Модели прогнозирования качества продукции потенциально опасного процесса вулканизации автомобильных шин

УДК 658.5.011

Энергетика

МОДЕЛИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНОГО ПРОЦЕССА ВУЛКАНИЗАЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН

А.А. Митрохин, К.Ю. Гусев, В.Л. Бурковский

Качество выпускаемой продукции является одним из важнейших критериев эффективности любого производства. Повышение качества выпускаемой продукции определяет степень выживаемости предприятия в условиях рынка, рост эффективности производства и экономию всех видов ресурсов, используемых на предприятии.

В данной статье в качестве исследуемого объекта рассматривается потенциально опасный процесс вулканизации в рамках производства автомобильных шин.

В статье формально описан технологический процесс вулканизации шин, а также проанализированы параметры, влияющие на качество выпускаемой продукции. В виде способа улучшения качества выпускаемой продукции предложено использовать аппарат нейронных сетей, который позволяет получить наиболее адекватные результаты для прогнозирования качества выпускаемой продукции по сравнению с традиционными математическими моделями.

Обоснована необходимость использования аппарата нейронных сетей применительно к процессу вулканизации для прогнозирования качества продукции, а также уменьшения экономических издержек

Ключевые слова: прогноз, опасное производство, вулканизация

Введение

В современных условиях в рамках систем управления потенциально опасными объектами, характер функционирования которых является сложно прогнозируемым, существенно

повышаются требования к качеству и безопасности технологических процессов соответствующих производств. К таким производствам, в том числе относится производство автомобильных шин, в рамках которого наиболее определяющим является процесс вулканизации.

Несмотря на то, что в настоящее время в процессах вулканизации все чаще находят применение специальные средства защиты, возникновение нештатной ситуации все также может быть вызвано второстепенными факторами, которые могут негативно отразиться на качестве и безопасности выпускаемой продукции,

выходящими за рамки управления объектом.

Наличие большого числа неконтролируемых источников внешних и внутренних возмущений в процессе управления технологическим процессом вулканизации шин, высокая динамика изменения состояния объектов управления, существенно усложняет производственные процессы.

Специфика потенциально опасных объектов управления, оказывающих существенное влияние

Митрохин Алексей Александрович - ВГТУ, аспирант, e-mail: len4ikmitrohin@ya.ru

Гусев Константин Юрьевич - ВГТУ, канд. техн. наук, старший преподаватель, e-mail: gussev_konstantin @mail.ru

Бурковский Виктор Леонидович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: bvl@vorstu.ru

на качество, эффективность функционирования и безопасность технологических процессов.

Поэтому для более детального анализа проблематики прогнозирования качества готовой продукции более детально рассмотрим этап вулканизации сырой шины. Под вулканизацией принято понимать процесс, при котором пластичный каучук превращается в твердый материал, обладающий характерными свойствами резины, например, такими как эластичность.

Процесс вулканизации - это процесс, при котором заключенная в металлические формы резиновая смесь подвергается воздействию температуры и давления, требуемая температура вулканизации создается путем подачи пара, газа или горячей воды под высоким давлением. Данный этап выбран потому что, именно на данном этапе сырой шине придается правильный размер и конечная форма готового изделия, пригодного к эксплуатации. Вулканизация сырой шины осуществляется в специальных стальных пресс-формах, эти литые пресс-формы имеют полости, чтобы обеспечить доступ пара для нагрева без непосредственного контакта с изделием и обеспечивают внутреннюю циркуляцию пара, горячей воды и воздуха.

Процессу вулканизации свойственны узкие границы функционирования технологических параметров, которые определяются в первую очередь требованиями безопасности ведения процесса и качества выпускаемой продукции, эф фективного управления за счет экономии ресурсов и энергоносителей, строгим контролем допустимых значений физических параметров управления с целью недопущения их выхода за пределы критических значений, обуславливающих пожароопасные и взрывоопасные состояния. В

связи со строгой взаимосвязью параметров управления и косвенных неконтролируемых факторов воздействия на последующее развитие процесса, качественное изменение регулирующих параметров требует включение в контур управления моделей, обеспечивающих прогноз динамики объекта, а также показателей качества и безопасности производимой продукции.

