Decision support system for power cable insulation vulcanization production line management

Abstract


The paper proposes a structural model of a decision support system for controlling a cable insulation continuous vulcanization line. The proposed decision support system is based on a mathematical model of the cable insulation continuous vulcanization technological process, a database, and a mode correction algorithm. The DSS will make it possible to quickly develop a new regime in case of using new materials or structures, as well as to correct the current regime in case of unplanned changes during the production process. The core of the DSS is the proposed mathematical model, which is based on conservation laws and is presented as a system of differential equations closed by boundary conditions. The vulcanization process is described taking into account the temperature-time dependence of the kinetic parameters, which made it possible to take into account the uneven heating of the cable, both in the radial direction and along the length. The numerical implementation of the differential mathematical model made it possible to carry out a systematic analysis of the nature of the processes in the vulcanization pipe and to evaluate the influence of various technological, structural and material parameters on the cable insulation vulcanization completion degree. As a result of the analysis, significant parameters were identified that significantly affect the vulcanization process completion degree. Based on the obtained numerical results, technological parameters dependence technological surfaces on the geometry of the product and the properties of the materials used were constructed, a regression mathematical model was proposed that allows determining the values of the process control parameters without resorting to the use of a differential mathematical model. Based on the results of the analysis, an algorithm for correcting the technological regime is proposed, taking into account only significant process parameters. The proposed algorithm allows you to adjust the value of the isolation rate, depending on external influences and deviations from the specified parameters. The results of the study can be used in the production of cable and wire products with vulcanizable insulation, when it is necessary to quickly select the optimal technological mode, take into account changes in the cable design, properties of the insulation material, as well as possible pressure deviations inside the vulcanization pipe.

Full Text

В связи с развитием строительной, машиностроительной и энергетической отраслей промышленности возрастает потребность в кабелях с вулканизированной резиновой изоляцией [1]. Такие изделия применяются для электроснабжения подвижных составов железнодорожного транспорта, горнодобывающих агрегатов, строительной техники, а также для зарядки электротранспорта. Процесс вулканизации является фундаментальным этапом при изготовлении резиновых изделий. Он играет важную роль в достижении точной формы с низким допуском, а также необходимых электротехнических и физико-механических свойств конечного продукта. Качество вулканизации изоляции имеет решающее значение для надежности и безопасности электрических систем и оборудования [2]. Поскольку получение качественного изделия зависит от многих параметров: геометрических, физических, кинетических, технологических, то необходимо провести системный анализ связи каждого из них с величиной степени сшивки и определить значимость параметров.В процессе производства кабелей с резиновой изоляцией все вышеперечисленные параметры могут значительно изменяться и приводить к существенным отклонениям в температурных полях и степени вулканизации [3; 4]. В настоящее время управление осуществляется по проектному решению, не учитывающему возможные изменения (например, изменение состава резины). Очевидно, что необходимо сформировать базу данных, разработать математические модели, описывающие процесс вулканизации и тепломассообмена в вулканизационной трубе и позволяющие определить необходимые управляющие воздействия, на основе которых реализовать системы поддержки принятия решения (СППР) для управления агрегатом непрерывной вулканизации кабельной изоляции.Внедрение СППР для управления установкой непрерывной вулканизации имеет несколько преимуществ. Прежде всего, система позволит значительно повысить точность и согласованность решений по управлению, снизить риск дефектов продукции и сократить количество брака, при этом определить причины технологических отклонений, что позволяет принимать более быстрые и эффективные меры.Благодаря использованию разработанной СППР анализ больших объемов данных и предоставление необходимой информации могут осуществляться в короткие промежутки времени непосредственно в процессе производства, что поможет оптимизировать производственные процессы и сократить количество отходов, тем самым повысит эффективность производства.Так как скорость процесса вулканизации зависит от температуры и времени пребывания материала при данной температуре, то для описания кинетического процесса необходимо рассматривать изменение температуры внутри исследуемой области во времени. В работах [5–13] предложен широкий класс математических моделей тепломассопереноса при исследовании процесса вулканизации для крупногабаритных изделий, в которых рассматриваемые процессы являются дискретными и протекают по иным законам. Вулканизация, или сшивка изоляции проходит внутри вулканизационной трубы, где заготовка перемещается с заданной скоростью, а среда внутри трубы (пар или азот) нагревается до заданных температур [14; 15]. Слои изоляции прогреваются неравномерно, отчего сшивка происходит с разной скоростью. Поэтому степень завершенности вулканизации неравномерна в радиальном и продольном направлении.Непрерывное управление вулканизационной установкой – это сложный процесс, включающий в себя множество переменных и параметров, которые необходимо тщательно отслеживать и контролировать, чтобы обеспечить выпуск высококачественного продукта [16]. Использование СППР может значительно повысить эффективность и точность процесса управления.Главная задача СППР – выработка рекомендаций для оператора линии по изменению технологических параметров, которые должны обеспечивать достижение и поддержание требуемых значений величины степени завершенности вулканизации.

