Производство одноразовой посуды экструзионным процессом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Министерство образования и науки РФ

Пермский Государственный Технический Университет

Кафедра МСА

Курсовой проект по курсу

Автоматизация технологических процессов и производств

Производство одноразовой посуды экструзионным процессом

Пермь 2010

Содержание

1. Введение

2.Описание технологического процесса

2.1 Общее устройство линии для пленок глубокой вытяжки

2.1.1 Принцип действия шнекового экструдера

2.1.1.1 Устройство экструдера

2.1.1.2 Привод экструдера

2.1.1.3 Редуктор

2.1.1.4 Цилиндр и загрузочное отверстие

2.1.1.5 Загрузочный бункер

2.1.1.6 Шнек

2.1.1.7 Экструзионная головка

2.1.1.8 Фильтры и устройства для автоматической смены фильтров

2.1.1.9 Системы нагрева и охлаждения

2.1.2 Каландр

2.1.2.1 Станина оборудования с ходовым механизмом

2.1.2.2 Валки каландра

2.1.2.3 Привод валков

2.1.2.4 Регулировка щели

2.1.3 Намоточное устройство

2.1.3.1 Компенсатор

2.1.3.2 Промежуточный вытяжной прибор

2.1.3.3 Устройство продольной резки

2.1.3.4 Направляющая рама для пленки

2.1.3.5 Вспомогательное съемное устройство

2.1.3.6 Антистатическое оборудование

2.2 Линия термоформования

3. Анализ структуры системы автоматизации

3.1 Общее управление процессом

3.2 Истинное полное управление процессом экструзии

3.3 Функциональные возможности системы 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 различных участках технологического процесса

4.1 Принцип работы управляющей системы

4.1.1 Общие сведения

4.2 Управляющая система на разных участках 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 на экструдере

4.2.6 Ситообменник

4.2.7 Термодатчик для расплава

4.2.8 Датчик давления расплава на входе насоса для расплава (MP2)

4.2.9 Насос для расплава

4.2.10 Датчик давления расплава на выходе насоса для расплава (MP3)

4.2.11 Датчик давления расплава на фильере (MP4)

4.2.12 Приводы валков

4.2.13 Датчик зазора валков

4.2.14 Гидроагрегат подвода валков

4.2.15 Приводы регулировки зазора валков

4.2.16 Агрегаты термостатирования валков

4.2.17 Привод перестановки каландра по высоте

4.2.18 Привод шасси каландра

4.2.19 Привод тянущего механизма

4.2.20 Пневмопривод тянущего механизма

4.2.21 Намотчик/измельчитель обрезаемых кромок

4.2.22 Толщиномер

4.2.23 Намотчик

4.3 Выбор аппаратных средств

4.3.1 Подсистема регулирования температуры

4.3.2 Подсистема регулирования давления в фильере

4.3.3 Основные характеристики узлов входящих в систему управления

4.3.4 Датчики давления

4.3.5 Датчики температуры

5. Контроль температурного режима

5.1 Теоретические сведения

5.2 Тепловые характеристики системы

5.3 Настройка параметров регулятора

5.3.1 Характеристики работы терморегулятора

5.3.2 Влияние PID-параметров на режим работы регулятора

5.4 Тепловые характеристики экструдера Reifenhauser 3201

5.4.1 Метод Циглера-Николса

5.4.2 Регуляторы температуры с фиксированными характеристиками

6. Заключение

7. Список литературы

1. Введение

Всё производство одноразовой посуды может быть разделено на два основных этапа. Первый, наиболее трудоёмкий этап, заключается в производстве плёнки глубокой вытяжки. На втором этапе плёнка, смотанная в рулоны, загружается в формовочную машину, которая и производит конечный продукт. В данной работе в основном будет рассмотрен процесс получения плёнки глубокой вытяжки. Этот процесс является наиболее трудоёмким, следовательно требует тщательного контроля.

Теория процесса формовки будет изложена только в качестве ознакомительного материала.

2. Описание технологического процесса

Стандартный процесс изготовления одноразовой посуды выглядит так.

Сырье доставляется на производство в виде гранул. Они подаются в плоскощелевой экструдер - машину, где получается расплав, который перемешивается с помощью шнекового пресса (как в мясорубке). Затем выдавленную через плоскую щель массу с помощью больших валов (каландров) превращают в лист, толщина которого может быть от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Требования к валам-каландрам жесткие: их биение не должно превышать нескольких микрон, и с высокой степенью точности должна регулироваться температура (особенно капризен полипропилен). На специальных экструдерах можно получать многослойный лист. Одно из главных требований: его толщина должна быть равномерной. Разнотолщинность - плюс-минус 20% (что типично для азиатского оборудования) - увеличивает расход сырья примерно на те же 20%; к тому же ухудшается качество изделий. Затем лист поступает в формовочную машину. С помощью пресс-форм получают стаканчик или тарелку, которые здесь же или чуть позже вырубаются из листа. Переход на новое изделие осуществляется после изготовления или покупки соответствующей пресс-формы. Требования к ней очень высоки, ведь каждые несколько секунд она механически смыкается и размыкается, испытывая ударную нагрузку. Даже незначительные дефекты сразу дают о себе знать.

