Производство одноразовой посуды экструзионным процессом

Министерствообразования и науки РФ
ПермскийГосударственный Технический Университет
Кафедра МСА
Курсовойпроект по курсу
Автоматизациятехнологических процессов и производств
Производствоодноразовой посуды экструзионным процессом
Пермь 2010

Содержание
 
1. Введение
2.Описание технологического процесса
2.1 Общее устройство линии для пленокглубокой вытяжки
2.1.1 Принцип действия шнековогоэкструдера
2.1.1.1 Устройство экструдера
2.1.1.2 Привод экструдера
2.1.1.3 Редуктор
2.1.1.4 Цилиндр и загрузочноеотверстие
2.1.1.5 Загрузочный бункер
2.1.1.6 Шнек
2.1.1.7 Экструзионная головка
2.1.1.8 Фильтры и устройства дляавтоматической смены фильтров
2.1.1.9 Системы нагрева и охлаждения
2.1.2 Каландр
2.1.2.1 Станина оборудования сходовым механизмом
2.1.2.2Валки каландра
2.1.2.3Привод валков
2.1.2.4Регулировка щели
2.1.3 Намоточное устройство
2.1.3.1 Компенсатор
2.1.3.2Промежуточный вытяжной прибор
2.1.3.3Устройство продольной резки
2.1.3.4Направляющая рама для пленки
2.1.3.5Вспомогательное съемное устройство
2.1.3.6 Антистатическоеоборудование
2.2 Линия термоформования
3. Анализ структуры системыавтоматизации
3.1 Общее управление процессом
3.2 Истинное полное управлениепроцессом экструзии
3.3 Функциональные возможностисистемы управления
3.4 Наиболее важные параметры
3.4.1 Контроль давления
3.4.2 Контроль температуры
3.4.3 Другие параметры
4. Система автоматизации на различныхучастках технологического процесса
4.1 Принцип работы управляющейсистемы
4.1.1 Общие сведения
4.2 Управляющая система на разныхучастках тех. цикла
4.2.1 Дозаторный блок
4.2.2 Привод экструдера
4.2.3 Обогрев экструдера
4.2.4 Вакуум-насос
4.2.5 Датчик давления расплава наэкструдере
4.2.6 Ситообменник
4.2.7 Термодатчик для расплава
4.2.8 Датчик давления расплава навходе насоса для расплава (MP2)
4.2.9 Насос для расплава
4.2.10 Датчик давления расплава навыходе насоса для расплава (MP3)
4.2.11 Датчик давления расплава нафильере (MP4)
4.2.12 Приводы валков
4.2.13 Датчик зазора валков
4.2.14 Гидроагрегат подвода валков
4.2.15 Приводы регулировки зазоравалков
4.2.16 Агрегаты термостатированиявалков
4.2.17 Привод перестановки каландрапо высоте
4.2.18 Привод шасси каландра
4.2.19 Привод тянущего механизма      
4.2.20 Пневмопривод тянущегомеханизма
4.2.21 Намотчик/измельчительобрезаемых кромок
4.2.22 Толщиномер
4.2.23 Намотчик
4.3 Выбор аппаратных средств
4.3.1Подсистема регулирования температуры
4.3.2Подсистема регулирования давления в фильере     
4.3.3Основные характеристики узлов входящих в систему управления
4.3.4Датчики давления       
4.3.5Датчики температуры
5. Контроль температурного режима
5.1 Теоретические сведения
5.2 Тепловые характеристики системы
5.3 Настройка параметров регулятора
5.3.1 Характеристики работытерморегулятора
5.3.2 Влияние PID-параметров на режим работырегулятора
5.4 Тепловые характеристикиэкструдера Reifenhauser 3201
5.4.1 Метод Циглера-Николса
5.4.2 Регуляторы температуры сфиксированными характеристиками
6. Заключение
7. Список литературы

1. Введение
 
Всё производствоодноразовой посуды может быть разделено на два основных этапа. Первый, наиболеетрудоёмкий этап, заключается в производстве плёнки глубокой вытяжки. На второмэтапе плёнка, смотанная в рулоны, загружается в формовочную машину, которая ипроизводит конечный продукт. В данной работе в основном будет рассмотренпроцесс получения плёнки глубокой вытяжки. Этот процесс является наиболеетрудоёмким, следовательно требует тщательного контроля.
Теория процесса формовкибудет изложена только в качестве ознакомительного материала.

2. Описаниетехнологического процесса
 
Стандартный процессизготовления одноразовой посуды выглядит так.
Сырье доставляется напроизводство в виде гранул. Они подаются в плоскощелевой экструдер — машину,где получается расплав, который перемешивается с помощью шнекового пресса (какв мясорубке). Затем выдавленную через плоскую щель массу с помощью большихвалов (каландров) превращают в лист, толщина которого может быть от долеймиллиметра до нескольких миллиметров. Требования к валам-каландрам жесткие: ихбиение не должно превышать нескольких микрон, и с высокой степенью точностидолжна регулироваться температура (особенно капризен полипропилен). Наспециальных экструдерах можно получать многослойный лист. Одно из главныхтребований: его толщина должна быть равномерной. Разнотолщинность — плюс-минус20% (что типично для азиатского оборудования) — увеличивает расход сырьяпримерно на те же 20%; к тому же ухудшается качество изделий. Затем листпоступает в формовочную машину. С помощью пресс-форм получают стаканчик илитарелку, которые здесь же или чуть позже вырубаются из листа. Переход на новоеизделие осуществляется после изготовления или покупки соответствующейпресс-формы. Требования к ней очень высоки, ведь каждые несколько секунд онамеханически смыкается и размыкается, испытывая ударную нагрузку. Даженезначительные дефекты сразу дают о себе знать.
Линия для производства одноразовойпосуды, находящаяся на предприятии ООО «Upax-Unity»,г.Пермь, ул. Героев Хасана 76, состоит из следующих агрегатов.
Экструзионная линия:
Загрузчик:Гравиметрическое устройство дозирования и смешивания GRAVICOLOR 100 фирмы Motan.
Экструдер: Reifenhauser 5801.
Соэкструдер: Reifenhauser 3201.
Привод экструдера:Электродвигатель Siemens.
Частотныйпреобразователь: Siemens.
Редуктор: POSIREX I – XCIL40 – R11–H14 – 14 – Z3 – 464 фирмы PIV Drives GmbH.
Ситообменник: FSC-180 фирмы Maag Pump Systems.
Насос для расплава: Extrex ST.
Система соэкструзии:фирмы Reifenhauser.
Каландр: MIREX-S фирмы Reifenhauser.
Намотчик: фирмы LSF.
Измельчитель: Rapid 4300.
Линия термоформования:
Термоформовочная машина ILLIG RDM 45/3.
2.1 Общее устройство линиидля пленок глубокой вытяжки
 