В этой связи к системам управления потенциально опасного процесса предъявляются повышенные требования надежности и безопасности.

Несмотря на повышенные требования, предъявляемые к надежности и безопасности в традиционных системах управления процессом вулканизации, отсутствуют устройства

прогнозирования, что зачастую приводит к нештатной остановке технологического процесса, простоя производства.

Поэтому применительно к системе управления потенциально опасного процесса вулканизации шин, для прогнозирования динамики показателей качества и безопасности производства продукции рекомендуется использовать аппарат, который позволяет получить наиболее адекватные результаты по сравнению с традиционными математическими моделями и алгоритмами управления. Системы нечеткого управления позволяют описывать качественные, неточные понятия, осуществлять анализ этих данных с целью получения новых параметров.

Структура объекта

Исходной информацией при построении математических моделей управления процессами функционирования систем и объектов являются данные об известных входных и выходных величинах, т.е. параметры, влияющие на качество и безопасность производства продукцииих изменению во времени, условиях работы, и целей функционирования.

Предлагается математическую модель объекта управления формулировать в виде множества величин, описывающих процессы в реальной системе. Введем в рассмотрение следующие величины:

входные воздействия:

х^еХ,1 = 1,п1

выходные величины:

у,- е V,] =

воздействие внешней среды:

Укеу,к = Т/т

внутренние возмущения:

к2ен,г= 1, т2

Тогда, состояние процесса функционирования может быть представлено в виде вектора:

уа)=^

Основываясь на вышеуказанных величинах описывающих процессы в реальном объекте, объект управления и воздействия, оказывающие влияние на процессы, протекающие в самом объекте, будет выглядеть следующим образом

1 1 К 1 1 1 1 1 +

модель системы 1/0

Рис. 1. Обобщенная структура объекта управления

Ниже приводятся результаты анализа технологического процесса вулканизации, который позволит определить управляемые параметры, влияющие на качество и безопасность производства продукции.

Этапы технологического процесса

Первый этап процесса вулканизации загрузка сырой шины. На первом этапе технологического процесса вулканизации происходит загрузка сырой шины в вулканизационную камеру. Загрузка сырой шины осуществляется при помощи автоматизированного загрузчика. Загрузчик при помощи гидравлического цилиндра по специальным направляющим опускается на стойку для заготовки, при этом специальное устройство на корпусе загрузчика считывает индивидуальный штрих код сырой шины. Как только загрузчик достиг позиции захвата, производит разжатие специальных лопаток, т.е. захват шины, затем загрузчик вместе с сырой шиной поднимается в верхнее положение. Прежде чем загрузить сырую шину в вулканизационную камеру, происходит поднятие центрального механизма и открытие клапана для создания вакуума внутри резиновой диафрагмы на которую устанавливается сырая шина, когда центральный механизм достиг заданного значения, а в диафрагме нет давления загрузчик заводит шину в камеру и опускает ее на диафрагму, как только загрузчик установил шину на диафрагму начинается второй этап технологического процесса вулканизации.

Второй этап процесса вулканизации подача формовочного давления. На втором этапе процесса

вулканизации происходит подача давления, давления формовки которое обеспечивает статическое положение сырой шины, а также препятствует заминанию и деформации при закрытии пресс формы вулканизатора.

Процесс подачи формовочного давления осуществляется в две стадии (на некоторых моделях три стадии). На первой стадии давление формовки составляет 0.200 бар, после того как достигнуто давление формовки подается вторая стадия формовки при которой давление составляет 0.400 бар, после того как достигнуто давление второй стадии загрузчик отпускает шину и выходит из вулканизационной камеры и начинается третий этап технологического процесса вулканизации.

