Система управления экструзионной установкой по производству полимерной нити

Работа направлена на разработку и исследование применения активного управления технологическими параметрами в процессе изготовления методом экструзии светопроводящей полимерной нити.

Введение ……………………………………………………………………………………….. 15

1 Аналитический обзор в области исследуемого объекта …………….. 17

1.1 История оптического волокна ………………………………………………. 17

1.2 Понятие оптического волокна ………………………………………………. 18

1.3 Полимерное оптическое волокно ………………………………………….. 22

1.4 Метод экструзии ………………………………………………………………….. 25

1.5 Методы активного контроля за технологическими
параметрами…………………………………………………………………………………… 27

1.6 Обзор отечественных и зарубежных публикаций …………………… 29

2 Проектирование модуля реализации активного управления ……… 31

2.1 Описание разрабатываемого решения……………………………………. 31

2.2 Подбор компонентной базы ………………………………………………….. 35

2.2.1 Экструзионная установка …………………………………………………….. 35

2.2.2 Модуль регистрации технологических параметров ……………….. 37

2.2.3 Плата для вычислительного обеспечения системы управления . 39

2.2.4 Механизм протяжки ……………………………………………………………. 39

2.3 Изготовление вспомогательных компонентов………………………… 41

2.4 Алгоритмизация управления ………………………………………………… 42

3 Исследование внедряемого модуля активного управления ……….. 45

3.1 Подготовка к проведению исследований ……………………………….. 45

3.2 Проведение экспериментов…………………………………………………… 46

3.3 Расчет математической модели системы положения волокна ….. 48

3.4 Ввод и настройка регулятора контура регулирования
положения ……………………………………………………………………………………… 52
3.5 Расчет математической модели контура управления
диаметром ……………………………………………………………………………………… 57

3.6 Ввод и настройка регулятора внешнего контура …………………….. 63

3.7 Результаты исследования ……………………………………………………… 67

4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение……………………………………………………………………………………. 68

4.1 Предпроектный анализ …………………………………………………………. 68

4.1.1 Определение потенциальных потребителей ………………………….. 68

4.1.2 Анализ конкурентных решений ……………………………………………. 70

4.1.3 SWOT-анализ ……………………………………………………………………… 71

4.2 Инициация проекта ……………………………………………………………… 73

4.2.1 Цели и результаты проекта ………………………………………………….. 73

4.2.2 Организационная структура проекта …………………………………….. 74

4.3 Планирование управления научно-техническим проектом ……… 75

4.3.1 Иерархическая структура работ проекта ……………………………….. 75

4.3.2 План проекта ………………………………………………………………………. 76

4.3.3 Расчет трудоемкости выполнения работ ……………………………….. 77

4.4 Бюджет научно-технического исследования ………………………….. 82

4.4.1 Расчет материальных затрат НТИ ………………………………………… 82

4.4.2 Расчет амортизационных отчислений …………………………………… 83

4.4.3 Основная заработная плата исполнителей проекта ………………… 85

4.4.4 Дополнительная заработная плата исполнителей проекта ………. 86

4.4.5 Отчисления во внебюджетные фонды …………………………………… 87

4.4.6 Накладные расходы …………………………………………………………….. 87
4.4.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательско го
проекта ………………………………………………………………………………………….. 88

4.5 Определение ресурсной (ресурсосберегающей) и
экономической эффективности исследования …………………………………… 88

5 Социальная ответственность …………………………………………………… 92

5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения
безопасности ………………………………………………………………………………….. 93

5.2 Производственная безопасность……………………………………………. 95

5.2.1 Выделение вредных веществ ……………………………………………….. 96

5.2.2 Повышенный уровень шума ………………………………………………… 97

5.2.3 Лазерное излучение …………………………………………………………….. 98

5.2.4 Поражение электрическим током …………………………………………. 99

5.2.5 Недостаточная освещенность рабочей зоны ………………………… 100

5.2.6 Физические статические перегрузки …………………………………… 103

5.2.7 Нервно-психические перегрузки ………………………………………… 103

5.3 Экологическая безопасность……………………………………………….. 104

5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………….. 105

Вывод по разделу …………………………………………………………………………. 106

Список научных достижений и публикаций……………………………………. 107

Заключение ………………………………………………………………………………….. 109

Список использованных источников ……………………………………………… 111

Приложение А. (обязательное) Функциональная схема системы ……… 116

Приложение Б. (обязательное) Analytical overview ………………………….. 118

В результате выполнения работы была достигнута цель, проведены
исследования по применению активного контроля за технологическими
параметрами при производстве светопроводящей полимерной нити. Выявлена
возможность использования технологии экструзии полимерного сырья и
достижение высокого качества конечного продукта непосредственно при его
изготовлении. Закреплены как профессиональные, так и универсальные
компетенции, приобретенные в процессе обучения.
Результатами выполненной работы стало получение теоретических и
практических навыков работы при создании экспериментальной модели
устройства системы активного контроля за диаметром светопроводящего
полимерного волокна. При помощи системы автоматизированного
проектирования Autodesk Inventor были смоделированы вспомогательные
компоненты конструкции, которые затем были изготовлены на 3D-принтере.
Были собраны аппаратные элементы системы в единое устройство. Написано
программное обеспечение для работы датчика и управления механизмом
протяжки экструзионной установки.
Определена структурная схема системы с установлением двух контуров
управления и их взаимосвязи. При исследовании системы и дальнейшей
настройки регуляторов был проведен ряд экспериментов с получением
требуемых данных для каждого контура системы. На основе них выявлена и
рассчитана математическая модель каждого объекта управления и системы в
целом. Затем были синтезированы регуляторы для стабилизации установленного
положения светопроводящего полимерного волокна и его диаметра.
В процессе выполнения работы и исследований были выявлены такие
особенности, как повторяемость экспериментов, применение внешнего
шумового воздействия в обратной связи математической модели
(моделирование помех с датчика) для большего соответствия реальности.
Использование одного датчика для измерения всех необходимых параметров
системы является преимуществом реализации, что приводит к уменьшению
погрешности при работе системы. В математическом пакете Simulink компонент
PID, настроенный автоматическим методом, показал неудовлетворительные
результаты, и не может быть применен для настройки реальных объектов.
Лучшим методом настройки оказался ручной метод. При этом параметры
регуляторов представляли собой корректированные значения, полученные по
методам ZN и CHR.
В дальнейшем предполагается провести комплексный анализ
светопроводящего волокна на его качество, завершить работы над системой,
отладить ее в полной мере на оборудовании, а также внедрить систему нанесения
защитной оболочки в производство в автоматизированном режиме, что
поспособствует массовому производству светопроводящего полимерного
волокна.