CN105128250A - 一种超临界co2聚丙烯发泡生产线的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，包括监控中心、主机控制系统以及辅机控制系统。主机控制系统包括第一PLC控制器，以及与第一PLC控制器相连的多个电磁阀门、多个压力传感器、多个矢量式计量料斗和重力传感器、伺服控制器、温度控制模块、流变仪；辅机控制系统包括第二PLC控制器，以及与第二PLC控制器相连的激光测厚仪、口模间隙自动调节机头、多个变频器和激光测径仪。通过对超临界CO₂聚丙烯发泡生产线中的压力、温度、螺杆转速、物料量等数值进行实时监控和调节，实现了各个参数的协调控制，有效提高了超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制精度和生产效率。

Description

一种超临界CO2聚丙烯发泡生产线的控制系统

技术领域

本发明涉及聚丙烯发泡生产控制领域，具体涉及一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统。

背景技术

聚丙烯发泡材料具有良好的挠曲性、耐冲击、耐高温，且产品可降解，近年来已逐渐作为PE、PVC、PS的替代材料被广泛应用。超临界CO₂无毒、无气味、不燃不爆，且在聚合物中能够较好的溶解，是进行聚丙烯发泡的理想气体。如图1所示，目前利用超临界CO₂生产聚丙烯发泡材料，整条生产线包括料斗、超临界CO₂注入装置、挤出机(包括一阶挤出机和二阶挤出机)、机头模具、辅助机械等部分，涉及到的工艺流程依次为投料、注入气体、剪切混合、挤出、成型等步骤。现有技术中，多采用分离仪表对上述过程进行单独控制，无法对进料量、螺杆转速、挤出机的工作温度和压力进行协调，而获得较好的发泡效果依赖于生产过程中对物料量、螺杆转速、温度、压力等参数的协调，单独控制无法达到需要的精度，从而导致发泡效果差，直接影响产品质量。此外，采用分离仪表对系统进行控制，需要利用人工对生产过程中的各个监测量进行读取并依靠读取的物理量进行下一步操作，无法对整个系统的工作状态进行实时监控，并在监测量发生变化时进行快速响应，从而导致生产效率低下。

发明内容

本发明提供了一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，以解决现有技术中存在的聚丙烯发泡生产线控制精度低且生产效率不高的问题。

本发明为了实现上述目的，采用的技术方案为：

一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，包括监控中心、主机控制系统以及辅机控制系统；监控中心发送控制指令至主机控制系统和辅机控制系统并接收主机控制系统和辅机控制系统发送回的采集数据。所述监控中心为设置有人机交互界面的上位机，监控中心通过以太网与主机控制系统和辅机控制系统相连。

所述主机控制系统包括第一PLC控制器，以及与第一PLC控制器相连的多个电磁阀门、多个压力传感器、多个矢量式计量料斗和重力传感器、伺服控制器、温度控制模块、流变仪。

进一步的，所述电磁阀门为三个，分别用于控制超临界CO₂注入口的注入流量、二阶挤出机机头的开关和二阶挤出机螺杆芯部循环冷却水泵/油泵的开关。

进一步的，所述压力传感器为两个，分别用于对超临界CO₂注入口和二阶挤出机机头处的压力进行采集并反馈至第一PLC控制器。

进一步的，所述重力传感器至少为两台，分别设置于至少为两台的矢量式计量料斗上，通过测量料斗重量减少量，对原料和助剂进行称重。

进一步的，所述伺服控制器分别连接至第一电机和第二电机，用于对一阶挤出机和二阶挤出机的螺杆转速进行控制。

进一步的，所述温度控制模块为高精度PID温度控制器，由依次连接的测温探头、温度电压转换电路、A/D电路、处理器、D/A电路、压控电流源以及热电偶组成，用于对一阶挤出机和二阶挤出机的温度进行控制。所述温度控制模块可控制26个温度控制区间，由测温探头对温度控制区间的温度进行采集，通过温度电压转换电路将温度信号转换为电压信号，再通过A/D电路将电压信号转换为数字信号输送给处理器，处理器内设置有温度控制区间的正常工作温度范围，当采集到的温度控制区间的温度不在工作温度范围内时，处理器通过D/A电路、压控电流源控制热电偶工作，并作用于温度控制区间，使温度控制区间的温度恢复正常工作温度范围内。