Третий этап процесса вулканизации закрытие вулканизационной камеры.

На данном этапе в действие приводятся маневровые цилиндры, которые производят закрытие вулканизационной камеры, т.е. опускание сегментной части пресс формы.

При закрытии пресс формы вулканизатора задаются три паузы на закрытия которые должны быть выдержаны для того чтобы сырая шина равномерно заполнила полости пресс формы.

Четвертый этап процесса вулканизации подача параметров (пар, азот). Как только сработали замки закрытия пресса, начинается отсчет времени вулканизации и происходит подача греющего пара давлением 14 бар. После вулканизации греющим паром подается азот давлением 24 бара и данный процесс происходит оставшееся время вулканизации.

Пятый этап открытие вулканизационной камеры. На данном этапе после завершения времени вулканизации происходит открытие пресса. Под действием все тех же маневровых цилиндров происходит поднятие сегментной части формы в верхнее положение, где происходит ее последующая фиксация специальными замками.

Шестой этап процесса вулканизации разгрузка вулканизированной шины.

Заключительным этапом процесса вулканизации является процесс разгрузки вулканизированной шины. На данном этапе происходит поднятие центрального цилиндра и открытие клапана для создания вакуума внутри диафрагмы, как только вакуум создан, поднимается специальный отбойный цилиндр, который освобождает шины от нижней плиты пресс формы.

Как только отбойный цилиндр освободил шину от нижней плиты, происходит процесс разгрузки, автоматизированный загрузчик, заходит в вулканизатор и при помощи гидравлического цилиндра по специальным направляющим опускается для захвата шины. Как только разгрузчик достигает, позиции захвата происходит разжатие лопаток и после этого загрузчик удаляет шину из вулканизационной камеры и отправляет ее на специальный конвейер для охлаждения, откуда она после охлаждения отправляется на сортировку.

Таким образом, структурно технологический процесс вулканизации автомобильных шин можно представить (рис. 2):

Загрузка сырой шины

\ /

Побача формоБочнога_ Забления

\ /

Закрытие Вулканизационной камеры

\ /

ПоЭача греющего пара Зайлением 14 Бар

\ /

ПоЗача азота Эа&лением 2К Бар

\ /

Откр булкани: кас ытие ационной еры

\ /

Разгрузка шины

1 Этап

2 Этап

3 Этап

4 Этап

5 Этап

6 Этап

Рис. 2. Структурное представление технологического процесса вулканизации автомобильных шин

Процесс вулканизации является одним из важнейших этапов шинного производства, поэтому на данном этапе необходим максимально жесткий контроль всех параметров, который, как напрямую, так и косвенно, могут повлиять на качество будущей продукции. Проанализировав

технологический процесс вулканизации, необходимо выделить параметры, влияющие на качественные характеристики шины в процессе ее вулканизации. Главным образом к этим параметрам относятся давление и температура. Поэтому рассмотрим оптимальные параметры температуры и давления, а также допуски для этих параметра, при которых происходит процесс вулканизации. Основным параметром температуры является температура пресс формы, так оптимальная температура плит составляет 178 градусов, допуск ± 2 градуса, а температура конусов 174 градуса, допуск ±2 градуса.

Внутренняя температура в диафрагме создается паром и азотом под большим давлением. Если давление пара и газа в пределах допустимых значений, то и внутренняя температура диафрагмы оптимальна для данного процесса вулканизации. Так давление пара процесса вулканизации

составляет 14 бар допуск для данного параметра ± 0.8 бар, а давление азот 24 бар допуск ± 1.0 бар. Так же не менее важный параметр, это давление формовки на первой стадии 0.200 бар допуск ± 0.1 бар, вторая стадия 0.400 бар допуск ± 0.1 бар. При соблюдении всех выше перечисленных параметров вулканизированные шины имеют качественные показатели в пределах нормы.