Линия для производства одноразовой посуды, 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.

Частотный преобразователь: 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 линии для пленок глубокой вытяжки

Рис.1. Линия для производства 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 действия шнекового экструдера

Одношнековый экструдер относительно прост. Под действием силы тяжести материал поступает вниз из загрузочного бункера в рабочий объем экструдера. Внутри экструдера материал попадает в замкнутое пространство, между подвижным (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 неподвижной внутренней поверхностью рабочего цилиндра и с подвижной поверхностью шнека.

Воздействие сил трения вызывает разогрев материала, кроме того, к рабочему объему экструдера осуществляется подвод тепла от внешних нагревательных устройств. Таким образом, по мере продвижения материала его температура повышается, достигая точки плавления, при этом на поверхности неподвижной стенки рабочего цилиндра начинает формироваться пленка расплава. В этом месте заканчивается зона перемещения твердой фазы и начинается зона пластикации. Следует подчеркнуть, что понятие «зона пластикации» относится к функциональному делению рабочего объема экструдера и может не совпадать с геометрическим делением. Границы функциональных зон зависят от свойств полимера, а также от устройства экструдера и параметров его работы, а геометрически различные секции шнека определяются при разработке экструдера и, естественно, не меняются при его эксплуатации. Поэтому начало зоны пластикации может не совпадать с началом зоны компрессии. При продавливании материала через зону пластикации постепенно осуществляется его полное плавление, точка полного плавления считается концом зоны пластикации и началом зоны перемещения расплава. Геометрически зоне перемещения расплава соответствует зона дозирования, единственное назначение которой заключается в продавливании расплава через фильеру.

При прохождении материала через экструзионную головку сечение потока принимает форму формующего инструмента. Поскольку фильера оказывает сопротивление потоку расплава, для его продавливания необходимо приложить силу. Эта сила обеспечивается давлением, называемым давлением в фильере, которое определяется формой фильеры, температурой расплава полимера, скоростью потока расплава и его реологическими свойствами. Необходимо помнить, что давление в фильере обусловлено сопротивлением фильеры, а не собственно экструдером. В данном случае экструдер всего лишь машина, развивающая давление, необходимое для проталкивания расплава через формующий инструмент. При прочих равных условиях (одинаковых полимерах, производительности, конструкции фильеры и ее температуре) развиваемое давление в фильере постоянно и не зависит от конструкции экструдера, Таким образом, давление в фильере обусловлено ее конструкцией и процессом течения расплава.

2.1.1.1 Устройство экструдера

В этой главе будут рассмотрены составные части стандартного одношнекового экструдера. Каждый узел будет рассмотрен с точки зрения выполняемой им функции, а также важности данного элемента для правильного функционирования экструзионной машины.

2.1.1.2 Привод экструдера

Задачей привода является вращение шнека с заданной частотой вращения (скоростью) и обеспечение постоянства частоты вращения. Неустойчивость частоты вращения шнека вызывают неустойчивость производительности экструдера, и, следовательно, колебания геометрических размеров изделия (экструдата). Также важным требованием к приводу является возможность регулировать частоту вращения в широком диапазоне. В большинстве случаев конструктору следует продумать возможность плавного регулирования частоты вращения привода шнека -- от нулевой до максимальной. Среди многообразия применяемых конструкций приводов основными можно считать следующие:

*электропривод переменного тока;

*электропривод постоянного тока;

*гидравлический привод.

Привод с регулировкой частоты

В приводе с регулировкой частоты используется двигатель переменного тока, соединенный с электронным блоком питания, способным подавать переменный ток регулируемой частоты. Такой тип двигателя обладает рядом преимуществ: простотой и компактностью конструкции, отсутствием контактов и щеток, 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 значениями напряжения и частоты. В данном случае вся энергия проходит через два устройства, в отличие от тиристорной системы постоянного тока, в которой имеется только один контур преобразования. Именно поэтому стоимость привода с регулированием частоты оказывается выше стоимости привода на постоянном токе, даже не смотря на то, что мотор постоянного тока стоит дороже, чем мотор переменного тока.

В качестве блока питания для описываемой системы обычно применяют шестиступенчатую систему инвертора переменного напряжения, которая представлена на рис. 2.

Входное трехфазное переменное напряжение выпрямляется и сглаживается для получения регулируемого постоянного напряжения, которое затем попеременно подается в три выходные цепи тиристорными переключателями, управляемым электронной схемой.

Для обеспечения постоянства крутящего момента на валу двигателя при изменении частоты вращения отношение напряжения к частоте следует поддерживать постоянным. Можно получить практически любую характеристику скорость--момент вращения, регулируя отношение частоты и напряжения питания подаваемого на двигатель. Однако ограничения применяемого преобразователя не позволяют получить устройство с регулированием частоты с максимальной мощностью более 300 л. с. Увеличения максимальной скорости можно добиться использованием более эффективного преобразователя.

Рис.2. Шестиступенчатая схема инвертора.

2.1.1.3 Редуктор

Основным назначением редуктора является согласование высокой скорости вращения электрических двигателей с низкими скоростями вращения шнека. Типичные коэффициенты редукции составляют от 15:1 к 20:1. Наиболее часто применяют зубчатый редуктор, при этом обычно он имеет две ступени понижения.

