CN109454896B - 流体材料连续生产中质量流量的控制方法 - Google Patents

流体材料连续生产中质量流量的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高分子复合材料生产领域和自动控制技术领域，尤其是一种流体材料连续生产中质量流量的控制方法。一种流体材料连续生产中质量流量的控制方法，将测距仪固定在胶槽正上方，测量胶槽中液面变化，同时将测得的胶槽液面变化值传送给PLC，PLC根据收到的液面高度变化值控制伺服电机旋转的角度和方向，伺服电机的转动通过减速装置和连接装置对刮刀进行上下调整，从而控制通过刮刀刮涂在承载膜上的流体材料的质量流量。这种流体材料连续生产中质量流量的控制方法，通过该方法，可以在线、连续、自动控制通过刮刀的流体材料的质量流量，并且可以确保足够的精度，使生产的产品质量可控、稳定性好。

Description

流体材料连续生产中质量流量的控制方法
技术领域
本发明涉及高分子复合材料生产领域和自动控制技术领域，尤其是一种流体材料连续生产中质量流量的控制方法。
背景技术
高分子复合材料是以高分子树脂为基体的，同时添加其他各种功能组分，将其按照一定比例，采用一定工艺将各组分混合（复合）在一起，使其具备特定性能的材料，根据不同要求可以设计出各种性能的复合材料，因此在各个领域都有广泛的应用。复合材料的性质由各组分的配比决定，对于非连续性生产的复合材料而言，可以通过称量每批（釜）中各组分质量，然后投入生产设备（混合容器）中混合均匀，这种复合材料的配比是固定的。对于连续生产的复合材料，一般通过控制各组分的质量流量来控制其配比，但是连续生产的设备一般都是开放式的流水线，无法使用搅拌、捏合等混合效率较高的工艺，大部分使用刮涂、压延的工艺使纤维浸润在基体树脂中，下图是一种典型的复合材料玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂片状模塑料（简称SMC）的生产流程图，如附图1所示。
如附图1所示，用计量泵按照理论计算的流量将配制好的树脂糊均匀的泵入生产线缓冲槽（胶槽）中，用匀速运动的薄膜拉动胶槽中的树脂糊通过一定高度的刮刀将树脂糊均匀的刮涂在薄膜上，再按照一定速率将玻纤洒投在树脂糊表面，使玻纤均匀分布在树脂糊表面，上下两层树脂糊复合在一起，通过压辊压延使得树脂糊浸润玻纤，熟化后即可。
这个过程中最难控制，对产品质量影响最大的工艺参数是通过刮刀后刮涂在PP膜上的树脂糊质量流量，要求刮涂在PP膜上的树脂糊的质量流量稳定在设定值。如附图2所示。
简单推导可得：
Qm =1000*V*W*h*ρ；
其中：
Qm——刮涂在PP膜上的树脂糊质量流量（kg/min）；
V——传送带（PP膜）速度（m/min）；
W——刮涂在PP膜上的树脂糊质量宽度（m），该工艺参数通过胶槽宽度设定；
h——刮涂在PP膜上的树脂糊厚度（mm）；
ρ——刮涂在PP膜上的树脂糊密度（kg/m3）；
其中V、W均为设定值，ρ在一定条件下为固定值，这三个参数波动范围很小且可控。由于树脂糊是具有一定粘度的非牛顿流体，通过刮刀刮涂的树脂糊涂层厚度h除了受到刮刀高度H0影响外，还受到树脂糊粘度，刮刀的光滑程度，薄膜的表面情况，薄膜的张紧程度，环境温度，薄膜的拉动速度等因素影响，这其中除了刮刀高度和薄膜速度是可以调节和控制之外，其他因素在一个连续生产周期（一般是一天或半天）内都在变化之中。
另外一般h大约只有0.5-1mm，即使是0.1mm的波动也将导致10%-20%的差异，直接测量树脂糊厚度对仪器精度要求较高，至少要0.01mm，且通过刮刀刮涂的树脂糊液面（尤其是高粘度树脂糊）也不是绝对平面，其液面起伏远远超过0.01mm，另外薄膜在拉动过程中由于张紧程度不同或拉动过程中设备的震动幅度也会超过0.01mm，因此控制树脂糊涂层厚度就成了关键点和难点。
目前主要的控制方法有：
1、实际测量成品SMC单位面积的质量来判定Qm是否在设定值，偏小则适当调大刮刀高度，偏大则适当调小刮刀高度。但这种方法有滞后性，且无法连续测量，另外也是半破坏性测量（因为测量需要从连续的SMC片材上割取一定长度/面积的SMC称量），效率和效果都不佳
2、通过人工观察胶槽液面，调节刮刀高度，保持胶槽液面不变。这样理论上可以确保Qm保持稳定，但人眼判断误差太大，且人工调节的频率不可能太高，调节的过程是一个振荡稳定的过程，导致在整个产品生产过程中都在波动。
3、二者结合 。
以上这些方法对人的经验、熟练程度、调节频率都要求较高，且精度和效率和效果都不是很好。
