CN106142377A - 橡胶密炼机耗能相关准余弦曲线型温度控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

提供一种橡胶密炼机耗能相关准余弦曲线型温度控制方法及装置，改变传统橡胶密炼机在进行物料混炼过程中所采用的恒温控制方法。通过对输入橡胶密炼机之驱动电机在进行物料混炼过程中所消耗的电能进行测量计量，并转化为代表消耗能量的数值信号，传递到温度控制系统，作为温度控制的参量参与温度的控制，同时，根据具体的密炼机物料混炼温度控制过程，设置不同的混炼周期时序数学模型参数当量控制器，确定混炼过程中的不同时刻温度控制节点和时序，从而掌握密炼机物料混炼过程耗能相关型变温曲线方法，进行密炼机物料混炼过程中的温度控制装置的智能优化设计，实现既节约电能又节约冷却水，降低混炼物料的单位能耗，达到适时温度调节中节能降耗的目的。

Description

橡胶密炼机耗能相关准余弦曲线型温度控制方法及装置

技术领域

本发明涉及橡胶加工机械领域，具体的涉及到一种橡胶密炼机在进行物料混炼过程耗能(电能)相关准余弦曲线型温度控制方法及装置。

背景技术

橡胶密炼机是橡胶产业企业里的最基本又是关键设备之一。它不但电能消耗大，冷却水用量多，而且温度控制要求高。为了混炼高性能的混炼胶，达到理想的温度控制效果，既提高密炼机的物料混炼效率，又不致密炼机内的物料在混炼过程中温度过高而发生胶烧现象，多年来人们一直在进行这方面研究。

橡胶密炼机传统的温度控制方法是对密炼机各区段(一般分为三个区段，即卸料门与上顶栓、转子和混炼室)的温度根据混炼过程工艺的要求，通过对温度调节仪表进行温度值设定，并对各区段的循环回水口(或循环出水口)的温度进行检测(温度传感器：热电偶或热电阻)作为测量值反馈，温度调节仪把设定值和测量值进行比较，通过仪表内部的运算，进行PID调节，使各区段的循环回水温度值控制在其设定温度附近值上(恒温控制)，由于温控装置与密炼机之间连接的循环管路较长，其循环水在循环管道内存在流动阻力。再加之测温元件有一定的感温时间，往往测量与控制间存在较大的信号传输滞后，这就严重影响密炼机内混炼物料在混炼过程温度控制的准确与及时，往往产生温度超调和震荡。

我们知道，密炼机混炼物料的工作机理和特点是：其一：密炼机的物料混炼过程是周期性工作的，根据其密炼机的容积、所混炼的物料组份种类及混炼工艺的不同，其每一种物料的混炼周期是不同的；其二密炼机炼胶的机理是通过给密炼机13的驱动电机14(包括普通交流电机、交流变频电机或直流电机)供电(输入电能)，使电机转子转动驱动密炼机的转子在其混炼室内转动，并程序式顺序分时段加入原胶、混合组份配料与密炼机转子、混炼室壁之间进行分流搅拌、挤压撕裂和摩擦剪切，使其混炼室内的物料随着混炼过程的进行其温度不断上升，为使胶料在密炼机混炼室内既得到理想的混炼效果，又不致温度过高发生胶烧或自硫(这对在混炼过程中有加入硫磺混炼的工艺时，是绝对不允许发生的)。

鉴于以上特点，传统的密炼机温度控制方式，由于每区段温度控制基于循环回水温度与其设定温度值进行比较实现恒温温度调节，从密炼机输入电能---机械能--热能(使混炼胶料温度上升)--胶料通过热质传递给循环水；当安装于循环回水管路上的温度传感器8-1(8-2、8-3)检测到循环水的温度高于设定温度时，温度调节仪输出冷却控制信号，使冷却阀1-1(1-2、1-3)打开，使循环水温度下降，再通过热质传递使胶料温度下降，可以看出这样的温度调节方式，由于热传递因果和时序关系，必将产生严重的温度调节滞后，使温度控制不及时。