进一步的，所述流变仪用于对一阶挤出机内超临界CO₂与聚丙烯的溶解度进行在线测试并将测得的溶解度反馈至第一PLC控制器。第一PLC控制器基于流变仪测得的溶解度输出控制信号至超临界CO₂注入口的电磁阀门，通过控制电磁阀门的大小调节超临界CO₂的注入量。

所述辅机控制系统包括第二PLC控制器，以及与第二PLC控制器相连的激光测厚仪、口模间隙自动调节机头、多个变频器和激光测径仪。

进一步的，所述激光测厚仪用于检测机头模具挤出的发泡材料的厚度并将检测到的厚度反馈至第二PLC控制器；第二PLC控制器基于激光测厚仪测得的发泡材料的厚度输出控制信号至口模间隙自动调节机头，对口模间隙进行调整。

进一步的，所述变频器至少为两个，用于控制发泡材料的牵引和压延；所述激光测径仪用于对牵引、压延后的发泡材料进行定长切割。

本发明的有益技术效果为：本发明提供的一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，通过监控中心、主机控制系统和辅机控制系统对超临界CO₂聚丙烯发泡生产线中的压力、温度、螺杆转速、物料量等数值进行实时的监控和调节，实现了各个参数的协调控制，有效提高了超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制精度和生产效率。

附图说明

图1是背景技术中利用超临界CO₂生产聚丙烯发泡材料生产线的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的主机控制系统的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的温度控制模块的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的辅机控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，不能理解为对本发明具体保护范围的限定。

如附图2所示，本实施例所提供的一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，包括监控中心、主机控制系统以及辅机控制系统；监控中心发送控制指令至主机控制系统和辅机控制系统并接收主机控制系统和辅机控制系统发送回的采集数据。所述监控中心为设置有人机交互界面的上位机，监控中心通过以太网与主机控制系统和辅机控制系统相连，用于将采集到的生产线中的各个数据实时呈现给技术人员，同时实现技术人员对生产线各个环节的主动控制。

如附图3所示，所述主机控制系统包括第一PLC控制器，以及与第一PLC控制器相连的多个电磁阀门、多个压力传感器、多个矢量式计量料斗和重力传感器、伺服控制器、温度控制模块、流变仪。

本实施例中，所述电磁阀门为三个，分别用于控制超临界CO₂注入口的注入流量、二阶挤出机机头的开关和二阶挤出机螺杆芯部循环冷却水泵/油泵的开关。其中，超临界CO₂注入口的电磁阀门为电控微调阀，从关闭到开启能连续细微的调节超临界CO₂的注入流量，以实现精确控制。料斗投料口的电磁阀门和二阶挤出机机头的电磁阀门协调工作，基于动态流量平衡原理，通过控制料斗的投料量和二阶挤出机机头的挤出发泡材料量，对挤出机内压力波动进行控制。此外，二阶挤出机螺杆芯部循环冷却水泵/油泵的电磁阀门通过控制二阶挤出机螺杆芯部循环冷却水泵/油泵的开关，实现对二阶挤出机的温度控制，使得低温挤出得以实现。

所述压力传感器为两个，分别用于对超临界CO₂注入口和二阶挤出机机头处的压力进行采集并反馈至第一PLC控制器。对超临界CO₂注入口和二阶挤出机机头处的压力进行采集的目的是为了对一阶挤出机和二阶挤出机的压力进行监测，与控制超临界CO₂注入口的注入流量、料斗的投料量、二阶挤出机机头的开关的电磁阀门构成闭环系统，从而实现对一阶挤出机和二阶挤出机内的压力的监测和控制。

所述重力传感器至少为两台，分别设置于至少为两台的矢量式计量料斗上。本实施例中，矢量式计量料斗为三个，分别用于投放A原料、B原料以及助剂，对应的重力传感器有三台，分别设置于三个矢量式计量料斗下，通过测量矢量式计量料斗重量减少量，对A原料、B原料和助剂的投放量进行称重。本实施例中，A原料为聚丙烯，B原料以及助剂根据生产的需要选择种类添加。

所述伺服控制器分别连接至第一电机和第二电机，用于对一阶挤出机和二阶挤出机的螺杆转速进行控制，使一阶挤出机和二阶挤出机的螺杆转速恒定在±1转偏差，从很大程度上避免了螺杆转速对挤出机内温度和压力的影响，使挤出机的工作性能更加稳定。

