимание уделялось математическому описанию процессов, происходящих при переработке пластических масс на одночервячных экструдерах; процессам тепломассопереноса в канале пластицирующего экструдера, плавлению полимерных материалов в экструдере и т.д.
Влияние конструктивных особенностей и формируемых в процессе изготовления кабелей нерегулярностей их параметров качества на стабильность выходных характеристик кабелей связи исследовалось в работах Н.И. Дорезюк, М.Ф. Попова, В.М. Пименова, Б.К. Чостковского и других авторов [30+32,101,148,156].
В работах Б.К. Чостковского, Л.Е. Степанова, С.А. Кижаева, С.А. Колпащикова, Д.А. Уклейна, Н.М. Труфановой, Т.А. Самыгиной и некоторых других авторов [3,43,44,46, 124+126,139,147,149+155] рассматривались вопросы управления экструзионными линиями по наложению кабельной изоляции, и основной упор делался на выбор критериев качества изготавливаемой продукции, разработку алгоритмов управления, обеспечивающих заданное качество продукции.
Но при этом объекты управления рассматривались и описывались, как объекты с сосредоточенными параметрами. В свою очередь, построение эффективных систем управления технологическими линиями по наложению кабельной изоляции с целью выполнения жестких требований, которые предъявляются к кабельной продукции по величине нерегулярностей параметров кабеля и их частотному диапазону, возможно лишь на основе математических моделей, учитывающих базовые физические закономерности управляемых процессов.
Одной из основных особенностей технологических процессов кабельного производства является явно выраженная неравномерность пространственной распределенности основных управляемых величин и, как следствие этого, их зависимость не только от времени, что характерно для систем с сосредоточенными параметрами, но и от пространственных координат объекта управления.
Наиболее ярким примером таких объектов может служить технологический процесс наложения полимерной изоляции на токопроводящую жилу. Формируемые в экструдере температурное поле и поле скоростей течения расплава полимера; температурное поле изолированной жилы, охлаждаемой в ваннах охлаждения, существенно изменяются в
осевом и радиальном направлениях в пределах пространственных областей их распространения.
Только с учетом фактора пространственной распределенности управляемых величин можно решить центральную задачу распределенного управления режимными параметрами технологического процесса изолирования кабельных изделий, реализуемого секционированием зон нагрева на цилиндре экструдера, ванн охлаждения с различной температурой охлаждающей воды и т.д.
Сложившаяся традиционная практика использования для управления такими технологическими процессами типовых моделей объектов с сосредоточенными параметрами во многих случаях приводит к потере сущностных физических свойств управляемых процессов, значительным ошибкам при синтезе систем автоматизации, либо вообще оказывается несовместимой с исходными требованиями.
В частности, одно из важнейших технологических ограничений на величину радиального температурного градиента охлаждаемой в водяных ваннах изолированной кабельной жилы в принципе не может быть учтено с помощью моделей процесса охлаждения, не учитывающих пространственную неравномерность температуры по объему формируемой изоляции.
Первые результаты по описанию технологических процессов переработки пластмасс как объектов с распределенными параметрами приведены в работах Н. Хаджийски, С. Пацова, А.И. Данилушкина, В.В. Чадаева [28,142,145]. Но они получены либо для экструдера с индукционным нагревом для изготовления пенополистирольного пенопласта, используемого в строительной индустрии, как у А.И. Данилушкина [28]. Либо, как в работе Н. Хаджийски, С. Пацова [142], для технологической линии по изготовлению полиамидного волокна. В работе В.В. Чадаева [145] описана разработанная система оптимального управления охлаждением жилы кабеля связи в процессе его изготовления, позволяющая стабилизировать натяжение жилы в процессе производства. Система выполнена как система с распределенными параметрами, но в ней решена частная задача, т.к. работа системы стабилизации натяжения оказывает незначительное влияние на формирование параметров качества выпускаемого кабеля.
В Самарском государственном техническом университете получило развитие новое научное направление, разрабатывающее вопросы математического моделирования, проектирования и оптимального управления системами с распределенными параметрами применительно к технологическим объектам различного вида.
В рамках данного научного направления и выполнена настоящая работа. Диссертационная работа ориентирована на решение важной научно-технической
7 проблемы - повышение эффективности технологического оборудования, экономию материалов, улучшение качества изготавливаемой продукции применительно к непрерывным технологическим процессам изолирования кабелей связи на экструзионных линиях.