发明内容

本发明就是通过对输入密炼机驱动电机的电能进行测量计量并变换成对应电能消耗的电信号参数值，使之参与温度的调节与控制，由于电量的检测和传输是即时的(滞后极小)，密炼机在炼胶过程中消耗的电能，使胶料温度上升的能量转换过程，通过能量的测量可预知温度的上升趋势，结合温度传感器检测的信号可及时进行相应控制和调节，克服了温度超调和温度调节滞后现象，同时，根据具体的密炼机控制过程，设置不同的混炼周期时序(如图3)，从而实现既节约电能消耗又节约冷却水用量，有效降低密炼机混炼物料的单位能耗(电能和冷却水的消耗)，达到适时温度调节的目的。本发明提供如下技术方案：

一种橡胶密炼机耗能相关准余弦曲线型温度控制装置，其特征在于：所述控制装置中包括有密炼机驱动电机消耗电能能量测量变送器，冷却水压力变送器、冷却水温度变送器、可编程序控制器PLC及人机界面；根据橡胶密炼机的不同混炼工艺，建立耗能相关准余弦曲线型温度控制模型，实现对橡胶密炼机炼胶过程的温度控制，且温度控制过程显著与电能消耗相关联。

其中，对橡胶密炼机驱动电机在物料混炼过程中消耗的电能、冷却水的温度和压力进行实时测量变送，其信号输入控制核心可编程序控制器PLC的模拟量变换模块，实现模拟量/数字量的变换，作为温度控制装置的控制参量。

其中，根据密炼机的炼胶过程工艺，设立橡胶密炼机实时温度控制的时序和节点温度数值，并作为准余弦曲线型温度控制的参量。

其中，相应参数系数可在触摸屏上设置和调整。

其中，还包括参数影响当量控制器，通过建立密炼机炼胶过程的变温控制的数学模型，运用橡胶密炼机的耗能相关准余弦曲线型变温控制模型实现密炼机物料混炼过程的温度智能化控制，达到提高效率和节能降耗的目的。

其中，根据具体橡胶密炼机对应卸料门、转子和混炼室分别设置电能/热能分配当量系数α1、α2、α3，换热系数β1、β2、β3和控制系数m1、m2、m3,结合温度控制时序曲线，建立所述密炼机炼胶过程的变温控制的数学模型；所述当量系数和换热系数范围均为1-100。

其中，所述参数影响当量控制器为根据具体橡胶密炼机对应卸料门、转子和混炼室各单元对应的各单元参数影响当量控制器。

其中，还包括电源供给单元和通讯模块单元，实现与密炼机的控制网路或上辅机控制系统联网。

还提供一种采用橡胶密炼机耗能相关准余弦曲线型温度控制装置的温度控制方法，包括如下步骤：

对橡胶密炼机驱动电机消耗的电能进行测量变送，对供给温控装置机械主体的冷却水的温度测量变送器和压力进行实时测量变送；

同时将电能变送器、冷却水温度变送器和冷却水压力变送器的实时变送信号送给可编程序控制器；

根据具体橡胶密炼机对应卸料门、转子和混炼室分别设置电能/热能分配当量系数α1、α2、α3，换热系数β1、β2、β3和控制系数m1、m2、m3,结合温度控制时序曲线，建立所述密炼机炼胶过程的变温控制的数学模型，所述当量系数和换热系数范围均为1-100；