如附图4所示，所述温度控制模块为高精度PID温度控制器，由依次连接的测温探头、温度电压转换电路、A/D电路、处理器、D/A电路、压控电流源以及热电偶组成，用于对一阶挤出机和二阶挤出机的温度进行控制。所述温度控制模块可控制26个温度控制区间，由测温探头对温度控制区间的温度进行采集，通过温度电压转换电路将温度信号转换为电压信号，再通过A/D电路将电压信号转换为数字信号输送给处理器，处理器内设置有温度控制区间的正常工作温度，当采集到的温度控制区间的温度不在工作温度内、时，处理器通过D/A电路、压控电流源控制热电偶工作，并作用于温度控制区间，使温度控制区间的温度恢复正常工作温度。该温度控制模块基于PID温度控制原理，对温度控制区间的温度进行全面监测和高精度控制。本实施例中所述的温度控制区间，是将一阶挤出机和二阶挤出机的不同区域划分为26个温度控制区间。

温度控制模块和二阶挤出机螺杆芯部循环冷却水泵/油泵协调工作，联合控温，提高了二阶挤出机控温的精度，使二阶挤出机内温和外温相差在±1％℃范围内，使聚丙烯的粘弹性得以恢复，增加了可发泡性。

流变仪用于对一阶挤出机内超临界CO₂与聚丙烯的溶解度进行在线测试并将测得的溶解度反馈至第一PLC控制器。第一PLC控制器基于流变仪测得的溶解度输出控制信号至超临界CO₂注入口的电磁阀门，通过控制电磁阀门的大小调节超临界CO₂的注入量。

如附图5所示，辅机控制系统包括第二PLC控制器，以及与第二PLC控制器相连的激光测厚仪、口模间隙自动调节机头、多个变频器和激光测径仪。

激光测厚仪用于检测机头模具挤出的发泡材料的厚度并将检测到的厚度反馈至第二PLC控制器；第二PLC控制器基于激光测厚仪测得的发泡材料的厚度输出控制信号至口模间隙自动调节机头，对口模间隙进行调整。如需增大发泡材料的厚度，则增加口模间隙宽度；如需降低发泡材料的厚度，则减小口模间隙宽度。

所述变频器至少为两个，用于控制发泡材料的牵引和压延；所述激光测径仪用于对牵引、压延后的发泡材料进行定长切割。本实施例中，变频器设置有两个，其中一个用于控制牵引机的牵引速度，另外一个用于控制三辊压延机的压延速度。本实施例中，将激光测径仪的测量间隔设置为2米，即对牵引、压延后的发泡材料每隔2米切割一次。最终形成规格为2米的聚丙烯发泡材料片材。

本实施例提供的一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统的具体工作过程为：工作人员设定需要投放的A原料、B原料以及助剂的量并通过人机交互界面输入监控中心的上位机中，上位机将上述控制信号发送至第一PLC控制器，第一PLC控制器控制矢量式计量料斗进行原料和助剂的投放。在矢量式计量料斗进行原料和助剂的投放过程中，重力传感器不间断的测量矢量式计量料斗重量减少量并将该数值反馈至第一PLC控制器，当重力传感器测得的矢量式计量料斗重量减少量与工作人员设定的数值一致时，第一PLC控制器控制矢量式计量料斗停止投放。

工作人员设定一阶挤出机和二阶挤出机螺杆转速，并通过人机交互界面输入监控中心的上位机中，上位机将上述控制信号发送至第一PLC控制器。第一PLC控制器发送控制信号至伺服控制器，伺服控制器分别连接至第一电机和第二电机，用于对一阶挤出机和二阶挤出机的螺杆转速进行控制，使一阶挤出机和二阶挤出机的螺杆转速恒定在±1转偏差范围内。

工作人员设定需要的超临界CO₂的注入量并通过人机交互界面输入监控中心的上位机中，上位机将上述控制信号发送至第一PLC控制器。第一PLC控制器发送控制信号至超临界CO₂注入口的电磁阀门，通过对电磁阀门的开启，连续细微的调节超临界CO₂的注入量，直到满足要求。

在超临界CO₂聚丙烯发泡生产线开始工作后，需要在整个过程中不断的对一阶挤出机和二阶挤出机的温度和压力进行监测和调节。

对一阶挤出机温度的监测和调节是通过温度控制模块来实现的。对二阶挤出机温度的监测和调节是通过温度控制模块和设置于二阶挤出机螺杆芯部循环冷却水泵/油泵的电磁阀门来实现的。

对一阶挤出机和二阶挤出机内的压力进行监测是通过设置于超临界CO₂注入口和二阶挤出机机头处的压力传感器来实现的。设置于超临界CO₂注入口和二阶挤出机机头处的压力传感器对一阶挤出机和二阶挤出机的压力进行采集并反馈至第一PLC控制器。