2.1.1.4 Цилиндр и загрузочное отверстие

Цилиндр -- это чехол, окружающий шнек экструдера. Загрузочное отверстие -- это та часть экструдера, через которую материал вводится в канал шнека; оно находится около первых нескольких витков шнека. Некоторые экструдеры не имеют отдельного загрузочного отверстия, на таких машинах загрузочная часть интегрирована в цилиндр. Для предотвращения преждевременного нагрева полимерного материала входное отверстие часто обеспечивают водяным охлаждением. Если температура полимера при загрузке поднимется слишком высоко, он может прилипнуть к входному отверстию, уменьшив его проходимость. Налипание материала на поверхность шнека также создает проблемы при перемещении твердой массы, поскольку налипший полимер сам не движется в нужном направлении и сужает канал, доступный для продвижения остальных гранул.

В месте контакта загрузочной системы и цилиндра экструдера необходима установка защитного теплового барьера для предотвращения выхода тепла из рабочего объема в загрузочную зону. Если загрузочная система интегрирована в рабочий объем экструдера, это оказывается невозможным. В таком случае будут возникать потери тепла и перегрев загрузочного бункера. Геометрия загрузочного отверстия должна обеспечивать прохождение материала при минимальном сопротивлении. Разрез некоторых типов загрузочных отверстий представлен на рис. 3.

На рис. 3, а показаны стандартная конструкция загрузочного отверстия, а на рис. 3, b -- тип расширенного загрузочного отверстия, который часто применяют на экструдерах с загрузкой расплава Улучшенный вариант конструкции загрузочного отверстия представлен на рис. 3, с.

Форма входного отверстия обычно делается круглой или квадратной. Форма загрузочного бункера должна соответствовать форме загрузочного отверстия для обеспечения беспрепятственного движения полимера.

Рис. 3. Возможные типы загрузочных отверстий.

Ниже приведен перечень важнейших требований к загрузочному устройству:

*надежное охлаждение зоны загрузки;

*надежная теплоизоляция загрузочной области от последующих зон экструдера;

*способность развивать высокие давления.

Цилиндр экструдера представляет собой простой фланцованный цилиндр, который должен выдерживать относительно высокие давления (не менее 70 МПа), при этом максимально сохраняя свою форму, то есть не испытывая деформаций изгиба. Для увеличения срока службы внутреннюю поверхность большинства цилиндров делают износостойкими. Наиболее распространенными технологиями придания износостойкости являются поверхностная закалка (азотирование) и покрытие специальным сплавом. Сравнительное исследование износостойкости показало, что по стойкости биметаллическая втулка превосходит нитридное покрытие, а срок службы биметаллического покрытия превосходит время службы нитридного покрытия в 4-8 раз при равных условиях эксплуатации. Еще одним недостатком нитридного покрытия является относительно малая толщина твердой нитридной зоны. Как только эта зона истирается, следующие слои рабочего объема подвергаются быстрому износу, поскольку диффузная зона обладает гораздо меньшей твердостью.

2.1.1.5 Загрузочный бункер

Загрузочный бункер -- это та часть экструзионного агрегата, из которой гранулированный материал поступает непосредственно в экструдер. В большинстве случаев гранулированный материал просто проваливается в экструдер под действием собственной тяжести, но существуют материалы, для которых такой способ подачи, к сожалению, оказывается невозможен. Некоторые материалы очень плохо пересыпаются, и в таком случае необходимо применение дополнительных устройств для обеспечения постоянной подачи материала в экструдер. Иногда таким устройством может выступать вибратор, присоединенный к загрузочному бункеру. При этом зависание материала прекращается сразу после возникновения пробки. В некоторых случаях применяются различные устройства, предназначенные для смешения материала в загрузочном бункере для предотвращения его сегрегации и/или соскребания материала, прилипшего к стенкам загрузочного бункера. Для достижения равномерной подачи полимера из бункера необходимо обеспечить постепенное увеличение сжатия по направлению к загрузочному отверстию, при этом оптимальной является коническая конструкция загрузочного бункера с круглым сечением. К сожалению, производители экструдеров обычно делают загрузочные бункеры с квадратным сечением и резким сужением у загрузочного отверстия -- такая конструкция легче в производстве.

Рис. 4. Конструкции загрузочных бункеров.

Для конструкции загрузочного бункера важным параметром сыпучести материала является угол внутреннего трения. Угол между внешней стенкой загрузочного бункера и горизонталью должен быть больше угла внутреннего трения. Если материал обладает очень большим углом внутреннего трения, он будет зависать в бункере практически любой конструкции. В этом случае единственным выходом станет применение специальных 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 переносном смысле. Вращение шнека обеспечивает как поступательное перемещение материала, так и его разогрев и гомогенизацию.

Говоря просто, шнек можно представить себе как стержень переменного диаметра, в котором вырезана специальная канавка.

2.1.1.7 Экструзионная головка

Головка является очень важной и ответственной частью экструдера.

Во многих экструдерах между экструзионной головкой и цилиндром устанавливают рассекатель потока. Эта деталь представляет собой металлический диск с большим количеством отверстий, параллельных оси шнека. Рассекатель потока выполняет две основные функции. Во-первых, он останавливает спиральное движение расплава полимера и заставляет расплав двигаться строго поступательно. Если не предотвратить спиральное движение расплава до выхода из фильеры, то получившийся экструдат может иметь искаженную форму. Кроме то го, рассекатель потока является несущей деталью специальных фильтров, применяемых для удаления загрязнений из расплава полимера. Иногда основным назначением фильтров является увеличение давления на выходе из фильеры для улучшения качества смешения материала в экструдере. Но необходимость в этом возникает только при использовании шнека неудачной конструкции. Вторым основным назначением рассекателя потока является улучшение теплообмена между расплавом полимера и стенками экструдера, при этом увеличивается гомогенность распределения температуры в расплаве полимера.

В случае нестыковки форм выходного отверстия цилиндра и входного отверстия головки используют специальный адаптер, однако экструзионные головки, специально разработанные для данного экструдера, могут работать и без адаптера. При этом размеры и формы головок и фильер не имеют общей стандартизации и поэтому использование адаптеров -- весьма распространенное явление.

Экструзионная головка считается одной из наиболее важных частей экструдера. Остальные части экструдера имеют только одну цель: доставка расплава полимера необходимой консистенции под заданным давлением к головке. Таким образом, процесс формования, происходящий в головке, является очень важным компонентом всего процесса экструзии.

Природа полимерного расплава 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 и устройства для автоматической смены фильтров

Фильтры перед рассекателем потока обычно ставятся для удаления примесей из расплава. Грубые фильтры (с небольшим количеством ячеек) обычно помещаются перед рассекателем потока в качестве поддерживающего элемента, перед которым последовательно устанавливаются более тонкие фильтры. Типичный пакет фильтров состоит из одного 100-ячеечного фильтра, за которым следуют по одному 60- и 30-ячеечному, при этом 30-ячеечный фильтр устанавливается непосредственно перед рассекателем потока.

Наиболее важными типами фильтрующих устройств являются следующие типы фильтров: проволочная сетка, «спекшийся порошок» и «хаотичные нити». Данные типы фильтрующих устройств различаются по способности задерживать примеси, захватывать гелеобразные частицы и прочим параметрам.

При наличии большого количества примесей в расплаве полимера будет происходить очень быстрое засорение фильтра. При необходимости частой смены фильтра обычно применяют автоматическое устройство для замены фильтров. В таком устройстве осуществлен непрерывный контроль за перепадом давления на фильтре, и если перепад достигает определенной критической величины, гидравлический поршень выдвигает рассекатель потока с кассетой фильтров из экструдера, одновременно помещая в экструдер новую кассету с рассекателем и чистыми фильтрами. Такое устройство называется устройством для замены фильтров со скользящими пластинами.

Рис. 5. Устройство гидравлической смены фильтра.

При некоторой доработке фильтра операция по его смене может протекать даже без остановки экструдера. При этом необходимо удалить старый фильтр и поставить на его место чистый, после чего аппарат готов к новому циклу работы. В случае сильной загрязненности полимера замена фильтра может потребоваться через каждые 5-10 мин, хотя, как правило, время загрязнения одного фильтра исчисляется часами.

2.1.1.9 Системы нагрева и охлаждения

Устройства нагрева необходимы для вывода экструдера на заданный температурный режим при запуске, а также для поддержания требуемой температуры в процессе работы. Наиболее распространены три варианта нагревательных систем: электронагреватели, нагреватели с жидким теплоносителем и паровые нагреватели.

Электронагревательные системы превосходят все остальные типы нагревательных систем по ряду параметров: по ширине диапазона рабочих температур, простоте эксплуатации, меньшей стоимости, большей эффективности. Именно поэтому в большинстве случаев электронагреватели вытесняют все другие типы нагревателей. Обычно нагревательные элементы расположены на цилиндре экструдера, разделяя его на зоны. Небольшие экструдеры обычно имеют от двух до четырех зон, но в некоторых больших экструдерах число зон может доходить до 5-10. В большинстве случаев каждая зона управляется отдельно; таким образом, создается профиль температур вдоль рабочего объема экструдера. Этот профиль может быть как постоянным, так и возрастающим или понижающимся, или иметь другую более сложную форму в зависимости от конкретного экструдируемого полимерного материала и типа проводимого процесса.

Резисторное нагревание

Это наиболее распространенный тип электронагревательных элементов, работа которого основана на превращении электрической энергии в тепловую при протекании электрического тока через проводник. Количество выделяющегося в единицу времени тепла зависит от сопротивления проводника и силы протекающего тока. Интенсивность тепловыделения может быть определена по формуле

Q = I²R = UI = U²/R

Уравнение справедливо для постоянного тока и для однофазного переменного тока. В последнем случае используются среднеквадратичные значения напряжения и тока, а значение сопротивления -- только активное, то есть такое сопротивление, сдвиг фаз на котором равен нулю. Для схемы, питаемой трехфазным напряжением, уравнение для расчета тепловыделения будет иметь вид

Q = 3UI

Первые типы ленточных электронагревателей состояли из специальной проволоки со слюдяной изоляцией, помещенной в кожух из мягкой стали. Нагреватели такой конструкции компактны и дешевы, но при этом они хрупки и не очень надежны в эксплуатации, кроме того, к максимальная производительность ограничена величиной 50 кВт/м² при максимальной рабочей температуре 500 °С. В литературе описаны новые типы слюдяных нагревателей, которые могут обеспечивать эффективность тепловыделения до 165 кВт/м². Качество и срок эксплуатации нагревателей данного типа во многом определяется качеством контакта между нагревателем и стенками цилиндра экструдера. При дефектном контакте развивается локальный перегрев нагревательного элемента, что приводит к преждевременному его перегоранию, то есть сокращению срока службы нагревателя. Для улучшения теплового контакта используют специальные пасты.

Более мощными являются электронагреватели, оборудованные керамической изоляцией. Они обладают плотностью потока энергии до 160 кВт/м² или даже более, при этом максимальная рабочая температура достигает 750 °С. Однако такие нагреватели оказываются негибкими и довольно громоздкими. Все керамические нагреватели производятся в виде тонких элементов, обладающих минимальными габаритными требованиями. Обычно их производят в виде двух частей, скрепляемых вокруг цилиндра экструдера.

Еще один тип нагревателей, в которых нагревательные элементы заключены в полукруглый или плоский алюминиевый кожух, называют композитными нагревателями (cast-in). Такие нагреватели надежны и долговечны, кроме того, они обеспечивают очень хороший тепловой контакт. Композитные алюминиевые нагреватели обеспечивают максимальное выделение тепла около 55 кВт/м² при рабочей температуре приблизительно до 400 °С. Использование бронзы вместо алюминия позволяет повысить тепловыделение до 80 кВт/м², а максимальную температуру -- до 550 °С.

Охлаждение экструдера

Охлаждение экструдера необходимо практически во всех экструзионных процессах. В любом случае охлаждение следует свести до минимума; если невозможно, исключить его полностью. Любое охлаждение экструдера снижает эффективность процесса, поскольку оно приводит к потерям энергии. Нагревание экструдера обычно понижает затраты энергии на вращение шнека, понижая тем самым общие энергозатраты. При этом охлаждение требует энергозатрат, а энергия, отнятая системой охлаждения, оказывается потерянной.

Значительная требовательность экструзионного процесса к охлаждению обычно является признаком неправильной проектировки аппарата. Это может означать как ошибочность выбора конструкции шнека, выбора отношения диаметра к длине, так и неправильного выбора экструдера (например, применение одношнекового экструдера для процесса, в котором необходим двухшнековый). Как правило, процесс экструзии планируют с таким расчетом, что большая часть энергозатрат приходилась на вращение шнека. Вращение шнека вызывает вязкостный и фрикционный разогрев полимера, то есть механическая энергия вращения шнека преобразуется в тепловую, вследствие чего повышается температура полимера. На механические энергозатраты обычно приходится 70-80% всей энергоемкости экструзии, то есть на нагреватели остается только 20-30% без учета потерь.

Если большая часть энергии потребляется приводом шнека, можно рассчитывать, что внутреннее выделение тепла превосходит количество, необходимое для протекания процесса. Тогда охлаждение тем или иным способом становится необходимым. Многие экструдеры имеют воздушное охлаждение, при этом вентиляторы устанавливают под цилиндром. Внешние поверхности нагревателей, а также промежутки между нагревателями часто снабжены радиаторами для повышения эффективности охлаждения.

Рис. 6. Система нагрева и охлаждения.

Экструдеры небольшого размера могут не иметь воздушного охлаждения, поскольку площадь их цилиндра весьма велика по сравнению с величиной рабочего объема, что само по себе обеспечивает значительные потери тепла через конвекцию и излучение.

Весьма значительным недостатком использования слишком мощных внешних нагревательных элементов является развитие большого градиента температур на границе металл-полимер. Градиент температур возникает вследствие относительно низкой теплопроводности полимера. Таким образом, нагрев только от внешних нагревателей оказывается медленным и сопровождается возникновением больших градиентов температур, а воздействие высоких температур в течение длительного времени создает высокую вероятность деструкции полимерного материала. Следовательно, нагрев вследствие вязкого трения более предпочтителен, поскольку обеспечивает равномерный прогрев массы полимера. Нормальной считается ситуация, когда энергозатраты на механический привод составляют более 50 и менее 90% от общих затрат на экструзию.

Воздушное охлаждение позволяет осуществлять довольно мягкое воздействие на процесс, поскольку скорость теплообмена довольно мала. Однако это неудобно, когда необходимо интенсивное охлаждение. Тем не менее преимуществом воздушного охлаждения является плавность изменения температуры при включении или выключении вентилятора. При водяном охлаждении температура меняется более резко. Поэтому при использовании водяного охлаждения труднее контролировать температурный режим.

2.1.2 Каландр

На каландре поступающая из экструдера лента проходит через каландрирующие валки и приобретает законченный требуемый вид поверхности. Процесс каландрирования определяется состоянием поверхности и заданной температурой каландрирующих валков, а также временем нахождения полотна пленки на валках. Ширина щели валков плавно регулируется в соответствии с требуемой толщиной получаемой пленки.

