CH674820A5

CH674820A5 -

Info

Publication number: CH674820A5
Application number: CH1704/87A
Authority: CH
Inventors: Wilfried Venzke
Original assignee: Werner & Pfleiderer
Priority date: 1986-07-12
Filing date: 1987-05-05
Publication date: 1990-07-31
Also published as: IT1205016B; FR2601283A1; US4804505A; DE3623679C2; DE3623679A1; JPS6321125A; IT8720597A0; FR2601283B1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Schneckenextruders nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und auf eine Regelanordnung für einen Schneckenextruder zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff von Anspruch 3. Ein derartiger Schneckenextruder ist aus der DE-AS 2 260 768 bekannt. Dort wird eine Steuereinrichtung für einen kontinuierlich arbeitenden Mischer beschrieben, bei welchem der Schnecken-Antriebsmotor sowohl in Abhängigkeit von der Materialtemperatur wie auch in Abhängigkeit von dem Mischerdrehmoment geregelt wird. Zur Vermeidung von Überschwing-Vorgängen wird ein Filter eingeschaltet und nur der niederfrequente Teil der Drehmomentänderung zur Regelung herangezogen. Als Regler wird ein Pl-Regler verwendet. Dieses vorbekannte Regelprinzip setzt eine exakte Temperaturmessung für seine Funktionsfähigkeit voraus.

Aus der DE-PS 3 310 484 ist ein Doppelschneckenextruder bekannt, bei welchem zur Erzielung einer Leistungssteigerung bis an die Leistungsgrenze des Extruders eine Drehzahlregelung vorgenommen wird. Es handelt sich dabei um ein Zweifach-Regeisystem, in dem ein Regelkreis «Drehmoment-Durchsatz» zur Durchsatzoptimierung dient, während ein anderer Regelkreis «Massetemperatur-Drehzahl» zur Einstellung der maximal möglichen Ausstosstemperatur dient Dieser letztgenannte Regelkreis ist an sich ein Hilfs-Regel-kreis, der es ermöglicht, eine möglichst hohe Drehzahl einzustellen, so dass die entstehenden Drehmomentreserven für eine weitere Erhöhung des Durchsatzes ausgenutzt werden können. Da beide Regelkreise sich gegenseitig beeinflussen, wurde eine Entkopplung derart realisiert, dass man die Regler zumindest in der Hochlaufphase abwechselnd arbeiten lässt.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass die sich beim Aufschmelzprozess in einem Schneckenextruder ergebenden Produkteigenschaften ganz wesentlich durch die eingeleitete Energie bestimmt werden. Zur Erzielung konstant gleichbleibender Produkteigenschaften ist es wünschenswert, die eingeleitete Energie konstant zu halten. Hinsichtlich der zugeführten thermischen Energie lässt sich dies durch eine Gehäusetemperaturregelung realisieren. Die mechanische Energieeinleitung durch Reibung wird demgegenüber herkömmlicherweise ungeregelt vorgenommen, indem eine feste Extruder-Drehzahl eingestellt wird, oder aber die Extruder-Drehzahl - wie vorstehend dargelegt - nach anderen Kriterien geregelt wird, nicht jedoch mit der Zielrichtung der Konstanthaltung der eingeleiteten Energie. Gerade bei grösseren Schneckenextrudern ist aber der Anteil mechanischer Energieeinleitung dominierend.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Regelung für die mechanische Energieeinleitung vorzusehen, um diese zur Erzielung einer möglichst gleichmässigen Produktqualität konstant zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch ein Verfahren nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 und einer Regelanordnung gemäss dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 3.

Durch diese erfindungsgemässe Ausgestaltung, bei der als Regelgrösse die spezifische Energieeinleitung verwendet wird, d.h. die eingeleitete Antriebsenergie bzw. Antriebsleistung pro Durchsatz, ergibt sich eine durchsatzunabhängige Betriebsweise des Schneckenextruders. Darüber hinaus wird der grundsätzliche Vorteil erreicht, dass gegenüber Drehzahlsteuerungen und Drehzahlregelungen herkömmlicher Art eine konstante spezifische Energieeinleitung und damit eine definierte Produktqualität erzielt wird. Da die Produkttemperatur bei Schneckenextrudern der in Betracht stehenden Art darüber hinaus ganz wesentlich durch die spezifische Energieeinleitung bestimmt wird, lässt sich das erfindungsgemässe Regelprinzip mit Vorteil auch bei solchen Systemen anwenden, bei welchen eine Messung der Produkttemperatur nicht oder nur mit relativ grossem Aufwand möglich ist. Hinsichtlich der durchsatzunabhängigen Betriebsweise ist ausserdem noch als günstig zu vermerken, dass die eingeleitete spezifische Energie als Messgrösse schneller auf Durchsatzänderungen reagiert als z.B. die Produkttemperatur, so dass bei Durchsatzänderungen hinsichtlich der Produkttemperatur eine schnellere Ausregelung erreicht wird, als wenn die Korrektur der Drehzahl direkt aus einer Massetemperaturmessung abgeleitet wird.