About the authors

I. Ya. Dyatlov

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Смеси резиновые. определение вулканизационных характеристик с использованием безроторных реометров / ГОСТ Р 54547-2011. - М.: Стандартинформ, 2018. - 19 с.
  2. Митрохин А.А., Гусев К.Ю., Бурковский В.Л. Модели прогнозирования качества продукции потенциально опасного процесса вулканизации автомобильных шин // Вестник ВГТУ. - 2017. - № 3. - C. 28-33.
  3. Ghoreishy M.H.R. A state-of-the-art review on the mathematical modeling and computer simulation of rubber vulcanization process // Iranian Polymer Journal. - 2016. - Vol. 25. - P. 89-109. doi: 10.1007/s13726-015-0405-5.
  4. Моделирование кинетики неизотермической вулканизации массивных резиновых изделий / В.И. Молчанов, О.В. Карманова, С.Г.Тихомиров, Ю.В. Пятаков, А.В. Касперович // Труды БГТУ. - 2011. - №4. - С.100-104.
  5. Иванов С.Д., Гоппе Г.Г., Киргин Д.С. Математическое моделирование технологического процесса вулканизации // Вестник ИрГТУ. - 2012. - № 9. - С. 219-224.
  6. Корелин А.А., Дятлов И.Я., Труфанова Н.М. Численное исследование процесса сшивки полиэтилена в вулканизационной трубе в среде азота // Научно-Технический Вестник Поволжья. - 2019. - № 7. - С. 111-114.
  7. Rafei M., Ghoreishy M.H.R, Naderi G. Development of an advanced computer simulation technique for the modeling of rubber curing process // Computational Materials Science. - 2009. - Vol. 47. - P. 539-547. doi: 10.1016/j.commatsci.2009.09.022.
  8. Erfanian M.R., Anbarsooz M., Moghiman M. Three dimensional simulation of a rubber curing process considering variable order of reaction // Applied Mathematical Modelling. - 2016. - Vol. 40. - P. 8592-8604. doi: 10.1016/j.apm.2016.05.024.
  9. Труфанова Н.М., Пасынков Д.П. Математическая модель и численный анализ процесса вулканизации резиновой изоляции кабелей // Научно-технический вестник Поволжья. - 2014. - № 5. - C. 304-307.
  10. Mechanistic modeling of reversion phenomenon in sulphur cured natural rubber vulcanization kinetics / G. Milani, F. Leroy, F.D. Milani, R. Deterre // Polymer Testing. - 2013. - Vol. 32. - P. 1052-1063. doi: 10.1016/j.polymertesting.2013.06.002.
  11. Milani G., Milani F. Iterative robust numerical procedure for the determination of kinetic constants in Han’s model for NR cured with sulphur // Journal of Mathematical Chemistry. - 2015. - Vol. 53. - P.1363-1379. doi: 10.1007/s10910-015-0493-7.
  12. Milani G., Milani F. Curing degree prediction for S-TBBS-DPG natural rubber by means of a simple numerical model accounting for reversion and linear interaction // Polymer Testing. - 2016. - Vol. 52. - P. 9-23. doi: 10.1016/j.polymertesting.2016.03.015.
  13. Кузнецов А.С., Корнюшко В.Ф. Математические модели реограмм состояния в программах tablecurve 2d/3d как основа интеллектуальной системы управления процессами структурирования многокомпонентных эластомерных композитов // Программные продукты и системы. - 2017. - № 4(30). - С. 770-777.
  14. Дятлов И.Я., Труфанова Н.М. Исследование процесса вулканизации резиновой смеси при помощи ротационного реометра // Научно-Технический Вестник Поволжья. - 2018. - № 7. - С. 91-94.
  15. Дятлов И.Я., Труфанова Н.М. Описание вулканизационных кривых при помощи трехпараметрического уравнения // Электротехника. - 2020. - № 11. - С. 34-38.
  16. Milani G., Milani F. Genetic algorithm for the optimization of rubber insulated high voltage power cables production lines // Computers and Chemical Engineering. - 2008. - Vol. 32. - P. 3198-3212.
  17. Дятлов И.Я., Труфанова Н.М. Управление производственной линией вулканизации изоляции силового кабеля // Прикладная математика и вопросы управления. - 2021. - № 3. - С. 81-94.

Statistics

Views

Abstract - 64

PDF (Russian) - 69

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies