CN109056082A - 一种熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，其母粒螺杆挤出机转速控制器和熔体计量泵流量控制器形成闭环控制回路并采用PID控制，进一步的包含有温度和压力两个PI控制的串级回路；通过开环控制的方法使熔体计量泵流量控制器联动控制熔体增压泵转速控制器和混炼器转速控制器，同时熔体增压泵转速控制器与过滤器后压力形成闭环控制回路并采用PI控制，最终实现母粒熔体的均匀定量控制。本发明实现了母粒熔体均匀定量的稳定注入控制，克服了熔体管道容易堵塞的问题，并且提高了差别化有色丝的纺丝质量。

Description

一种熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法

技术领域

本发明涉及熔体直纺技术领域，具体的说涉及一种熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法。

背景技术

熔纺分直接纺丝法和切片纺丝法，切片纺丝工艺包括干燥、熔融、纺丝、后处理等过程，直接纺丝使用的原料为聚合物熔体，不必进行干燥、熔融操作过程。因此，直接纺丝工艺流程短，设备投资少，PET和热消耗低，适合品种单一、生产规模大及连续酯化缩聚工艺成熟的情况，但是，其灵活性小，并且该工艺要求酯化缩聚和纺丝密切配合，自动化程度要求高。

目前在化纤企业，为了制备高档、差别化、功能性的涤纶长丝，往往在熔体直接纺丝工艺生产线上通过使用差别化聚酯原料、添加功能性母粒等方式生产，为了保证差别化涤纶长丝的生产质量，需要保证功能性母粒在添加过程中做到均匀定量的要求。

现有熔体直纺注入系统由螺杆挤出机，计量泵，动态混合器和控温系统组成，色母粒经过加热系统融化后由螺杆挤出机挤出，通过控制挤出机转速，计量泵转速严格控制色母粒的添加量，色母粒熔体和主熔体经过动态混合器混合后，最终由纺丝产线生产成有色丝，但是当螺杆挤出机在挤出不同温度、压力的色母粒熔体时，不可避免存在阶跃性干扰现象，由于色母粒熔体的流量受螺杆挤出机的挤出速度、熔体温度、熔体压力等多种因素影响，采用现有技术难以满足色母粒熔体均匀定量的加入至动态混合器中，从而使生产的差别化有色丝无法满足客户对产品的要求，而且现有技术中色母粒熔体采用整体注入方式，容易造成管道堵塞、品质不良等问题。

发明内容

鉴于以上现有技术的不足之处，本发明的主要目的在于提供一种熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，用于解决现有技术中不同色母粒熔体无法均匀定量的稳定注入控制问题。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，包括了母粒螺杆挤出机转速控制器、熔体计量泵流量控制器、熔体增压泵转速控制器、混炼器转速控制器、过滤器、纺丝箱体和控制器；所述纺丝箱体由第一纺丝箱体、第二纺丝箱体及第N个纺丝箱体组成，所述N至少大于等于3，所述N个纺丝箱体的熔体流量均通过控制器进行汇总计算，并将信号反馈给熔体计量泵流量控制器，同时母粒螺杆挤出机转速控制器联动熔体计量泵流量控制器调节熔体进料量，并通过熔体计量泵流量控制器实现定量注入；熔体计量泵流量控制器的转速变化，通过控制器联动控制熔体增压泵转速控制器和混炼器转速控制器的转速调节，熔体经过混炼器和过滤器后，测得过滤器后压力，将该压力信号反馈给熔体增压泵转速控制器，最终实现熔体定量注入后的均匀控制；所述母粒螺杆挤出机转速控制器、熔体计量泵流量控制器、熔体增压泵转速控制器、混炼器转速控制器、过滤器后压力和纺丝箱体均与控制器相连接。