В диссертационной работе проведено структурное моделирование процессов наложения кабельной изоляции на одночервячных прессах и структурное моделирование процесса охлаждения изолированной кабельной жилы на экструзионной линии как объектов управления с распределенными параметрами; синтезирована система управления охлаждением кабельной изоляции как система управления с распределенными параметрами.
Основные результаты работы получены и использованы в ходе выполнения в течение 1976 - 2006 г.г. ряда хоздоговорных работ ГОУВПО СамГТУ и ООО "Системы управления в передовых технологиях", а также госбюджетной НИР по заказу Министерства образования и науки РФ "Теория, системный анализ и методы синтеза алгоритмов и систем оптимального управления сложными техническими объектами и энерготехнологическими процессами с распределенными параметрами" (тема № 565/03-05). Работа также поддержана грантом РФФИ "Разработка основ теории и методов реализации стратегии гарантированного результата в процессах идентификации и управления техническими системами с распределенными параметрами" (проект 06-08-00041-а).
Актуальность темы диссертации подтверждается материалами Всесоюзных, российских и международных конференций по автоматическому управлению; надежности конструкций механических систем; средствам автоматизации кабельного производства; информационным, измерительным и управляющим системам.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка проблемно-ориентированных математических моделей и базирующихся на их основе алгоритмов и систем автоматического управления пространственно-распределенными теплофизическими процессами формирования полимерной изоляции при изготовлении кабелей связи, обеспечивающими повышение эффективности производства за счет улучшения качества продукции и экономии материалов.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных в работе научных задач использовались методы математического анализа, методы теории тепло- и массообмена, аппарата конечных интегральных преобразований и преобразований Лапласа, теории автоматического управления, методы структурной теории распределенных систем, теории оптимального управления систем с распределенными параметрами, экспериментальные
8 методы исследования объектов и систем автоматического управления, современные комплексы программ.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Постановка задач и методы их решения существенно отличаются от традиционных в области автоматизации кабельного производства использованием системного подхода к проблеме автоматизации всей совокупности непрерывных технологических процессов изолирования кабелей связи; математическим, структурным моделированием и построением систем управления процессами формирования изоляции кабелей связи как объектами с распределенными параметрами. К новым научным результатам в указанном направлении относятся:
- декомпозиция обобщенных эксплуатационных критериев качества кабелей связи на
основе системного подхода к автоматизации непрерывных технологических процессов
кабельного производства и обоснование локальных критериев качества кабельной
продукции, изготавливаемой на промежуточных технологических операциях;
аналитическое описание и структурное моделирование процессов в зоне дозирования одночервячного экструдера как объекта управления температурным полем расплава полимера;
аналитические модели и структурное представление управляемого процесса охлаждения изолированной кабельной жилы в виде физически неоднородной, пространственно распределенной системы двух сопряженных осесимметричных движущихся цилиндрических тел;
алгоритмы и системы оптимального управления охлаждением кабельной изоляции в процессе ее наложения на экструзионных линиях;
алгоритмы и структуры систем управления наложением химически вспененной термопластической изоляции;
методы анализа и синтеза систем автоматического управления распределенными объектами технологических процессов изолирования кабелей связи.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ПОЛЕЗНОСТЬ РАБОТЫ. Полученные в работе результаты позволили решить ряд практических задач, существенно улучшающих технико-экономические показатели автоматизируемого технологического оборудованию по наложению термопластической изоляции кабелей связи, и позволяющих повысить качество изготавливаемого кабеля.
Выполненное в диссертационной работе структурное моделирование процесса охлаждения изолированной кабельной жилы на экструзионной линии как объекта управления с распределенными параметрами позволило решить задачу по определению минимальной длины ванн охлаждения при наложении кабельной изоляции, при которой
9 обеспечивается заданная абсолютная точность приближения результирующего радиального распределения температуры изоляции к требуемому состоянию. При фиксированной длине ванн охлаждения это позволяет рассчитать максимально возможную скорость наложения изоляции на экструзионной линии, при которой гарантируется требуемая точность поддержания радиального распределения температуры изоляции на выходе последней ванны охлаждения. При этом рост производительности оборудования с гарантированным сохранением требуемого качества кабельной продукции достигает 10%.