/>
Рис.1. Линия дляпроизводства плёнки глубокой вытяжки.1 Дозатор 9 Рама с валками доохлаждения 2 Экструдер 10 Пленочный накопитель 3 Соэкструзионный блок 11 Намотчик 4 Ситообменник 12 Устройство поперечной резки 5 Насос для расплава 13 Тянущий механизм 6 Система соэкструзии 14 Измерение толщины 7 Плоскощелевая головка 15 Агрегат термостатирования (не показан на рисунке) 8 Каландр 16 Устройство удаления кромок (не показано на рисунке)
2.1.1 Принцип действияшнекового экструдера
Одношнековый экструдер относительно прост. Под действием силытяжести материал поступает вниз из загрузочного бункера в рабочий объемэкструдера. Внутри экструдера материал попадает в замкнутое пространство, междуподвижным (вращающимся) шнеком и неподвижными стенками рабочего цилиндра.Перемещение материала, по крайней мере пока он находится в твердом состоянии,обусловлено воздействием на него сил трения при контакте с неподвижнойвнутренней поверхностью рабочего цилиндра и с подвижной поверхностью шнека.
Воздействие сил трения вызывает разогрев материала, крометого, к рабочему объему экструдера осуществляется подвод тепла от внешнихнагревательных устройств. Таким образом, по мере продвижения материала еготемпература повышается, достигая точки плавления, при этом на поверхностинеподвижной стенки рабочего цилиндра начинает формироваться пленка расплава. Вэтом месте заканчивается зона перемещения твердой фазы и начинается зонапластикации. Следует подчеркнуть, что понятие «зона пластикации» относится кфункциональному делению рабочего объема экструдера и может не совпадать сгеометрическим делением. Границы функциональных зон зависят от свойствполимера, а также от устройства экструдера и параметров его работы, агеометрически различные секции шнека определяются при разработке экструдера и,естественно, не меняются при его эксплуатации. Поэтому начало зоны пластикацииможет не совпадать с началом зоны компрессии. При продавливании материала череззону пластикации постепенно осуществляется его полное плавление, точка полногоплавления считается концом зоны пластикации и началом зоны перемещениярасплава. Геометрически зоне перемещения расплава соответствует зонадозирования, единственное назначение которой заключается в продавливании расплавачерез фильеру.
При прохождении материалачерез экструзионную головку сечение потока принимает форму формующегоинструмента. Поскольку фильера оказывает сопротивление потоку расплава, для егопродавливания необходимо приложить силу. Эта сила обеспечивается давлением,называемым давлением в фильере, которое определяется формой фильеры,температурой расплава полимера, скоростью потока расплава и его реологическимисвойствами. Необходимо помнить, что давление в фильере обусловленосопротивлением фильеры, а не собственно экструдером. В данном случае экструдервсего лишь машина, развивающая давление, необходимое для проталкивания расплавачерез формующий инструмент. При прочих равных условиях (одинаковых полимерах,производительности, конструкции фильеры и ее температуре) развиваемое давлениев фильере постоянно и не зависит от конструкции экструдера, Таким образом,давление в фильере обусловлено ее конструкцией и процессом течения расплава.
2.1.1.1 Устройствоэкструдера
В этой главе будутрассмотрены составные части стандартного одношнекового экструдера. Каждый узелбудет рассмотрен с точки зрения выполняемой им функции, а также важностиданного элемента для правильного функционирования экструзионной машины.
2.1.1.2 Приводэкструдера
Задачей привода является вращение шнека с заданной частотойвращения (скоростью) и обеспечение постоянства частоты вращения. Неустойчивостьчастоты вращения шнека вызывают неустойчивость производительности экструдера,и, следовательно, колебания геометрических размеров изделия (экструдата). Такжеважным требованием к приводу является возможность регулировать частоту вращенияв широком диапазоне. В большинстве случаев конструктору следует продуматьвозможность плавного регулирования частоты вращения привода шнека — от нулевойдо максимальной. Среди многообразия применяемых конструкций приводов основнымиможно считать следующие:
•электропривод переменного тока;
•электропривод постоянного тока;
•гидравлический привод.
Привод с регулировкойчастоты
В приводе с регулировкой частоты используется двигательпеременного тока, соединенный с электронным блоком питания, способным подаватьпеременный ток регулируемой частоты. Такой тип двигателя обладает рядомпреимуществ: простотой и компактностью конструкции, отсутствием контактов ищеток, выносливостью, а также низкими ценой и эксплуатационными расходами.Стоимость такого привода в основном определяется стоимостью источника питания,который преобразует входной переменный ток в выходной с требуемыми значенияминапряжения и частоты. В данном случае вся энергия проходит через дваустройства, в отличие от тиристорной системы постоянного тока, в которойимеется только один контур преобразования. Именно поэтому стоимость привода срегулированием частоты оказывается выше стоимости привода на постоянном токе,даже не смотря на то, что мотор постоянного тока стоит дороже, чем моторпеременного тока.
В качестве блока питания для описываемой системы обычноприменяют шестиступенчатую систему инвертора переменного напряжения, котораяпредставлена на рис. 2.
Входное трехфазное переменное напряжение выпрямляется исглаживается для получения регулируемого постоянного напряжения, которое затемпопеременно подается в три выходные цепи тиристорными переключателями,управляемым электронной схемой.
Для обеспечения постоянства крутящего момента на валудвигателя при изменении частоты вращения отношение напряжения к частоте следуетподдерживать постоянным. Можно получить практически любую характеристикускорость—момент вращения, регулируя отношение частоты и напряжения питанияподаваемого на двигатель. Однако ограничения применяемого преобразователя непозволяют получить устройство с регулированием частоты с максимальной мощностьюболее 300 л. с. Увеличения максимальной скорости можно добиться использованиемболее эффективного преобразователя.
/>
Рис.2. Шестиступенчатая схема инвертора.
2.1.1.3 Редуктор
Основным назначениемредуктора является согласование высокой скорости вращения электрическихдвигателей с низкими скоростями вращения шнека. Типичные коэффициенты редукциисоставляют от 15:1 к 20:1. Наиболее часто применяют зубчатый редуктор, при этомобычно он имеет две ступени понижения.
2.1.1.4 Цилиндр изагрузочное отверстие
Цилиндр — это чехол, окружающий шнек экструдера. Загрузочноеотверстие — это та часть экструдера, через которую материал вводится в каналшнека; оно находится около первых нескольких витков шнека. Некоторые экструдерыне имеют отдельного загрузочного отверстия, на таких машинах загрузочная частьинтегрирована в цилиндр. Для предотвращения преждевременного нагреваполимерного материала входное отверстие часто обеспечивают водяным охлаждением.Если температура полимера при загрузке поднимется слишком высоко, он можетприлипнуть к входному отверстию, уменьшив его проходимость. Налипание материалана поверхность шнека также создает проблемы при перемещении твердой массы, посколькуналипший полимер сам не движется в нужном направлении и сужает канал, доступныйдля продвижения остальных гранул.
В месте контакта загрузочной системы и цилиндра экструдеранеобходима установка защитного теплового барьера для предотвращения выходатепла из рабочего объема в загрузочную зону. Если загрузочная системаинтегрирована в рабочий объем экструдера, это оказывается невозможным. В такомслучае будут возникать потери тепла и перегрев загрузочного бункера. Геометриязагрузочного отверстия должна обеспечивать прохождение материала приминимальном сопротивлении. Разрез некоторых типов загрузочных отверстийпредставлен на рис. 3.
На рис. 3, апоказаны стандартная конструкциязагрузочного отверстия, а на рис. 3, b — типрасширенного загрузочного отверстия, который часто применяют на экструдерах сзагрузкой расплава Улучшенный вариант конструкции загрузочного отверстияпредставлен на рис. 3, с.
Форма входного отверстия обычно делается круглой иликвадратной. Форма загрузочного бункера должна соответствовать формезагрузочного отверстия для обеспечения беспрепятственного движения полимера.
/>
Рис. 3. Возможные типы загрузочных отверстий.
Ниже приведен перечень важнейших требований к загрузочномуустройству:
•надежное охлаждение зоны загрузки;
•надежная теплоизоляция загрузочной области от последующихзон экструдера;
•способность развивать высокие давления.
Цилиндр экструдера представляет собой простой фланцованныйцилиндр, который должен выдерживать относительно высокие давления (не менее 70МПа), при этом максимально сохраняя свою форму, то есть не испытывая деформацийизгиба. Для увеличения срока службы внутреннюю поверхность большинствацилиндров делают износостойкими. Наиболее распространенными технологиямипридания износостойкости являются поверхностная закалка (азотирование) ипокрытие специальным сплавом. Сравнительное исследование износостойкостипоказало, что по стойкости биметаллическая втулка превосходит нитридноепокрытие, а срок службы биметаллического покрытия превосходит время службынитридного покрытия в 4-8 раз при равных условиях эксплуатации. Еще однимнедостатком нитридного покрытия является относительно малая толщина твердойнитридной зоны. Как только эта зона истирается, следующие слои рабочего объемаподвергаются быстрому износу, поскольку диффузная зона обладает гораздо меньшейтвердостью.
2.1.1.5 Загрузочныйбункер
Загрузочный бункер — это та часть экструзионного агрегата, изкоторой гранулированный материал поступает непосредственно в экструдер. Вбольшинстве случаев гранулированный материал просто проваливается в экструдерпод действием собственной тяжести, но существуют материалы, для которых такойспособ подачи, к сожалению, оказывается невозможен. Некоторые материалы оченьплохо пересыпаются, и в таком случае необходимо применение дополнительных устройствдля обеспечения постоянной подачи материала в экструдер. Иногда такимустройством может выступать вибратор, присоединенный к загрузочному бункеру.При этом зависание материала прекращается сразу после возникновения пробки. Внекоторых случаях применяются различные устройства, предназначенные длясмешения материала в загрузочном бункере для предотвращения его сегрегациии/или соскребания материала, прилипшего к стенкам загрузочного бункера. Длядостижения равномерной подачи полимера из бункера необходимо обеспечитьпостепенное увеличение сжатия по направлению к загрузочному отверстию, при этомоптимальной является коническая конструкция загрузочного бункера с круглымсечением. К сожалению, производители экструдеров обычно делают загрузочныебункеры с квадратным сечением и резким сужением у загрузочного отверстия —такая конструкция легче в производстве.
/>
Рис. 4. Конструкциизагрузочных бункеров.
Для конструкциизагрузочного бункера важным параметром сыпучести материала является уголвнутреннего трения. Угол между внешней стенкой загрузочного бункера игоризонталью должен быть больше угла внутреннего трения. Если материал обладаеточень большим углом внутреннего трения, он будет зависать в бункере практическилюбой конструкции. В этом случае единственным выходом станет применениеспециальных проталкивающих устройств.
2.1.1.6 Шнек
Шнек – это особенный,наиболее важный механический элемент экструдера. Шнек является его «сердцем».Можно сказать, что вокруг шнека все вращается как в прямом, так и в переносномсмысле. Вращение шнека обеспечивает как поступательное перемещение материала,так и его разогрев и гомогенизацию.
Говоря просто, шнек можнопредставить себе как стержень переменного диаметра, в котором вырезанаспециальная канавка.
2.1.1.7 Экструзионнаяголовка
Головка является очень важной и ответственной частьюэкструдера.
Во многих экструдерах между экструзионной головкой ицилиндром устанавливают рассекатель потока. Эта деталь представляет собойметаллический диск с большим количеством отверстий, параллельных оси шнека.Рассекатель потока выполняет две основные функции. Во-первых, он останавливаетспиральное движение расплава полимера и заставляет расплав двигаться строгопоступательно. Если не предотвратить спиральное движение расплава до выхода изфильеры, то получившийся экструдат может иметь искаженную форму. Кроме того,рассекатель потока является несущей деталью специальных фильтров, применяемыхдля удаления загрязнений из расплава полимера. Иногда основным назначениемфильтров является увеличение давления на выходе из фильеры для улучшениякачества смешения материала в экструдере. Но необходимость в этом возникаеттолько при использовании шнека неудачной конструкции. Вторым основным назначениемрассекателя потока является улучшение теплообмена между расплавом полимера истенками экструдера, при этом увеличивается гомогенность распределениятемпературы в расплаве полимера.
В случае нестыковки форм выходного отверстия цилиндра ивходного отверстия головки используют специальный адаптер, однако экструзионныеголовки, специально разработанные для данного экструдера, могут работать и безадаптера. При этом размеры и формы головок и фильер не имеют общейстандартизации и поэтому использование адаптеров — весьма распространенноеявление.
Экструзионная головка считается одной из наиболее важныхчастей экструдера. Остальные части экструдера имеют только одну цель: доставкарасплава полимера необходимой консистенции под заданным давлением к головке.Таким образом, процесс формования, происходящий в головке, является оченьважным компонентом всего процесса экструзии.
Природа полимерногорасплава делает анализ его протекания через фильеру крайне сложной задачей,поэтому разработка головки во многом до сих пор остается эмпирической задачей.
2.1.1.8 Фильтры иустройства для автоматической смены фильтров
Фильтры перед рассекателем потока обычно ставятся дляудаления примесей из расплава. Грубые фильтры (с небольшим количеством ячеек)обычно помещаются перед рассекателем потока в качестве поддерживающегоэлемента, перед которым последовательно устанавливаются более тонкие фильтры.Типичный пакет фильтров состоит из одного 100-ячеечного фильтра, за которымследуют по одному 60- и 30-ячеечному, при этом 30-ячеечный фильтрустанавливается непосредственно перед рассекателем потока.
Наиболее важными типамифильтрующих устройств являются следующие типы фильтров: проволочная сетка,«спекшийся порошок» и «хаотичные нити». Данные типы фильтрующих устройствразличаются по способности задерживать примеси, захватывать гелеобразныечастицы и прочим параметрам.
При наличии большогоколичества примесей в расплаве полимера будет происходить очень быстроезасорение фильтра. При необходимости частой смены фильтра обычно применяютавтоматическое устройство для замены фильтров. В таком устройстве осуществленнепрерывный контроль за перепадом давления на фильтре, и если перепад достигаетопределенной критической величины, гидравлический поршень выдвигает рассекательпотока с кассетой фильтров из экструдера, одновременно помещая в экструдерновую кассету с рассекателем и чистыми фильтрами. Такое устройство называетсяустройством для замены фильтров со скользящими пластинами.
/>
Рис. 5. Устройствогидравлической смены фильтра.
При некоторой доработке фильтра операция по его смене можетпротекать даже без остановки экструдера. При этом необходимо удалить старыйфильтр и поставить на его место чистый, после чего аппарат готов к новому циклуработы. В случае сильной загрязненности полимера замена фильтра можетпотребоваться через каждые 5-10 мин, хотя, как правило, время загрязненияодного фильтра исчисляется часами.
2.1.1.9 Системынагрева и охлаждения
Устройства нагреванеобходимы для вывода экструдера на заданный температурный режим при запуске, атакже для поддержания требуемой температуры в процессе работы. Наиболеераспространены три варианта нагревательных систем: электронагреватели,нагреватели с жидким теплоносителем и паровые нагреватели.
Электронагревательные системы превосходят все остальные типынагревательных систем по ряду параметров: по ширине диапазона рабочихтемператур, простоте эксплуатации, меньшей стоимости, большей эффективности.Именно поэтому в большинстве случаев электронагреватели вытесняют все другиетипы нагревателей. Обычно нагревательные элементы расположены на цилиндреэкструдера, разделяя его на зоны. Небольшие экструдеры обычно имеют от двух дочетырех зон, но в некоторых больших экструдерах число зон может доходить до5-10. В большинстве случаев каждая зона управляется отдельно; таким образом,создается профиль температур вдоль рабочего объема экструдера. Этот профильможет быть как постоянным, так и возрастающим или понижающимся, или иметьдругую более сложную форму в зависимости от конкретного экструдируемогополимерного материала и типа проводимого процесса.
Резисторное нагревание
Это наиболее распространенный тип электронагревательныхэлементов, работа которого основана на превращении электрической энергии втепловую при протекании электрического тока через проводник. Количествовыделяющегося в единицу времени тепла зависит от сопротивления проводника исилы протекающего тока. Интенсивность тепловыделения может быть определена поформуле
Q = I2R = UI = U2/R
Уравнение справедливо для постоянного тока и для однофазногопеременного тока. В последнем случае используются среднеквадратичные значениянапряжения и тока, а значение сопротивления — только активное, то есть такоесопротивление, сдвиг фаз на котором равен нулю. Для схемы, питаемой трехфазнымнапряжением, уравнение для расчета тепловыделения будет иметь вид
Q = 3UI
Первые типы ленточных электронагревателей состояли изспециальной проволоки со слюдяной изоляцией, помещенной в кожух из мягкойстали. Нагреватели такой конструкции компактны и дешевы, но при этом они хрупкии не очень надежны в эксплуатации, кроме того, кмаксимальнаяпроизводительность ограничена величиной 50 кВт/м2 при максимальнойрабочей температуре 500 °С. В литературе описаны новые типы слюдяныхнагревателей, которые могут обеспечивать эффективность тепловыделения до 165кВт/м2. Качество и срок эксплуатации нагревателей данного типа вомногом определяется качеством контакта между нагревателем и стенками цилиндраэкструдера. При дефектном контакте развивается локальный перегревнагревательного элемента, что приводит к преждевременному его перегоранию, то естьсокращению срока службы нагревателя. Для улучшения теплового контактаиспользуют специальные пасты.
Более мощными являются электронагреватели, оборудованныекерамической изоляцией. Они обладают плотностью потока энергии до 160 кВт/м2или даже более, при этом максимальная рабочая температура достигает 750 °С.Однако такие нагреватели оказываются негибкими и довольно громоздкими. Всекерамические нагреватели производятся в виде тонких элементов, обладающихминимальными габаритными требованиями. Обычно их производят в виде двух частей,скрепляемых вокруг цилиндра экструдера.
Еще один типнагревателей, в которых нагревательные элементы заключены в полукруглый илиплоский алюминиевый кожух, называют композитными нагревателями (cast-in). Такие нагреватели надежны и долговечны, кроме того, ониобеспечивают очень хороший тепловой контакт. Композитные алюминиевыенагреватели обеспечивают максимальное выделение тепла около 55 кВт/м2при рабочей температуре приблизительно до 400 °С. Использование бронзы вместоалюминия позволяет повысить тепловыделение до 80 кВт/м2, амаксимальную температуру — до 550 °С.
Охлаждение экструдера
Охлаждение экструдера необходимо практически во всехэкструзионных процессах. В любом случае охлаждение следует свести до минимума;если невозможно, исключить его полностью. Любое охлаждение экструдера снижаетэффективность процесса, поскольку оно приводит к потерям энергии. Нагреваниеэкструдера обычно понижает затраты энергии на вращение шнека, понижая тем самымобщие энергозатраты. При этом охлаждение требует энергозатрат, а энергия,отнятая системой охлаждения, оказывается потерянной.
Значительная требовательность экструзионного процесса кохлаждению обычно является признаком неправильной проектировки аппарата. Этоможет означать как ошибочность выбора конструкции шнека, выбора отношениядиаметра к длине, так и неправильного выбора экструдера (например, применениеодношнекового экструдера для процесса, в котором необходим двухшнековый). Какправило, процесс экструзии планируют с таким расчетом, что большая частьэнергозатрат приходилась на вращение шнека. Вращение шнека вызывает вязкостныйи фрикционный разогрев полимера, то есть механическая энергия вращения шнекапреобразуется в тепловую, вследствие чего повышается температура полимера. Намеханические энергозатраты обычно приходится 70-80% всей энергоемкостиэкструзии, то есть на нагреватели остается только 20-30% без учета потерь.
Если большая часть энергии потребляется приводом шнека, можнорассчитывать, что внутреннее выделение тепла превосходит количество,необходимое для протекания процесса. Тогда охлаждение тем или иным способомстановится необходимым. Многие экструдеры имеют воздушное охлаждение, при этомвентиляторы устанавливают под цилиндром. Внешние поверхности нагревателей, атакже промежутки между нагревателями часто снабжены радиаторами для повышенияэффективности охлаждения.
/>

