Разработка системы управления технологическим процессом производства рукавной пленки, работающей в режиме реального времени

εр= (D/dk)•100%,

где D – диаметр рукава; dk - диаметр рукавной заготовки, равный диаметру кольцевой формующей щели.

Обычно εр не превышает 300%, составляя 200-250%. С увеличением степени раздува повышается прочность рукава в поперечном направлении и снижается - в продольном. Прочность в продольном направлении зависит от долевой вытяжки εп, которая определяется соотношением скоростей отвода рукава Vотв и выдавливания Vв:

εп=( Vотв/ Vв)•100%.

Для получения рукава, равнопрочного в продольном и поперечном направлении, должно соблюдаться соотношение εр ≈ εп. Конфигурация рукава в зоне раздувания зависит от давления воздуха в рукаве, скорости его отвода от головки и от интенсивности охлаждения воздухом, поступающим из наружной охлаждающей системы. Выдавливаемый из головки прозрачный рукав на некотором расстоянии от нее мутнеет. Этот эффект наблюдается у кристаллизующихся термопластов. Условную линию, разделяющую прозрачную и непрозрачную часть рукава, принято называть «линией кристаллизации», выше которой дальнейший раздув рукава не происходит и рукав сохраняет свою цилиндрическую форму с достигнутым диаметром D.

На «линии кристаллизации» температура полимера равна или близка к температуре размягчения.

При согласованных параметрах раздува, скорости отвода и темпа охлаждения рукав принимает «нормальную» конфигурацию, при которой высота «линии кристаллизации» H ≈ (0,3-0,4)D.

Охлаждение принимаемого вверх пузыря и его складывание в двухслойное полотно.  Поднимающееся вверх тепло от остывающего рукава затрудняет его охлаждение и переход полимера в твердое состояние. Для предотвращения слипания пленки в двухслойном полотне в зазоре между тянущими валками отводящего устройства она должна быть охлаждена до температуры на 25-30°С ниже температуры размягчения перерабатываемого полимера.

 

Для отвода тепла от рукава используют воздушные, водяные и смешанные системы охлаждения. Воздушное охлаждение применяется для производства пленки с шириной полотна до 6000 мм. Воздух из охлаждающего кольца через дюзы направляется навстречу движению рукава. Заслонки в дюзах позволяют регулировать темп охлаждения рукава воздухом по его периметру и предотвращать как образование боковых пузырей на рукаве, так и отклонение его сечения от кругового. В отдельных конструкциях охлаждающих колец имеются устройства, направляющие воздушный поток вдоль по поверхности раздуваемого рукава.

Весьма эффективны системы с внешним и внутренним охлаждением рукава. При внутреннем охлаждении рукава воздух от вентилятора подается в раздуваемый рукав традиционно - через отверстие в дорне, а отводится через выступающую также из дорна трубку, высота которой может достигать половины высоты раздутого пузыря. Для предотвращения самопроизвольных колебательных движений пузыря в касательном направлении применяют стабилизаторы различной конструкции, в том числе и охлаждающие в виде бандажей, концентричных геометрической оси формующего зазора головки.

Конструкция складывающих щек должна обеспечивать теплоотвод с поверхности рукава и минимальную силу трения при скольжении складываемой в полотно пленки. Тянущее (отводящее) устройство состоит из пары валков - приводного и прижимного. Для прижима используют пружинные или пневматические устройства.

Движение тянущих валков определяет скорость отвода пленочного рукава от головки экструдера, от чего зависят продольные вытяжка и ориентация пленки.

 

 

 

 

В зависимости от вида выпускаемой продукции сложенное двухслойное полотно после тянущих валков поступает либо на обрезку кромок и перемотку в виде двух рулонов, либо на обрезку одного края, либо просто сматывается в бобины. В специальных агрегатах для выпуска пакетов, мешков и пр. пленка сматывается с бобины и попадает на узел сварки и обрезки, откуда выходят уже готовые изделия.

Контроль качества. При изготовлении пленки проводится периодический или непрерывный контроль её толщины по ширине или длине полотна, а также внешний осмотр с целью обнаружения геликов, посторонних включений, непрозрачности и шероховатости. Прочностные и оптические показатели пленки измеряют на специальных приборах в соответствии с ГОСТами.

Увеличение зазора формующей щели вызывает увеличение степени вытяжки и тем самым степени продольной усадки. При этом уменьшается ориентация макромолекулярных цепей в самом канале формующего инструмента, что приводит к незначительному снижению продольной усадки и увеличению усадки в поперечном направлении.