通过各单元参数影响当量控制器，运用橡胶密炼机的耗能相关准余弦曲线型变温控制模型实现密炼机物料混炼过程的温度智能化控制，达到提高效率和节能降耗的目的。

其中，温度控制时序为：当橡胶密炼机开始橡胶物料混炼时，分别对密炼机之卸料门、转子和混炼室三区段通过热水循环从室温td0(℃)先行预热，预热时间为t0，当温度达到td2(℃)时，此时开始进入密炼机的物料混炼程序，分别加入原胶及各种配合组份材料，进入热炼时间t1，由于密炼机运行时输入密炼机的驱动电机电能，转子在混炼室内旋转使其混炼物料与密炼机转子、混炼室壁之间进行分流搅拌、挤压撕裂和摩擦剪切，混炼室内的物料随着混炼过程的进行其温度连续上升，当温控装置的循环水温度达到td3(℃)时，为保证混炼室内的胶料混炼质量，进入温度冷却调节混炼时间t2，使产生的热量与冷却热量趋于一种平衡，当温度到达td2(℃)时，停止冷却，利用混炼胶的高温使循环水的温度上升，达到td2(℃)，以准备开始下一个混炼周期，周而复始着密炼机的混炼过程；

T--橡胶密炼机每一车混炼物料的混炼周期；t0--前置预热时间；t1--物料热炼时间；t2--物料混炼温度调节时间；t3为下一物料混炼周期准备预热时间，而且T＝t0+t1+t2+t3，t0、t1、t2、t3的时间范围一般在10-300秒；

温度td3>td2>td1>td0。

本发明与恒温控制型相比较，在前一混炼周期的t3时段停止冷却(减少了冷却水用量)，利用混炼物料此时比较高的温度，通过换热器进行热质交换与传递，使循环水的温度上升，达到比较高的温度如：td2(℃)，在进行下一个物料混炼周期开始时，投入密炼机的物料与转子和混炼室壁密切接触，将热量传递给刚刚投进密炼机内的物料，使之快速软化，增大了与转子和混炼室壁之间的摩擦力，加速了物料的混炼过程，提高了混炼效率(在保证同等混炼质量的前提下，可缩短混炼周期(节约了电能消耗)，这样，对橡胶企业来说，既节省了冷却水的用量又节省了提升循环水预热所需的电能及缩短混炼周期减少的电能消耗，更大的优势在同样现有密炼机数量的设备资源情况下，由于运用本发明的方法和根据这个方法实施的温度控制装置，不仅可以生产更多的混炼物料，显著降低混炼物料的单位能耗，又节省厂房和 设备投资。

附图说明

图1为橡胶密炼机电能消耗相关准余弦曲线型温度控制系统原理框图；

图2为热水循环间接冷却温控装置原理图(一般分为卸料门、转子和混炼室三区段)；

图3为橡胶密炼机电能消耗相关准余弦曲线型温度控制系统控制时序和温度节点曲线图。

具体实施方式

本发明的实施方法和步骤：如图1所示，它是本发明实施的密炼机温度控制装置(虚线框内)的原理框图。图2所示为传统橡胶密炼机的温度控制系统结构原理图，采用热水循环温度控制方式，当温度传感器检测到实际温度高于设定温度时，冷却调节阀(包括二位通断电磁阀、电动或气动调节阀)开始变化，使冷却水通过换热器5(包括如列管式、板式或螺旋管式换热器)，进行间接换热冷却，将混炼过程中多余的热量排出热水循环系统；图中1-1(1-2、1-3)为冷却调节阀，2为温控系统加热均温罐，3为自动排气阀，4为液位检测开关，它们将循环系统内的气体排出，保证加热器件和循环泵的安全运行，5为热交换器(即换热器)，6为安全阀，设置循环系统的最高压力，当循环系统内的压力高于安全阀的定压时，自动开启，保证系统在安全压力下运行，7为电加热器(也可采用蒸汽加热方式)，8-1(8-2、8-3)为温度传感器，检测循环水的实际温度，9为温控装置的循环泵，使循环介质在温控装置内具有一定压力和流量(流速)，保证温度检测和调节的质量。

