XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

ВВЕДЕНИЕ

Процесс производства поливинилхлоридных (ПВХ) профилей методом экструзии состоит из последовательных стадий:

• подготовка и дозирование сырьевой смеси (ПВХ, стабилизаторы, модификаторы, красители);

• пластикация и гомогенизация расплава в шнековом цилиндре;

• формование профиля через головку;

• калибровка и охлаждение в вакуумных калибраторах;

• протяжка и резка на мерные длины.

В данной работе рассмотрен процесс экструзии как ключевой этап, определяющий основные физико-механические и геометрические характеристики конечной продукции [1].

1 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1 Описание технологического процесса экструзии ПВХ

Процесс экструзии – это непрерывный процесс переработки термопластов, заключающийся в плавлении материала, его гомогенизации и продавливании через формующее отверстие. Для ПВХ, как материала, склонного к термической деструкции, критически важным является точный контроль температурного поля на всём пути движения материала [2].

Основными факторами, влияющими на интенсивность процесса, стабильность течения расплава и качество получаемого профиля, являются:

• температурный режим по зонам цилиндра и головки;

• давление расплава в зоне головки;

• скорость вращения шнека;

• градиент температуры и эффективность охлаждения в калибровочных устройствах;

• скорость протяжки готового профиля.

1.2 Описание технологической схемы линии экструзии ПВХ

Экструзия ПВХ-профиля производится на одношнековой экструзионной линии. Основными узлами линии являются: бункер-питатель, экструдер с цилиндром и шнеком, формующая головка, вакуумный калибратор, охлаждающая ванна, тянущее устройство и пила для резки [3].

Цилиндр экструдера разделён на несколько независимых температурных зон (обычно 3–5), каждая из которых оснащена нагревателями и системами воздушного или водяного охлаждения для точного регулирования температуры. Температура в каждой зоне контролируется термопарами и регулируется ПИД-контроллерами.

Давление расплава измеряется в зоне перед головкой с помощью тензометрического датчика давления. Скорость вращения шнека задаётся частотным преобразователем и контролируется тахогенератором.

Формующая головка представляет собой сложный тепловой блок, также разделённый на несколько зон нагрева для обеспечения равномерной температуры по периметру формируемого профиля.

Вакуумный калибратор, оборудованный системой водяного охлаждения, обеспечивает формование наружной геометрии профиля. Температура охлаждающей воды контролируется датчиками и регулируется смесительным клапаном.

Тянущее устройство (трактор) оснащено приводом с регулируемой скоростью, синхронизируемой со скоростью экструзии по сигналу энкодера. Усилие протяжки контролируется датчиком тока привода.

Процесс экструзии сопровождается непрерывным мониторингом ключевых параметров системой АСУ ТП. На основе данных с датчиков система осуществляет регулирование температуры, скорости шнека и тянущего устройства, а также формирует сигналы тревоги при выходе параметров за допустимые пределы.

2 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАДЁЖНОСТИ СИСТЕМЫ

2.1 Введение в анализ надёжности технологических систем

Надёжность является комплексным свойством технического объекта, которое определяет его способность выполнять требуемые функции в заданных условиях эксплуатации в течение установленного времени или в пределах заданной наработки. Для сложной химико-технологической системы, такой как установка абсорбции оксидов азота, анализ надёжности – это не просто оценка безотказности оборудования, а комплексное исследование, направленное на обеспечение непрерывного, безопасного и экономически эффективного производства [4].

Основными составляющими надёжности являются:

1. Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени.

2. Ремонтопригодность – приспособленность объекта к предупреждению, обнаружению и устранению отказов путём проведения технического обслуживания и ремонта.

3. Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

4. Сохраняемость – свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, ремонтопригодности и долговечности в течение и после хранения и транспортирования.

2.2 Функционально-структурный анализ системы мониторинга экструзии

Система мониторинга процесса экструзии представляет собой распределённую информационно-управляющую систему, основными функциями которой являются:

Контроль параметров: Непрерывное измерение температуры по зонам, давления расплава, скорости вращения шнека, скорости протяжки, параметров охлаждающей среды.