发明内容
为了克服现有的模塑料生产过程中树脂糊质量流量控制需要人工控制，对人员素质要求较高，每次生产需要长时间调试，劳动强度大，单重不稳定，生产的产品无法适应下游客户自动称量系统等一系列问题的不足，本发明提供了一种流体材料连续生产中质量流量的控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种流体材料连续生产中质量流量的控制方法，将测距仪固定在胶槽正上方，测量胶槽中液面变化，同时将测得的胶槽液面变化值传送给PLC， PLC根据收到的液面高度变化值控制伺服电机旋转的角度和方向，伺服电机的转动通过减速装置和连接装置对刮刀进行上下调整，从而调节控制通过刮刀的树脂糊的质量流量，确保质量流量稳定且在设定范围内。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，测距仪为采用三角测距法测量距离的非接触式测距仪，测距仪至少为两个。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，PLC的控制程序将测距仪测量的液面高度同初始值进行比较，若变化大于3mm，则认为是异常数据，不参与计算，若变化小于等于3mm，则将数据同另外的测距仪数据进行算术平均，若平均变化值大于0，说明液面下降，出口流量大于进口流量，输出正向信号，控制伺服电机正转向下调节刮刀，若小于0，输出反向信号，控制伺服电机反转并向上调节刮刀。PLC控制程序中的调节频率和调节幅度可以根据需要设定。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括， PLC判断频次为0.1-1次/s，调节幅度为0.005mm-0.01mm。。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，伺服电机使用直流伺服电机，最小转动角度为1°。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，减速装置其减速比大于1:1，这样电机每转1°，减速齿轮转动小于1°。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，连接装置采用丝杠装置，连接装置同减速装置齿轮同轴安装，螺距为1-5mm，这样伺服电机每转1°，减速装置齿轮转动小于1°，刮刀上升或下降不大于0.014mm。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，PLC上连接的显示器和记录仪将非接触式测距仪测得的液面变化值直接显示在显示屏上方便监控和维护，同时将液面变化值同步记录在记录仪中。
本发明的有益效果是，这种流体材料连续生产中质量流量的控制方法，通过该方法，可以在线、连续、自动控制通过刮刀的树脂糊的质量流量，并且可以确保足够的精度。相比于传统的人工监测调整和抽样检验的方式，不但节约人工、提高效率，同时产品的质量和稳定性也有大幅提高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是现有的树脂流量控制的方法示意图；
图2是现有的树脂流量控制的方法示意图二；
图3是本发明的设备安装示意图；
图4是本发明的刮板调整结构示意图。
具体实施方式
一种流体材料连续生产中质量流量的控制方法，将测距仪固定在胶槽正上方，测量胶槽中液面变化，同时将测得的胶槽液面变化值传送给PLC， PLC根据收到的液面高度变化值控制伺服电机旋转的角度和方向，伺服电机的转动通过减速装置和连接装置对刮刀进行上下调整。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，测距仪为采用三角测距法测量距离的非接触式测距仪，测距仪至少为两个。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，PLC的控制程序将测距仪测量的液面高度同初始值进行比较，若变化大于3mm，则认为是异常数据，不参与计算，若变化小于等于3mm，则将数据同另外的测距仪数据进行算术平均，若平均变化值大于0，说明液面下降，出口流量大于进口流量，输出正向信号，控制伺服电机正转向下调节刮刀，若小于0，输出反向信号，控制伺服电机反转并向上调节刮刀。PLC控制程序中的调节频率和调节幅度可以根据需要设定。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括， PLC判断频次为0.1-1次/s。