进一步的，所述母粒螺杆挤出机转速控制器和熔体计量泵流量控制器之间还是设置有熔体压力控制回路和熔体温度控制回路。

更进一步的，建立功能性母粒熔体计量泵流量控制模型，包括两个串级控制回路：第一串级控制回路，其主环是熔体计量泵流量控制回路，以熔体计量泵出口流量为主环控制对象，副环是熔体温度控制回路，以熔体温度为副环控制对象；第二串级控制回路，其主环是熔体计量泵流量控制回路，以熔体计量泵出口流量为主环控制对象，副环是熔体压力控制回路，以熔体压力为副环控制对象；所述功能性母粒熔体计量泵流量控制模型以熔体计量泵出口流量为控制目标，其中，所述熔体计量泵流量控制回路以最终输出的熔体流量测量值与熔体流量设定值之间存在的偏差作为输入量，并且通过运算将控制量输出到母粒螺杆挤出机转速控制器，所述母粒螺杆挤出机转速控制器控制母粒螺杆挤出机定量地向熔体计量泵送料；所述母粒螺杆挤出机转速控制器的输出值转化为所述熔体温度控制回路和熔体压力控制回路的设定值，所述熔体温度控制回路以所述熔体温度设定值与熔体温度测量值之间的偏差作为输入量，所述熔体压力控制回路以所述熔体压力设定值与熔体压力测量值之间的偏差作为输入量，并且通过运算将控制量输出到熔体计量泵流量控制器。

进一步的，所述熔体计量泵流量控制器联动控制熔体增压泵转速控制器和混炼器转速控制器，采用开环控制的方法。

进一步的，所述熔体增压泵转速控制器与过滤器后压力形成闭环控制回路，采用PI控制算法。

进一步的，所述熔体计量泵流量控制回路中采用积分分离型PID控制器。

进一步的，所述熔体压力控制回路采用PI控制算法，熔体压力控制回路由熔体压力控制器、熔体压力调节装置和熔体压力变送器组成。

进一步的，所述熔体温度控制回路采用PI控制算法，熔体温度控制回路由熔体温度控制器、熔体温度调节装置和熔体温度变送器组成。

进一步的，当所述熔体计量泵出口流量产生阶跃干扰时，功能性母粒熔体计量泵流量控制模型采用如下结构：

Y(s)＝k*X(s)公式1

式中：Y(s)—母粒螺杆挤出机转速控制器的输出

k—调节系数

X(s)—传递函数的输入

将Y(s)转换为所述熔体温度控制回路和熔体压力控制回路的设定值，分别作用到所述熔体温度控制回路和熔体压力控制回路上。

另外，本发明的熔体温度调节装置采用管道的热油伴热系统，无需另外热源控制，简单可靠。

所述母粒螺杆挤出机转速控制器用来控制熔体直纺功能性母粒在螺杆挤出机中的挤出速度，所述熔体计量泵流量控制器用来熔体计量泵的母粒熔体输出量，以便精确注入每个单部位的纺丝箱体进行差异化纺丝工作，所述熔体增压泵转速控制器用来控制熔体在注入管道中的增压操作，通过与过滤器后压力形成的闭环回路，控制纺丝箱体的注入熔体压力，以防过高的压力对纺丝过程造成破坏，所述混炼器转速控制器用于控制母粒熔体的均匀混合操作，通过调节混炼器转速可以更加精确的控制母粒熔体的均匀混合效果。

本发明的有益效果：

本发明通过建立包含两个串级控制回路的功能性母粒熔体计量泵流量控制模型，解决了当母粒螺杆挤出机在不同转速下挤出母粒熔体时，熔体母粒在进入熔体计量泵前温度、压力的阶跃性干扰问题，对熔体流量采用由两个串级控制回路组成的闭环控制方式，实现母粒熔体均匀定量的稳定注入控制，使得进入动态混合器的母粒熔体流量精确控制在工艺设定范围内，提高了后续有色丝纺丝配比的精确度，从而提高了差别化有色丝的纺丝质量。

本发明还通过采用开环控制的方法使熔体计量泵流量控制器联动控制熔体增压泵转速控制器和混炼器转速控制器，同时熔体增压泵转速控制器与过滤器后压力形成闭环控制回路通过采用PI控制算法，最终实现母粒熔体的均匀定量控制，从而有利于克服传统工艺中母粒熔体管道容易堵塞的问题。

附图说明

图1是实施例1的熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法的控制流程图；

图2是实施例2的熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法的控制流程图；

图3是实施例2的功能性母粒定量注入的系统框图；

其中，1、母粒螺杆挤出机转速控制器，2、熔体计量泵流量控制器，3、熔体增压泵转速控制器，4、混炼器转速控制器，5、过滤器，501、过滤器后压力，6、纺丝箱体，601、第一纺丝箱体，602、第二纺丝箱体，7、控制器，8、熔体压力控制回路，9、熔体温度控制回路，10、熔体计量泵流量控制回路，801、熔体压力控制器，802、熔体压力调节装置，803、熔体压力变送器，901、熔体温度控制器，902、熔体温度调节装置，903、熔体温度变送器。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

实施例1

如图1所示，一种熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，包括了母粒螺杆挤出机转速控制器1、熔体计量泵流量控制器2、熔体增压泵转速控制器3、混炼器转速控制器4、过滤器5、纺丝箱体6和控制器7，所述纺丝箱体6由第一纺丝箱体601、第二纺丝箱体602及第N个纺丝箱体组成，所述N至少大于等于3，所述N个纺丝箱体的熔体流量均通过控制器7进行汇总计算，并将信号反馈给熔体计量泵流量控制器2，同时母粒螺杆挤出机转速控制器1联动熔体计量泵流量控制器2调节熔体进料量，并通过熔体计量泵流量控制器2实现定量注入；熔体计量泵流量控制器2的转速变化，通过控制器7联动控制熔体增压泵转速控制器3和混炼器转速控制器4的转速调节，熔体经过混炼器4和过滤器5后，测得过滤器后压力501，将该压力信号反馈给熔体增压泵转速控制器3，最终实现熔体定量注入后的均匀控制；所述母粒螺杆挤出机转速控制器1、熔体计量泵流量控制器2、熔体增压泵转速控制器3、混炼器转速控制器4、过滤器后压力501和纺丝箱体6均与控制器7相连接。

所述母粒螺杆挤出机转速控制器1和熔体计量泵流量控制器2形成闭环控制回路，采用PID控制算法。

所述熔体计量泵流量控制器2联动控制熔体增压泵转速控制器3和混炼器转速控制器4，采用开环控制的方法。

所述熔体增压泵转速控制器3与过滤器后压力501形成闭环控制回路，采用PI控制算法。

实施例2

如图2和图3所示，一种熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，包括了母粒螺杆挤出机转速控制器1、熔体计量泵流量控制器2、熔体增压泵转速控制器3、混炼器转速控制器4、过滤器5、纺丝箱体6和控制器7，所述纺丝箱体6由第一纺丝箱体601、第二纺丝箱体602及第N个纺丝箱体组成，所述N至少大于等于3，所述N个纺丝箱体的熔体流量均通过控制器7进行汇总计算，并将信号反馈给熔体计量泵流量控制器2，同时母粒螺杆挤出机转速控制器1联动熔体计量泵流量控制器2调节熔体进料量，并通过熔体计量泵流量控制器2实现定量注入；熔体计量泵流量控制器2的转速变化，通过控制器7联动控制熔体增压泵转速控制器3和混炼器转速控制器4的转速调节，熔体经过混炼器4和过滤器5后，测得过滤器后压力501，将该压力信号反馈给熔体增压泵转速控制器3，最终实现熔体定量注入后的均匀控制；所述母粒螺杆挤出机转速控制器1、熔体计量泵流量控制器2、熔体增压泵转速控制器3、混炼器转速控制器4、过滤器后压力501和纺丝箱体6均与控制器7相连接。

所述母粒螺杆挤出机转速控制器1和熔体计量泵流量控制器2之间还是设置有熔体压力控制回路8和熔体温度控制回路9。

建立功能性母粒熔体计量泵流量控制模型，包括两个串级控制回路：第一串级控制回路，其主环是熔体计量泵流量控制回路10，以熔体计量泵出口流量为主环控制对象，副环是熔体温度控制回路9，以熔体温度为副环控制对象；第二串级控制回路，其主环是熔体计量泵流量控制回路10，以熔体计量泵出口流量为主环控制对象，副环是熔体压力控制回路8，以熔体压力为副环控制对象；所述功能性母粒熔体计量泵流量控制模型以熔体计量泵出口流量为控制目标，其中，所述熔体计量泵流量控制回路10以最终输出的熔体流量测量值与熔体流量设定值之间存在的偏差作为输入量，并且通过运算将控制量输出到母粒螺杆挤出机转速控制器1，所述母粒螺杆挤出机转速控制器1控制母粒螺杆挤出机定量地向熔体计量泵送料；所述母粒螺杆挤出机转速控制器1的输出值转化为所述熔体温度控制回路9和熔体压力控制回路8的设定值，所述熔体温度控制回路9以所述熔体温度设定值与熔体温度测量值之间的偏差作为输入量，所述熔体压力控制回路8以所述熔体压力设定值与熔体压力测量值之间的偏差作为输入量，并且通过运算将控制量输出到熔体计量泵流量控制器2。

所述熔体计量泵流量控制器2联动控制熔体增压泵转速控制器3和混炼器转速控制器4，采用开环控制的方法。

所述熔体增压泵转速控制器3与过滤器后压力501形成闭环控制回路，采用PI控制算法。

所述熔体计量泵流量控制回路10中采用积分分离型PID控制器。

所述熔体压力控制回路8采用PI控制算法，熔体压力控制回路8由熔体压力控制器801、熔体压力调节装置802和熔体压力变送器803组成。

所述熔体温度控制回路9采用PI控制算法，熔体温度控制回路9由熔体温度控制器901、熔体温度调节装置902和熔体温度变送器903组成。

当所述熔体计量泵出口流量产生阶跃干扰时，功能性母粒熔体计量泵流量控制模型采用如下结构：

Y(s)＝k*X(s)公式1

式中：Y(s)—母粒螺杆挤出机转速控制器的输出

k—调节系数

X(s)—传递函数的输入

将Y(s)转换为所述熔体温度控制回路9和熔体压力控制回路8的设定值，分别作用到所述熔体温度控制回路9和熔体压力控制回路8上。

具体的，本实施例中母粒螺杆挤出机转速控制器1采用积分分离型PID控制器。积分分离PID算法有一定的鲁棒功能，它能满足主环精细化控制的需要，解决温度、压力比较滞后的问题，达到了满意的控制效果。积分分离PID算法的控制结构如公式2所示：

式中，T为采样时间：e(t)为偏差：t_p、t_i、t_j、t_d为调节参数：α、β均为积分开关系数。

ε1为积分分离界限值

ε2为积分分离界限值

当α＝0且β＝0时，该PID调节积分不起作用；当α＝0或者β＝0时，其中一个变量的PID调节积分不起作用；当α＝1且β＝1时，两个变量的PID调节回路积分有作用。这种PID控制，有效解决了温度、压力积分饱和对流量的调节的干扰。该控制算法具有结构接单、整定方便、控制有效的有点。

将公式2和公式1结合并经过离散处理，得到控制器输出增量ΔX(t)＝q₀e(t)+q₁e(t-1)+q₂e(t-2)，

当|e(t)|≤ε1或|e(t)|≤ε2时

当|e(t)|ε1且|e(t)|ε2时

则X(t)＝X(t-1)+ΔX(t)

其中，X(t)为母粒螺杆挤出机转速控制器的输出值，e(t)为控制器测量值与设定值之间的误差，kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，T为调节周期，ε1和ε2为积分分离阈值，t为当前时间，t-1为上一个采样时间。

PI控制器的控制算法公式为：

本发明的熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法经过设计，仿真和在线运行。母粒螺杆挤出机转速控制器实现了两个串级控制的自动调节，能快速的调节熔体计量泵流量控制器的流量波动，流量调节周期在2min内，流量调节偏差在设定值土0.5％范围内，较好地解决了母粒熔体原料易受温度、压力等阶跃干扰而无法段时间内均匀定量注入的问题。