/>

/>
Рис. 6. Система нагрева иохлаждения.
Экструдеры небольшого размера могут не иметь воздушногоохлаждения, поскольку площадь их цилиндра весьма велика по сравнению свеличиной рабочего объема, что само по себе обеспечивает значительные потеритепла через конвекцию и излучение.
Весьма значительным недостатком использования слишком мощныхвнешних нагревательных элементов является развитие большого градиентатемператур на границе металл-полимер. Градиент температур возникает вследствиеотносительно низкой теплопроводности полимера. Таким образом, нагрев только отвнешних нагревателей оказывается медленным и сопровождается возникновениембольших градиентов температур, а воздействие высоких температур в течениедлительного времени создает высокую вероятность деструкции полимерногоматериала. Следовательно, нагрев вследствие вязкого трения болеепредпочтителен, поскольку обеспечивает равномерный прогрев массы полимера.Нормальной считается ситуация, когда энергозатраты на механический приводсоставляют более 50 и менее 90% от общих затрат на экструзию.
Воздушное охлаждениепозволяет осуществлять довольно мягкое воздействие на процесс, посколькускорость теплообмена довольно мала. Однако это неудобно, когда необходимоинтенсивное охлаждение. Тем не менее преимуществом воздушного охлажденияявляется плавность изменения температуры при включении или выключениивентилятора. При водяном охлаждении температура меняется более резко. Поэтомупри использовании водяного охлаждения труднее контролировать температурныйрежим.
 
2.1.2 Каландр
На каландре поступающаяиз экструдера лента проходит через каландрирующие валки и приобретаетзаконченный требуемый вид поверхности. Процесс каландрирования определяетсясостоянием поверхности и заданной температурой каландрирующих валков, а такжевременем нахождения полотна пленки на валках. Ширина щели валков плавнорегулируется в соответствии с требуемой толщиной получаемой пленки.
/>
Рис. 7. Расположениефункциональных элементов.1 Станина оборудования с ходовым механизмом 2.3 Фиксирующий валок 2 Валки каландра 3 Привод валков 2. Прижимной валок 4 Регулировка щели 2.2 Валок полива
 

2.1.2.1 Станина оборудования с ходовым механизмом
Каландр состоит из двух расположенных друг против другастабильных боковых стенок, которые связаны между собой посредством поперечныхтраверс и функциональных агрегатов. Каландр может перемещаться на шасси повмонтированным в пол рельсам посредством электромотора по направлению экструзиии спереди переставляться по высоте на ± 25 мм.
Ограничение хода обеспечивают смонтированные на рельсахпереключательные кулачки.
2.1.2.2 Валки каландра
Валки каландра представляют собой двустенные хромированныестальные цилиндры. Они располагаются параллельно плоскощелевой фильере иустанавливаются на раме машины друг за другом.
Валки каландра подключаются к агрегатам темперирования. С ихпомощью валки разогреваются до требуемой по условиям технологии температуры.
Прижимной валок
Прижимной валок с двух сторон опирается на рычаги, которыемогут поворачиваться на раме машины.
Через эти рычаги прижимной валок может подводитьсяпосредством гидравлического цилиндра к валку полива. За счет прижимаобеспечивается стабильная щель между валками, а тем самым достигается эффекткаландрирования полотна пленки.
Щель между прижимным и поливным валками можно изменятьустройством регулировки щели и настраивать ее под требования технологии.
Валок набрызга
Средний каландрирующий валок (поливной) установлен в рамемашины стационарно.
Расплав материала заходит в каландрирующую щель междуприжимным и поливным валком, обводится вокруг последнего и направляется вовторую каландрирующую щель к фиксирующему валку.
Фиксирующий валок
Фиксирующий валок с двух сторон опирается на рычаги, которыемогут поворачиваться на раме машины. Через эти рычаги фиксирующий валок можетподводиться посредством гидравлического цилиндра к валку полива. Регулировкойщели между поливным и фиксирующим валками задается конечная толщина пленки.
2.1.2.3 Привод валков
Каландрирующие валки приводятся порознь черезсервомотор-редукторы. Крепление и передача крутящего момента происходитпосредством полого вала по жесткой кинематической связи через горячее-прессовоемуфтовое соединение непосредственно на валке.
2.1.2.4 Регулировкащели
Прижимнойи фиксирующий валки можно рычагами и гидроцилиндром подводить к среднемуполивному валку. Через болты на том или ином рычаге усилие подвода передаетсяна механизм регулировки щели.
Взависимости от выпускаемой пленки ширина щели может регулироваться без сбросарабочей нагрузки в диапазоне от 0,4 до 2,0 мм.
Направлениерегулировки (открытие или закрытие), а также величину перестановки можноопределять с помощью устройства измерения размера щели и считывать на пультеуправления по показаниям цифрового индикатора.
2.1.3Намоточное устройство
Конструкцияи принцип действия
Четырехпозиционное намоточное устройство состоит из следующихосновных узлов:
· Компенсатор
· Промежуточныйвытяжной прибор
· Устройствопродольной резки
· Направляющая рамадля пленки
· Вспомогательноесъемное устройство с поперечным резаком и
· Устройством дляизмерения длины
· Тележка длябольших рулонов с устройством блокировки, передвижения и опрокидывания
· Предохранительнаяподъемная тележка
· Стойка привода
· Ограждение
· Электрическоеоборудование, клеммовые коробки
· Пневматика
· Антистатическоеоборудование
/>
Рис. 8.Схема наматывающего устройства.
2.1.3.1 Компенсатор
Многолопастныйкомпенсатор в исполнении в виде гребневого валка (емкость компенсатора примерно40м) состоит из профильной рамной конструкции с пневматически регулируемойкомпенсирующей каретки. Благодаря конструкции в виде гребневого валика пленкаможет легко для оператора вставиться или втягиваться через валики в заправочноеотверстие в защитном ограждении. Натяжение полотна плавно регулируется.Направляющий и поворотный валик имеют d= 200 мм. Компенсатор отдельно защищен защитными сетками.
2.1.3.2 Промежуточный вытяжной прибор
Навыходе накопителя находится промежуточный вытяжной прибор, который сохраняетнатяжение материала в механизме продольной резки при смене ролика и следит затем, чтобы фольга при запуске после смены ролика не смещалась. Одновременно онтакже является точкой опоры для обоих вспомогательных вытяжных устройств наверхней платформе. Покрытый резиновым раствором цилиндр вытяжного прибораразмещен в разборном виде в боковых стенках под механизмом продольной резки иприводится в действие напрямую при помощи серводвигателя с питанием от сетипеременного тока.
2.1.3.3 Устройство продольной резки
Позади промежуточного вытяжного прибора компенсаторанаходится ножничное резальное устройство с 3 приводимыми в движениепневматическим образом верхними обрезными ножами (2 для обрезки кромок и 1 длярезки по центру) и приводимыми в движение двигателем нижними обрезными ножами.
Держатели верхних ножей оснащены автоматической защитой ножей,которая при подъеме резальной головки полностью обхватывает режущую кромкуверхнего ножа.
2.1.3.4 Направляющая рама для пленки
Направляющаярама для пленки предназначена для установку направляющих валиков ивспомогательных сматывающих устройств.
2.1.3.5 Вспомогательное съемное устройство
Над каждым из обоих двухпозиционных наматывающих устройств I и II, также III и IV находится группа вытягивания,которая, соответственно, служит точкой опоры для 4 мотальных устройств. В зонесъемных устройств имеете подход к направляющей раме для пленки. Каждое съемноеустройство состоит из обрезиненного ведущего валика, приводимого в действиедвигателем переменного тока с частотным преобразователем и пневматическогоповорачиваемого вперед и назад прижимного валика прижимная сила которогорегулируется. Прижимной валик имеет холостой ход, который предотвращаетдвижение назад полотна.
Пневматический держатель предотвращает сползание пленки припоперечной резке.
После процесса резки пленка при помощи педали со специаьнойфункцией (по одной на каждом мотальном устройстве) с пониженной скоростьюперемещается вперед, так что оператор может укладывать полотно на пустойбарабан. Намоточный вал вращается с пониженным моментом. После раскладкиприводится в действие кнопка «Разложено» и защитная дверь с электрическойблокировкой закрывается. После этого мотальное устройство ускоряется доскорости холостого хода компенсатора. Съемное устройство оборудованоустройством измерения длины. Оно состоит из курвиметра, стойки подшипника сфиксатором и импульсного датчика. Курвиметр с собственным весом лежит наполотне. Для протяжки полотна курвиметр можно отвернуть и зафиксировать.
Измерительноеустройство определяет точную длину размотанного полотна. Незадолго додостижения предварительно установленной конечной длины установка переключаетсяна замедленный ход и останавливается.
2.1.3.6 Антистатическое оборудование
2разрядных стержня на выходе вспомогательного съемного устройств предотвращаютстатический заряд пленки перед наматыванием.
2.2 Линиятермоформования
 