Регулирование: Поддержание заданных технологических режимов с помощью ПИД-регуляторов, частотных преобразователей, исполнительных механизмов.

Регистрация и визуализация: Архивация данных, отображение технологической схемы и текущих параметров на мнемосхеме операторской станции.

Сигнализация и защита: Формирование предупредительных и аварийных сигналов, инициирование алгоритмов противоаварийной защиты (ПАЗ).

Структурно система включает в себя следующие ключевые элементы:

• Датчики первичные: Термопары/термосопротивления, датчик давления расплава, тахометр шнека, энкодер тянущего устройства.

• Исполнительные механизмы: Силовые контакторы нагревателей, клапаны систем охлаждения цилиндра и калибратора, частотные преобразователи приводов шнека и трактора.

• Программируемый логический контроллер (ПЛК): Устройство сбора данных, реализации алгоритмов управления и защиты.

• Операторский интерфейс (АРМ): Компьютер с SCADA-системой для визуализации и ручного управления.

• Сетевые компоненты: Промышленная сеть для обмена данными между ПЛК, АРМ и приводными системами.

2.3 Анализ видов и последствий отказов (FMEA)

Проведём выборочный FMEA для ключевых элементов системы мониторинга. Критичность (CR) оценивается по упрощённой шкале: 1-3 (низкая), 4-6 (средняя), 7-9 (высокая), 10 (критическая).

CR = S (тяжесть) * O (вероятность) * D (обнаружение).

Датчик температуры в зоне пластикации
Вид отказа: Неверные показания, обрыв цепи.
Причины отказа: Термический дрейф, механическое повреждение,

нарушение контакта.
Локальные последствия: Некорректное регулирование температуры в

ключевой зоне.
Влияние на систему: При заниженным показаниях – перегрев и

деструкция ПВХ. При завышенных – недогрев, рост давления, нестабильная

экструзия. Выпуск брака.
Меры предотвращения: Использование качественных датчиков,

периодическая поверка.
Меры обнаружения: Контроль разницы показаний смежных датчиков,

косвенный контроль по току нагревателей.
Критичность (CR): 8 (Высокая).

Датчик давления расплава
Вид отказа: Занижение показаний, «заклинивание».
Причины отказа: Загрязнение мембраны продуктами деструкции,

механическая усталость.
Локальные последствия: Система не регистрирует рост давления.
Влияние на систему: Отсутствие сигнала тревоги при засорении головки/фильтра. Возможное повреждение оборудования из-за предельно высокого давления или выдавливание расплава в непредназначенных местах.
Меры предотвращения: Установка предохранительной мембраны, регулярная проверка.
Меры обнаружения: Контроль тока двигателя шнека (косвенный признак давления).
Критичность (CR): 9 (Высокая).

Частотный преобразователь привода шнека
Вид отказа: Нестабильность выходной частоты, полная остановка.
Причины отказа: Перегрев, сбой электроники, проблемы с питанием.
Локальные последствия: Нарушение стабильности скорости вращения шнека.
Влияние на систему: Колебания производительности, пульсации давления и температуры расплава, неоднородность профиля. Полная остановка процесса.
Меры предотвращения: Обеспечение качественного охлаждения, стабилизация сетевого напряжения.
Меры обнаружения: Контроль выходной частоты и тока, встроенная диагностика.
Критичность (CR): 8 (Высокая).

Модуль дискретных входов/выходов ПЛК
Вид отказа: Отказ канала.
Причины отказа: Перегрузка по току, скачок напряжения, программный сбой.
Локальные последствия: Потеря возможности управления одним из исполнительных механизмов или чтения сигнала датчика.
Влияние на систему: Невозможность включить/отключить нагреватель или охлаждение в конкретной зоне, потеря контроля за состоянием оборудования (например, открытия двери безопасности).
Меры предотвращения: Гальваническая развязка, использование супрессоров, резервирование критических каналов.
Меры обнаружения: Программный контроль целостности каналов, периодический тест.
Критичность (CR): 6 (Средняя).

Сетевое оборудование (коммутатор)
Вид отказа: Потеря связи.
Причины отказа: Выход из строя блока питания, перегрев.
Локальные последствия: Потеря связи между ПЛК и АРМ.
Влияние на система: Оператор теряет возможность визуального контроля и ручного управления. Автоматическое регулирование на уровне ПЛК продолжает работать. Затруднён анализ архива в реальном времени.
Меры предотвращения: Использование промышленных коммутаторов, резервирование линий связи (кольцевая топология).
Меры обнаружения: Светодиодная индикация, программный пинг.
Критичность (CR): 5 (Средняя).

Выводы по FMEA:
Наибольшую критичность имеют элементы, отказ которых напрямую ведёт к нарушению основных технологических параметров (температура, давление, скорость) или к полной остановке процесса: датчики температуры и давления, привод шнека. Для них необходимы строгие меры резервирования, периодической диагностики и наличие оперативных схем восстановления.

2.4 Построение и анализ дерева отказов (FTA)

В качестве вершинного события для системы мониторинга экструзии выберем: «Выпуск партии некондиционного ПВХ-профиля (брак по геометрии, цвету или прочности)». Это событие ведёт к прямым экономическим потерям.

Построение дерева отказов:

Вершинное событие (A): Выпуск бракованного профиля.

Это событие может произойти, если:

• (B) Нарушен тепловой режим процесса (событие ИЛИ).

• (C) Нарушен механический (гидродинамический) режим процесса (событие ИЛИ).

Раскрываем событие (B):

• B1: Системный сбой регулирования температуры (например, отказ ПЛК или программного обеспечения).

• B2: Отказ датчика температуры в критической зоне, следовательно, неверное регулирование, следовательно, перегрев или недогрев.

• B3: Отказ нагревателя в зоне, следовательно, локальное охлаждение материала.

• B4: Отказ системы охлаждения цилиндра, следовательно, перегрев материала диссипативным теплом.

Раскрываем событие (C):

• C1: Отказ датчика давления (PE201), следовательно, отсутствие сигнала о засорении, следовательно, изменение геометрии потока в головке.

• C2: Отказ привода шнека, следовательно, изменение скорости подачи, следовательно, колебания давления и размеров профиля.

• C3: Отказ привода тянущего устройства, следовательно, рассогласование скоростей экструзии и протяжки, следовательно, коробление или разрыв профиля.

• C4: Нарушение работы системы охлаждения калибратора (отказ насоса, засорение), следовательно, неэффективное формование геометрии.

Логические связи:

Вершинное событие A = B ИЛИ C.

События B и C раскладываются через ИЛИ на базовые события (B1..B4, C1..C4).

Наиболее вероятными и опасными путями к вершине события являются одиночные отказы, выявленные в FMEA: отказ датчика температуры в зоне пластикации (B2), отказ датчика давления (C1) и отказ привода шнека (C2). Эти события напрямую ведут к вершинному отказу.

Меры по повышению надёжности на основе FTA:

Для событий типа B2 и C1 необходимо функциональное резервирование – установка второго датчика температуры или давления в критической точке с системой сравнения показаний и выбором медианного значения. Для события C2 целесообразно аппаратное резервирование – возможность быстрого («горячего») переключения на резервный частотный преобразователь или наличие механизма ручного управления скоростью в аварийном режиме.

2.5 Статистическая оценка надёжности оборудования

Надёжность оборудования системы мониторинга и управления оценивается на основе статистических данных для аналогичных систем в полимерной промышленности [5].

Таблица 1 – Статистические показатели надёжности оборудования

Оборудование	Наработка на отказ (НрО), часов	Среднее время восстановления (СвВ), часов	Коэффициент готовности (Kr)
Датчик температуры	60 000	4	0,9999
Датчик давления	45 000	8	0,9998
ПЛК	80 000	8	0,9999
Частотный преобразователь	30 000	24	0,9992
Сетевой коммутатор	100 000	2	0,99998
SCADA-сервер (АРМ)	40 000	4	0,9999

Коэффициент готовности рассчитывается по формуле Кг = НрО / (НрО + СвВ)

Анализ данных:
Наиболее уязвимым элементом с точки зрения частоты отказов является частотный преобразователь, работающий в тяжёлых тепловых и электрических условиях. Это подтверждает его высокую критичность, выявленную в FMEA/FTA.
Хотя коэффициент готовности каждого датчика и компонента ПЛК крайне высок, надёжность всей системы определяется её самым слабым звеном и структурой связей. Последовательный характер технологического процесса делает систему чувствительной к отказу любого из ключевых контуров регулирования.
Высокая наработка на отказ датчиков температуры и давления указывает на необходимость сосредоточить усилия не столько на их частой замене, сколько на обеспечении качества первичных преобразователей и условий их эксплуатации.