综上所述，本发明的熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，能够实现对不同母粒熔体的流量进行精细化控制，使得进入动态混合器的母粒熔体流量精确控制在工艺设定范围内，提高了后续有色丝纺丝配比的精确度，从而提高了差别化有色丝的纺丝质量，克服传统工艺中母粒熔体管道容易堵塞的问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，包括了母粒螺杆挤出机转速控制器(1)、熔体计量泵流量控制器(2)、熔体增压泵转速控制器(3)、混炼器转速控制器(4)、过滤器(5)、纺丝箱体(6)和控制器(7)，其特征在于，所述纺丝箱体(6)由第一纺丝箱体(601)、第二纺丝箱体(602)及第N个纺丝箱体组成，所述N至少大于等于3，所述N个纺丝箱体的熔体流量均通过控制器(7)进行汇总计算，并将信号反馈给熔体计量泵流量控制器(2)，同时母粒螺杆挤出机转速控制器(1)联动熔体计量泵流量控制器(2)调节熔体进料量，并通过熔体计量泵流量控制器(2)实现定量注入；熔体计量泵流量控制器(2)的转速变化，通过控制器(7)联动控制熔体增压泵转速控制器(3)和混炼器转速控制器(4)的转速调节，熔体经过混炼器(4)和过滤器(5)后，测得过滤器后压力(501)，将该压力信号反馈给熔体增压泵转速控制器(3)，最终实现熔体定量注入后的均匀控制；所述母粒螺杆挤出机转速控制器(1)、熔体计量泵流量控制器(2)、熔体增压泵转速控制器(3)、混炼器转速控制器(4)、过滤器后压力(501)和纺丝箱体(6)均与控制器(7)相连接。

2.如权利要求1所述的熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，其特征在于，所述母粒螺杆挤出机转速控制器(1)和熔体计量泵流量控制器(2)之间还是设置有熔体压力控制回路(8)和熔体温度控制回路(9)。

3.如权利要求2所述的熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，其特征在于，建立功能性母粒熔体计量泵流量控制模型，包括两个串级控制回路：第一串级控制回路，其主环是熔体计量泵流量控制回路(10)，以熔体计量泵出口流量为主环控制对象，副环是熔体温度控制回路(9)，以熔体温度为副环控制对象；第二串级控制回路，其主环是熔体计量泵流量控制回路(10)，以熔体计量泵出口流量为主环控制对象，副环是熔体压力控制回路(8)，以熔体压力为副环控制对象；所述功能性母粒熔体计量泵流量控制模型以熔体计量泵出口流量为控制目标，其中，所述熔体计量泵流量控制回路(10)以最终输出的熔体流量测量值与熔体流量设定值之间存在的偏差作为输入量，并且通过运算将控制量输出到母粒螺杆挤出机转速控制器(1)，所述母粒螺杆挤出机转速控制器(1)控制母粒螺杆挤出机定量地向熔体计量泵送料；所述母粒螺杆挤出机转速控制器(1)的输出值转化为所述熔体温度控制回路(9)和熔体压力控制回路(8)的设定值，所述熔体温度控制回路(9)以所述熔体温度设定值与熔体温度测量值之间的偏差作为输入量，所述熔体压力控制回路(8)以所述熔体压力设定值与熔体压力测量值之间的偏差作为输入量，并且通过运算将控制量输出到熔体计量泵流量控制器(2)。

4.如权利要求1所述的熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，其特征在于，所述熔体计量泵流量控制器(2)联动控制熔体增压泵转速控制器(3)和混炼器转速控制器(4)，采用开环控制的方法。

5.如权利要求1所述的熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，其特征在于，所述熔体增压泵转速控制器(3)与过滤器后压力(501)形成闭环控制回路，采用PI控制算法。

6.如权利要求3所述的熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，其特征在于，所述熔体计量泵流量控制回路(10)中采用积分分离型PID控制器。

7.如权利要求3所述的熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，其特征在于，所述熔体压力控制回路(8)采用PI控制算法，熔体压力控制回路(8)由熔体压力控制器(801)、熔体压力调节装置(802)和熔体压力变送器(803)组成。

8.如权利要求3所述的熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，其特征在于，所述熔体温度控制回路(9)采用PI控制算法，熔体温度控制回路(9)由熔体温度控制器(901)、熔体温度调节装置(902)和熔体温度变送器(903)组成。

9.如权利要求3所述的熔体直纺功能性母粒单部位均匀定量的注入方法，其特征在于，当所述熔体计量泵出口流量产生阶跃干扰时，功能性母粒熔体计量泵流量控制模型采用如下结构：

Y(s)＝k*X(s) 公式1

式中：Y(s)—母粒螺杆挤出机转速控制器的输出

k—调节系数

X(s)—传递函数的输入

将Y(s)转换为所述熔体温度控制回路(9)和熔体压力控制回路(8)的设定值，分别作用到所述熔体温度控制回路(9)和熔体压力控制回路(8)上。