Термоформование – это изменение формы плоскихзаготовок (листов или плёнок) из термопластичного полимерного материалапри повышенных температурах в объемные формированные изделия.
Притермоформовании различают следующую последовательность процессов:
· нагревание формируемого материала дотемпературы, при которой он способен изменять форму, то есть до температурывысокоэластичного состояния;
· формование на специальной оснастке длятермоформования;
· охлаждение в форме до температуры, при которойконфигурация отформованного изделия приобретает стабильные размеры;
· извлечение изформы изделия состабильными размерами.
Вбольшинстве случаев необходима та или иная последующая обработкаотформованного изделия, а именно:
· отделка(обрезка);
· сварка;
· соединение(склеивание);
· горячеезапаивание;
· печать;
· металлизация.
Термоформование в настоящее время стало наиболеераспространенным наименованием этого технологического процесса.
/>
Рис. 9.Схема линии термоформорания.

3. Анализ структурысистемы автоматизации
 
3.1 Общее управлениепроцессом
В экструзионнойпромышленности все явственнее наблюдается тенденция к объединению различныхконтролирующих устройств под управлением одного общего устройства,осуществляющего полный контроль и управление всеми механизмами экструзионнойлинии. Следует отметить, что может быть реализовано множество ступеней контроляэкструдера, находящихся в иерархической зависимости. Наиболее распространеныустройства, объединяющие контроль температурного режима в различных зонах. Чащевсего в задачу таких систем входит поддержание заданных параметров расплавапутём управлением нагревом первых двух или трёх зон, которые наиболее близки кзоне, где происходит плавление полимера. Изменение температуры в таких зонахосуществляется автоматически каскадной системой контроля. Однако таким образомможно осуществлять регулировку с довольно низкой скоростью, поскольку откликзон рабочего объема на изменении температурных параметров происходит оченьмедленно. Также часто встречаются системы контроля давления, действие которыхосновано на плавном изменении скорости вращения шнека, чтобы поддержатьпостоянное давление расплава полимера.
Новейшие типы экструдеровчасто оборудованы микропроцессорной системой, позволяющей осуществлятьодновременный контроль и управление температурой и давлением расплава, а такжетолщиной и шириной экструдата и другими параметрами экструзии. Некоторыесистемы контроля могут быть объединены в систему общего управленияпроизводством. Например, они позволяют, кроме контроля экструдера, осуществлятьтакже контроль систем, подготавливающих материал для загрузки в экструдер,параллельным экструдером при соэкструзии, приводом и температурой зубчатогонасоса, системой контроля прочности и обрезания краев экструдата и многимидругими параметрами.
3.2 Истинное полноеуправление процессом экструзии
При анализе литературыстановится понятно, что истинно полный контроль экструзионным процессом напрактике не достигается. Для того чтобы системы можно было назвать системойистинно полного контроля, она должна осуществлять контроль следующим образом:контролируемый процесс должен рассматриваться как система из многих переменных,взаимосвязь которых полностью известна и учитывается в системе контроля. Однакобольшинство микропроцессорных систем контроля, управляющих параметрами расплаваполимера экструдата, более напоминают набор несвязанных обратных связей, каждаяиз которых регулирует только один параметр. Таким образом, подобное устройствоявляется простым объединением нескольких регуляторов в одном корпусе безизменения их сути. Такие регуляторы могут обеспечить меньшую цену, но необеспечивают улучшения адекватности контролируемой схемы.
Для построения системыистинно полного управления необходимо провести построение динамической моделипроцесса. При этом адекватность управления будет напрямую зависеть от точностипостроенной модели. Однако построение такой модели на практике составляет оченьсложную задачу.
3.3 Функциональныевозможности системы управления
Экструзионная линия предназначена для производства плёнкиглубокой вытяжки. Технологическая схема типовой экструзионной линии показана нарис. 10.
/>
Рис. 10. Линия дляпроизводства плёнок глубокой вытяжки.1 Дозатор 9 Рама с валками доохлаждения 2 Экструдер 10 Пленочный накопитель 3 Соэкструзионный блок 11 Намотчик 4 Ситообменник 12 Устройство поперечной резки 5 Насос для расплава 13 Тянущий механизм 6 Система соэкструзии 14 Измерение толщины 7 Плоскощелевая головка 15 Агрегат термостатирования (не показан на рисунке) 8 Каландр 16 Устройство удаления кромок (не показано на рисунке)
К процессу предъявляются жёсткие требования по надёжности,вытекающие из того обстоятельства, что запущенная линия может быть остановленатолько после завершения всей рабочей длины изготавливаемой пленки. Остановка напромежуточной длине недопустима по причине невозможности прерывистогоуправления расходом пластиката, поступающего из шнека.
Система управления линией должна решать следующие основныезадачи:
•оперативный сбор информации о состоянии технологическогопроцесса в виде цифровых и аналоговых сигналов (цифровыми, или дискретнымисигналами в данном случае являются сигналы с кнопок и переключателей,индуктивных датчиков, а также сигналы готовности частотных регуляторов;аналоговые входные сигналы для экструзионных линий — это, как правило, сигналытермопар и датчиков давления);
•выдача управляющих воздействий функциональным узлам линии вцифровом и аналоговом виде (цифровые выходы системы служат для выводадискретных сигналов управления реле, контакторами, частотными регуляторами,сигнальными приборами; через аналоговые выходы осуществляется управлениезаданиями частотных регуляторов исполнительных двигателей линии а также,мощностью нагревательных элементов);
•отображение на рабочем месте оператора рис. 11 информации,позволяющей ему не только вести слежение за технологическим процессом, но иоперативно вмешиваться в него (при этом система должна обеспечивать иерархиюправ доступа к изменению параметров технологического процесса);
/>
Рис. 11. Рабочее место изолировщика
•обеспечение безопасности и надёжности процесса посредствомблокировки недопустимых ситуаций и выдачи аварийных сообщений (тревог);
•протоколирование в реальном времени параметровтехнологического процесса с последующей их обработкой и преобразованием вудобную для восприятия форму.
Кроме того, для всех экструзионных линий существуют общиетехнологические задачи, решение которых не обходится без систем управления:
•поддержание в заданных технологических пределах температурзон нагрева шнеков и валков;
•обеспечение целостности изготавливаемой пленки;
•поддержание точных геометрических размеров экструдата;
•контроль усилий, действующих на изделия в технологическойлинии;
•измерение длины изготавливаемой пленки.
Эти задачи во многомвзаимосвязаны, поэтому более подробно рассмотрим только отдельные из них.
3.4 Наиболее важныепараметры
Наиболее важнымипараметрами процесса экструзии являются давление и температура. Они наиболееточно показывают, насколько правильно функционирует экструдер. Именно датчикидавления и температуры первыми откликаются на изменения в ходе процесса.
3.4.1 Контрольдавления
Контроль давления расплава важен по двум основным причинам:контроль и наблюдение за технологическим процессом, а также с точки зрениятехники безопасности. Давление в экструзионной головке определяетхарактеристики экструдата. Именно это давление необходимо для преодолениясопротивления, создаваемого потоку фильерой. Если входное давление непостоянново времени, то также непостоянными окажутся геометрические размеры экструдата.Таким образом, следя за изменением давления, мы можем точно установить,является ли экструзионный процесс стабильным или нет.
Необходимость контроля давления также диктуется соображениямибезопасности на производстве в целях предотвращения несчастных случаев отвзрыва при возникновении избыточного давления. При развитии избыточногодавления возможны разрыв цилиндра экструдера или головки. Оба явления оченьопасны и ни в коем случае не следует допускать их возникновения. На всехэкструдерах должны быть установлены устройства защиты от избыточного давления,такие как разрушающийся диск или срезной штифт на хомуте, удерживающем головку.Но даже при наличии подобных устройств экструдер следует оборудовать хотя быодним датчиком давления, что позволит с большей вероятностью избежатькритической ситуации, особенно в случае неисправности устройств защиты отизбыточного давления. Давление может подниматься очень быстро, без каких-либосимптомов и вызвать катастрофические последствия.
Удачным решением являетсяиспользование автоматического выключателя экструдера при достижениикритического уровня давления. При измерении давления необходимо знать егосредний уровень, но также важно, а в некоторых случаях и необходимо,фиксировать колебания давления во времени, поскольку обычно изменение размеровэкструдата четко коррелирует с изменением давления. Обычно перепады давленияимеют период менее секунды, поэтому следует использовать достаточнобыстродействующие датчики.
3.4.2 Контрольтемпературы
Контроль температурыпроводится в различных частях экструдера: по всей длине цилиндра, в расплавеполимера, а также в экструдате, при выходе из головки. Выбор метода измерениятемпературы зависит от положения и целей измерения.
Измерение температурыцилиндра экструдера.
Для управлениянагревающими и охлаждающими элементами цилиндра экструдера необходимо знатьаксиальный профиль температуры в цилиндре. Поскольку наибольший интереспредставляет температура расплава, а не стенок цилиндра, температуру следуетизмерять как можно ближе к внутренней поверхности цилиндра экструдера.
3.4.3 Другие параметры
Давление и темпратура –наиболее важные параметры экструзионного процесса, однако нельзя игнорироватьизмерения некоторых других параметров:
1. Измерение потребленияэлектроэнергии;
2. Частоты вращения шнека;
3. Толщины экструдата;
4. Качества поверхностиэкструдата.