Рис. 7. Расположение функциональных 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 друга стабильных боковых стенок, которые связаны между собой посредством поперечных траверс и функциональных агрегатов. Каландр может перемещаться на шасси по вмонтированным в пол рельсам посредством электромотора по направлению экструзии и спереди переставляться по высоте на ± 25 мм.

Ограничение хода обеспечивают смонтированные на рельсах переключательные кулачки.

2.1.2.2 Валки каландра

Валки каландра представляют собой двустенные хромированные стальные цилиндры. Они располагаются параллельно плоскощелевой фильере и устанавливаются на раме машины друг за другом.

Валки каландра подключаются к агрегатам темперирования. С их помощью валки разогреваются до требуемой по условиям технологии температуры.

Прижимной валок

Прижимной валок с двух сторон опирается на рычаги, которые могут поворачиваться на раме машины.

Через эти рычаги прижимной валок может подводиться посредством гидравлического цилиндра к валку полива. За счет прижима обеспечивается стабильная щель между валками, а тем самым достигается эффект каландрирования полотна пленки.

Щель между прижимным и поливным валками можно изменять устройством регулировки щели и настраивать ее под требования технологии.

Валок набрызга

Средний каландрирующий валок (поливной) установлен в раме машины стационарно.

Расплав материала заходит в каландрирующую щель между прижимным и поливным валком, обводится вокруг последнего и направляется во вторую каландрирующую щель к фиксирующему валку.

Фиксирующий валок

Фиксирующий валок с двух сторон опирается на рычаги, которые могут поворачиваться на раме машины. Через эти рычаги фиксирующий валок может подводиться посредством гидравлического цилиндра к валку полива. Регулировкой щели между поливным и фиксирующим валками задается конечная толщина пленки.

2.1.2.3 Привод валков

Каландрирующие валки приводятся порознь через сервомотор-редукторы. Крепление и передача крутящего момента происходит посредством полого вала по жесткой кинематической связи через горячее-прессовое муфтовое соединение непосредственно на валке.

2.1.2.4 Регулировка щели

Прижимной и фиксирующий валки можно рычагами и гидроцилиндром подводить к среднему поливному валку. Через болты на том или ином рычаге усилие подвода передается на механизм регулировки щели.

В зависимости от выпускаемой пленки ширина щели может регулироваться без сброса рабочей нагрузки в диапазоне от 0,4 до 2,0 мм.

Направление регулировки (открытие или закрытие), а также величину перестановки можно определять с помощью устройства измерения размера щели и считывать на пульте управления по показаниям цифрового индикатора.

2.1.3 Намоточное устройство

Конструкция и принцип действия

Четырехпозиционное намоточное устройство состоит из следующих основных узлов:

· Компенсатор

· Промежуточный вытяжной прибор

· Устройство продольной резки

· Направляющая рама для пленки

· Вспомогательное съемное устройство с поперечным резаком и

· Устройством для измерения длины

· Тележка для больших рулонов с устройством блокировки, передвижения и опрокидывания

· Предохранительная подъемная тележка

· Стойка привода

· Ограждение

· Электрическое оборудование, клеммовые коробки

· Пневматика

· Антистатическое оборудование

Рис. 8. Схема наматывающего устройства.

2.1.3.1 Компенсатор

Многолопастный компенсатор в исполнении в виде гребневого валка (емкость компенсатора примерно 40м) состоит из профильной рамной конструкции с пневматически регулируемой компенсирующей каретки. Благодаря конструкции в виде гребневого валика пленка может легко для оператора вставиться или втягиваться через валики в заправочное отверстие 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

На выходе накопителя находится промежуточный вытяжной прибор, который сохраняет натяжение материала в механизме продольной резки при смене ролика и следит за тем, чтобы фольга при запуске после смены ролика не смещалась. Одновременно он также является точкой опоры для обоих вспомогательных вытяжных устройств на верхней платформе. Покрытый резиновым раствором цилиндр вытяжного прибора размещен в разборном виде в боковых стенках под механизмом продольной резки и приводится в действие напрямую при помощи серводвигателя с питанием от сети переменного тока.

2.1.3.3 Устройство продольной резки

Позади промежуточного вытяжного прибора компенсатора находится ножничное резальное устройство с 3 приводимыми в движение пневматическим образом верхними обрезными ножами (2 для обрезки кромок и 1 для резки 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 кромку верхнего ножа.

2.1.3.4 Направляющая рама для пленки

Направляющая рама для пленки предназначена для установку направляющих валиков и вспомогательных 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 зоне съемных устройств имеете подход к направляющей раме для пленки. Каждое съемное устройство состоит из обрезиненного ведущего валика, приводимого в действие двигателем переменного тока с частотным преобразователем и пневматического поворачиваемого вперед и назад прижимного валика прижимная сила которого регулируется. Прижимной валик имеет холостой ход, который предотвращает движение назад полотна.

Пневматический держатель предотвращает сползание пленки при поперечной резке.

