Применение датчиков в экструдерах при изготовлении пленок для упаковок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет технологий управления и гуманитаризации

Кафедра «Организация упаковочного производства»

Контрольная работа

по дисциплине: «Автоматизированные системы управления и работотехники в упаковочной отрасли»

на тему: «Применение датчиков в экструдерах при изготовлении пленок для упаковок»

Исполнитель: гр. 308320

Парис А.О

Руководитель: Почанин Ю.С.

Минск 2014

Введение

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.

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.

1. Функциональные возможности системы управления

Экструзионная линия предназначена для производства плёнки глубокой вытяжки. Технологическая схема типовой экструзионной линии показана на рис. 1.

Рис. 1. Линия для производства плёнок глубокой вытяжки

1. Дозатор;

2. Экструдер;

3. Соэкструзионный блок;

4. Ситообменник;

5. Насос для расплава;

6. Система соэкструзии;

7. Плоскощелевая головка;

8. Каландр;

9. Рама с валками доохлаждения;

10. Пленочный накопитель;

11. Намотчик;

12. Устройство поперечной резки;

13. Тянущий механизм;

14. Измерение толщины

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. 2) 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);

* 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.

2. 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.

2.1 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.

2.2 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.

2.3 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.

3. Система автоматизации на различных участках технологического процесса

3.1 Принцип работы управляющей системы

3.1.1 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.

цилиндр экструдер насос зазор

3.2 Управляющая система на разных участках технологического цикла

Рис. 2. Узлы управляющей системы на экструзионной линии: 1. Дозатор; 2 Привод экструдера;3. Обогрев экструдера;4. Вакуум-насос;5 атчик давления расплава на экструдере;6. Ситообменник; 7. термодатчик для расплава; 8. Датчик давления расплава на входе насоса для расплава;9. Насос для расплава; 10. Датчик давления расплава на выходе;11. Датчик давления расплава на фильере; 12. Приводы валков; 13. Датчик зазора валков; 14. Гидроагрегат подвода волков; 15. Привод регулировки зазора валков;16. Агрегат термостатирования валков; 17. Привод перестановки каландра по высоте; 18. Привод шасси каландра; 19. Привод тянущего механизма; 20. Пневмоподача; 21. Намотчик/измельчитель обрезаемых кромок (не показан на рис.); 22. Толщиномер; 23. Намотчик

3.2.1 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.

3.2.2 Привод экструдера

Привод экструдера приводит во вращение экструдерный шнек через редуктор. Скорость вращения экструдерного шнека должна задаваться через управляющую систему. Скорость вращения экструдера устанавливается контуром регулирования числа оборотов по давлению с учетом данных от насоса для расплава и датчика давления в фильере.

3.2.3 Обогрев экструдера

Обогрев экструдера обеспечивает предварительный прогрев экструдера. Температура устанавливается регулятором раздельно для каждой отдельной зоны. При работе проверяются такие неполадки, как обрыв на датчиках, перемыкание датчиков, срабатывание токовой и тиристорной защиты, а также аварийные отклонения температуры в ту или иную сторону.

3.2.4 Вакуум - насос

Вакуум-насос служит для отсасывания газов, выделяющихся при расплавлении сырьевых материалов в экструдере.

Включение вакуум-насоса производится соответствующим тумблером на панели управления. После подачи команды на включение сначала включается внутренний нагрев в вакуум-насосе. После достижения рабочей температуры насос запускается в работу.

3.2.5 Датчик давления расплава на экструдере

Датчик давления для расплава на экструдере расположен перед ситообменником. При превышении допускаемого предела система должна подавать предупредительный сигнал. Если давление расплава продолжает нарастать, то при превышении пороговой величины экструдер автоматически отключается.

3.2.6 Ситообменник

В системе предусмотрен гидравлический ситообменник. Автоматическая система следит за сигналами с датчиков давления находящихся до и после ситообменника (вернее за разностью показаний с этих датчиков). При достижении определенной величины рассогласования система автоматически выдаёт сигнал на смену фильтра.

3.2.7 Термодатчик для расплава

Температура в расплаве измеряется термодатчиком на выходе ситообменника и отображается как дополнительная информация.

