Автоматизация и управление высокоточным порционным дозированием порошковых материалов
Автор Грибков Андрей Армович, 26.09.2011
| Страницы: 1 2 3 4 |
Грибков Андрей Армович
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ВЫСОКОТОЧНЫМ
ПОРЦИОННЫМ ДОЗИРОВАНИЕМ ПОРОШКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Специальность: 05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва 2011
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московском государственном технологичском университете «СТАНКИН». Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Григорьев Сергей Николаевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Драчев Олег Иванович
доктор технических наук, профессор
Султан-заде Назим Музаффарович
доктор технических наук, профессор
Кондаков Александр Иванович Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский
инструментальный институт
Защита состоится «15» ноября 2011 г. в 14 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127055, г. Москва, Вадковский пер., д.3а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».
Автореферат разослан «12» сентября 2011 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.142.03, к.т.н., доц. Семячкова Е.Г.
Актуальность работы. Дозирование порошковых материалов является нотъемлемой частью производства в химической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. Качество и себестоимость производимой продукции в этих отраслях напрямую зависят от точности и производительнсти дозирования.
Анализ существующих в настоящее время технологий дозирования пороковых материалов показывает, что высокая точность дозирования может быть обеспечена лишь при условии многократного снижения производительности. Кроме того, для высокоточного дозирования требуются дорогостоящие прецзионные элементы: быстродействующие измерительные устройства, прецизонные следящие системы с адаптивным управлением и высокоскоростные прцизионные системы управления подачей материала.
В большинстве случаев решение задачи повышения производительности решается за счет снижения точности, а задача повышения точности — ценой снижения производительности. Теоретические исследования в области дозирвания, имеющиеся в настоящее время, не позволяют получить однозначного ответа о возможностях повышения точности и производительности дозировния на имеющемся дозирующем оборудовании, обеспечиваемых за счет оптмизации режима дозирования. Также не имеет однозначного решения обратная задача: определение необходимой точности элементов дозирующей системы для обеспечения заданных точности и производительности дозирования.
Объем проведенных до настоящего времени теоретических исследований в области дозирования весьма ограничен. Анализ мирового научного опыта свдетельствует, что фундаментальные исследования в данной области проводлись главным образом в 1970-1980-х годах на Украине и в России. К числу наболее известных теоретических исследований относятся, в частности, работы Ю.В. Виденеева и Е.Б Карпина. Однако Ю.В. Видинеев занимался в основном непрерывным дозированием, а Е.Б. Карпин — весовым неавтоматизированным оборудованием.
После достаточно длительного периода бездействия (продолжавшегося окло 20 лет), в последние годы внимание к теоретическим исследованиям в оласти дозирования начало возрастать. В частности, было защищено несколько диссертаций в области структурного описания дозирующих систем и математческого моделирования процесса дозирования [Давиденко П.Н. Исследование и разработка методов проектирования информационных систем на основе дозторов дискретного действия: диссертация на соискание ученой степени канддата технических наук, 2005 г.; Колбасин А.М. Автоматизация технологическго процесса управления производством многокомпонентных сыпучих бетонных смесей с учетом ошибок дозирования: диссертация на соискание ученой степни кандидата технических наук, 2007 г.]. Также можно отметить интересное иследование по компьютерному моделированию процесса дозирования («Оптмизация процесса весового дозирования сыпучих материалов»), проведенное в 2007 году в Приднепровской Государственной Академии Строительства и Ахитектуры (г. Днепропетровск, Украина). Это стало возможным благодаря равитию вычислительной техники и появлению профессионального математичского программного обеспечения (в частности, программ MathLab, Maple и др.).
Однако ключевые задачи математического моделирования процесса дозрования остаются нерешенными. В частности, до настоящего времени не преложено никакой теоретически обоснованной методики расчета оптимального режима дозирования.
Принимая во внимание важную роль дозирования порошковых материалов в химической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленнсти, а также ввиду отсутствия в настоящее время удовлетворительного решения проблемы оптимизации дозирования, исследования, направленные на решение этой проблемы, являются актуальными.
Целью диссертационной работы является повышение производительности высокоточного порционного дозирования порошковых материалов на основе оптимального синтеза дозирующих систем и оптимизации управления процесом дозирования.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. осуществлены систематизация и сравнительный анализ существующих методов повышения точности и производительности порционного дозирования;
2. проведен структурный анализ существующих дозирующих систем и на его основе разработаны методики модульного описания и синтеза дозирующих систем;
3. разработаны математические модели дозирования, в том числе, определны параметры моделей дозирования, взаимосвязи параметров, критерии оптмизации режима дозирования;
4. создано новое семейство порционных весовых дозаторов повышенной точности и производительности;
5. разработан пакет компьютерных программ для модульного синтеза дозрующих систем и автоматического расчета режимов дозирования.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результты:
1. Установлены связи между параметрами дозирующей системы и характристиками процесса дозирования в зависимости от задачи дозирования. Струтура дозирующей системы определяется на основе модульного подхода, в сооветствии с которым дозирующая система является совокупностью трех типов моделей: питающих устройств (питателей), измерительных устройств и усройств управления подачей материала. Задача дозирования включает в себя свойства дозируемого материала, значение допустимой погрешности дозировния, а также требования по максимизации производительности дозирования или минимизации требований к точности элементов дозирующей системы.
2. Создана функциональная модель системы порционного дозирования. В основе этой модели лежит использование метода поэтапного дозирования, зключающегося в разбиении процесса дозирования на этапы (стадии) с постпенно убывающей интенсивностью подачи материала при наличии информацонной связи между этапами дозирования, обеспечивающей компенсацию пгрешностей дозирования предыдущих этапов на последующих. На базе созданой функциональной модели сформировано новое семейство дозаторов поэтаного действия.