4. Система автоматизации на различных участкахтехнологического процесса
 
4.1 Принцип работыуправляющей системы
 
4.1.1 Общие сведения
Управляющая системапредставляет собой автоматическую систему управления рабочими процессами наустановке для получения пленки глубокой вытяжки. С устройств измерения,управления и регулирования на установке получают данные, используемые дляуправления технологическими процессами.
Работа, управление ивизуализация всех агрегатов осуществляется с поста управления. Визуализация иввод технологических параметров производится через подменю на дисплеяхуправляющей системы.
Автоматизированная системаработает на основе заданных значений технологических параметров.
Управление и контроль длявсех агрегатов возможны с панели управления. Все агрегаты (приводы,обогреватели) можно включать и выключать через сенсорный дисплей. Задаваемыепараметры также можно вводить через окошки ввода на дисплее. Ответнаясигнализация производится как через сигнальные лампочки, так и через статуснуюинформацию на дисплее. Дисплей показывает все действительные значенияпараметров (число оборотов, силу тока и т.п.). Происходящие сбои(предупредительные сигналы и сигналы отключения) сопровождаются звуковымсигналом или миганием на дисплее. Список аварийных сигналов на дисплеепоказывает все актуальные сбои. Эти сбои протоколируются текстуально взакольцованном буфере. Шунтирования защитных блокировок при выполнении операцийпротоколируется.

4.2 Управляющаясистема на разных участках технологического цикла
 
/>
Рис. 12. Узлы управляющейсистемы на экструзионной линии.1 Дозатор 13 Датчик зазора валков 2 Привод экструдера 14 Гидроагрегат подвода валков 3 Обогрев экструдера 15 Привод регулировки зазора валков 4 Вакуум-насос 16 Агрегат термостатирования валков 5 Датчик давления расплава на экструдере (MP1) 17 Привод перестановки каландра по высоте 6 Ситообменник 18 Привод шасси каландра 7 Термодатчик для расплава 19 Привод тянущего механизма 8 Датчик давления расплава на входе насоса для расплава (MP2) 20
Пневмоподача
Вытяжка 9 Насос для расплава 21 Намотчик/измельчитель обрезаемых кромок (на рис. не показаны) 10
Датчик давления расплава на выходе
Насос для расплава (MP3) 22 Толщиномер 11 Датчик давления расплава на фильере (MP4) 23 Намотчик 12 Приводы валков
Далее следует описаниетехнологических участков.
4.2.1 Дозаторный блок
Дозаторный блок включаетв себя всасывающий транспортер и многокомпонентный дозатор. Через всасывающийтранспортер к многокомпонентному дозатору подаются отдельные компоненты сырья. Автоматическаясистема управления дозатором должна обеспечивать стабильный состав сырья.
Дозатор регулирует подачу материала в соответствии с числомоборотов на экструдере. В случае неполадок на дозаторном блоке управляющаясистема должна выдать сообщение об ошибке и включать аварийный сигнал. В случаеаварийной остановки дозаторный блок отключается.
4.2.2 Приводэкструдера
Привод экструдераприводит во вращение экструдерный шнек через редуктор. Скорость вращения экструдерногошнека должна задаваться через управляющую систему. Скорость вращения экструдераустанавливается контуром регулирования числа оборотов по давлению с учетомданных от насоса для расплава и датчика давления в фильере.
4.2.3 Обогрев экструдера
Обогрев экструдера обеспечивает предварительный прогревэкструдера. Температура устанавливается регулятором раздельно для каждойотдельной зоны. При работе проверяются такие неполадки, как обрыв на датчиках,перемыкание датчиков, срабатывание токовой и тиристорной защиты, а такжеаварийные отклонения температуры в ту или иную сторону.
4.2.4 Вакуум-насос
Вакуум-насос служит для отсасывания газов, выделяющихся прирасплавлении сырьевых материалов в экструдере.
Включение вакуум-насоса производится соответствующим тумблеромна панели управления. После подачи команды на включение сначала включаетсявнутренний нагрев в вакуум-насосе. После достижения рабочей температуры насосзапускается в работу.
4.2.5 Датчик давлениярасплава на экструдере
Датчик давления длярасплава на экструдере расположен перед ситообменником. При превышениидопускаемого предела система должна подавать предупредительный сигнал. Еслидавление расплава продолжает нарастать, то при превышении пороговой величиныэкструдер автоматически отключается.
4.2.6 Ситообменник
В системе предусмотренгидравлический ситообменник. Автоматическая система следит за сигналами сдатчиков давления находящихся до и после ситообменника (вернее за разностьюпоказаний с этих датчиков). При достижении определенной величинырассогласования система автоматически выдаёт сигнал на смену фильтра.
4.2.7 Термодатчик для расплава
Температура в расплавеизмеряется термодатчиком на выходе ситообменника и отображается какдополнительная информация.
4.2.8 Датчик давления расплава на входенасоса для расплава (MP2)
Датчик давления находитсяна выходе ситообменника. При превышении допускаемого предела (макс. 80 бар)подается предупредительный сигнал. Если давление в расплаве продолжаетнарастать, то при превышении пороговой величины (макс. 100 бар) экструдер инасос для расплава отключаются. Равным образом и при выходе за нижний предел(15 бар) насос для расплава и экструдер по недостатку материала спустянекоторое время отключаются. При нарастании давления выше указанного нижнегопредела при пуске насоса для расплава и экструдера система включает контуррегулирования давления/оборотов.
4.2.9 Насос для расплава
Посредством насоса длярасплава обеспечивается его непрерывная подача и одновременно достигаетсяуменьшение нагрузки на привод экструдера. Скорость привода задается черезсоответствующие сервисные подменю управляющей системы. Также система должнасогласовывать скорости вращения приводов насоса и шнека экструдера, дляподдержания оптимального режима работы.
4.2.10 Датчик давлениярасплава на выходе насоса для расплава (MP3)
Этот датчик давлениянаходится на выходе насоса для расплава. При превышении допускаемого пределаподается предупредительный сигнал. Если давление в расплаве продолжаетнарастать, то при превышении пороговой величины управляющая система отключаетэкструдер и насос для расплав.
4.2.11 Датчик давления расплава нафильере (MP4)
Это давление расплаваизмеряется датчиком давления на фильере. При выхода ниже допускаемого пределаподается предупредительный сигнал. Если давление в расплаве продолжает падать,то при опускании его ниже пороговой величины и активированной блокировке валковпроисходит отвод каландрирующих валков.
4.2.12 Приводы валков
Система задает скоростьвращения валков в зависимости от режима работы. Также производитсясинхронизация работы валков и экструдера, для обеспечения нужного качествавыпускаемой продукции.
4.2.13 Датчик зазоравалков
Посредством датчика перемещений (через расстояние между осямивалков) определяется величина зазора между валками 1 и 2 либо же валками 2 и 3.Непосредственно зазор валков не замеряется.
Система постоянноотслеживает температуру термостатирования, зазор в опорах валков, прогиб осейвалков и в зависимости от этого выдаёт сигнал на приводы регулировки зазоравалков.
Индикация зазора валковпроизводится на дисплее управляющей системы.
4.2.14 Гидроагрегат подвода валков
Система обеспечивает необходимый уровень давления вгидроагрегате для замыкания зазора валков.

4.2.15 Приводы регулировки зазора валков
Посредством этих приводовпереставляются электростопоры для зазора валков. Система отслеживает сигналыпоступающие с датчика зазора валков и посредством приводов регулировкиобеспечивает прддержание постоянной величины зазора.
4.2.16 Агрегаты термостатирования валков
Автоматическая система должна обеспечивать работу агрегатовтермостатирования таким образом, чтобы они поддерживали заданные температуры длятого или иного валка каландра. Мощность насосов агрегатов термостатирования регулируетсяиндивидуально.
4.2.17 Привод перестановки каландра повысоте
Перестановка по высотенужна, чтобы поднять каландр и выставить его в наиболее выгодную для экструзиипозицию. Регулировка высоты должна осуществляться через соответствующее менюуправляющей системы.
4.2.18 Привод шассикаландра
В случае падения давленияна фильере, система должна включать привод шасси и отодвигать каландр из-подфильеры, для предотвращения его порчи.
4.2.19 Привод тянущего механизма
Управляющая системасинхронизирует скорость привода тянущего механизма со скоростью работы всейсистемы, тем самым обеспечивая нужный уровень натяжения плёнки.
4.2.20 Пневмоприводтянущего механизма
Отведение/подведениеприжимного валка на тянущем механизме осуществляется пневматически. Системаследит и регулирует нужный уровень прижатия валков. Необходимость в этомобуславливается тем, что процесс не допускает проскальзывания плёнки междувалками
4.2.21 Намотчик/измельчитель обрезаемыхкромок
В измельчителе обрезаемыхкромок они наматываются либо измельчаются и непосредственно возвращаются кдозаторному блоку. Скорость работы измельчителя кромок связана с рабочимпараметром тянущего механизма. Включение измельчителя производится на самомустройстве либо с помощью управляющей системы.
4.2.22 Толщиномер
Измерение толщиныпроводится для оптимирования профиля пленки. От тянущего механизма поступаетсинхронизирующий сигнал на управление скоростью считывания.
4.2.23 Намотчик
С помощью намотчика выделанная пленка наматывается накартонные сердечники. Скорость работы намотчика задается синхронизирующимсигналом от тянущего механизма. Управление намотчиком находится непосредственнона нем.
4.3Выбор аппаратныхсредств
Существующая система управляется промышленными контролерамифирмы Siemens. При помощи данных контроллеровосуществляется достаточно полное и точное управление всеми процессами. В даннойглаве будет предложена альтернатива существующей системе, разработанная самимавтором курсового проекта.
/>
/>
Рис. 13. Существующая система управления.
Автоматизация на базе ПК
В чем причина успеха автоматизации на основе PC? Успехоснован на быстром прогрессе самих PC, в быстром росте их производительности,памяти и относительно невысокой цене компонентов. С другой стороны успехоснован на большом опыте накопленном в использовании PС — как различнойпериферии, так и программного обеспечения.
/>
Рис. 14. Развитие систем автоматического управления.
Преимущества PC-based Автоматизации:
· Интеграция наодной платформе функций управления и визуализации;
· Непрерывныеинновации в PC технологию;
· Интеграцияразличных коммуникаций с разных коммуникационных портов;
· Простаяинтеграция программного обеспечения, такого как MS Office и специальногонаписанного на C++, VB, Delphi.
Преимущества PC-based Автоматизации от Advantech
Advantech предлагает целый спектр продуктов на основе PC технологии иконцепции интегрированной автоматизации. Сюда входят промышленные PC, мониторы,принтеры, сетевые платы и программное обеспечение для управления процессом наPC.
Промышленные компьютеры и Мониторы/
Промышленные компьютеры Advantech предназначены для эксплуатации в промышленныхусловиях и могут круглосуточно работать в агрессивных средах, под действиемвлажности, пыли и вибрации. Промышленные компьютеры Advantech имеют три базовых вариантаисполнения:
Компьютеры боксового исполнения.
Компьютеры 19" стоечного исполнения.
Компьютеры панельного исполнения.
Промышленные компьютеры Advantech имеют следующие особенности:
· Материнская платасобственной разработки и изготовления.
· Современнаяархитектура, базирующаяся на использовании микропроцессоров Intel.
· Промышленное исполнение,соответствующее современным PCстандартам.
Благодаря перечисленным особенностям промышленные компьютеры Advantech способны:
· Работать вусловиях воздействия вибрации и тряски, а также в тяжелых температурныхрежимах.
· Непрерывновыполнять возложенные на них функции в течение 24 часов в сутки.
· Работать подуправлением операционных систем Windows3.11/95/98/NT/2000, MS-DOS, SCO UNIX, OS/2, REAL/32 и RMOS.
· Обеспечиватьзащиту от несанкционированного доступа.
Промышленные мониторы имеют целый ряд преимуществ посравнению с офисными мониторами. К этим преимуществам можно отнести:
· Длительный срокслужбы.
· Хорошая стойкостьк вибрационным и ударным нагрузкам.
· Хорошиепоказатели электромагнитной совместимости, отсутствие рентгеновского излучения.
· Низкаяпотребляемая мощность.
В качестве основы аппаратной части системы управленияэкструзионной линией выбраны промышленный компьютер и платы ввода-вывода фирмы Advantech, а так же частотные регуляторы фирмыSiemens.
Структурная схема системы управления приведена на рисунке 15.
/>
Рис. 15. Структурная схема системы управления.