3.2.8 Датчик давления расплава на входе насоса для расплава

Датчик давления находится на выходе ситообменника. При превышении допускаемого предела (макс. 80 бар) подается предупредительный сигнал. Если давление в расплаве продолжает нарастать, то при превышении пороговой величины (макс. 100 бар) экструдер и насос для расплава отключаются. Равным образом и при выходе за нижний предел (15 бар) насос для расплава и экструдер по недостатку материала спустя некоторое время отключаются. При нарастании давления выше указанного нижнего предела при пуске насоса для расплава и экструдера система включает контур регулирования давления/оборотов.

3.2.9 Насос для расплава

Посредством насоса для расплава обеспечивается его непрерывная подача и одновременно достигается уменьшение нагрузки на привод экструдера. Скорость привода задается через соответствующие сервисные подменю управляющей системы. Также система должна согласовывать скорости вращения приводов насоса и шнека экструдера, для поддержания оптимального режима работы.

3.2.10.Датчик давления расплава на выходе насоса для расплава (MP3)

Этот датчик давления находится на выходе насоса для расплава. При превышении допускаемого предела подается предупредительный сигнал. Если давление в расплаве продолжает нарастать, то при превышении пороговой величины управляющая система отключает экструдер и насос для расплава.

3.2.11 Датчик давления расплава на фильере (MP4)

Это давление расплава измеряется датчиком давления на фильере. При выхода ниже допускаемого предела подается предупредительный сигнал. Если давление в расплаве продолжает падать, то при опускании его ниже пороговой величины и активированной блокировке валков происходит отвод каландрирующих валков.

3.2.12 Приводы валков

Система задает скорость вращения валков в зависимости от режима работы. Также производится синхронизация работы валков и экструдера, для обеспечения нужного качества выпускаемой продукции.

3.2.13 Датчик зазора валков

Посредством датчика перемещений (через расстояние между осями валков) определяется величина зазора между валками 1 и 2 либо же валками 2 и 3. Непосредственно зазор валков не замеряется.

Система постоянно отслеживает температуру термостатирования, зазор в опорах валков, прогиб осей валков и в зависимости от этого выдаёт сигнал на приводы регулировки зазора валков.

Индикация зазора валков производится на дисплее управляющей системы.

3.2.14 Гидроагрегат подвода валков

Система обеспечивает необходимый уровень давления в гидроагрегате для замыкания зазора валков.

3.2.15 Приводы регулировки зазора валков

Посредством этих приводов переставляются электростопоры для зазора валков. Система отслеживает сигналы поступающие с датчика зазора валков и посредством приводов регулировки обеспечивает прддержание постоянной величины зазора.

3.2.16 Агрегаты термостатирования валков

Автоматическая система должна обеспечивать работу агрегатов термостатирования таким образом, чтобы они поддерживали заданные температуры для того или иного валка каландра. Мощность насосов агрегатов термостатирования регулируется индивидуально.

3.2.17 Привод перестановки каландра по высоте

Перестановка по высоте нужна, чтобы поднять каландр и выставить его в наиболее выгодную для экструзии позицию. Регулировка высоты должна осуществляться через соответствующее меню управляющей системы.

3.2.18 Привод шасси каландра

В случае падения давления на фильере, система должна включать привод шасси и отодвигать каландр из-под фильеры, для предотвращения его порчи.

3.2.19 Привод тянущего механизма

Управляющая система синхронизирует скорость привода тянущего механизма со скоростью работы всей системы, тем самым обеспечивая нужный уровень натяжения плёнки.

3.2.20 Пневмопривод тянущего механизма

Отведение/подведение прижимного валка на тянущем механизме осуществляется пневматически. Система следит и регулирует нужный уровень прижатия валков. Необходимость в этом обуславливается тем, что процесс не допускает проскальзывания плёнки между валками

3.2.21 Намотчик/измельчитель обрезаемых кромок

В измельчителе обрезаемых кромок они наматываются либо измельчаются и непосредственно возвращаются к дозаторному блоку. Скорость работы измельчителя кромок связана с рабочим параметром тянущего механизма. Включение измельчителя производится на самом устройстве либо с помощью управляющей системы.

3.2.22 Толщиномер

Измерение толщины проводится для оптимирования профиля пленки. От тянущего механизма поступает синхронизирующий сигнал на управление скоростью считывания.