Проведенное в работе структурное моделирование теплофизических процессов наложения кабельной изоляции на одночервячных экструдерах как объектов управления с распределенными параметрами позволило впервые сформулировать научно и технически обоснованные требования к распределенному управлению - пространственному распределению температур зон нагрева червяка экструдера, обеспечивающему с заданной точностью требуемое распределение по глубине канала шнека температуры расплава полимера в зоне дозирования экструдера. Это в конечном итоге позволило существенно повысить стабильность формируемых на операции изолирования параметров качества кабельной изоляции, особенно в случае наложения химически вспененной изоляции, наиболее чувствительной к колебаниям температуры расплава полимера.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Полученные в работе теоретические положения и практические результаты использованы:
- при разработке и создании информационно-измерительной системы для
автоматического контроля диэлектрической проницаемости кабельной изоляции (ОКБ
КП, г. Мытищи, Московской области);
при разработке системы контроля и управления наложением пористой изоляции кабеля ВКПАП (АО "Самарская кабельная компания", г. Самара);
при разработке системы управления экструзионной линией (ЗАО "Самарская кабельная компания", г. Самара);
- в учебном процессе в курсовом и дипломном проектировании.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных, российских и международных конференциях:
- VI Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития кабелей связи в XI пятилетке".- Одесса, 1982;
- Всесоюзной научно-технической конференции "Новое технологическое
оборудование, современные средства автоматизации и механизации кабельного
производства".-Бердянск, 1984;
VII Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития кабелей связи в XII пятилетке". - Бердянск, 1986;
Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизированные комплексы и системы, современное оборудование кабельного производства". - Паневежис, 1987;
- Всероссийской научно-технической конференции "Надежность механических
систем". - Самара, 1995;
- Международной конференции "Информационные, измерительные и управляющие
системы" (ИИУС-2005). - Самара, 2005.
Экспонат "Прибор для автоматического контроля параметров кабельной продукции", разработанный при личном участии автора диссертации, представлялся на ВДНХ СССР в 1988 г.
ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертации опубликованы в 40 научных работах, в том числе 13 статей опубликовано в периодических. научных изданиях, рекомендованных ВАК России для опубликования научных работ, в 1 монографии, в 5 статьях и материалах конференций, по теме диссертации получено 8 авторских свидетельств на изобретения.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, изложенных на 230 стр. машинописного текста; содержит 84 рисунков и 5 таблиц, список литературы, включающий 230 наименований, и 4 приложений на 5 стр. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
методология формирования исходных требований к системам автоматического управления процессами изолирования кабелей связи;
математическая модель и структурное представление одночервячного экструдера как объекта управления с распределенными параметрами при регулировании температуры расплава изоляции в зоне дозирования;
математическая модель и структурное представление процесса охлаждения кабельной изоляции как объекта управления с распределенными параметрами;
алгоритмы и системы оптимального управления стационарным режимом охлаждения изолированных кабельных жил;
алгоритмы управления и структуры систем автоматического управления наложением химически вспененной изоляции коаксиальных кабелей с учетом их полосы пропускания;
- алгоритмы управления и структура системы стабилизации температуры расплава
изоляции в одночервячном экструдере;
- результаты анализа и промышленного внедрения систем автоматического
управления процессами наложения изоляции кабелей связи.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассматривается методология системного подхода к проблеме автоматизации непрерывных технологических процессов кабельного производства, формулируются основные принципы системного подхода и системные свойства технологических процессов кабельного производства, рассматриваются критерии качества кабельного производства применительно к изготовлению коаксиальных кабелей с пористой изоляцией, симметричных кабелей со сплошной изоляцией, LAN-кабелей. На этом основании формулируется глобальный критерий качества функционирования системы, который путем анализа его компонентов и обоснованной процедуры декомпозиции позволяет перейти к локальным критериям качества. Это в свою очередь позволяет определить дальнейшую структуру математических моделей и топологию соответствующих подсистем управления, обеспечивающих выполнение предъявляемых требований к локальным критериям качества, и как следствие - достижение экстремальных значений глобального показателя эффективности технологического процесса.
ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ приводится классификация непрерывных процессов наложения кабельной изоляции как объектов управления, рассматриваются технологические требования к различным видам производственных установок и на основе этих требований формулируется ряд задач управления процессами изолирования. Рассмотрены процессы наложения химически вспененной изоляции при изготовлении коаксиальных кабелей; наложения физически вспененной изоляции; наложения сплошной изоляции на токопроводящую жилу и наложения защитной оболочки кабелей связи.
В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ построены математические модели управляемых процессов тепло- и массопереноса на всех участках технологической линии изолирования кабелей.
На основе взаимосвязанной системы уравнений математической физики в частных производных, описывающей совокупность процессов плавления, тепломассопереноса и теплообмена в твердой и жидкой фазах, с учетом гидродинамических явлений и реологических свойств полимеров в диссертации предложена научно-обоснованная методика построения математических моделей температурных полей полимера, учитывающих неравномерность их пространственного распределения, на всех стадиях формирования полимерного покрытия кабеля.