После процесса резки пленка при помощи педали со специаьной функцией (по одной на каждом мотальном устройстве) с пониженной скоростью перемещается вперед, так что оператор может укладывать полотно на пустой барабан. Намоточный вал вращается с пониженным моментом. После раскладки приводится в действие кнопка «Разложено» и защитная дверь с электрической блокировкой закрывается. После этого мотальное устройство ускоряется до скорости холостого хода компенсатора. Съемное устройство оборудовано устройством измерения длины. Оно состоит из курвиметра, стойки подшипника с фиксатором и импульсного датчика. Курвиметр с собственным весом лежит на полотне. Для протяжки полотна курвиметр можно отвернуть и зафиксировать.

Измерительное устройство определяет точную длину размотанного полотна. Незадолго до достижения предварительно установленной конечной длины установка переключается на замедленный ход и останавливается.

2.1.3.6 Антистатическое оборудование

2 разрядных стержня на выходе вспомогательного съемного устройств предотвращают статический заряд пленки перед наматыванием.

2.2 Линия термоформования

Термоформование - это изменение формы плоских заготовок (листов или плёнок) из термопластичного полимерного материала при повышенных температурах в объемные формированные изделия.

При термоформовании различают следующую последовательность процессов:

· нагревание формируемого материала до температуры, при которой он способен изменять форму, то есть до температуры высокоэластичного состояния;

· формование на специальной оснастке для термоформования;

· охлаждение в форме до температуры, при которой конфигурация отформованного изделия приобретает стабильные размеры;

· извлечение из формы изделия со стабильными размерами.

В большинстве случаев необходима та или иная последующая обработка отформованного изделия, а именно:

· отделка (обрезка);

· сварка;

· соединение (склеивание);

· горячее запаивание;

· печать;

· металлизация.

Термоформование в настоящее время стало наиболее распространенным наименованием этого технологического процесса.

Рис. 9. Схема линии термоформорания.

3. Анализ структуры системы автоматизации

3.1 Общее управление процессом

В экструзионной промышленности все явственнее наблюдается тенденция к объединению различных контролирующих устройств под управлением одного общего устройства, осуществляющего полный контроль и управление всеми механизмами экструзионной линии. Следует отметить, что может быть реализовано множество ступеней контроля экструдера, находящихся в иерархической зависимости. Наиболее распространены устройства, объединяющие контроль температурного режима в различных зонах. Чаще всего в задачу таких систем входит поддержание заданных параметров расплава путём управлением нагревом первых двух или трёх зон, которые наиболее близки к зоне, где происходит плавление полимера. Изменение температуры в таких зонах осуществляется автоматически каскадной системой контроля. Однако таким образом можно осуществлять регулировку с довольно низкой скоростью, поскольку отклик зон рабочего объема на изменении температурных параметров происходит очень медленно. Также часто встречаются системы контроля давления, действие которых основано на плавном изменении скорости вращения шнека, чтобы поддержать постоянное давление расплава полимера.

Новейшие типы экструдеров часто оборудованы микропроцессорной системой, позволяющей осуществлять одновременный контроль и управление температурой и давлением расплава, а также толщиной и шириной экструдата и другими параметрами экструзии. Некоторые системы контроля могут быть объединены в систему общего управления производством. Например, они позволяют, кроме контроля экструдера, осуществлять также контроль систем, подготавливающих материал для загрузки в экструдер, параллельным экструдером при соэкструзии, приводом и температурой зубчатого насоса, системой контроля прочности и обрезания краев экструдата и многими другими параметрами.

3.2 Истинное полное управление процессом экструзии

При анализе литературы становится понятно, что истинно полный контроль экструзионным процессом на практике не достигается. Для того чтобы системы можно было назвать системой истинно 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. Однако большинство микропроцессорных систем контроля, управляющих параметрами расплава полимера экструдата, более напоминают набор несвязанных обратных связей, каждая из которых регулирует только один параметр. Таким образом, подобное устройство является простым объединением нескольких регуляторов в одном корпусе без изменения их сути. Такие регуляторы могут обеспечить меньшую цену, но не обеспечивают улучшения адекватности контролируемой схемы.

Для построения системы истинно полного управления необходимо провести построение динамической модели процесса. При этом адекватность управления будет напрямую зависеть от точности построенной модели. Однако построение такой модели на практике составляет очень сложную задачу.

3.3 Функциональные возможности системы управления

Экструзионная линия предназначена для производства плёнки глубокой вытяжки. Технологическая схема типовой экструзионной линии показана на рис. 10.

Рис. 10. Линия для производства 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 остановлена только после завершения всей рабочей длины изготавливаемой пленки. Остановка на промежуточной длине недопустима по причине невозможности прерывистого управления расходом пластиката, поступающего из шнека.

Система управления линией должна решать следующие основные задачи:

*оперативный сбор информации о состоянии технологического процесса в виде цифровых и аналоговых сигналов (цифровыми, или дискретными сигналами 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, сигналы термопар и датчиков давления);

*выдача управляющих воздействий функциональным узлам линии в цифровом и аналоговом виде (цифровые выходы системы служат для вывода дискретных сигналов управления реле, контакторами, частотными регуляторами, сигнальными приборами; через аналоговые выходы осуществляется управление заданиями 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 и оперативно вмешиваться в него (при этом система должна обеспечивать иерархию прав доступа к изменению параметров технологического процесса);

Рис. 11. Рабочее место изолировщика

*обеспечение безопасности и надёжности процесса посредством блокировки недопустимых ситуаций и выдачи аварийных сообщений (тревог);

*протоколирование в реальном времени параметров технологического процесса с последующей их обработкой и преобразованием в удобную для восприятия форму.