4.3.1 Подсистема регулирования температуры
Ввиду того что данная работа носит обучающий характер, я постаралсяреализовать в системе два варианта регулирования температуры зон нагреваэкструдера.
В первом варианте предполагается использованиетерморегуляторов типа «Термодат-22» фирмы «Системы контроля». В данных приборахреализован пропорционально–интегрально-дифференциальный (ПИД) алгоритмрегулирования температур. Коэффициенты ПИД-регулирования задаются на панелиприбора. Терморегуляторы имеют последовательный интерфейс RS-485 с протоколом обмена ASCII, что позволило включить их в обмен сцентральным компьютером, задавать уставки и выводить значения на экранмонитора.
Во втором варианте подсистема регулирования температурпостроена с применением многофункциональной платы PCL-812PGфирмы Advantech. В этом варианте будет тожеосуществляться ПИД алгоритм регулирования температуры.
4.3.2 Подсистема регулирования давления в фильере
Для управления давлением в фильере, точность задания котороговлияет на многие параметры получаемой пленки, была синтезирована замкнутаяподсистема датчик давления – исполнительные электродвигатели шнеков. В основекоторой так же предполагается использовать алгоритм ПИД-регулирования.Предполагается что компьютерная программа по ряду измеренных значений давлениябудет вычислять пропорциональную, интегральную и дифференциальную ошибки. Управляющийаналоговый сигнал на частотные регуляторы шнеков будет вычислятьсяпропорционально суммарной ошибке ПИД-регулирования.
4.3… Основные характеристики узлов входящих в системууправления
Отказоустойчивое шасси Advantech IPC-6908
IPC-6908 — отказоустойчивое шасси для применения впромышленных условиях эксплуатации. IPC-6908 допускает установку до 8полноразмерных карт и 260 ваттного источника питания. Отсек для установкидисководов может поддерживать два устройства половинной высоты и одно 3.5"устройство, доступных с передней панели и одно внутреннее 3.5" HDDустройство.
/>
Рис. 16. Шасси Advantech IPC-6908.
Одноплатный компьютер PCA-6770
Серия PCA-6770- это процессорные платы на основе Intel Celeron с Intel 440BX PCI чипсетом.
CPU содержит кеш второго уровня объемом 128 Кб, исключающий необходимость вовнешнем SRAM чипе. Плата имеет PCI EIDE интерфейс (для двух устройств) и FDD интерфейс (для двух устройств).Также среди особенностей платы два RS-232 последовательных порта (16C550 UART с 16-byte FIFO или подобный), один улучшенный параллельный порт (споддержкой SPP/EPP/ECP) идва USB порта. PCI IDE контроллер поддерживает Ultra DMA/33 и PIO 4режимы. Это позволяет передавать данные на скорости более 33 Мб/сек. BIOS поддерживает загрузку с IDE CD-ROM и LS-120.
Резервный CMOSхранится во Flash памяти, которая защищает данные дажепосле сбоя в работе батареи питания. Также плата имеет 62-уровневый сторожевойтаймер, который генерирует сброс CPUили прерывание в случае, когда программа не может работать в обычном режиме.Это обеспечивает стабильную работу системы в автоматизированных условиях.
Серия PCA-6770имеет несколько особенностей, таких как VGA (AGP)контроллер, 10/100Base-T сетевой контроллер, два SODIMM разъема для установки максимум 256Мб RAM. Также серия PCA-6770 поддерживает твердотельный диск(SSD), используя CompactFlash, что является идеальным решением дляприменения в условиях промышленной эксплуатации.
/>
Рис. 17. Одноплатный компьютер PCA-6770.
Многофункциональная плата сбора данных PCL-812PG.
Универсальная плата сбора данных
·АЦП 12 бит, 30 кГц
·16 потенциальных входов
·Режимы опроса: программный, по прерываниям и DMA
·Программируемое усиление
·Два канала ЦАП, 12 бит
·16 цифровых входов-выходов
Плата дискретного ввода/вывода PLC-722.
Плата дискретного ввода-вывода: 144 канала дискретноговвода-вывода; 6 разъёмов, cовместимыхс Opto-22
Плата ЦАП PCL-726.
Плата 6-канального ЦАП
·6 каналов, 12 разрядов
·Выходные сигналы: ±5, ±10, 0...5, 0...10 В
·Токовая петля 4-20 мА
·16 линий цифровоговвода-вывода
Интерфейсная плата PCL-741.
Плата интерфейсов RS-232/токовая петля с гальванической изоляцией: Два независимоконфигурируемых порта RS-232/токоваяпетля; Скорость передаци до 115,2 кбит/с; Напряжение изоляции: 2500 В пост.тока
Конвертор I-7520.
I-7520 — конвертер RS-232 в RS-485 с автоматическим контролемза направлением передачи данных для RS-485, гальваническая изоляция 3кВ поRS-232
4.3.4 Датчики давления
Сравним существующие типы датчиков давления. Результатысравнения занесём в таблицу:Тип манометра Выносливость Чувствительность к температуре Время отклика Погрешно-сть, % Пневматический Хорошая Высокая Большое Около 1,5 Капиллярный с тензодатчиком Отличная Очень слабая Удовл. 0,5-3 Стержневой с тензодатчиком Отличная Высокая Удовл. Около 3 Пьезоэлектрический Хорошая Высокая Малое 0,5-1,2
Пьезорезистивный
Хорошая
Низкая
Малое
0,2-0,5 Оптический Хорошая Низкая Малое Около 0,5
Проанализировав преимущества и недостатки представленных датчиковможно сделать вывод, что наиболее оптимальным вариантом, подходящим для нашейсистемы, является пьезорезистивный тип датчиков.
Пьезорезистивные датчики обладают широким набором преимуществпо сравнению с манометрами других типов. Относительно большая толщина диафрагмыделает такой датчик весьма надёжным. Кроме того, он обладает в 1000 раз большимбыстродействием, чем тензодатчики. Отсутствие жидкостных наполнителей позволяетисключить возможность загрязнения расплава полимера при использовании пьезорезистивныхдатчиков.
Пьезорезистивный датчик давления Gefran
Серия “IMPACT” — преобразователи давления без передающейжидкости для использования в высокотемпературной среде (350°C).
Среднее давление передается напрямую на чувствительныйсиликоновый элемент через толстую диафрагму. Передача происходит по силиконовоймикроструктуре (MEMS). Рабочий принцип — пьезорезистивный. Основнаяхарактеристка серии “IMPACT” — отсутствие передающего флюида. Чувствительныйэлемент, установленный сразу за контактной мембраной, выполнен из силикона спомощью микропроцессорных технологий. Микроструктура включает в себяизмерительную мембрану и пьезорезисторы.
• Диапазоны давлений до 3000 bar для динамического применения
• Точность 0,5%
• Дистанционная электроника
• Возможне выходы: 0-10 V (N) или CAN Open (D)
Терморегулятор «Термодат-22»
Многоканальный регулятор температуры “Термодат-22” предназначен для управления температурой до десяти объектов независимо на каждом канале. Приборможет быть оборудован архивной энергонезависимой памятью и интерфейсом длясвязи с компьютером.
Входы: Приборы имеют один из следующих типов входов для работы с термопарамиХА, ХК, ПП, ПР, МК, ЖК, ВР для работы с термосопротивлениями Pt, Cu, Ni (трехпроводнаясхема подключения) для измерения постоянного напряжения 0…80 мВ и тока (свнешним шунтом) 0…5 мА или 4…20 мА. Количество входов 10 длятермосопротивлений, 10 или 12 для термопар.
Выходы: для управления нагревателями – релейный (выход типа R, реле — 8А, 220В) или для управления симисторами (тип S). При ПИД регулировании выход Sобеспечивает плавное управление мощностью по методу равномерного распределениярабочих сетевых периодов. Если ПИД регулирование реализовано на реле, периодсрабатывания реле (период ШИМ) задается пользователем в диапазоне от 2 до 600сек. Дополнительные реле предназначаются для включения охлаждения(вентиляторов) или для аварийной сигнализации.
Количество выходов: для управления нагревателями используется10 реле, 6…10 реле для включения вентиляторов, 10 выходов для управлениясимисторами, 8 аналоговых выходов.
/>
Рис. 18. Терморегулятор «Термодат-22»
4.3.5 Датчики температуры
Измерения температуры в экструзионной промышленностипроизводится как при помощи терморезисторов, так и с использованием термопар ирадиационных пирометров.
Произведём сравнение различных датчиков температуры: Термопара
Терморезистор Термистор Воспроизводимость
1-8оС
0,03-0,05оС
0,1-1оС Стабильность
1-2оС за год 0,1-3оС за год Чувствительность
0,01-0,05 мВ/оС
0,2-10 Ом/оС
100-1000 Ом/оС Взаимозаменяемость Хорошая Отличная Плохая Рабочий диапазон
-250…2300оС
-250…1000 оС
-100…280оС Линейность Отличная Отличная Низкая Время отклика Высокое Хорошее Высокое Особые свойства Очень экономична, широкий диапазон измерений Высокая очность и стабильность Высокая чувствительность
Терморезистор GefganTR5N.
Предназначен для измерения температуры на экструдерах.
• Температурные пределы: -40… + 350° C