При этом, получено математическое описание зоны загрузки одночервячного экструдера; предложены математические модели процесса плавления полимерных материалов в экструдерах; выполнено математическое моделирование температурного поля и движения расплава термопластичного полимера в зоне дозирования червяка экструдера; моделирование движения расплава полимера в формующем инструменте -кабельной головке; выполнено математическое моделирование температурного поля изолированной кабельной жилы на участке охлаждения экструзионной линии - в ваннах охлаждения.
ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена структурному моделированию температурных полей полимерной изоляции в процессе ее наложения, рассматриваемых в качестве объектов управления с распределенными параметрами.
Структура объекта управления построена на основе полученных математических моделей исследуемых процессов.
Выполнено структурное моделирование температурных полей при охлаждении движущихся сопряженных физически неоднородных осесимметричных тел -температурных полей изолированных кабельных жил на участке охлаждения экструзионных линий; описание одночервячного экструдера как объекта управления с распределенными параметрами получено путем структурного моделирования температурных полей термопластичного материала в канале пластицирующего экструдера.
Найденные структурные модели объектов с распределенными параметрами -одночервячного экструдера и охлаждаемой изолированной кабельной жилы использованы при синтезе систем управления процессами наложения изоляции кабелей связи на экструзионных линиях.
ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена разработке алгоритмов и систем оптимального управления заключительной стадией процесса изолирования кабеля - охлаждению кабельной жилы в водяной ванне в стационарном режиме работы экструзионной линии.
Задача оптимального управления рассматривается в следующей постановке. Требуется для объекта управления, описываемого соответствующей краевой задачей, для сопряженной системы охлаждаемых тел цилиндрической формы найти пространственно-распределенное по длине ванны управление, обеспечивающее достижение заданной абсолютной точности приближения результирующего радиального распределения температур изолированной кабельной жилы на выходе из ванны к их требуемой величине при минимально возможной длине ванны в условиях заданного ограничения на предельно
13 допустимую величину управляющего воздействия и фазового ограничения на максимум радиального температурного градиента, достигаемого на поверхности изоляции.
Поставленная задача решается с помощью принципа максимума Понтрягина применительно к полученному в работе модальному представлению объекта управления бесконечной системой обыкновенных дифференциальных уравнений для коэффициентов разложения температурного поля в ряд по собственным функциям краевой задачи.
Как показано в работе, расчетное оптимальное проектирование ванны охлаждения приводит к уменьшению ее длины на 30% по сравнению с типовыми техническими решениями.
В ШЕСТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены вопросы создания на базе предложенных моделей систем автоматизации технологических процессов наложения кабельной изоляции для различных типов кабелей связи с учетом формируемых эксплуатационных характеристик кабелей. Описаны разработанные и внедренные автором, либо с его участием средства контроля технологических параметров качества кабельной изоляции формируемых на операции изолирования; а также системы управления процессами наложения кабельной изоляции для различных видов кабельной продукции.
1 Системный подход к проблеме автоматизации непрерывных технологических процессов кабельного производства
Формирование параметров качества коаксиального кабеля с пористой изоляцией
Конструкция коаксиального кабеля с пористой (пенопластовой) изоляцией и трубчатым внешним проводником является одной из наиболее перспективных и экономичных конструкций с точки зрения высоких электрических характеристик, технологичности изготовления, малого веса и стоимости, экономии материалов [7,25,33].
Основными преимуществами коаксиальных кабелей по сравнению с симметричными кабелями являются: применение однокабельной системы вместо двухкабельной; возможность расширения диапазона частот и применение более многоканальных систем передачи информации; рост переходного затухания и защищенности с увеличением частоты передаваемого сигнала; повышенные технико-экономические показатели (удельный расход материалов и стоимость одного каналокилометра связи) [25]. Однако коаксиальные кабели обладают и рядом существенных недостатков: более сложная конструкция и, следовательно, более сложная технология производства; более короткие длины строительных участков; повышенные требования к однородности параметров передачи. Отмеченные достоинства и недостатки в еще большей степени относятся к коаксиальным кабелям с пористой изоляцией. Так, применение в коаксиальных кабелях изоляции со степенью пористости (отношением объема газовых включений к общему объему изоляции) S= 0,5, дает экономию полимерного изоляционного материала - 50%. С другой стороны становится особенно актуальной задача управления процессом наложения пенопластовой изоляции с целью поддержания высокой степени однородности электрических свойств пористой изоляции [25,126].