Повышение температуры переработки приводит к снижению показателей усадки в обоих направлениях. Это связано с увеличением подвижности макромолекул полимера, и, как следствие, уменьшением времени релаксации. Ориентированные макромолекулярные цепи или их фрагменты успевают принять свою исходную структуру до того, как температура пленки станет ниже температуры размягчения Тр полимера.

Толщина пленки на степень вытяжки влияет отрицательно. Поэтому степень вытяжки с увеличением толщины падает (при прочих равных условиях), как следствие уменьшается и продольная усадка.

Форма раздуваемого рукава также оказывает существенное влияние на термоусадку, причем в большей степени на ее поперечную составляющую. Грибовидная форма рукава является предпочтительной, так как позволяет разделить процессы продольной и поперечной вытяжки, а значит, позволяет их регулировать.

До линии а-а осуществляется продольное ориентирование пленки, выше - ориентирование поперечное. Соотношение длин «ножки» и «шляпки» регулируется:  скоростью отвода рукава; высотой линии «кристаллизации»; количеством и направлением потоков охлаждающего воздуха;  вращением конструктивных фрагментов формующей головки. Значение термоусадки зависит от температуры процесса. Если необходимо получить минимальную силу усадки, то процесс ведут в нижней части температурного диапазона; при необходимости максимальной величины усадки - в средней.

Преимущества рукавного метода производства пленок состоят в универсальности и простоте регулирования как размеров, так и свойств, в отсутствии отходов, возможности выпуска пленок с термоусадочными свойствами и т. п.

Технологическая схема производства. Подсушенные гранулы пневмотранспортом подаются в бункер экструдера. Под действием силы тяжести гранулы продвигаются вниз и заполняют межвитковое пространство шнека в зоне I. Вращающийся шнек продвигает полимер вдоль цилиндра во II, III зоны и в формующую кольцевую, угловую головку. В головке расплав рассекается дорном и, выходя, имеет форму цилиндра. Для придания ему формоустойчивости экструдат охлаждается снаружи воздухом, поступающим из щели полого кольца. Момент затвердевания расплава (а для кристаллизующегося полимера- кристаллизация) фиксируется появлением характерной границы помутнения рукава, так называемой линии кристаллизации.

До этой линии экструдат-рукав растягивается по длине тянущими валками и раздувается воздухом, находящимся внутри рукава по диаметру. Для начала раздувания рукава в дорне головки имеется специальный канал для воздуха, который соединен с воздуходувкой.

 

 

 

 Внутрь рукава воздух подается  периодически по мере его диффузии  через пленку и утечки через не плотности слоев пленки между тянущими валками. Вытянутая в двух либо в одном направлении, пленка после линии кристаллизации продолжает охлаждаться воздухом окружающей среды, а затем постепенно складываться расходящимися под некоторым углом складывающими щеками. Движение пленки и ее вытяжка осуществляются обрезиненной, плотно прижатой к пленке парой валков. Далее рукав в сложенном виде может либо разрезаться по бокам ножами  и наматываться в две бобины  одинарным слоем, либо не разрезаться и наматываться двойным слоем на одну бобину. Отрезанные две кромки поступают на переработку в гранулятор и вновь добавляются в первичный полимерный материал.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3  Режимы работы при  производстве рукавной пленки

Ниже представлены температурные режимы экструзии РУКАВНОЙ заготовки из ПО.

Тип полимера Температура по зонам, °С

 цилиндр                                                        головка                                                                      Температура плавления полимера, °С

I II III IV V 

ПЭНП 120-130 130-135 140-150 140-150 140-150 105-108

ПЭВП 130-140 150-170 170-180 180-190 180-190 125-130

ПП 180-190 190-220 240-240 240-250 245-255 165-170

Из вышеприведенного видно, что температура зоны I выше температуры плавления, хотя полимер здесь не должен плавиться. Причина этого заключается в том, что эти температурные диапазоны следуют из показаний термопар, расположенных в теле цилиндра близко к нагревательным элементам.

Поэтому они не отражают истинной температуры полимера в этой зоне. Для машин с диаметром шнека более 60 мм предусмотрено охлаждение последнего водой, и, следовательно, температура гранул, примыкающих к его поверхности, ниже.

Эти температурные режимы, зависят также от конструкции машин, типа нагревательной системы, месторасположения термодатчиков и т.п. и могут колебаться в широких пределах.

Большое значение имеют величины давления расплава до сеток и после них (в головке). При переработке ПЭНП давление до сеток может быть в пределах 15-25 МПа, после сеток 10-15 МПа; для ПЭВП- соответственно 18-28 и 13-18; для ПП- 20-30 и 15-20. Частота вращения шнека зависит от его геометрии, от L/D, от D, размеров пленки и т.д.

 

 

 

 

2. Расчетная часть

 

2.1  Выбор параметров  контроля и управления

В данном технологическом процессе контролю и регулированию  подлежат следующие технологические параметры:

1. контроль и автоматическое регулирование температуры по зонам материальных цилиндров экструдера и формующей головки от  50 00С до 250 00С;
2. контроль давления на входе в головку (до фильтра) и по мере движения в головке от 0 до 4 МПа;
3. контроль давления воздуха внутри раздуваемого рукава (пузыря) от 0 до 600 кПа;
4. контроль скорости вращения шнеков 20 об/мин;

 

2.2 Выбор методов контроля

 

В зависимости от условий эксплуатации методы контроля и сами технические средства выбираются таким образом, чтобы они смогли вовремя информировать технологический персонал, эксплуатирующий данный технологический процесс, о нарушении нормального хода процесса и при необходимости сами без участия человека смогли    предотвратить    аварию.

1. Измерение температуры

Контактный метод измерения температуры включает термометры расширения, манометрические термометры и термопреобразователи сопротивления

Термометр расширения обладает необходимой точностью, недорогой, но не имеет дистанционной передачи показаний.

Манометрический термометр обладает невысокой точностью, запаздыванием, сравнительно небольшой длиной капилляра.

Термопреобразователь сопротивления имеет высокую точность измерения, малую инерционность, высокую надежность, Поскольку технологический процесс получения полипропиленовой пленки  не является взрывоопасным применение ТС не требует специальных устройств защиты.

Для измерения температуры  в диапазоне температур от  от  50 00С до      250 00С в данном проекте применяются термопреобразователи сопротивления платиновые    типа ТСП 50П с НСХ 50П. (рис.1) Данные датчики температуры позволяют охватить выше указанный диапазон  температуры контролируемой среды, и обеспечить требуемую точность измерения.

рис.1.  «Первичный преобразователь ТСП 50П»

 

2.2.2 Измерение давления

К приборам для измерения избыточного давления относятся манометры. Наибольшее распространение среди манометров получили  деформационные и электрические.

В деформационных приборах измеряемое давление уравновешивается силами упругого противодействия различных чувствительных элементов. При снятии давления чувствительный элемент возвращается в исходное положение вследствие упругой деформации. Данные манометры имеют высокую надежность, простоту в эксплуатации, однако у них отсутствует дистанционная передача информации.

 

Действие электрических манометров основано на преобразовании измеряемого давления в электрический сигнал. Наибольшее распространение из электрических приборов, предназначенных для измерения давления, в настоящее время, получили манометры сопротивления, работающие на принципе тензометрических датчиков, которые изменяют активное сопротивления чувствительного элемента при воздействии на него давления измеряемой среды (тензоизмерительная система). Данные приборы имеют на выходе унифицированный электрический сигнал – токовая петля 4-20 мА, который служит для дистанционной передачи измеренного значения давления  по двухпроводной линии связи.

Для измерения давления в данном проекте предусмотрены  преобразователи избыточного давления микропроцессорные ОВЕН ПД100-ДИ ( рис.2) так как измеряемое давление воздуха находится в диапазоне от 0,07 до 4,0 МПа.

    

     

Рис.2 – «преобразователь избыточного давления микропроцессорный ОВЕН ПД100-ДИ М»

 

 

 

2.2.3 Контроль скорости вращения шнека

 

  Для измерения скорости вращения экструдера выбран инкрементальный энкодер ES3-10CN8961 (см. рис 3.), (преобразователь угловых перемещений) - устройство, предназначенное для определения угла поворота вращающихся объектов в сигналы (импульсный цифровой код, электрический сигнал), определяющие угол поворота объекта. Рабочий параметр датчика - количество импульсов за один оборот. Остановка вала влечет за собой остановку передачи импульсов. При вычислении угловой скорости объектов процессор в тахометре выполняет дифференцирование количества импульсов во времени. Таким образом, величина скорости есть количество оборотов в минуту. Направление вращения инкрементальные энкодеры (датчики угловых перемещений) определяют с помощью выходного сигнала, имеющего два канала, в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90 градусов относительно друг друга.