Математическая модель

Для построения модели управления и прогнозирования динамики качества готовой продукции необходимо определить функции принадлежности для определенных параметров процесса вулканизации. Для определения функции принадлежности будем использовать метод попарных сравнений. В связи с тем, что при различном объеме подаваемого пара все значения регулируемых параметров процесса вулканизации будут меняться, поэтому будем описывать каждый из параметров в терминах относительных отклонений от нормы.

Для параметра регулирования «температура плит пресс формы» построим функции принадлежности. Пусть максимально допустимое отклонение равно ДТтах= ±2. Регламентированная температура плит пресс формы Тп= 174.

<«Температура плит пресс формы», Т, ХР-,

где

Т1= {«намного меньше», «меньше», «немного меньше», «в норме», «немного больше», «больше», «намного больше»},

Х:= { Тп-ДТтах, Тп-0,75ДТтах, Тг0,5ДТтах, 0, Тп+0,5ДТтах, Тп+0,75ДТтах, Т+ДТтах }.

На основе полученных термов лингвистической переменной «Температура плит пресс формы» определим функции принадлежности термам данной лингвистической переменной. Для этого определим значения функции принадлежности терму «намного меньше», а полученные в результате вычисления результаты приведем в таблицу.

Значение функции принадлежности терму «намного меньше»

Значение Степень соответствия

Тп-ДТтах 1,000

Тп-0,75ДТтах 0,576

Тп-0,5ДТтах 0,353

0 0,175

Тп+0,5ДТтах 0,106

Тп+0,75ДТтах 0,085

Тп+ДТтах 0,069

Полученные значения функций

принадлежности параметра «температура плит пресс формы» терму «намного меньше» в

графическом виде выглядит следующим образом

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 3. Графическое представление функции принадлежности терму «намного меньше»

Аналогичным образом определим функции принадлежности остальных термов параметра «температура плит пресс формы».

В графическом представлении функции принадлежности термам лингвистической переменной «температура плит пресс формы» выглядят следующим образом (рис. 4).

1 1 1 4 Ь Ь 7

Рис. 4. Графическое представление функций

принадлежности термам лингвистической переменной «температура плит пресс формы»

По аналогии с функциями принадлежности термов лингвистической переменной «температура плит пресс формы» определяются функции принадлежности других параметров процесса вулканизации влияющих не только на качество самого процесса, но и на качество и безопасность выпускаемой продукции.

Заключение

Полученные в ходе исследования потенциально опасного процесса вулканизации основные параметры, влияющие на качество и безопасность продукции, образовывают основу разработки моделей управления и прогнозирования динамики качества и безопасности готовой

продукции потенциально опасного процесса вулканизации.

Полученные параметры позволят не только формально описать объект исследования, а также позволит произвести моделирование и системный анализ для прогнозирования и управления потенциально опасным процессом вулканизации производства автомобильных шин.

В заключение следует отметить что, исследовав и проанализировав потенциально опасный процесс вулканизации шинного производства, пришли к выводу о необходимости использования аппарата который позволит получить наиболее адекватные результаты по сравнению с традиционными математическими моделями и алгоритмами управления.

Литература

1. Ифанов М.С. Устройство для вулканизации покрышек пневматических шин/ М.С. Ифанов, А.В. Федоров, А.М. Лобода //Открытия, изобр., пром. образцы, товарн. знаки. 1983. № 11. С. 107.

2. Бурковский В.Л. Нейросетевое моделирование динамики нелинейных объектов в условиях краткосрочного прогнозирования на основе аппарата нечеткой логики/ В.Л. Бурковский, К.Ю. Гусев. -Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2014. - 160 с.

Воронежский государственный технический университет

MODELS OF FORECASTING OF THE QUALITY OF PRODUCTS OF A POTENTIALLY HAZARDOUS PROCESS OF AUTOMOBILE TIRES VULCANIZATION

A.A. Mitrokhin1, K.Y. Gusev2, V.L. Burkovsky3

'Graduate student, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: len4ikmitrohin@ya.ru 2PhD, Assistant Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: gussev_konstantin @mail.ru 3Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: bvl@vorstu.ru

The quality of the products is one of the most important criteria of efficiency of any enterprise. That the quality and safety of products determines the degree of survival of the enterprise in the conditions of market, growth of production efficiency and economy of all resources used in the enterprise. Increasing the technical level and product quality determines the pace of technological progress, and increasing the efficiency of production in General, has a significant impact on intensification of the economy, the competitiveness of goods.