如图1，本专利对橡胶密炼机13驱动电机消耗的电能进行测量变送，还包括对供给温控装置机械主体12的冷却水的温度测量变送器10和压力进行实时测量变送器11，并同时将电能变送器16、冷却水温度变送器10和冷却水压力变送器11的实时变送信号送给可编程序控制器(PLC)17，根据具体橡胶密炼机对应卸料门、转子和混炼室分别设置电能/热能分配当量系数α1、α2、α3(范围1-100)，换热系数β1、β2、β3(范围1-100)和控制系数m1、m2、m3，结合图3即本发明其温度控制时序曲线，建立系统的控制数学模型及电能消耗、冷却水温度和压力诸参数分别对各单元影响的参数当量控制器18、19和20，针对各个密炼机的特定工况(塑炼、中炼和母炼等)，相应参数系数可在触摸屏16上方便地设置和调整，结合PID调节规律和模糊运算法则，实现橡胶密炼机其能耗相关准余弦曲线型温度控制。图1中20为电源供给单元，21为通讯模块单元，实现与密炼机的控制网路或上辅机控制系统联网。

本发明其温度控制时序曲线如图3所示，T--为橡胶密炼机每一车混炼物料的混炼周期；t0--前置预热时间；t1--物料热炼时间；t2--物料混炼温度调节时间；t3为下一物料混炼周期准 备预热时间，而且T＝t0+t1+t2+t3(t0、t1、t2、t3的时间范围一般在10-300秒)。本发明的温度控制时序为：当橡胶密炼机开始橡胶物料混炼时，分别对密炼机13之卸料门、转子和混炼室三区段通过热水循环从室温td0(℃)先行预热(预热时间为t0),当温度达到td2(℃)时,此时开始进入密炼机的物料混炼程序，分别加入原胶及各种配合组份材料，进入热炼时间t1，由于密炼机运行时输入密炼机的驱动电机14电能，转子在混炼室内旋转使其混炼物料与密炼机转子、混炼室壁之间进行分流搅拌、挤压撕裂和摩擦剪切，混炼室内的物料随着混炼过程的进行其温度连续上升，当温控装置的循环水温度达到td3(℃)时，为保证混炼室内的胶料混炼质量，进入温度调节混炼时间t2，使产生的热量与冷却热量趋于一种平衡，当温度到达td2(℃)时，停止冷却(节约了冷却水的用量)，利用混炼胶的高温(利用循环介质通过换热器进行热质交换)使循环水的温度上升(节约了预热所需的电能)，达到td2(℃),以准备开始下一个混炼周期，周而复始着密炼机的混炼过程。

从图3本发明橡胶密炼机电能消耗相关准余弦曲线型温度控制方法，实施的温度控制装置实际温度控制时序曲线不难看出，本发明与恒温控制型相比较，在前一混炼周期的t3时段停止冷却(减少了冷却水用量)，利用混炼物料此时比较高的温度，通过换热器进行热质交换与传递，使循环水的温度上升，达到比较高的温度如：td2(℃)，在进行下一个物料混炼周期开始时，投入密炼机的物料与转子和混炼室壁密切接触，将热量传递给刚刚投进密炼机内的物料，使之快速软化，增大了与转子和混炼室壁之间的摩擦力，加速了物料的混炼过程，提高了混炼效率(在保证同等混炼质量的前提下，可缩短混炼周期(节约了电能消耗)，这样，对橡胶企业来说，既节省了冷却水的用量又节省了提升循环水预热所需的电能及缩短混炼周期减少的电能消耗，更大的优势在同样现有密炼机数量的设备资源情况下，由于运用本发明的方法和根据这个方法实施的温度控制装置，不仅可以生产更多的混炼物料，显著降低混炼物料的单位能耗，又节省厂房和设备投资。

以上实施例仅是对本发明的参考说明，并不构成对本发明内容的任何限制，显然在本发明的思想下，可做出不同形式的结构变更，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (10)