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，伺服电机使用直流伺服电机，最小转动角度为1°，调节幅度为0.005mm-0.01mm。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，减速装置其减速比大于1:1，这样电机每转1°，减速齿轮转动小于1°。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，连接装置采用丝杠装置，连接装置同减速装置齿轮同轴安装，螺距为1-5mm，这样伺服电机每转1°，减速装置齿轮转动小于1°，刮刀上升或下降不大于0.014mm。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，PLC上连接的显示器和记录仪将非接触式测距仪测得的液面变化值直接显示在显示屏上方便监控和维护，同时将液面变化值同步记录在记录仪中。
本发明是在胶槽上方固定安装一个非接触式激光测距仪，测量胶槽中树脂糊液面至测距仪之间的距离变化（即树脂糊液面高度），同时将这个变化值发送给PLC控制程序，由PLC控制伺服电机调节刮刀高度，确保树脂糊液面高度不变，由于测距仪的测量频率很高（每秒数百次），可以完全适时控制。
进入胶槽的树脂糊流量有计量泵控制，该计量泵精度很高，误差可以达到0.1kg/min以下，设为Qi，该值为稳定值，且可控。那么如果保持液面不变，即胶槽中树脂糊质量不变，那么从胶槽中刮出的树脂糊流量Qm必然等于Qi。即Qm=Qi=C（常数）。
这样就不用考虑影响刮涂在PP膜上树脂糊厚度的各种复杂的影响因素，甚至连PP膜的运动速度也可以不用太精确。
误差估计如下：
一般SMC的生产速度为50-60kg/min（太快会影响玻纤浸润，太慢影响效率），一般玻纤含量在20%-40%之间，即树脂糊含量在60%-80%之间，即树脂糊的流量约为30-50kg/min，以最小流量计算，计量泵0.1kg/min的误差不超过0.3%。
通过设计胶槽的大小，将胶槽中树脂糊的液面高度每mm波动对应的树脂糊的质量控制在0.2kg以下。而胶槽中树脂糊液面高度，即使考虑流动状态下液面起伏也不会超过2mm，而且可以通多多台测距仪或多次测量进行消除，这样只要0.1mm精度的测距仪就可以达到很高的精度，对设备的要求也不高。
如图3，是本发明的安装结构示意图；
将测距仪固定在胶槽正上方，测量胶槽中液面变化，同时将测得的胶槽液面变化值传送给PLC， PLC根据收到的液面高度变化值控制伺服电机旋转的角度和方向，伺服电机的转动通过减速装置和连接装置对刮刀进行上下微调。
非接触式测距仪：其特征在于采用激光测距仪、红外测距仪等采用三角测距法测量距离的非接触式测距仪，测试精度小于0.1mm，采样频次在1-500Hz之间可调。固定在胶槽正上方，一般安装2-4个，用于平滑测试误差，消除异常波动。
PLC和控制程序：其特征在于PLC控制点为大于10点以上，以满足多路控制的需要，如西门子S7-200、S7-300、S7-400和S7-1200等。控制程序将测距仪测量的液面高度同初始值（一般设为0）进行比较，若变化大于3mm，则认为是异常数据，不参与计算（认为变化为0）若变化小于等于3mm，则将数据同另外的测距仪数据进行算术平均，若平均变化值大于0，说明液面下降，出口流量大于进口流量，输出正向信号，控制伺服电机正转向下调节刮刀，若小于0，输出反向信号，控制伺服电机反转并向上调节刮刀。 PLC判断频次为每10秒一次至每秒1次之间（根据不同品种的稳定性确定）。
显示器和记录仪：将非接触式测距仪测得的液面变化值直接显示在显示屏上方便人为监控和维护，同时将液面变化值同步记录在记录仪中。
伺服电机：其特征在于使用直流伺服电机，最小转动角度为1度
减速装置：其特征在于减速比大于1:1，这样电机每转一度，减速齿轮转动小于1度。
连接装置：其特征在于采用丝杠装置，连接螺丝同减速装置齿轮同轴安装，螺距为1-5mm，这样伺服电机每转1度，减速装置齿轮转动小于1度，刮刀上升或下降不大于0.014mm(5/360)，如图4所示。
试验装置参数如下：
减速比为1:10，螺距为1mm，
在实际生产过程中，选择流量Qi分别为30kg/min（低速低流量）、40kg/min（中等速度，中等流量）、50kg/min（高速高流量），选择粘度为别为100Pa.s（低粘度树脂糊）、200Pa.s（中等粘度树脂糊）、300Pa.s（较高粘度树脂糊），设置不同的调节频率（0.1Hz和1Hz）和调节幅度（每次刮刀调节0.01mm和0.005mm），将测距仪记录数据输出，作输出曲线，同时每隔半小时测试单位面积SMC重量Ms。