Zur Realisierung des angestrebten Regelverhaltens wird gemäss Anspruch 4 vorzugsweise eine PID-Regeleinrichtung verwendet. Eine solche PID-Regeleinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Stellgrösse einer Addition der Ausgangsgrös-sen einer P-Regeieinrichtung, einer I-Regeleinrich-tung und einer D-Regeleinrichtung entspricht (vgl. DIN 19 226). Eine derartige Regeleinrichtung zur Realisierung des erfindungsgemässen Regelprinzips ist immer dann einsetzbar, wenn im Arbeitsbereich ein annähernd proportionaler Zusammenhang zwischen der Drehzahl des Antriebsmotors und der spezifischen Energieeinleitung besteht.

Durch die gemäss Anspruch 5 vorgesehene Dividiereinrichtung wird der Quotient aus Antriebsleistung des Antriebsmotors und Durchsatz zur Bildung der Regelgrösse S entsprechend der spezifischen Energieeinleitung gebildet. Die nach Anspruch 6 der Dividiereinrichtung zur Ausfilterung von höherfrequenten Signalanteilen nachgeordnete Filtereinrichtung, welche gemäss Anspruch 7 vorzugsweise eine Zeitkonstante von ca. 20 sec besitzt, wird ebenso wie durch eine gemäss Anspruch 8 vorgesehene, der Regeleinrichtung nachgeordnete Filtereinrichtung, welche gemäss Anspruch 9 vorzugsweise eine Zeitkonstante von ca. 100 sec besitzt, erreicht, dass kurzzeitige Stör-grössen nicht berücksichtigt werden und auf diese Weise unnötige Stellbewegungen vermieden werden. Demgegenüber soll erreicht werden, dass langsame Störgrössen ausgeregelt werden, wie z.B. Ausgangsproduktschwankungen Durch die vorgesehene Dimensionierung wird sichergestellt, dass auch bei Durchsatzänderungen der jeweils neue stationäre Betriebspunkt für die Drehzahl ausrei-

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chend schnell, aber ohne Überschwingen des Drehmoments erreicht wird.

Durch die nach Anspruch 10 vorgesehene Ausgestaltung ist es möglich, dem Energieregelkreis eine Produkttemperatur in Form einer Kaskadenregelung zu überlagern, wobei der Soll-Wert der spezifischen Energieeinleitung als Stellgrösse für den Massentemperatur-Regelkreis verwendet wird. Hierdurch ergeben sich Vorteile sowohl im Betrieb als auch bei der Inbetriebnahme, da der Energieregelkreis unabhängig von dem Temperatur-Regelkreis optimiert werden kann und für sich funktionsfähig ist. Auch bei Ausfall eines Temperaturfühlers kann der Schneckenextruder ohne wesentliche Beeinträchtigung der Produktqualität weitergefahren werden. Die überlagerte Produkt-Temperaturrege-lung arbeitet also so, dass über den Soll-Wert der spezifischen Energieeinleitung der Schneckenextruder in die Nähe des zur gewünschten Produkttemperatur gehörenden Betriebspunktes gesteuert wird, wobei die Temperatur-Regeleinrichtung dann nur noch in einem kleinen Arbeitsbereich die so gewählte Voreinstellung korrigiert.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines gat-tungsgemässen Schneckenextruders,

Fig. 2 eine schematische, blockschaltbildartige Darstellung einer erfindungsgemässen Regelanordnung, und

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung mit überlagerter Produkttemperatur-Regelung.