1.一种橡胶密炼机耗能相关准余弦曲线型温度控制装置，其特征在于：所述控制装置中包括有密炼机驱动电机消耗电能能量测量变送器，冷却水压力变送器、冷却水温度变送器、可编程序控制器PLC及人机界面；根据橡胶密炼机的不同混炼工艺，建立耗能相关准余弦曲线型温度控制模型，实现对橡胶密炼机炼胶过程的温度控制，且温度控制过程显著与电能消耗相关联。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：对橡胶密炼机驱动电机在物料混炼过程中消耗的电能、冷却水的温度和压力进行实时测量变送，其信号输入控制核心可编程序控制器PLC的模拟量变换模块，实现模拟量/数字量的变换，作为温度控制装置的控制参量。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：根据密炼机的炼胶过程工艺，设立橡胶密炼机实时温度控制的时序和节点温度数值，并作为准余弦曲线型温度控制的参量。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：相应参数系数可在触摸屏上设置和调整。

5.如权利要求1所述的装置，还包括参数影响当量控制器，通过建立密炼机炼胶过程的变温控制的数学模型，运用橡胶密炼机的耗能相关准余弦曲线型变温控制模型实现密炼机物料混炼过程的温度智能化控制，达到提高效率和节能降耗的目的。

6.如权利要求5所述的装置，根据具体橡胶密炼机对应卸料门、转子和混炼室分别设置电能/热能分配当量系数α1、α2、α3，换热系数β1、β2、β3和控制系数m1、m2、m3,结合温度控制时序曲线，建立所述密炼机炼胶过程的变温控制的数学模型；所述当量系数和换热系数范围均为1-100。

7.如权利要求5或6所述的装置，所述参数影响当量控制器为根据具体橡胶密炼机对应卸料门、转子和混炼室各单元对应的各单元参数影响当量控制器。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括电源供给单元和通讯模块单元，实现与密炼机的控制网路或上辅机控制系统联网。

9.一种采用权利要求1-8任一所述的橡胶密炼机耗能相关准余弦曲线型温度控制装置的温度控制方法，包括如下步骤：

对橡胶密炼机驱动电机消耗的电能进行测量变送，对供给温控装置机械主体的冷却水的温度测量变送器和压力进行实时测量变送；

同时将电能变送器、冷却水温度变送器和冷却水压力变送器的实时变送信号送给可编程序控制器；

根据具体橡胶密炼机对应卸料门、转子和混炼室分别设置电能/热能分配当量系数α1、α2、α3，换热系数β1、β2、β3和控制系数m1、m2、m3,结合温度控制时序曲线，建立所述密炼机炼胶过程的变温控制的数学模型，所述当量系数和换热系数范围均为1-100；

通过各单元参数影响当量控制器，运用橡胶密炼机的耗能相关准余弦曲线型变温控制模型实现密炼机物料混炼过程的温度智能化控制，达到提高效率和节能降耗的目的。

10.如权利要求9所述的温度控制方法，温度控制时序为：当橡胶密炼机开始橡胶物料混炼时，分别对密炼机之卸料门、转子和混炼室三区段通过热水循环从室温td0(℃)先行预热，预热时间为t0，当温度达到td2(℃)时，此时开始进入密炼机的物料混炼程序，分别加入原胶及各种配合组份材料，进入热炼时间t1，由于密炼机运行时输入密炼机的驱动电机电能，转子在混炼室内旋转使其混炼物料与密炼机转子、混炼室壁之间进行分流搅拌、挤压撕裂和摩擦剪切，混炼室内的物料随着混炼过程的进行其温度连续上升，当温控装置的循环水温度达到td3(℃)时，为保证混炼室内的胶料混炼质量，进入温度冷却调节混炼时间t2，使产生的热量与冷却热量趋于一种平衡，当温度到达td2(℃)时，停止冷却，利用混炼胶的高温使循环水的温度上升，达到td2(℃)，以准备开始下一个混炼周期，周而复始着密炼机的混炼过程；

其中，T--橡胶密炼机每一车混炼物料的混炼周期；t0--前置预热时间；t1--物料热炼时间；t2--物料混炼温度调节时间；t3为下一物料混炼周期准备预热时间，而且T＝t0+t1+t2+t3，t0、t1、t2、t3的时间范围一般在10-300秒；

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