3. Созданы математические модели оптимального поэтапного дозирования для различных вариантов режимов дозирования, представляющие собой систмы уравнений, связывающих параметры дозирования и дозирующей системы. Эти модели позволяют осуществлять оптимизацию режима дозирования, т.е. находить математические функции зависимости интенсивности подачи дозруемого материала от времени (или от текущего значения массы), при котором обеспечивается максимальная производительность (при заданной точности элементов дозирующей системы), либо минимизируются требования к точнсти элементов дозирующей системы (при заданной производительности дозрования).
Методы исследований.
Поставленные в работе задачи решались методами аналитических, численых и экспериментальных исследований. В работе использованы методы парметрической оптимизации, научные основы технологии машиностроения, мтериаловедения и теории резания материалов, а также методики экспериметального исследования физико-механических характеристик твердосплавного инструмента.
Практическая ценность работы.
1. Создана методика оптимизации порционного дозирования, включающая в себя рекомендации по выбору и синтезу дозирующих систем и оптимизации режима их эксплуатации;
2. Разработаны программные средства (пакет программ ОПТДОЗ) для расчта оптимальных режимов дозирования.
В дальнейшем полученные в работе результаты могут найти широкое прменение при разработке и эксплуатации дозирующих систем:
1. для синтеза и конструирования оригинальных дозирующих систем, в певую очередь, для порошковой металлургии, особенно при высоких требованиях к точности дозирования (например, при производстве высокотехнологичных твердых сплавов для изготовления инструмента);
2. для корректирования (посредством разработанных компьютерных прграмм) режимов дозирования на существующих переналаживаемых дозирущих системах в соответствии с параметрами дозирования и свойствами дозрующей системы.
Реализация результатов работы.
Разработан и внедрен в производство на ОАО «Савеловский машиностротельный завод» дозатор поэтапного действия для дозирования порошковых мтериалов, обеспечивающий в зависимости от задачи дозирования и использумого режима дозирования повышение производительности не менее чем в 1,6 раз по сравнению с существующими дозаторами.
Результаты работы использованы в научно-исследовательских работах, вполненных в МГТУ «СТАНКИН» по заказу Министерства образования и наки:
1. «Повышение надежности наноструктурного твердосплавного инструмета на основе ультрапрецизионного дозирования компонентов твердых сплавов», ГК № П917 от 26.05.2010, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры иновационной России» на 2009-2013 годы, руководитель — Грибков А.А.
2. «Проведение коллективом научно-образовательного центра научных иследований по разработке и созданию инновационных автоматизированных систем ультрапрецизионного дозирования порошковых материалов в произвостве высокотехнологичных твердых сплавов», ГК № 14.740.11.0838, ФЦП «Нучные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, руководитель — Гречишников В.А., ответственный исполнитель — Грибков А.А.
3. «Повышение точности и производительности порционного весового дзирования порошковых материалов», Регистрационный номер ГК 2.1.2/13307, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, руководитель — Грибков А.А.
4. «Разработка технологических основ ультрапрецизионного дозирования компонентов твердого сплава для создания режущего инструмента повышеной надежности», Грант президента РФ, НШ-3393.2010.8, Соглашение № 02.120.11.3393-НШ от 28.07.2010, руководитель научной школы Григорьев С.Н., руководитель НИР — Грибков А.А.
Результаты диссертационной работы внедрены в образовательный процесс на факультете «Машиностроительные технологии и оборудование» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» (в виде лабораторного практикума и разделов лекционных курсов) и использованы при подготовке бакалавров и магистров в рамках слдующих образовательных программ: «Машины и технология высокоэффектиных процессов обработки», «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», «Технология, оборудование и автоматизция машиностроительных производств», «Машиностроительные технологии и оборудование», «Приборостроение» и «Технология машиностроения».
Апробация работы. Результаты работы были доложены на заседаниях кфедры «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН», на Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве — 2006» в Воронежском госудаственном техническом университете, 5-ой Всероссийской юбилейной научнпрактической конференции в Алтайском государственном техническом унивеситете (г. Бийск, 2006 г.), международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Севастополь, 2010 г.), а также на рабочих совещаниях на Московском инструментальном заводе.
Публикации. По результатам работы имеется 24 публикации: 16 статей в журналах и сборниках, в том числе 13 статей в журналах из перечня ВАК; 3 доклада на конференциях, 1 учебное пособие, 2 монографии, авторское свидтельство и патент на изобретение.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 290 страниц текста, 67 рисунков. Список цитируемой литературы – 65 наименований.
Во введении обоснована актуальность рассматриваемых задач, научная нвизна разработанных методов, показана практическая значимость полученных результатов и кратко описано содержание диссертации.
В первой главе проведен анализ текущего состояния проблемы оптимизции автоматизированного порционного дозирования. Проведенный анализ включает в себя: (1) определение основных погрешностей дозирующих систем, (2) систематизацию известных методов повышения точности и производителности дозирования, а также (3) рассмотрение существующих теоретических иследований в области математического моделирования процесса дозирования.
Специфика порционных дозаторов заключается в том, что для них не требется равномерность подачи в течение всего цикла дозирования. Это обуславлвает эффективность порционного дозирования с убывающей интенсивностью. При обеспечении в дозирующей системе обратной связи между подачей матриала и измерением веса выданного материала погрешность дозирования всей порции определяется погрешностью дозирования на заключительной стадии дозирования, когда интенсивность подачи материала, а следовательно и пгрешность, минимальны.
| Страницы: 1 2 3 4 |