3.2.23 Намотчик

С помощью намотчика выделанная пленка наматывается на картонные сердечники. Скорость работы намотчика задается синхронизирующим сигналом от тянущего механизма. Управление намотчиком находится непосредственно на нем.

4. Теоретические сведения

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 ее механических свойств температура расплава полимера на выходе зоны дозирования и давление расплава в формующей головке должны поддерживаться в узких пределах.

Температура формующего инструмента обычно влияет только на качество поверхности пленки, так как материал находится в формующей головке в течение относительно короткого промежутка времени.

Теоретически регулирование температуры расплава полимера и его давления может выполняться путем изменения параметров в двух последних зонах нагрева цилиндра экструдера. Но значительные искажения температурного поля по длине цилиндра экструдера могут привести к негативным последствиям, таким как нарушение однородности материала и ухудшение качества поверхности. Отмечается, что заметное изменение производительности экструдера наблюдается только в том случае, когда изменение мощности на нагрев происходит в зоне загрузки. При изменениях мощности на нагрев в зонах, находящихся вблизи от конца шнека, производительность изменяется в пределах точности измерений, т.е. регулирование температуры расплава полимера в зонах вблизи от конца шнека не оказывает никакого влияния на производительность экструдера. Кроме того, отмечается, что в стационарном режиме работы экструдера наблюдается линейная зависимость изменения температуры расплава полимера  от изменения мощности на нагрев, подводимой к i - зоне цилиндра экструдера. Влияние подводимой мощности на нагрев тем сильнее, чем ближе к концу шнека находится рассматриваемая зона цилиндра экструдера.

Регулирование температуры расплава полимера на экструдерных прессах осуществляется путем стабилизации температуры по зонам нагрева экструдера с управлением температурой последней зоны цилиндра экструдера.

Для построения системы автоматического регулирования температурой расплава полимера на выходе зоны дозирования экструдера необходимо тем или иным образом найти адекватную динамическую модель объекта управления. В подавляющем большинстве случаев используется метод экспериментального получения переходных характеристик объекта управления с их последующей идентификацией. В частности, объект регулирования, выходом которого является температура расплава полимера, а входом - мощность нагревательных элементов, описывается как апериодическое звено первого порядка, параметры которого - коэффициент передачи и постоянная времени - определены по экспериментально снятой переходной характеристике.

Объект управления рассматривается и описывается как объект управления с сосредоточенными параметрами. Существующая зависимость регулируемой величины - температуры расплава полимера от пространственных координат (в первую очередь, от продольной координаты шнека) игнорируется.

Динамическое поведение экструдера в значительной степени определяется системой контроля его температурного режима. Поэтому важно понимать основные характеристики различных систем температурного контроля. Большинство таких систем обладают обратной связью, то есть измеренные величины поступают в блок управления, которые на их основе выдаёт сигналы исполнительным устройствам.

Существуют два принципиально разных метода управления исполнительными 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 в полную мощность, а как только температура превысит порог, нагреватели выключаются полностью.

Однако при таком типе управления возникает серьезная проблема в виде термического запаздывания, которое представляет собой разницу во времени между моментом посылки нагревателю сигнала на включение и моментом достижения термометра тепловым потоком (аналогичная ситуация возникает при выключении нагревателей).

В результате такого способа регулирования температура будет колебаться около нужного значения, причём амплитуда и частота колебаний определяется временем запаздывания конкретного аппарата. Кроме того, возникает проблема, связанная с электрическими шумами и неравномерностью температуры в экструдате, что может вызвать высокочастотные переключения в схеме, когда температура близка к установленной.

Пропорциональное управление

Недостатки обратной связи описанного выше типа проистекают из её ступенчатости, то есть из-за того что возможны два режима работы нагревателя: полностью включен или полностью выключен. При этом в большинстве случаев для поддержания заданной температуры нагреватели должны работать не в полную мощность. Таким образом, использование импульсного управления с неизбежностью приведёт к возникновению пульсаций температуры. Следовательно, необходима схема, позволяющая автоматически плавно подстраивать мощность подаваемую на нагреватель, тогда станет возможным исключить пульсации.