2.6 Комплекс мер по повышению надёжности и безопасности системы

На основе проведённого анализа сформулирован комплекс организационно-технических мероприятий:

Технические меры:

1. Резервирование: Установка резервных датчиков температуры в зонах пластикации и дозирования с системой голосования. Монтаж второго датчика давления расплава. Организация горячего резерва для критических модулей ввода-вывода ПЛК.

2. Модернизация КИПиА: Замена аналоговых контуров регулирования температуры на цифровые с более точными ПИД-алгоритмами и функцией автоподстройки. Внедрение интеллектуальных датчиков с функцией самодиагностики.

3. Развитие АСУ ТП: Внедрение подсистемы предиктивной аналитики для прогнозирования отказов основных агрегатов (приводов, нагревателей) на основе анализа трендов параметров и вибрационного мониторинга.

4. Защита и диагностика: Установка устройств защиты от перенапряжений (УЗИП) на все силовые и сигнальные цепи. Реализация в ПЛК встроенных тестовых программ для периодической проверки исправности датчиков и исполнительных механизмов.

Технологические и организационные меры:

1. Оптимизация ППР: Переход от регламентного ППР к обслуживанию по техническому состоянию на основе данных системы мониторинга и предиктивной аналитики.

2. Разработка и отработка регламентов: Чёткие инструкции для оператора и сервисного персонала на случай выхода параметров за допустимые пределы и при отказе элементов системы.

3. Обучение персонала: Регулярные тренинги для операторов по работе с обновлённой системой АСУ ТП, интерпретации диагностических сообщений и действиям в нештатных ситуациях.

4. Создание запасов: Формирование неснижаемого страхового запаса наиболее критичных и часто выходящих из строя элементов (датчики температуры/давления определённых моделей, модули ПЛК, предохранители для частотных преобразователей).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведённый аналитический обзор надёжности системы мониторинга процесса экструзии ПВХ с применением методик FMEA и FTA показал, что система является распределённой и взаимосвязанной. К наиболее критичным элементам, определяющим общую надёжность и качество продукции, относятся датчики температуры в ключевых зонах нагрева, датчик давления расплава и привод главного шнека.

Проведенный анализ показал, что для обеспечения стабильного и экономически эффективного производства высококачественного ПВХ-профиля необходима комплексная программа мер, включающая техническое резервирование критических измерительных каналов, модернизацию алгоритмов управления с элементами искусственного интеллекта, а также переход к обслуживанию оборудования на основе его фактического состояния. Реализация предложенных мероприятий позволит значительно повысить коэффициент готовности линии, минимизировать объём производственного брака и сократить затраты на ремонты и простои.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Технологический регламент.[АО «Промсинтез»]

2. Автоматизация технологических процессов и производств : учебник для вузов / В.М. Курейчик [и др.]; под ред. В.М. Курейчика. – Москва: Юрайт, 2023. – 415 с. – ISBN 978-5-534-15678-3.

3. Процессы и аппараты химической технологии : учебник для вузов / А.А. Павлов [и др.]; под ред. А.А. Павлова. – 4-е изд., перераб. и доп. – Санкт-Петербург: Лань, 2023. – 848 с. – ISBN 978-5-8114-2157-9.

4. Системы автоматического управления технологическими процессами : учебное пособие / А.С. Клюев [и др.]. – Москва: КноРус, 2023. – 320 с. – ISBN 978-5-408-06545-7.

5. Применение методов FMEA и FTA в оценке надежности технологических систем / А.В. Сидоров, П.С. Николаев // Автоматизация в промышленности. – 2023. – №8. – С. 25-31.

Код для цитирования: Скопировать