Кроме того, для всех экструзионных линий существуют общие технологические задачи, решение которых не обходится без систем управления:

*поддержание в заданных технологических пределах температур зон нагрева шнеков и валков;

*обеспечение целостности изготавливаемой пленки;

*поддержание точных геометрических размеров экструдата;

*контроль усилий, действующих на изделия в технологической линии;

*измерение длины изготавливаемой пленки.

Эти задачи во многом взаимосвязаны, поэтому более подробно рассмотрим только отдельные из них.

3.4 Наиболее важные параметры

Наиболее важными параметрами процесса экструзии являются давление и температура. Они наиболее точно показывают, насколько правильно функционирует экструдер. Именно датчики давления и температуры первыми откликаются на изменения в ходе процесса.

3.4.1 Контроль давления

Контроль давления расплава важен по двум основным причинам: контроль и наблюдение за технологическим процессом, а также с точки зрения техники безопасности. Давление в экструзионной головке определяет характеристики экструдата. Именно это давление необходимо для преодоления сопротивления, создаваемого потоку фильерой. Если входное давление непостоянно во 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 соображениями безопасности на производстве в целях предотвращения несчастных случаев от взрыва при возникновении избыточного давления. При развитии избыточного давления возможны разрыв цилиндра экструдера или головки. Оба явления очень опасны и ни в коем случае не следует допускать их возникновения. На всех экструдерах 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 бы одним датчиком давления, что позволит с большей вероятностью избежать критической ситуации, особенно в случае неисправности устройств защиты от избыточного давления. Давление может подниматься очень быстро, без каких-либо симптомов и вызвать катастрофические последствия.

Удачным решением является использование автоматического выключателя экструдера при достижении критического уровня давления. При измерении давления необходимо знать его средний уровень, но также важно, а в некоторых случаях и необходимо, фиксировать колебания давления во времени, поскольку обычно изменение размеров экструдата четко коррелирует с изменением давления. Обычно перепады давления имеют период менее секунды, поэтому следует использовать достаточно быстродействующие датчики.

3.4.2 Контроль температуры

Контроль температуры проводится в различных частях экструдера: по всей длине цилиндра, в расплаве полимера, а также в экструдате, при выходе из головки. Выбор метода измерения температуры зависит от положения и целей измерения.

Измерение температуры цилиндра экструдера.

Для управления нагревающими и охлаждающими элементами цилиндра экструдера необходимо знать аксиальный профиль температуры в цилиндре. Поскольку наибольший интерес представляет температура расплава, а не стенок цилиндра, температуру следует измерять как можно ближе к внутренней поверхности цилиндра экструдера.

3.4.3 Другие параметры

Давление и темпратура - наиболее важные параметры экструзионного процесса, однако нельзя игнорировать измерения некоторых других параметров:

1. Измерение потребления электроэнергии;

2. Частоты вращения шнека;

3. Толщины экструдата;

4. Качества поверхности экструдата.

4. Система автоматизации на различных участках технологического процесса

4.1 Принцип работы управляющей системы

4.1.1 Общие сведения

Управляющая система представляет собой автоматическую систему управления рабочими процессами на установке для получения пленки глубокой вытяжки. С устройств измерения, управления и регулирования на установке получают данные, используемые для управления технологическими процессами.

Работа, управление и визуализация всех агрегатов осуществляется с поста управления. Визуализация и ввод технологических параметров производится через подменю на дисплеях управляющей системы.

Автоматизированная система работает на основе заданных значений технологических параметров.

Управление и контроль для всех агрегатов возможны с панели управления. Все агрегаты (приводы, обогреватели) можно включать и выключать через сенсорный дисплей. Задаваемые параметры также можно вводить через окошки ввода на дисплее. Ответная сигнализация производится как через сигнальные лампочки, так и через статусную информацию на дисплее. Дисплей показывает все действительные значения параметров (число оборотов, силу тока и т.п.). Происходящие сбои (предупредительные сигналы и сигналы отключения) сопровождаются звуковым сигналом или миганием на дисплее. Список аварийных сигналов на дисплее показывает все актуальные сбои. Эти сбои протоколируются текстуально в закольцованном буфере. Шунтирования защитных блокировок при выполнении операций протоколируется.

4.2 Управляющая система на разных участках технологического цикла

Рис. 12. Узлы управляющей системы 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 описание технологических участков.

4.2.1 Дозаторный блок

Дозаторный блок включает в себя всасывающий транспортер и многокомпонентный дозатор. Через всасывающий транспортер к многокомпонентному дозатору подаются отдельные компоненты сырья. Автоматическая система управления дозатором должна обеспечивать стабильный состав сырья.

Дозатор регулирует подачу материала в соответствии с числом оборотов на экструдере. В случае неполадок на дозаторном блоке управляющая система должна выдать сообщение об ошибке и включать аварийный сигнал. В случае аварийной остановки дозаторный блок отключается.

4.2.2 Привод экструдера