5. Контроль температурного режима
 
5.1 Теоретическиесведения
Контроль температуры цилиндра и формующего инструмента(фильеры) экструдера необходим для обеспечения постоянства вязкости полимера.Отклонения вязкости материала могут привести к ухудшению его свойств,возникновению недопустимых нагрузок на шнеке и приводе экструдера.
Для обеспечения стабильности размеров формируемой пленки и еемеханических свойств температура расплава полимера на выходе зоны дозирования идавление расплава в формующей головке должны поддерживаться в узких пределах.
Температура формующего инструмента обычно влияет только накачество поверхности пленки, так как материал находится в формующей головке втечение относительно короткого промежутка времени.
Теоретически регулирование температуры расплава полимера иего давления может выполняться путем изменения параметров в двух последнихзонах нагрева цилиндра экструдера. Но значительные искажения температурногополя по длине цилиндра экструдера могут привести к негативным последствиям,таким как нарушение однородности материала и ухудшение качества поверхности.Отмечается, что заметное изменение производительности экструдера наблюдаетсятолько в том случае, когда изменение мощности на нагрев происходит в зонезагрузки. При изменениях мощности на нагрев в зонах, находящихся вблизи отконца шнека, производительность изменяется в пределах точности измерений, т.е.регулирование температуры расплава полимера в зонах вблизи от конца шнека неоказывает никакого влияния на производительность экструдера. Кроме того,отмечается, что в стационарном режиме работы экструдера наблюдается линейнаязависимость изменения температуры расплава полимера /> от изменения мощности на нагрев />, подводимой к i — зоне цилиндра экструдера. Влияниеподводимой мощности на нагрев тем сильнее, чем ближе к концу шнека находитсярассматриваемая зона цилиндра экструдера.
Регулирование температуры расплава полимера на экструдерныхпрессах осуществляется путем стабилизации температуры по зонам нагреваэкструдера с управлением температурой последней зоны цилиндра экструдера.
Для построения системы автоматического регулированиятемпературой расплава полимера на выходе зоны дозирования экструдера необходимотем или иным образом найти адекватную динамическую модель объекта управления. Вподавляющем большинстве случаев используется метод экспериментального полученияпереходных характеристик объекта управления с их последующей идентификацией. Вчастности, объект регулирования, выходом которого является температура расплаваполимера, а входом — мощность нагревательных элементов, описывается как апериодическоезвено первого порядка, параметры которого — коэффициент передачи ипостоянная времени — определены по экспериментально снятой переходнойхарактеристике.
Объект управления рассматривается и описывается как объектуправления с сосредоточенными параметрами. Существующая зависимостьрегулируемой величины — температуры расплава полимера от пространственныхкоординат (в первую очередь, от продольной координаты шнека) игнорируется.
Динамическое поведение экструдера в значительной степени определяетсясистемой контроля его температурного режима. Поэтому важно понимать основныехарактеристики различных систем температурного контроля. Большинство такихсистем обладают обратной связью, то есть измеренные величины поступают в блокуправления, которые на их основе выдаёт сигналы исполнительным устройствам.
Существуют два принципиально разных метода управленияисполнительными устройствами: импульсный метод и метод плавной подстройки.
Импульсный метод управления
Рабочий цикл в импульсном методе выглядит следующим образом.Если температура экструдера ниже заданного уровня, нагреватели работают вполную мощность, а как только температура превысит порог, нагревателивыключаются полностью.
Однако при таком типе управления возникает серьезная проблемав виде термического запаздывания, которое представляет собой разницу во временимежду моментом посылки нагревателю сигнала на включение и моментом достижениятермометра тепловым потоком (аналогичная ситуация возникает при выключениинагревателей).
В результате такого способа регулирования температура будетколебаться около нужного значения, причём амплитуда и частота колебанийопределяется временем запаздывания конкретного аппарата. Кроме того, возникаетпроблема, связанная с электрическими шумами и неравномерностью температуры вэкструдате, что может вызвать высокочастотные переключения в схеме, когдатемпература близка к установленной.
Пропорциональное управление
Недостатки обратной связи описанного выше типа проистекают изеё ступенчатости, то есть из-за того что возможны два режима работынагревателя: полностью включен или полностью выключен. При этом в большинствеслучаев для поддержания заданной температуры нагреватели должны работать не вполную мощность. Таким образом, использование импульсного управления с неизбежностьюприведёт к возникновению пульсаций температуры. Следовательно, необходимасхема, позволяющая автоматически плавно подстраивать мощность подаваемую нанагреватель, тогда станет возможным исключить пульсации.
Только пропорциональное управление
Итак, устройствопропорционального управления позволяет осуществлять плавную подстройкуподаваемой на нагреватель мощности (от 0 до 100%). Диапазон температур, прикотором мощность меняется от 0 до 100%, называют областью пропорциональности ивыражают в процентах от рабочего диапазона прибора. Обычно нужное значениетемпературы лежит в середине области пропорциональности, хотя иногда и наверхней его границе. Например, если устройство имеет рабочий диапазон 500 оС,то 5%-ная область пропорциональности будет представлять собой зазор в 25 оС.На рис. 20 показана передаточная функция регулятора с пропорциональной обратнойсвязью.
/>
Рис. 19.Передаточная функция пропорционального управления.
Данныйтип регулятора называют регулятором с обратной связью, поскольку выдаваемый имуправляющий сигнал понижается с повышением температуры. При этом если температурапревышает верхнее граничное значение Т2то нагревателиполностью отключаются. В обратном случае нагреватели включаются на полнуюмощность. Ширина области пропорциональности может быть настроена в соответствиис требуемым режимом работы экструдера. При этом уменьшение ее ширины приводит кболее крутому виду кривой зависимости мощности нагревателей от температуры. Вобратном случае (при обращении ширины в нуль) пропорциональный регуляторначинает работать как простой импульсный регулятор, при этом все преимуществапропорциональности теряются.
Блок-схемапропорционального регулятора представлена на рис. 20.
/>
Рис. 20. П-регулятор.
Выходнойсигнал (поступающий на нагреватель) описывается уравнением
/>
Когданужная величина температуры задана в середине области пропорциональности,мощность, подаваемая на нагреватели при нулевой величине сигнала е, равна50%.
Вреальных условиях редко встречается такая ситуация, когда для поддержаниязаданной температуры необходимо включать нагреватель ровно на половинумощности. Поэтому температура начнет понижаться или повышаться, подстраиваяуровень мощности, подаваемый на нагреватель, до тех пор, пока не установитсяравновесие, при котором сохраняется некоторое расхождение между установленной иреальной температурой, называемое рабочим отклонением. Величину рабочегоотклонения можно уменьшить путем сужения области пропорциональности, однако причрезмерном сужении области пропорциональности может возникнуть неустойчивость.На рис. 20 показан график выхода экструдера на температурный режим прииспользовании пропорционального регулятора температуры. Для иллюстрациимеханизма возникновения рабочего отклонения на рис. 22 приведены одновременнографики передаточной функции регулятора и тепловых потерь.
/> 
Рис. 21Выход экструдера с пропорциональным регулятором температуры на рабочий режим
/>
Рис. 22 Сопоставлениеграфиков передаточной ф-ии регулятора и характеристической кривой
Кривая,приведенная на рис. 22, строго говоря, не является кривой тепловых потерь. Насамом деле график показывает, какую мощность надо подвести к нагревателю дляподдержания определенной температуры. Для большинства агрегатов эта зависимостьлинейна, а угол наклона зависит от тепловых потерь в конкретном аппарате.Использование теплоизоляции может сильно повлиять на наклон графика тепловыхпотерь (вследствие уменьшения собственно величины этих потерь) и вместе с темобеспечить существенную экономию электроэнергии.
На рис. 22показаны графики передаточной функции регулятора и тепловых потерь. Кривыепересекаются в точке, где мощность, подводимая к нагревателю, равна мощности,затрачиваемой на тепловые потери. Если эта точка лежит ниже середины областипропорциональности, то имеет место отрицательное рабочее смещение, а впротивоположном случае — положительное. Из рис. 22 понятно, как добитьсяотсутствия рабочего смешения без уменьшения ширины области пропорциональности.Для этого необходимо сдвинуть всю область пропорциональности по шкале температуртаким образом, чтобы пересечение графиков произошло в точке, соответствующейзаданной температуре. На рис. 23 показано, как сдвиг области пропорциональностивлияет на положение точки пересечения кривых.
/>
Рис. 23.Влияние сдвига области пропорциональности.
Пропорциональныйи интегральный контроль
Автоматическаяподстройка положения области пропорциональности осуществляется путеминтегрирования величины рабочего отклонения по времени и прибавлении результатаинтегрирования к сигналу, подаваемому на нагреватель. Блок-схема устройства,работающего по такому принципу, представлена на рис. 24. Для такого устройствасправедливо соотношение
/>
/>
Рис 24.ПИ-регулятор
Интеграторпостоянно сдвигает в нужную сторону положение области пропорциональности до техпор, пока величина рабочего отклонения не станет равной нулю. Тогда выходнойсигнал интегратора перестанет изменяться и останется на необходимом уровне,позволяющем поддерживать нужную температуру. При изменении температурногорежима процесса снова возникает рабочее отклонение, то есть сигнал на выходеинтегратора снова начнет изменяться, подстраивая положение областипропорциональности. Следует отметить, что для предотвращения возможныхколебаний, изменение сигнала на выходе интегратора должно происходить весьмамедленно. Коэффициенты К1 и К2 следует подбирать такимобразом, чтобы экструдер быстро входил в область пропорциональности, после чегоосуществлялась бы медленная подстройка положения этой области.
Пропорциональныйрегулятор с интегратором и дифференциатором.
Одним из основных недостатков РI-регуляторов является большое время отклика. Это можноисправить добавлением к регулятору еще одного контура коррекции, которыйреагирует на скорость изменения температуры. На рис. 25 представлена блок-схематакого регулятора, к которому кроме интегрирующего контура добавлен еще идифференцирующий. Такой регулятор называют PID-регулятором (proportional+ integral+ derivative).
Дополнительныйконтур управления выдает сигнал, пропорциональный производной температурыэкструдера по времени, то есть скорости изменения температуры экструдера.Выходной сигнал PID-регулятораописывается следующим уравнением:
/>
/>
Рис. 25 PID-регулятор.
Дифференциальныйконтроль подключается в неравновесные моменты и при возникновении резкихизменений температуры. Его отклик практически мгновенен, поскольку не требуетсяждать, пока накопится ошибка, а величина отклика пропорциональна скоростиизменения температуры. Таким образом, при возникновении резкого перегревавозникнет сигнал, способный быстро отключить нагреватели.
Дифференциальнаясхема контроля позволяет предотвратить как чрезмерный перегрев, так иохлаждение, при этом схема осуществляет корректирующие действия, предупреждаяразвитие событий. В результате уменьшается задержка времени выдачи управляющегосигнала при изменении параметров процесса. Очевидно, что особую важность PID-регуляторы представляют дляаппаратов с большой тепловой инерцией, то есть для относительно большихэкструдеров. Установка PID — регулятора намаленьком экструдере может и не увеличить точность его работы, поскольку он сампо себе обладает малым временем задержки.
НедостаткомРID-регулятора является дестабилизация, которую он оказывает навесь цикл обратной связи, поэтому следует тщательно рассчитывать необходимуюглубину дифференцирующей обратной связи для сохранения достаточной стабильностивсей системы. Однако, несмотря на недостатки, такая конструкция позволяетуменьшить время отклика регулятора в 2-4 раза.
5.2 Тепловыехарактеристики системы
Тепловыехарактеристики системы описывают изменение температуры в системе в зависимостиот изменения мощности, подаваемой на нагреватель. Один из наиболее простыхспособов определения тепловых характеристик заключается в изменениитемпературного отклика при ступенчатом изменении мощности нагревателя (рис. 26).
/>
Рис. 26.Температурный отклик системы на ступенчатое изменение мощности.
Изкривой отклика системы можно определить несколько важных параметров,позволяющих понять тепловое поведение системы. Первый параметр – мертвое время(td) – это время сразу после изменениямощности нагревателя, в течение которого создается наиболее сильный градиенттемператур. Второй параметр – константа Кs показывающая максимальное изменение температуры, примаксимальном изменении мощности нагревателя (/>). Третий параметр – постоянная времени экструдера tс, описывающая отношение максимального изменениятемпературы к максимальной величине градиента температуры.
Мертвоевремя экструдера обычно лежит в интервале 1-5 мин, и является одной изнаибольших проблем при регулировании температуры экструдера, поскольку этоозначает, что пройдет не менее 1 мин, прежде чем изменение мощностинагревателей приведёт к изменению температуры. Задержка по времени зависит какот глубины погружения термодатчика в стенку цилиндра, так и от конструкциинагревателей и теплопроводности цилиндра. Типичное значение постоянной времениэкструдера лежит в интервале от 30 до 120 мин. Эта величина зависит оттеплоёмкости и массы рабочего цилиндра экструдера.
Хотяописанные выше параметры и не описывают полностью все характеристики системы,они всё же позволяют приблизительно предсказать трудности, связанные суправлением температурным режимом данного аппарата:
td / tc ≤ 0,1 – контроль легкоосуществим;
0,1
td / tc ≥ 0,3 – аппарат трудноконтролировать.