Ein in Fig. 1 dargestellter Schneckenextruder weist ein Gehäuse 1 auf, das aus mehreren Abschnitten 2, 3, 4 besteht, die axial hintereinander angeordnet und aneinandergeflanscht sind. In dem Gehäuse 1 ist eine in der Zeichnung nicht dargestellte Schnecke angeordnet, welche über ein Getriebe 5 von einem Motor 6 angetrieben wird. Das Gehäuse 1 und das Getriebe 5 sowie der Motor 6 sind über Ständer 7 gegenüber dem Boden 8 abgestützt. In den ersten, als Einzugszone dienenden Gehäuseabschnitt 2 mündet ein Einlasstrichter 9 ein, in den zu verarbeitendes Material beispielsweise über eine als Bandwaage ausgebildete Zuführeinrichtung 10, beispielsweise für Granulat, und/oder eine als Dosierschnecke ausgebildete Zuführeinrichtung 10', beispielsweise für Pulver zugeführt wird. In dem letzten Gehäuseabschnitt 4 kurz vor dem austrags-seitigen Ende 11 ist eine - lediglich schematisch dargestellte - Temperaturmesseinrichtung 12, welche sich in das Innere des Gehäuses 1 erstreckt, vorgesehen. Den Zuführeinrichtungen 10, 10' sind Durchsatz-Messeinrichtungen 13,14 zugeordnet.

In Fig. 2 ist schematisch eine Regelanordnung dargestellt, wie sie erfindungsgemäss verwendet werden kann. Diese Anordnung umfasst eine Dividiereinrichtung 15, welcher als Eingangsgrössen die Antriebsleistung N des Antriebsmotors 6, welche durch Messung von Strom und Spannung in an sich bekannter Weise mit im einzelnen nicht dargestellten Messeinrichtungen (22) erfasst werden kann, und der Durchsatz G zugeführt werden. Der Durchsatz G wird durch die Durchsatz-Messeinrichtungen 13, 14, welche den Zuführeinrichtungen 10, 10' zugeordnet sind, ermittelt, wobei davon ausgegangen wird, dass im Betrieb die zugeführte Produktmenge der ausgetragenen Produktmenge, d.h. dem Durchsatz, entspricht. Als Durchsatz ist die zugeführte Produktmasse pro Zeit definiert.

In der Dividiereinrichtung 15 wird der Quotient aus Antriebsleistung N und Durchsatz G ermittelt und hierdurch die Regelgrösse S gebildet, welche über einen Filter 16 der Vergleichsstelle 17 einer Regeleinrichtung 18 zugeführt wird. Die als Tiefpass ausgestaltete Filtereinrichtung 16 sorgt ebenso wie eine der Regeleinrichtung 18 nachgeschaltete Filtereinrichtung 19, welche ebenfalls als Tiefpass ausgestattet ist, dafür, dass höherfrequente Signalanteile ausgefiltert werden, so dass in die Regelung nur langsam sich ändernde Störgrössen, wie z.B. Aus-gangsprodukt-Änderungen, eingehen. Die Filtereinrichtung 19 hat eine Zeitkonstante von ca. 100 sec und die Filtereinrichtung 16 eine Zeitkonstante von ca. 20 sec.

Der Vergleichsstelle 17, welche als Differenzbil-dungs-Einrichtung wirkt, wird neben dem gefilterten Regelsignal Sm der Soll-Wert Ssoii der spezifischen Energieeinleitung zugeführt, so dass am Eingang der Regeleinrichtung 18 ein Signal A S entsprechend der Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert anliegt.

Das durch die Filtereinrichtung 19 gefilterte Ausgangssignal der Regeleinrichtung 18 wird durch einen Faktor Kz gewichtet, wobei dieses Signal einer als Additionseinrichtung ausgebildeten weiteren Vergleichsstelle 20 zugeführt wird. Dieser Vergleichsstelle 20 wird daneben ein durch einen Faktor Ki gewichtetes Grund-Drehzahlsignal nb zugeführt, wobei aus der Summe dieser Eingangsgrössen gemäss der Gleichung ns = Ki x nb + K2 x Xs ein Ausgangssignal ns gebildet wird, welches dem Antriebsmotor 6 zugeführt wird, der den in Fig. 1 dargestellten, als Ganzes mit 21 bezeichneten Extruder antreibt. Die Grösse ns bildet also die resultierende Soll-Wert-Drehzahl für den Hauptantrieb.

Eine Regelung der vorstehend beschriebenen Art lässt sich z.B. zur Extrusion von Kunststoffen verwenden, z.B. Polyäthylen und Polyamid. Ein charakteristischer Wert für die eingeleitete Energie bezogen auf die Produktmassen kann z.B. bei 0,1 bis 0,3 KWh/kg liegen. Abhängig von dem verwendeten Material liegt die maximal zulässige Temperatur bei ca. 200 bis 280°C. Durch die erfindungsgemäss erzielte Konstanthaltung der eingeleiteten spezifischen Energie wird auch eine Konstanthaltung der bei Vorrichtungen der gat-tungsgemässen Art von dieser spezifischen Energie wesentlich bestimmten Temperatur erzielt, d.h. es wird erreicht, dass die maximal zulässige Temperatur nicht überschritten wird.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem der vorstehend beschriebenen Energieregelung eine Temperaturregelung in Form einer Kaskaden-Regelung überlagert ist. Zur Verein5