实施例1：
参数设置如下：
流量Qi为30kg/min，粘度100Pa.s，PLC扫描频率为0.1Hz，每次刮刀上升或下降0.01mm（伺服电机每次转动36度，即0.1圈），实际输出曲线如下图，单位面积的SMC重量Ms如下表：
时间 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00
单位面积质量Ms(g/m<sup>2</sup>) 4030 4028 4029 4033 4035 4033 4019 4024
时间 14:30 15:00 15:30
单位面积质量Ms(g/m<sup>2</sup>) 4027 4033 4033
实施例2：
参数设置如下：
流量Qi为30kg/min，粘度200Pa.s，PLC扫描频率为0.1Hz，每次刮刀上升或下降0.01mm（伺服电机每次转动36度，即0.1圈），实际输出曲线如下图，单位面积的SMC重量Ms如下表：
时间 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00
单位面积质量Ms(g/m2) 4010 4008 4009 4008 4005 4011 4006 4004
时间 13:30 14:00 14:30 15:00
单位面积质量Ms(g/m2) 4007 4013 4011 4008
实施例3：
参数设置如下：
流量Qi为30kg/min，粘度300Pa.s，PLC扫描频率为0.1Hz，每次刮刀上升或下降0.01mm（伺服电机每次转动36度，即0.1圈），实际输出曲线如下图，单位面积的SMC重量Ms如下表：
时间 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30
单位面积质量Ms(g/m2) 4002 4015 4011 3996 3994 4007 4016 4004 3993
实施例4：
参数设置如下：
流量Qi为40kg/min，粘度100Pa.s，PLC扫描频率为0.1Hz，每次刮刀上升或下降0.01mm（伺服电机每次转动36度，即0.1圈），实际输出曲线如下图，单位面积的SMC重量Ms如下表：
时间 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00
单位面积质量Ms(g/m2) 4001 4006 4008 3997 4004 3999 4006 4003
时间 14:30 15:00 15:30
单位面积质量Ms(g/m2) 3998 4006 4001
实施例5：
参数设置如下：
流量Qi为40kg/min，粘度200Pa.s，PLC扫描频率为0.1Hz，每次刮刀上升或下降0.01mm（伺服电机每次转动36度，即0.1圈），实际输出曲线如下图，单位面积的SMC重量Ms如下表：
时间 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30
单位面积质量Ms(g/m2) 4013 4011 4009 4019 4008 4006 4015 4016
时间 13:00 13:30 14:00 14:30
单位面积质量Ms(g/m2) 4014 4007 4008 4006
实施例6：
参数设置如下：
流量Qi为40kg/min，粘度300Pa.s，PLC扫描频率为0.1Hz，每次刮刀上升或下降0.01mm（伺服电机每次转动36度，即0.1圈），实际输出曲线如下图，单位面积的SMC重量Ms如下表：
时间 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00
单位面积质量Ms(g/m2) 4006 4015 4002 3996 3992 4017 4019 4003
时间 14:30 15:00 15:30
单位面积质量Ms(g/m2) 4015 4003 4014
实施例7：
参数设置如下：
流量Qi为50kg/min，粘度100Pa.s，PLC扫描频率为0.1Hz，每次刮刀上升或下降0.01mm（伺服电机每次转动36度，即0.1圈），实际输出曲线如下图，单位面积的SMC重量Ms如下表：
时间 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00