Несмотря на отмеченные недостатки, преимущества коаксиальных кабелей оказываются столь очевидными и превалирующими, что на магистральной сети связи они находят широкое применение наряду с волоконно-оптическими линиями связи [25,33].
Поэтому будем рассматривать в качестве примера и объекта автоматизации однокоаксиальный кабель внутризоновой связи типа ВКПАП [25] (Рисунок 1.2.1) и технологический процесс его изготовления.
Кабель ВКПАП имеет медный внутренний проводник 1, накладываемую методом химического вспенивания пенополизтиленовую изоляцию 2. алюминиевый внешний проводник 3 и защитный полиэтиленовый шланг 4. Номинальное значение его волнового сопротивления равно 75 Ом.
Технологический процесс изготовления кабеля состоит из ряда технологических операций, на которых формируются основные геометрические и электрические параметры кабеля (технологические параметры качества).
Медная жила изготавливается методом волочения. Формируемым параметром при этом является ее диаметр d (его номинальное значение 2,14 мм). Т.к. при волочении используются высокоточные фильеры (например, алмазные), это позволяет получить весьма малый разброс величины d (не более ± 0,01 мм), благодаря чему влиянием неоднородностеи d на формируемые параметры качества кабеля обычно пренебрегают [7,25]. Затем медная жила отжигается. Часто операцию вытяжки и отжига медной проволоки совмещают со следующей технологической операцией - изолирования.
Наложение пористой изоляции методом химического вспенивания осуществляется на экструзионных линиях (будет рассмотрено позднее). В качестве полимерного материала для изоляции кабеля используется полиэтилен высокого давления низкой плотности (ПЭНП).
Завершающими операциями изготовления кабеля ВКПАП являются операция наложения металлической оболочки с продольно-сварным швом (внешнего алюминиевого проводника) на аргонодуговом сварочном стане "УНИВЕМА", и операция наложения внешнего защитного полиэтиленового шланга на экструзионной линии - "ЧМПК-160". На операции наложения внешнего проводника формируются такие технологические параметры качества кабеля, как толщина алюминиевой ленты dn (номинальное значение 1 мм) и внешний диаметр наружного проводника Dr (номинальное значение равно 11,7 мм).
Для синтеза эффективных систем управления производством коаксиальных кабелей необходимо построение математической модели качества коаксиального кабеля, учитывающей взаимосвязь качества кабеля с его основными электрическими и конструктивными параметрами.
Применимость кабеля как линии связи в том или ином частотном диапазоне определяется величиной помех в виде так называемых обратного и попутного потоков. Ввиду сложности измерения непосредственно величин обратного и попутного потоков, однородность кабеля принято нормировать по величине входного коэффициента отражения Гвх, косвенно оцениваемого по доступной измерению величине коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) в рабочем диапазоне частот [7,25]. Однако измерение КСВН возможно только в готовом кабеле. В [199] описана возможность оценки структурных обратных потерь в изоляции при ее наложении в процессе формирования.
Внедрение международного стандарта системы управления качеством ИСО-9001 требует "прозрачности" качественных показателей на всех этапах технологического цикла и прогнозируемое эксплуатационных свойств продукции на всех этапах ее изготовления.
Декомпозиция эксплуатационного критерия, как правило, приводит к обоснованным технологическим или технико-экономическим критериям или определяет допустимые области конечных состояний в соответствующих краевых задачах оптимального управления для отдельных технологических операций производственного цикла изготовления кабеля.
Выбор основного эксплуатационного критерия обусловлен необходимостью достижения максимальной пропускной способности кабельных линий связи, определяемой параметрами передачи и параметрами влияния в заданном диапазоне частот [152]. Так свойства коаксиальных пар в широкой области частот оцениваются по частотной зависимости затухания, которую можно разделить на две части. Первая, связанная с потерями в проводниках и диэлектрике, зависит от свойств материалов, из которых изготавливается кабель. Вторая, вызываемая отражениями сигналов от внутренних нерегулярностей коаксиальной пары, может быть минимизирована путем оптимизации управления параметрами кабеля, формируемыми в ходе технологических процессов его изготовления. Эта составляющая характеризуется также частотной характеристикой входного коэффициента отражения, связанной с функцией изменения волнового сопротивления коаксиального кабеля Z по его длине х [32].
Важнейшим параметром коаксиального кабеля, определяющим его качество как канала связи, является его волновое сопротивление [7,25,32,33]. Неоднородности волнового сопротивления по длине кабеля (отклонения волнового сопротивления от номинального значения) и вызывают отражение передаваемого по кабелю сигнала и появление помех в виде так называемых обратного и попутного потоков, величины которых и определяют применимость кабеля в той или иной полосе частот [31,148]. Волновое сопротивление может быть измерено только на конечной операции кабельного производства - операции наложения внешнего проводника - и на готовом кабеле [119].
Статические модели коаксиального кабеля с химически наложенной пенопластовой изоляцией как объекта управления
При изготовлении коаксиальных и симметричных кабелей связи наложение изоляции на токопроводящую жилу кабеля обычно осуществляется на экструдерных прессах. Наложение пористой изоляции методом химического вспенивания осуществляется на экструзионных линиях (Рисунок 2.1.1), включающих экструзионные агрегаты (червячные экструдеры), например, типа ME - 90 (фирмы Maillefer, Швейцария) или NOKIA - 80 (фирмы NOKIA, Финляндия).
Медная жила, на которую должна быть наложена изоляция, подается с бухтоотдатчика 1 на сматывающее устройство 2, осуществляющее также функции компенсатора (регулировку натяжения). Операции вытяжки и отжига медной проволоки выполняются в устройстве 3. Установка предварительного нагрева 4 стабилизирует заданную температуру проволоки перед наложением на нее изоляции. Изолирование медной жилы происходит в одночервячном экструдере 5. Загружаемый в бункер экструдера гранулированный полиэтилен содержит специальную добавку - порофор, который разлагается при определенной температуре с выделением большого объема газа. Плавление гранул в экструдере происходит под действием подводимого от внешних нагревателей тепла и вследствие диссипации энергии, образуемой за счет вязкого трения. Выделяемый при разложении порофора газ внутри экструдера находится в растворенном состоянии в расплаве пластмассы. В головке экструдера расплавленная масса полиэтилена выдавливается через кольцевой зазор на проходящую через головку медную жилу. При выходе из экструдера растворенный в расплаве газ интенсивно расширяется, образуя ячеистую структуру. Затем изолированная жила поступает в первую охлаждающую ванну 7 с подогретой водой. Передняя часть 6 первой ванны охлаждения выполняется выдвижной (телескопической), чтобы регулировать момент начала охлаждения расплавленной изоляции. На выходе первой ванны охлаждения стоит бесконтактный фотоэлектрический измеритель диаметра 8, осуществляющий контроль диаметра накладываемой изоляции. Во второй охлаждающей ванне 9 находится чувствительный элемент измерителя 10 погонной емкости изолированной жилы. Второй измеритель диаметра 11 предназначен для контроля диаметра сформировавшейся изоляции (после ее окончательной усадки). Датчик длины 12 осуществляет также формирование тактовых импульсов через одинаковые интервалы по длине изолируемой кабельной жилы. Изолированная жила протягивается с помощью тянущего устройства 13 (на рисунке изображено тянущее устройство гусеничного типа). Готовая жила принимается на приемное устройство 14. Управление линией осуществляется со шкафа управления 15.
На операции изолирования формируются следующие технологические параметры качества: диаметр жилы по изоляции Д, относительная диэлектрическая проницаемость пенопластовой изоляции єпп, эксцентриситет медной жилы относительно изоляции е, а также погонная емкость кабельной жилы С.
Завершающими операциями изготовления коаксиального кабеля являются операция наложения металлической оболочки с продольно-сварным швом (внешнего алюминиевого проводника) на аргонодуговом сварочном стане и операция наложения внешнего защитного полиэтиленового шланга на экструзионной линии. На операции наложения внешнего проводника формируются такие параметры качества коаксиального кабеля, как толщина алюминиевой ленты dn и внешний диаметр наружного проводника
Одной из основных задач, решаемых при управлении технологическими процессами изготовления коаксиального кабеля, является поддержание основных параметров кабеля на уровне их номинальных значений. Т.е. алгоритм функционирования технологических процессов предусматривает обязательную стабилизацию всех формируемых параметров кабеля на уровне заданных номинальных значений с заданными предельными отклонениями [152]. Для этого стабилизируются технологические режимные параметры процесса [151]. Однако, наличие разного рода случайных возмущений (колебаний напряжения в питающей сети, влияние помех на системы управления, изменения свойств перерабатываемых материалов и т.д.) приводит к появлению некоторых отклонений величин параметров качества, имеющих характер случайных процессов. На случайные отклонения параметров могут накладываться и детерминированные периодические отклонения вследствие наличия детерминированных возмущений (биения отдающих и приемных устройств; колебания давления в экструдере, вызванные вращением шнека экструдера и другие). Суммарное влияние тех и других причин приводит к появлению неоднородностей по длине кабеля частных параметров качества, как в виде случайных отклонений, так и в виде периодических колебаний - высоко- и низкочастотных трендов.