Только пропорциональное управление

Итак, устройство пропорционального управления позволяет осуществлять плавную подстройку подаваемой на нагреватель мощности (от 0 до 100%). Диапазон температур, при котором мощность меняется от 0 до 100%, называют областью пропорциональности и выражают в процентах от рабочего диапазона прибора. Обычно нужное значение температуры лежит в середине области пропорциональности, хотя иногда и на верхней его границе. Например, если устройство имеет рабочий диапазон 500 оС, то 5%-ная область пропорциональности будет представлять собой зазор в 25 оС. На рис. 4 показана передаточная функция регулятора с пропорциональной обратной связью.

Рис. 3. Передаточная функция пропорционального управления

Данный тип регулятора называют регулятором с обратной связью, поскольку выдаваемый им управляющий сигнал понижается с повышением температуры. При этом если температура превышает верхнее граничное значение Т2 то нагреватели полностью отключаются. В обратном случае нагреватели включаются на полную мощность. Ширина области пропорциональности может быть настроена в соответствии с требуемым режимом работы экструдера. При этом уменьшение ее ширины приводит к более крутому виду кривой зависимости мощности нагревателей от температуры. В обратном случае (при обращении ширины в нуль) пропорциональный регулятор начинает работать как простой импульсный регулятор, при этом все преимущества пропорциональности теряются.

Блок-схема пропорционального регулятора представлена на рис. 4.

Рис. 4. П - регулятор

Выходной сигнал (поступающий на нагреватель) описывается уравнением

Когда нужная величина температуры задана в середине области пропорциональности, мощность, подаваемая на нагреватели при нулевой величине сигнала е, равна 50%.

В реальных условиях редко встречается такая ситуация, когда для поддержания заданной температуры необходимо включать нагреватель ровно на половину мощности. Поэтому температура начнет понижаться или повышаться, подстраивая уровень мощности, подаваемый на нагреватель, до тех пор, пока не установится равновесие, при котором сохраняется некоторое расхождение между установленной и реальной температурой, называемое рабочим отклонением. Величину рабочего отклонения можно уменьшить путем сужения области пропорциональности, однако при чрезмерном сужении области пропорциональности может возникнуть неустойчивость. На рис. 6 показан график выхода экструдера на температурный режим при использовании пропорционального регулятора температуры.

Для иллюстрации механизма возникновения рабочего отклонения на рис. 5 приведены одновременно графики передаточной функции регулятора и тепловых потерь.

Рис. 5. Выход экструдера с пропорциональным регулятором температуры на рабочий режим

Рис. 6. Сопоставление графиков передаточной функции регулятора и характеристической кривой



Рис. 7. Влияние сдвига области пропорциональности

Пропорциональный и интегральный контроль

Автоматическая подстройка положения области пропорциональности осуществляется путем интегрирования величины рабочего отклонения по времени и прибавлении результата интегрирования к сигналу, подаваемому на нагреватель. Блок-схема устройства, работающего по такому принципу, представлена на рис. 9. Для такого устройства справедливо соотношение

Рис. 8. ПИ-регулятор

Интегратор постоянно сдвигает в нужную сторону положение области пропорциональности до тех пор, пока величина рабочего отклонения не станет равной нулю. Тогда выходной сигнал интегратора перестанет изменяться и останется на необходимом уровне, позволяющем поддерживать нужную температуру. При изменении температурного режима процесса снова возникает рабочее отклонение, то есть сигнал на выходе интегратора снова начнет изменяться, подстраивая положение области пропорциональности. Следует отметить, что для предотвращения возможных колебаний, изменение сигнала на выходе интегратора должно происходить весьма медленно. Коэффициенты К1 и К2 следует подбирать таким образом, чтобы экструдер быстро входил в область пропорциональности, после чего осуществлялась бы медленная подстройка положения этой области.

Пропорциональный регулятор с интегратором и дифференциатором.

Одним из основных недостатков РI-регуляторов является большое время отклика. Это можно исправить добавлением к регулятору еще одного контура коррекции, который реагирует на скорость изменения температуры. На рис. 10 представлена блок-схема такого регулятора, к которому кроме интегрирующего контура добавлен еще и дифференцирующий. Такой регулятор называют PID-регулятором (proportional + integral + derivative).