单位面积质量Ms(g/m2) 4005 4009 4003 4009 4011 4007 4009 4012 4004
实施例8：
参数设置如下：
流量Qi为50kg/min，粘度200Pa.s，PLC扫描频率为0.1Hz，每次刮刀上升或下降0.01mm（伺服电机每次转动36度，即0.1圈），实际输出曲线如下图，单位面积的SMC重量Ms如下表：
时间 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00
单位面积质量Ms(g/m2) 4022 4025 4020 4012 4013 4017 4019 4026
时间 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00
单位面积质量Ms(g/m2) 4025 4017 4014 4013 4019 4029
实施例9：
参数设置如下：
流量Qi为50kg/min，粘度300Pa.s，PLC扫描频率为0.1Hz，每次刮刀上升或下降0.01mm（伺服电机每次转动36度，即0.1圈），实际输出曲线如下图，单位面积的SMC重量Ms如下表：
时间 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00
单位面积质量Ms(g/m2) 3983 3976 3996 3999 3973 3987 3972 3993
时间 14:30 15:00 15:30 16:00
单位面积质量Ms(g/m2) 3988 3987 4001 3985
实施例10
参数设置如下：
流量Qi为40kg/min，粘度200Pa.s，PLC扫描频率为1Hz，每次刮刀上升或下降0.005mm（伺服电机每次转动18度，即0.05圈），实际输出曲线如下图，单位面积的SMC重量Ms如下表：
时间 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30
单位面积质量Ms(g/m2) 4008 4011 4009 4009 4008 4006 4009 4006
时间 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00
单位面积质量Ms(g/m2) 4005 4007 4008 4006 4003
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.种流体材料连续生产中质量流量的控制方法，其特征是，将测距仪固定在胶槽正上方，测量胶槽中液面变化，同时将测得的胶槽液面变化值传送给PLC，PLC根据收到的液面高度变化值控制伺服电机旋转的角度和方向，伺服电机的转动通过减速装置和连接装置对刮刀进行上下调整；
PLC的控制程序将测距仪测量的液面高度同初始值进行比较，若变化大于3mm，则认为是异常数据，不参与计算，若变化小于等于3mm，则将数据同另外的测距仪数据进行算术平均，若平均变化值大于0，说明液面下降，出口流量大于进口流量，输出正向信号，控制伺服电机正转向下调节刮刀，若小于0，输出反向信号，控制伺服电机反转并向上调节刮刀；
胶槽的树脂糊的流量由精度达到0.1kg/min以下的计量泵控制；
胶槽中树脂糊的液面高度每mm波动对应的树脂糊的质量在0.2kg以下；
测距仪为采用三角测距法测量距离的非接触式测距仪，测距仪至少为两个；
所述非接触式测距仪为激光测距仪或红外测距仪，测试精度小于0.1mm，采样频次在1-500Hz之间。
2.根据权利要求1所述的流体材料连续生产中质量流量的控制方法，其特征是， PLC判断频次为每10秒一次至每秒1次之间伺服电机使用直流伺服电机，最小转动角度为1°，调节幅度为0.005mm-0.01mm。
3.根据权利要求1所述的流体材料连续生产中质量流量的控制方法，其特征是，伺服电机使用直流伺服电机，最小转动角度为1°。
4.根据权利要求1所述的流体材料连续生产中质量流量的控制方法，其特征是，减速装置其减速比大于1:1，连接装置采用丝杠装置，连接装置同减速装置齿轮同轴安装，螺距为1-5mm，这样伺服电机每转1°，减速装置齿轮转动小于1°，刮刀上升或下降不大于0.014mm。
5.根据权利要求1所述的流体材料连续生产中质量流量的控制方法，其特征是，PLC上连接的显示器和记录仪将非接触式测距仪测得的液面变化值直接显示在显示屏上方便监控和维护，同时将液面变化值同步记录在记录仪中。
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