24 марта 2019г.
Математическое моделирование технологического процесса имеет целью создание его модели в виде функциональных зависимостей, отражающих взаимосвязь между входными и выходными параметрами. Входными параметрами являются физические величины, определяющие состояние объекта и результат его функционирования, который оценивается значениями выходных параметров. Математическая модель представляет собой математический образ объекта и позволяет проводить анализ его поведения в различных условиях работы. Она позволяет оценить влияние возмущающих и управляющих воздействий на объект управления и получить управляющее воздействие так, чтобы добиться выходного результата, максимально отвечающего заданным критериям качества.
Какой бы сложной и полной не была модель, она, тем не менее, является приближенным отображением реального объекта и отражает его поведение при определённых принятых допущениях. Однако до тех пор, пока не доказана адекватность модели реальной обстановке, нельзя с уверенностью утверждать, что с ее помощью получаются те результаты, которые действительно характеризуют функционирование управляемого объекта. Получение достаточной адекватности и точности математической модели технологического объекта является важнейшей задачей проектирования его системы управления.
Математические модели могут применяться для описания любых технологических процессов, в том числе и для описания взаимосвязи возмущающих и управляющих воздействий процесса оптоволоконного производства. Высокие требования к точности формирования регулируемых параметров в данном производстве приводят к тому, что математические модели, формируемые для его описания, отличаются своей сложностью, большим числом учитываемых и регулируемых параметров.
При разработке математических моделей любого производства необходимо учитывать его особенности. Производство оптоволокна включает несколько технологических процессов – изготовление заготовки, вытяжка заготовки в волокно и проведение испытаний на соответствие его качества необходимым стандартам.
Рассмотрим особенности формирования математической модели технологического этапа по вытяжке волокна – именно в ходе этого этапа определяется однородность диаметра оптического волокна и другие не менее важные параметры его качества.
Вытяжка оптического волокна из заготовки осуществляется в башне вытяжки и включает в себя несколько последовательных шагов (рисунок 1).
Верхняя часть подготовленной заготовки закрепляется в механизме подачи заготовки. Нижнюю ее часть при помощи механизма подачи, помещают в высокотемпературную печь. Температура печи в зоне разогрева заготовки около 2 000 °С. Точное ее значение устанавливают в зависимости от диаметра заготовки, диаметра вытягиваемого волокна, скорости вытяжки оптического волокна и необходимого натяжения вытягиваемого волокна. Из заготовки оттягивают волокно и осуществляется нанесение на него первичного защитного покрытия. Это осуществляется путем протягивания волокна через фильерный узел с калиброванным отверстием, первичное защитное покрытие в жидкой форме поддается к этому же узлу. Затем с использованием ультрафиолетового облучателя производится отверждение первичного покрытия. После этого наносят вторичное покрытие. Для создания требуемого диаметра волокна с вторичным покрытием его опять протягивают через фильерный узел с необходимым калиброванным отверстием. После процесса отверждения вторичного покрытия, волокно помещают в механизм вытягивания. Готовое оптическое волокно с выхода механизма вытягивания наматывают на накопительный барабан.
Описанный процесс может отличаться на различных предприятиях. Так существует несколько иная технология нанесение защитного покрытия, заключающая в использовании одного фильерного узла для нанесения влажного полимерного покрытия поверх нижнего влажного слоя. Это позволяет увеличить скорость вытяжки волокна до 1 800 м/мин, общую производительность технологического процесса и эффективность башни вытяжки. Существует технология намотки волокна на накопительный барабан с использованием сдвоенных приемных устройств, позволяющих непрерывно наматывать волокно без прерывания технологического процесса.
Основными качественными показателями выпускаемой продукции является коэффициент оптических потерь и предел прочности на растяжение. Так как значение этих показателей в ходе технологического процесса определить невозможно, то их оценка производится по параметрам, которые связанны с ними косвенно, но поддаются непосредственному измерению. Таким параметрами являются диаметр и натяжение оптического волокна.
Параметры процесса вытяжки оптического волокна существенно взаимно связаны. На рисунке 2 представлена структурная схема, показывающая эти взаимосвязи.
Учесть взаимозависимость всех параметров процесса в математической модели очень сложно, поэтому в настоящее время в существующих системах управления технологическим процессом вытяжки оптического волокна используются модели, отражающие взаимозависимость следующих пар параметров:
· скорость вытяжки оптического волокна – диаметр;
· температура печи – диаметр;
· управления скорость подачи заготовки – диаметр;
· скорость вытяжки оптического волокна – натяжение волокна;
· температура печи
– натяжение волокна;
· управления скорость подачи
заготовки – натяжение волокна.
Используя одну из вышеописанных
математических моделей, регулировка диаметра или натяжения производится только в зависимости от значения выбранного параметра, остальные основные параметры остаются неизмененными. Например, для модели «скорость вытяжки волокна – диаметр», скорость подачи заготовки
и
температура печи
остаются
постоянными
при
любых
допустимых изменениях скорости вытяжки волокна. Регулировка диаметра, при использовании такой математической модели, производится только за счет изменения значения скорости вытяжки оптического волокна.
Однако
исследования
технологического процесса
показывают,
что достижения необходимых высоких качественных показателей волокна и достаточно высокой производительности такие модели одновременно не обеспечивают. В частности применение любой из них перестает обеспечивать заданный уровень показателей качества при превышении скорости вытяжки некоторого значения. Таким образом, решением проблемы может быть использование только более сложных моделей, учитывающих кроме двух основных, еще и другие взаимосвязанные параметры технологического процесса.
Например, при использовании модели «скорость вытяжки волокна – диаметр», можно предложить менять скорость подачи заготовки и температуру печи для различных диапазонов скорости вытяжки. Оптимальные значения (соотношения) скорости подачи заготовки и температуры печи могут быть предварительно определены экспериментально.
Построение математической модели процесса вытяжки осложняется не только большим числом взаимосвязанных, взаимоопределяющих параметров. Это также связано и с другими особенностями этого этапа производства:
· малой информативностью технологического процесса из-за сложности или невозможности контроля выходных параметров;
· сложностью физико-химических явлений, протекающих на каждом этапе технологического процесса;
·
нестационарностью технологического процесса;
· распределенностью параметров, которая возникает из-за наличия движущихся потоков оптических материалов, а контроль параметров происходит в локальных областях или косвенными путями;
· наличием множества
перекрестных связей между отдельными каналами управления, приводящих к взаимосвязи управляющих воздействий от устройства управления.
Проведенный анализ показывает проблемы и направления совершенствования математических моделей технологического процесса вытяжки оптического волокна.
Список литературы
1. Старченко С.
А. Система автоматического
управления процессами вытяжки
и
намотки оптического волокна : дис. … канд. тех. наук / С. А. Старченко – М. : 2001. – 168 с.
2. Шишов О. В.
Современные технологии промышленной автоматизации /
О. В. Шишов. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2009. – 276 с.
3.
Шишов О. В. Технические
средства автоматизации и управления / О. В. Шишов.
– М. : ИНФРА- М, 2011. – 397 с. +CD-R.