Дополнительный контур управления выдает сигнал, пропорциональный производной температуры экструдера по времени, то есть скорости изменения температуры экструдера. Выходной сигнал PID-регулятора описывается следующим уравнением



Рис. 9. PID-регулятор

Дифференциальный контроль подключается в неравновесные моменты и при возникновении резких изменений температуры. Его отклик практически мгновенен, поскольку не требуется ждать, пока накопится ошибка, а величина отклика пропорциональна скорости изменения температуры. Таким образом, при возникновении резкого перегрева возникнет сигнал, способный быстро отключить нагреватели.

Дифференциальная схема контроля позволяет предотвратить как чрезмерный перегрев, так и охлаждение, при этом схема осуществляет корректирующие действия, предупреждая развитие событий. В результате уменьшается задержка времени выдачи управляющего сигнала при изменении параметров процесса. Очевидно, что особую важность PID-регуляторы представляют для аппаратов с большой тепловой инерцией, то есть для относительно больших экструдеров. Установка PID- регулятора на маленьком экструдере может и не увеличить точность его работы, поскольку он сам по себе обладает малым временем задержки.

Недостатком РID-регулятора является дестабилизация, которую он оказывает на весь цикл обратной связи, поэтому следует тщательно рассчитывать необходимую глубину дифференцирующей обратной связи для сохранения достаточной стабильности всей системы. Однако, несмотря на недостатки, такая конструкция позволяет уменьшить время отклика регулятора в 2-4 раза.

4.1 Тепловые характеристики системы

Тепловые характеристики системы описывают изменение температуры в системе в зависимости от изменения мощности, подаваемой на нагреватель. Один из наиболее простых способов определения тепловых характеристик заключается в изменении температурного отклика при ступенчатом изменении мощности нагревателя (рис. 10).

Рис. 10. Температурный отклик системы на ступенчатое изменение мощности

Из кривой отклика системы можно определить несколько важных параметров, позволяющих понять тепловое поведение системы.

Первый параметр - мертвое время (td) - это время сразу после изменения мощности нагревателя, в течение которого создается наиболее сильный градиент температур. Второй параметр - константа Кs показывающая максимальное изменение температуры, при максимальном изменении мощности нагревателя

()

Третий параметр - постоянная времени экструдера tс, описывающая отношение максимального изменения температуры к максимальной величине градиента температуры.

Мертвое время экструдера обычно лежит в интервале 1-5 мин, и является одной из наибольших проблем при регулировании температуры экструдера, поскольку это означает, что пройдет не менее 1 мин, прежде чем изменение мощности нагревателей приведёт к изменению температуры. Задержка по времени зависит как от глубины погружения термодатчика в стенку цилиндра, так и от конструкции нагревателей и теплопроводности цилиндра. Типичное значение постоянной времени экструдера лежит в интервале от 30 до 120 мин. Эта величина зависит от теплоёмкости и массы рабочего цилиндра экструдера.

Хотя описанные выше параметры и не описывают полностью все характеристики системы, они всё же позволяют приблизительно предсказать трудности, связанные с управлением температурным режимом данного аппарата:

td / tc ? 0,1 - контроль легко осуществим;

0,1 < td / tc < 0,3 - контроль возможен;

td / tc ? 0,3 - аппарат трудно контролировать.

Заключение

В настоящее время экструзией перерабатывается порядка 210 тысяч тонн пленок и порядка 85 тысяч тонн листов и труб из термопластов. Вполне активно развиваются такие специфические производства, как выпуск кабельной изоляции, деталей конструкций оконных рам и иных строительных конструкций и т.д. Хотелось бы верить, что это лишь начальная стадия широкого распространения продукции экструзионных процессов в нашей стране, поскольку по объёму производства Беларусь намного отстаёт от большинства европейских стран, не говоря уже об Америке и ряде азиатских стран. Поэтому правильное понимание существа и как следствие оптимизация и наиболее полная автоматизация технологического процесса это, прежде всего, вопрос экономической эффективности производства. Как в любом сложившемся крупнотоннажном производстве, это борьба за экономию десятка рублей на каждом килограмме продукции, что в итоге даёт прибыль в десятки тысяч долларов.

Учитывая возрастающие требования к снижению затрат, улучшению качества продуктов и повышению производительности, автоматизация производства становится важным средством повышения качества и производительности и, следовательно, рентабельности процесса.

Список используемой литературы

1. «Экструзия полимеров», К. Раувендааль, 2008г..

Размещено на Allbest.ur