Было показано, что требования к параметрам передачи кабельной линии нарушаются даже при соблюдении всех допусков на предельные отклонения конструктивных и электрических параметров кабеля, например, при гармоническом характере изменения стабилизируемых параметров коаксиального кабеля по его длине даже при очень малых амплитудах этих изменений [32].
Моделирование температурного поля и движения расплава полимера в зоне дозирования червяка экструдера
Течение расплава в зоне дозирования происходит под действием сил вязкого трения, развивающихся вследствие относительного движения червяка и стенок цилиндра - по винтовой траектории. Объемный расход поступательного течения определяет производительность экструдера. Для нормальной работы экструдера необходимо, чтобы расплав, поступающий к рабочему инструменту (к кабельной головке), имел заданную, однородную по сечению температуру [132].
Для управления процессом изолирования на одночервячном экструдере, необходимо построить модель процесса наложения изоляции как объекта автоматического управления. При этом параметры модели могут быть получены как экспериментальным способом, так и в результате аналитического описания и численного расчета. Отсюда и возникает задача аналитического описания процесса экструзии для получения параметров экструдера как объекта автоматического управления.
Задача о винтовом движении вязкой жидкости неоднократно рассматривалась в ряде работ [93 -98,132,205,211,212]. Однако эти работы зачастую не позволяли моделировать реальный процесс, так как в них либо не учитывалась аномалия вязкости [93,95], либо не принималось во внимание существование теплообмена с окружающей средой, либо не рассматривалось влияние тепла, выделяемого в результате вязкого трения [211,212].
Чтобы удовлетворительно описать процесс экструзии, математическая модель течения расплава в пределах зоны дозирования должна учитывать основные особенности процесса [64]: существование аномалии вязкости; взаимное влияние циркуляционного и поступательного течений; влияние тепла, выделяемого в результате вязкого трения, и теплообмена с окружающей средой на температуру и эффективную вязкость расплава.
Как показано ранее, движение пластмассы в экструдере, в том числе и в зоне дозирования, можно рассматривать как движение в неподвижном прямоугольном канале постоянной (для зоны дозирования) глубины под действием ограничивающей канал сверху плоскости, движущейся к продольной оси канала под углом ср. Модель такого канала представлена на рисунке 3.2.3.
Уравнения, описывающие процессы течения любых жидкостей, выводятся путем применения к их движению основных физических принципов, сформулированных в законах сохранения момента количества движения, энергии и массы [128,132]. Данные уравнения (3.73), (3.66), (3.62) были получены ранее для описания зоны плавления и в общем случае справедливы и для зоны дозирования экструдера. Дополненные реологическим уравнением состояния (3.64) [19,177-479,202], начальными и граничными условиями, они однозначно описывают протекание процессов тепломассопереноса расплава полимера, обладающего аномалией вязкости, в зоне дозирования пластицирующего экструдера [166,185,190,197,214]. Граничные условия модели зоны дозирования имеют вид: Решение задач, возникающих при построении математических моделей процессов переработки материалов, сводится к интегрированию системы дифференциальных уравнений неразрывности, движения и теплового баланса, дополненных реологическим уравнением состояния и соответствующими начальными и граничными условиями. Указанные уравнения образуют полную систему уравнений относительно пяти искомых функций (Р, vt, Т) и достаточно строго описывают винтовое движение "степенной" жидкости при наличии теплообмена. Однако их решение может быть получено только численными методами [92,93,111,132,146,161,162]. Безусловный интерес представляет возможность аналитического описания процессов тепломассопередачи расплава полимера в дозирующей зоне пластицирующего экструдера. Для построения аналитической модели, значительно упрощающей описание процессов тепломассопереноса в зоне дозирования, но не искажающей существенно их характер, сделаем следующие дополнительные допущения: 1. Течение в направлении оси у существует только в непосредственной близости к стенкам канала. В остальной части сечения канала течение в направлении оси 7, отсутствует [иу =0). 2. Вследствие большого отношения ширины винтового канала ш к его глубине h, и учитывая предыдущее допущение, можно предположить, что на некотором расстоянии от стенок канала скорости их и иг не зависят от х.
Структурное моделирование температурных полей при охлаждении изолированной кабельной жилы
Получены аналитические модели и структурное представление управляемого процесса охлаждения изолированной кабельной жилы в виде физически неоднородной, пространственно распределенной системы двух сопряженных осесимметричных движущихся цилиндрических тел. 2. Проведено аналитическое описание и структурное моделирование процессов в зоне дозирования одночервячного экструдера как объекта управления температурным полем расплава полимера. 3. Для случая автоматического управления температурным полем расплава полимера как линейным распределенным объектом с сосредоточенным входом и выходом показано, что подобный объект является конечно представимым и, следовательно, может рассматриваться в классе систем с сосредоточенными параметрами с использованием известных методов синтеза и анализа подобных систем. 5 Синтез алгоритмов и систем управления процессами наложения изоляции при производстве кабелей связи Технологическая линия по наложению полимерной изоляции на токопроводящую жилу включает в себя два основных агрегата, функционирование которых в конечном итоге и определяет качество изготавливаемого кабеля: пластицирующий одночервячный экструдер, в котором осуществляется плавление полимера, его разогрев и гомогенизация, и охлаждающую ванну, где происходит охлаждение наложенной на проводник расплавленной изоляции. Управление процессом изолирования в настоящее время осуществляется в основном путем регулирования параметров кабеля (погонной емкости и диаметра), контролируемых на выходе последней ванны охлаждения, и стабилизации режимных параметров экструзионной линии: скорости протягивания кабельной жилы, температур по зонам нагрева цилиндра экструдера, температуры предварительного нагрева проводника и т.д. Управление же процессом охлаждения на экструзионных линиях практически не рассматривается вообще за редким исключением [145].
Кроме того, почти во всех известных работах одночервячный экструдер с ванной охлаждения рассматриваются как объекты управления с сосредоточенными параметрами [13,152,216].
Автором предложено рассматривать процесс наложения термопластической изоляции кабеля на экструзионных линиях как совокупность формально независимых процессов: наложения изоляции в пластицирующем одночервячном экструдере и охлаждения изолированной кабельной жилы с расплавленной изоляцией в ваннах охлаждения. Связи между ними осуществляется по краевым условиям: выходная температура зоны дозирования (температура расплава) равна начальной температуре изолированной жилы, попадающей в ванны охлаждения. Причем каждый из указанных этапов рассматривается и описывается как объект управления с распределенными параметрами.
В настоящей работе автором впервые выполнено математическое и структурное моделирование одночервячного экструдера и охлаждаемой кабельной жилы как объектов управления с распределенными параметрами. В настоящей главе на базе полученных моделей решаются задачи синтеза систем управления технологическими процессами -оптимальной системы распределенного управления процессом охлаждения наложенной кабельной изоляции (задача на минимум длины ванн охлаждения при стационарном режиме наложения кабельной изоляции) и системы управления одночервячным экструдером, рассматриваемым в качестве объекта с распределенными параметрами с граничным (сосредоточенным) управлением по мощности нагревателей.
Как отмечалось ранее, изолирование токопроводящих жил кабелей связи, как правило, осуществляется на экструзионных линиях. Охлаждение наложенной методом экструзии расплавленной пластмассовой изоляции осуществляется в процессе непрерывного движения кабельной жилы через водяные ванны охлаждения (рисунок 3.5.1) с заданной постоянной скоростью. При этом проблема оптимизации режима охлаждения изоляции сводится к выбору управления по граничным условиям за счет изменения температуры охлаждающей воды в ваннах охлаждения, обеспечивающего в условиях заданных ограничений получение требуемого распределения температуры изоляции на выходе из участка охлаждения при экстремальном значении выбранного критерия качества [104,105].
Необходимо отметить, что решение задачи оптимизации режимов непрерывного охлаждения изготавливаемых кабельных изделий зависит от вида изготавливаемой кабельной продукции.
При изготовлении изолированных кабельных жил с тонкостенной изоляцией необходимо обеспечить получение требуемого распределения температуры изоляции на выходе из участка охлаждения. При изготовлении же кабелей с толстостенной изоляцией или при наложении защитных кабельных оболочек необходимо учитывать дополнительные фазовые ограничения на максимальную разность температур соседних слоев охлаждаемой изоляции для предотвращения возникновения в изоляции внутренних напряжений и ее последующего разрушения (растрескивания) [41,45,86].