5.3 Настройкапараметров регулятора
 
5.3.1Характеристики работы терморегулятора
Для правильноговыбора конструкции регулятора температуры и правильной его настройки необходиморуководствоваться определенными критериями, описывающими параметрыфункционирования нужного прибора. Критерии отклика включают перегрев, скоростиотрицательного и положительного откликов, задержку отклика, частоту колебаний,функцию накопления ошибок вследствие разницы в фале и усилении и т.д. Интегралквадратичной ошибки, интеграл абсолютной ошибки, двойной интеграл времени иабсолютной ошибки наиболее часто используются как величины, описывающиеотклонения в работе регулятора. Некоторые из этих критериев проиллюстрированына рис. 27, на котором представлен отклик регулирующей системы на изменениезаданной температуры.
/>
Рис. 27.Критерии отклика.
5.3.2Влияние PID-параметровна режим работы регулятора
НастройкаPID-регулятора в идеале должна привестик таким значениям параметров P, I и D регулятора, которые обеспечат наиболее подходящий режимфункционирования регулятора. При этом коэффициент P зависит от коэффициента усиления Kp или размеров областипропорциональности Xp.Влияние пропорциональности на режим работы регулятора проиллюстрировано на рис.28. Узкая область пропорциональности может стать причиной осцилляций, а слишкомширокая – большой величины рабочего отклонения.
/>
Рис. 28.Влияние ширины области пропорциональности на режим работы.
КоэффициентI описывает функцию сдвига областипропорциональности и характеризуется константой интегрирования ti или скоростью сдвига. Влияние этогопараметра на работу регулятора проиллюстрировано на рис. 29.
/>
Рис. 29.Влияние константы интегрирования.
Есликонстанта интегрирования слишком велика, температура после перегрева будет оченьмедленно возвращаться к заданному значению. В противоположном случае, когдаконстанта интегрирования слишком мала, могут возникнуть колебания. Оптимальнойсчитается такая величина, при которой система как можно быстрее возвращается кзаданной температуре без возникновения перегрева.
Вкладдифференцирующей обратной связи характеризуется константой временидифференцирования td.Влияние величины этой константы на функционирование системы показано на рис. 30.При избыточной величине этой константы температура начнет меняться оченьбыстро, что приведёт к перегреву и колебаниям. Если константа слишком мала,температура будет возвращаться к заданной величине очень медленно. Оптимальнаяконстанта обеспечивает возврат к заданному значению с минимальным размахом колебаний.
/>
Рис. 30.Влияние величины константы времени дифференцирования на функционированиерегулятора.
5.4 Тепловыехарактеристики экструдера Reifenhauser 3201
Вдокументации на систему не было обнаружено никаких сведений о процессахпроисходящих в экструдере. Поэтому было принято решение о составлении моделиобъекта управления путём его идентификации.
Производственнаялиния работает в непрерывном режиме и изменение каких-либо параметров можетпривести к её аварийному останову. Единственное что удалось снять, это характеризменения температуры в соэкструдере Reifenhauser 3201 в момент его пуска. Была получена следующая переходнаяхарактеристика:
/>
Рис. 31.Переходная характеристика температуры в выходной зоне экструдера Reifenhauser 3201
одноразовая посуда экструзионный способ
Произведемграфическую идентификацию нашего объекта. Представим его как последовательноесоединение 2 звеньев, апериодического и звена чистого запаздывания.Передаточная функция экструдера будет иметь следующий вид:
/>
Пополученному графику переходного процесса определим значения коэффициентов k, T, τ.
k = 1
T = 1833 с.
τ =62 c.
Принимаяво внимание тот факт, что переходную характеристику экструдера удалось снятьвсего один раз, чего явно не достаточно для точной идентификации объекта, дляпоследующего исследования и настройки параметров регулятора зададимсяследующими параметрами:
k = 1
T = 1800 с.
τ =60 c.
Составимструктурную схему и промоделируем переходный процесс используя компьютерныйпакет MatLab Simulink.
/>
/>
Рис. 32.Переходная характеристика модели объекта управления — температурой расплаваполимера в выходной зоне экструдера Reifenhauser 3201.
Наоснове полученной структуры объекта управления синтезируем САР температурой расплаваполимера в зоне дозирования одночервячного экструдера. Температура расплаваполимера контролируется на выходе зоны дозирования экструдера. Управлениетемпературой в зоне дозирования будем осуществлять с использованием PID-регулятора. Произведем настойкупараметров регулятора двумя методами.
5.4.1Метод Циглера-Николса
Методнеустойчивости, называемый методом Циглера-Николса, основанном наэкспериментальном подборе работы регулятора с помощью данных динамическогоотклика системы. Данные динамического отклика получаем при отключенных цепяхинтегрирующей и дифференцирующей обратной связи, осуществляя ступенчатоеизменение коэффициента K.Коэффициент усиления постепенно повышаем, добиваясь перевода системы внеустойчивое состояние. Соответствующее этому состоянию значение коэффициентаусиления, а также частота колебаний позволяют определить время откликанезамкнутой системы. По этим данным используя специальные таблицы определяемоптимальные значения параметров работы регулятора.Регулятор K
Ti
Td P
0.5*Ku - - PI
0.45*Ku
0.833*tu - PID
0.2*Ku
0.33*tu
0.5*tu
Повышаемкоэффициент усиления и переводим систему в неустойчивое состояние.
/>
/>
Рис. 33.К=47,76. Дальнейшее увеличение К приведёт к переводу системы в неустойчивоесостояние.
Ku=47,76
tu=238
Потаблице найдем коэффициенты PID:
K = 9,55
Ti = 79
Td = 119
/>/>
Рис. 34.Переходный процесс по управлению САР температуры расплава полимера срегулятором настроенным по методу Циглера-Николса
Из рис. 32видно что время переходного процесса составляет порядка 1260 сек.Перерегулирование равно 10%, что является приемлемым результатом.
В методеЦиглера-Николса сделано допущение, что уровень внешних помех на систему всегдапостоянен. Следовательно этот метод не всегда может давать удовлетворительныйрезультат, то есть в итоге все равно придется подстраивать параметры регуляторавручную.
Этотметод никак не учитывает требования к запасу устойчивости системы, что являетсявторым его недостатком. Судя по медленному затуханию переходного процесса всистеме, этот метод даёт слишком малый запас устойчивости.

5.4.2Регуляторы температуры с фиксированными характеристиками
Использованиерегулятора температуры с типовыми характеристиками. Некоторые производителипоставляют регуляторы, параметры которых заданны при производстве и не могутбыть изменены. В этом случае параметры устанавливаются на основе длительногоопыта эксплуатации регуляторов в экструзионной промышленности. Такие регуляторымогут быть вполне удачными, поскольку большинство экструдеров имеет сходныетепловые характеристики. Кроме того, невозможность перенастройки регуляторагарантирует от нарушения работы оборудования в результате действийнеквалифицированных работников.
Типичныезначения параметров регуляторов, устанавливаемые при производстве, представленыв таблице:Тип регулятора Значения фиксированных параметров Диапазон настройки параметров PD
Xp = 5%
Td = 30 сек.
Xp = 0-10% PID
Xp = 8%
Ti = 480 сек
Td = 30 сек.
Xp = 0-10%
/>/>
Рис. 35.Переходный процесс по управлению САР температуры расплава полимера сфиксированными настройками регулятора
Времяпереходного процесса составляет 420 секунд. Перерегулирования нет.

6.Заключение
В Россиив настоящее время экструзией перерабатывается порядка 210 тысяч тонн пленок ипорядка 85 тысяч тонн листов и труб из термопластов. Вполне активно развиваютсятакие специфические производства, как выпуск кабельной изоляции, деталейконструкций оконных рам и иных строительных конструкций и т.д. Хотелось быверить, что это лишь начальная стадия широкого распространения продукцииэкструзионных процессов в нашей стране, поскольку по объёму производства Россиянамного отстаёт от большинства европейских стран, не говоря уже об Америке иряде азиатских стран. Поэтому правильное понимание существа и как следствиеоптимизация и наиболее полная автоматизация технологического процесса это,прежде всего, вопрос экономической эффективности производства. Как в любомсложившемся крупнотоннажном производстве, это борьба за экономию десятка рублейна каждом килограмме продукции, что в итоге даёт прибыль в десятки тысячдолларов.
Учитываявозрастающие требования к снижению затрат, улучшению качества продуктов иповышению производительности, автоматизация производства становится важнымсредством повышения качества и производительности и, следовательно,рентабельности процесса.

7. Список литературы
 
1.  Экструзия полимеров: пер. с англ. яз.4-го изд./ К. Раувендааль.— СПб: Профессия, 2008 .— 762 с.
2.  Выявление и устранение проблем вэкструзии: пер. с англ./ К. Раувендааль, М.д.Пилар Норьега Е., Х. Харрис .— СПб: Профессия, 2008 .— 327 с.
3.  Термоформование: практическоеруководство: пер. с англ./ П. Шварцманн; Под ред. А. Иллига .— М.: Профессия,2007 .— 287 с.
4.  Жирнал «Современные технологииавтоматизации» №4 2004 год.
5.  www.reifenhauser.com
6.  www.illig.co.uk
7.  www.motan.ru
8.  www.polymery.ru
9.  www.sensor.ru