对一阶挤出机和二阶挤出机内的压力进行调节是通过控制矢量式计量料斗的投料量、二阶挤出机机头的开关并结合波动控制器来实现的。

在原料与超临界CO₂在一阶挤出机内进行剪切混合的过程中，由流变仪对一阶挤出机内超临界CO₂与聚合物的溶解度进行在线测试并将测得的溶解度反馈至第一PLC控制器。第一PLC控制器基于流变仪测得的溶解度输出控制信号至超临界CO₂注入口的电磁阀门，通过控制电磁阀门的大小调节超临界CO₂的注入量。

当原料与超临界CO₂在挤出机内经过剪切、分散、分布混合并形成均相溶液后，通过二阶挤出机的温度降低使均相溶液粘弹性恢复，再通过机头模具的快速释压喷嘴，使均相溶液中溶解的气体处于不稳定的过饱和状态，产生大量气泡核，并快速成核，并释放至大气压，完成发泡。机头模具的口模对发泡材料的厚度进行控制。激光测厚仪用于检测机头模具挤出的发泡材料的厚度并将检测到的厚度反馈至第二PLC控制器；第二PLC控制器基于激光测厚仪测得的发泡材料的厚度输出控制信号至口模间隙自动调节机头，对口模间隙进行调整。如需增大发泡材料的厚度，则增加口模间隙宽度；如需降低发泡材料的厚度，则减小口模间隙宽度。

辅助机械用于对经过机头模具的发泡材料进行牵引、压延和定长切割。本实施例中，变频器设置有两个，其中一个用于控制牵引机的牵引速度，另外一个用于控制三辊压延机的压延速度。本实施例中，将激光测径仪的测量间隔设置为2米，即对牵引、压延后的发泡材料每隔2米切割一次。最终形成规格为2米的聚丙烯发泡材料片材。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，其特征在于，包括监控中心、主机控制系统以及辅机控制系统；监控中心发送控制指令至主机控制系统和辅机控制系统并接收主机控制系统和辅机控制系统发送回的采集数据。

2.如权利要求1所述的一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，其特征在于，所述主机控制系统包括第一PLC控制器，以及与第一PLC控制器相连的多个电磁阀门、多个压力传感器、多个矢量式计量料斗和重力传感器、伺服控制器、温度控制模块、流变仪。

3.如权利要求2所述的一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，其特征在于，所述电磁阀门为三个，分别用于控制超临界CO₂注入口的注入流量、二阶挤出机机头的开关和二阶挤出机螺杆芯部循环冷却水泵/油泵的开关。

4.如权利要求2所述的一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，其特征在于，所述压力传感器为两个，分别用于对超临界CO₂注入口和二阶挤出机机头处的压力进行采集并反馈至第一PLC控制器。

5.如权利要求2所述的一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，其特征在于，所述重力传感器至少为两台，分别设置于至少为两台的矢量式计量料斗上。

6.如权利要求2所述的一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，其特征在于，所述伺服控制器分别连接至第一电机和第二电机，用于对一阶挤出机和二阶挤出机的螺杆转速进行控制。

7.如权利要求2所述的一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，其特征在于，所述温度控制模块由依次连接的测温探头、温度电压转换电路、A/D电路、处理器、D/A电路、压控电流源以及热电偶组成，用于对一阶挤出机和二阶挤出机的温度进行控制。

8.如权利要求2所述的一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，其特征在于，所述流变仪用于对一阶挤出机内超临界CO₂与聚丙烯的溶解度进行在线测试并将测得的溶解度反馈至第一PLC控制器。

9.如权利要求1所述的一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，其特征在于，所述辅机控制系统包括第二PLC控制器，以及与第二PLC控制器相连的激光测厚仪、口模间隙自动调节机头、多个变频器和激光测径仪。

10.如权利要求9所述的一种超临界CO₂聚丙烯发泡生产线的控制系统，其特征在于，所述激光测厚仪用于检测机头模具挤出的发泡材料的厚度并将检测到的厚度反馈至第二PLC控制器；第二PLC控制器基于激光测厚仪测得的发泡材料的厚度输出控制信号至口模间隙自动调节机头，对口模间隙进行调整；所述变频器至少为两个，用于控制发泡材料的牵引和压延；所述激光测径仪用于对牵引、压延后的发泡材料进行定长切割。