In this article, as the investigated object is considered potentially dangerous, the curing process for tire production.

The paper presents the technological process of vulcanization of the tire, and analyzed the parameters that affect the quality and safety of products. As a way to improve the quality and safety of products offered to develop a machine to predict the quality of products which allows you to get most appropriate results compared to traditional mathematical models and control algorithms.

Due to the necessity of use of the device in relation to the curing process to predict the quality and safety of future products and reduce economic costs

Key words: forecast, dangerous production, curing

3. Ткалич С.А. Исследование нейросетевой модели прогнозирования аварийных ситуаций процесса вулканизации/ С.А. Ткалич, В.Л. Бурковский, Д.В. Котов//Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 10. - № 7. - С.15-29.

4. Ткалич С.А. Модели принятия решений в системах управления потенциально - опасными производствами/ С.А. Ткалич, В.П. Пивоваров, В.Л. Бурковский//Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. - № 5.1. -С.129-132.

5. Бурковский В.Л. Прогнозирование динамики потенциально опасных процессов на основе нейросетевого моделирования/ В.Л. Бурковский, Э.Э. Чигбу, К.Ю. Гусев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2016. - Т. 12. - № 5. - С.49-53.

6. Ткалич С.А. Концепция безаварийного управления на основе моделей прогнозирования состояния потенциально опасных технологических объектов/ С.А. Ткалич, В.Л. Бурковский, О.Ю. Таратынов//Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2016. - Т. 12. - № 6. - С.79-86.

7. Чепелев М.С. Прогнозирование в управлении потенциально опасным объектом/ М.С. Чепелев, С.А. Ткалич, С.А. Чепелев// Политематический сетевой электронный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2011. №74. С. 326-337.

References

1. Ifanov M. S., Fedorov, A. V., Loboda A. M., etc. «The device for vulcanization of tires pneumatic tires». A. 1006261. — Open, Fig., prom. the samples recei. signs, 1983, № 11, pp. 107.

2. Burkovsky V. L., Gusev Yu. K. «Neural network modeling the dynamics of nonlinear objects in the conditions of short-term forecasting based on fuzzy logic». Voronezh. GOS.tehn. Univ. of Illinois - Voronezh: [b. I.], 2014. - 160 p.: Il. - Bibliogr.: pp. 146159.

3. Tkalich S.A., Burkovsky V. L., Kotov D. V. «Investigation of the neural network model of forecasting of emergency situations of the curing process», Bulletin of Voronezh state technical University, 2010. - T. 10. - No. 7. - pp. 15-29.

4. Tkalich S. A., Pivovarov V. P., Burkovsky V. L. «Model decision making in control systems of potentially dangerous productions, Bulletin of Voronezh state technical University», 2014, vol. 10, No. 5-1. - pp. 129-132.

5. Chigbu E. E., Gusev Yu. K., Burkovsky V. L. «Prediction of the dynamics of potentially dangerous processes on the basis of neural modeling», Bulletin of Voronezh state technical University, 2016, Vol. 12, No. 5. - pp. 49-53.

6. Tkalich S. A., Burkovsky V. L., Taratynov O. Yu. «The vision of accident-free control model-based forecasting of potentially dangerous technological objects», Bulletin of Voronezh state technical University, 2016, Vol. 12, No. 6, pp. 79-86.

7. Chepelev M. S., Tkalich S. A., Chepelev S. A. «Forecasting in the management of potentially dangerous object», Polythematic network electronic journal of the Kuban state agrarian University. 2011. No. 74. pp. 326-337.