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fachung der Darstellung sind hinsichtlich des Energie-Regelkreises in Fig. 3 lediglich die Vergleichsstelle 17, die Regeleinrichtung 18 und der Motor 6 dargestellt. Die Produkttemperatur am austragssei-tigen Ende 11 des Extruders 21 wird über eine Messeinrichtung 12 erfasst, welche das Signal liefert. Dieses Signal wird einer Vergleichsstelle 23, welche als Differenzbildungseinrichtung ausgebildet ist, zusammen mit dem Temperatur-Soll-Wert-Signal ■ôns zugeführt. Das in der Vergleichseinrichtung 23 gebildete Signal wird dem Eingang der Temperatur-Regeleinrichtung 24 zugeführt. Am Ausgang der Temperatur-Regeleinrichtung 24 liegt dann ein Korrektur-Signal Sk für die spezifische Energieeinleitung vor, welches einer Vergleichsstelle 25, die als Addiereinrichtung ausgebildet ist, zugeführt wird. Dieser Vergleichsstelle 25 wird ausserdem ein Signal Sb zugeführt, welches den Basis-Soll-Wert für die Energieeinleitung darstellt, wobei diesem dann das Korrektursignal Sk unter Ausbildung des resultierenden Soll-Wert-Signales Ss überlagert und der Vergleichseinrichtung 17 anstelle des Wertes SSoü bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 zugeführt wird. Der Wert für das Signal Sb wird so gewählt, dass die Produktmasse einen der gewünschten Massetemperatur entsprechenden Betriebspunkt erreicht, wobei durch die Regelung lediglich noch ein kleiner Arbeitsbereich der über das Signal Sb gewählten Voreinstellung ausgeregelt wird.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb eines Schneckenextruders, wobei die Drehzahl des Antriebsmotors des Schneckenextruders geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl in Abhängigkeit von der spezifischen Energieeinleitung derart geregelt wird, dass die Energieeinleitung im wesentlichen konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieregelung in Form einer Kaskaden-Regelung eine Regelung in Abhängigkeit von der Produkttemperatur überlagert ist.

3. Regelanordnung für einen Schneckenextruder zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Regeleinrichtung zur Regelung der Drehzahl einer in einem Gehäuse des Schneckenextruders angeordneten Schnecke, welche über einen Antriebsmotor mit veränderbarer Drehzahl kontinuierlich angetrieben ist, und wobei der Schneckenextruder Zuführeinrichtungen zur Zuführung von Ausgangsprodukten und Zuschlagstoffen aufweist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (22) zur Messung der Antriebsleistung (N) des Antriebsmotors (6), wenigstens einer Einrichtung (13 bzw. 14) zur Bestimmung der zugeführten Produktmenge pro Zeit, wobei dem Eingang der Regeleinrichtung (18) eine den Quotienten aus Antriebsleistung (N) und Durchsatz (G) entsprechendes Signal als Ist-Wert (S) zugeführt wird, und wobei der Ausgang der Regeleinrichtung (18) mit dem Antriebsmotor (6) zur Konstanthaltung der spezifischen Energieeinleitung verbunden ist.

4. Regelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung eine PID-Regeleinrichtung ist.

5. Regelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Einrichtungen zur Bestimmung der Antriebsleistung (N) und des Durchsatzes (G) eine Dividiereinrichtung (15) nachgeschaltet ist.

6. Regelanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dividiereinrichtung (15) eine Filtereinrichtung (16) zur Ausfilterung von hö-herfrequenten Signalanteilen nachgeordnet ist.

7. Regelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (16) eine Zeitkonstante von ca. 10-40 sec besitzt.

8. Regelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeleinrichtung (18) eine Filtereinrichtung (19) zur Ausfilterung von hö-herfrequenten Signalanteilen nachgeordnet ist.

9. Regelanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (19) eine Zeitkonstante von ca. 100 sec aufweist.

10. Regelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Austragsbereich (11) des Extruders (21) eine Produkttemperatur-Messeinrichtung (12) angeordnet ist, welche mit dem Eingang einer Temperatur-Regeleinrichtung (24) verbunden ist, deren Ausgang mit dem Eingang der Regeleinrichtung (18) für die Motordrehzahl verbunden ist.

11. Regelanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur-Regeleinrichtung (24) als PID-Einrichtung ausgebildet ist.

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