CN110241465A - 一种ppta纺丝流量控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种PPTA纺丝流量控制系统及控制方法，涉及芳纶纤维生产技术领域。该系统包括：硫酸系统(1)、PPTA喂料系统(2)、双螺杆挤出机(3)、螺杆挤出机驱动电机(4)、第一压力传感器(5)、增压泵(6)、过滤器(7)、第二压力传感器(8)、纺丝箱体(9)、计量泵(10)、控制器(11)。该控制系统有三种控制子系统：增压泵控制子系统、螺杆控制子系统和进料控制子系统。与现有技术相比，本发明通过对配料系统、螺杆、增压泵和纺丝机的整体动态控制，该控制系统可以实时在线解决纺丝机纺丝位喷头堵塞的问题，保证纺丝质量，不存在物料的浪费；解决了停机维修造成的损失。

Description

一种PPTA纺丝流量控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及芳纶纤维生产技术领域，特别涉及一种PPTA纺丝流量控制系统及控制方法。

背景技术

芳纶纤维即聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐酸碱、质量轻等优异的物化性能，被广泛应用于航空航天等军事领域和民用领域，其作为增强材料在复合材料中也具有广泛的应用。

PPTA纤维的生产工艺包括聚合、纺丝和回收，其中纺丝为最后一道工艺，纺丝工艺的好坏直接决定芳纶纤维产品的质量，因此PPTA纺丝是芳纶生产中最重要的一个环节之一。

PPTA纺丝主要采用将聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)树脂和浓硫酸在螺杆中充分溶解后经纺丝机干喷湿纺制成。而生产芳纶的纺丝机一般由多个纺丝位组成，如果生产过程中某一个纺丝位出现堵塞，势必影响其他纺丝位的纺丝质量。

目前，各个芳纶纤维的生产厂家在解决改问题的方法主要有以下两种：

第一种方法，在纺丝机入口的总管上加一个旁路阀门，当纺丝机上某一个或几个纺丝位发生堵塞后，打开并调整旁路阀门的大小，以确保其他正常纺丝位的压力和流量保持正常。该方法的优点是，其他正常纺丝位不受故障纺丝位的影响，以及该方法可以在线解决问题避免设备停车造成损失。该方法的主要缺点是，经过旁路阀门排泄掉的物料将作为废弃物，造成严重的浪费。

第二种方法，由于一台纺丝机上有多个纺丝位，当一个纺丝位发生堵塞时，其他纺丝位质量不会产生严重问题，故不做处理；直到多个纺丝位故障，以至于严重影响其他纺丝位的产品质量时，将整条生产线停下集中进行处理。该方法存在的问题，单个纺丝位喷头堵塞不做处理时，质量略有影响，生产的芳纶纤维单位长度重量大，即产出率降低；多个纺丝位故障停车造成生产损失。

发明内容

结合现有方法存在的问题，本发明提出一种PPTA纺丝流量控制系统及控制方法。通过对纺丝生产线的整体连锁控制，实现对纺丝工艺的动态调整，避免造成物料浪费和停车停产造成的损失。

本发明采用的技术方案是一种PPTA纺丝流量控制系统，包括：硫酸系统、PPTA喂料系统、双螺杆挤出机、螺杆挤出机驱动电机、第一压力传感器、增压泵、过滤器、第二压力传感器、纺丝箱体、计量泵、控制器。

其中，硫酸系统，用于控制硫酸流量按照设定值输出；

PPTA喂料系统，用于控制PPTA树脂下料量按照设定值输出；

双螺杆挤出机，用于将输入的硫酸溶液和PPTA粉体树脂进行充分的溶解、混合、剪切和挤出操作；

螺杆挤出机驱动电机，用于控制双螺杆挤出机中螺杆的转速；

第一压力传感器，用于测定双螺杆挤出机出口压力大小；

增压泵，用于给过滤器提供压差和为管道中的物料提供动能，同时输出转速信号给控制系统；

过滤器，用于过滤物料中的杂质；

第二压力传感器，用于测定纺丝机入口物料总管道上的压力值；

计量泵，用于将分支管道上的物料输送到纺丝箱体的纺丝位上；

纺丝箱体，纺丝箱体中安装多个纺丝位，用于将物料纺成丝。

所述硫酸系统和PPTA喂料系统的输出端都由管道接入到双螺杆挤出机的喂料斗；螺杆挤出机驱动电机位于双螺杆挤出机的一侧；双螺杆挤出机的输出口与增压泵的输入口连接，第一压力传感器安装在双螺杆挤出机到增压泵的主管道上，增压泵输出口与过滤器的输入口连接，过滤器的输出口与纺丝机计量泵前端总管道入口连接，第二压力传感器安装在过滤器到纺丝箱体的主管道上，纺丝机计量泵位于纺丝箱体的上方；所述硫酸系统、PPTA喂料系统、螺杆挤出机驱动电机、第一压力传感器、增压泵、第二压力传感器分别与控制器间由电路连接。

本发明中一种PPTA纺丝流量控制系统，主要分为三个子系统，分别是：

A.控制器、第二压力传感器和增压泵组成一个增压泵控制子系统。当一个或几个纺丝机纺丝位出现堵塞时，纺丝机前的主管道上管道阻力增大，第二压力传感器进行压力检测，传递至控制器，控制器接收到纺丝机纺丝位堵塞产生的压力变化后，对其进行PID运算处理，将输出信号，适当降低增压泵的转速输出。

B.控制器、第一压力传感器、增压泵和螺杆挤出机驱动电机组成一个螺杆控制子系统，控制器根据第一压力传感器的压力值和增压泵的转速变化对螺杆挤出机驱动电机转速进行控制。

控制器在接收到增压泵转速信号发生变化时，先对转速信号做滤波处理，滤波处理主要是去除高频造成对控制系统造成的影响，滤波方法可以选用低通滤波器、中位值平均滤波器等，将滤波后的数据输入到前馈控制器进行处理，前馈控制器可以选用一阶滞后补偿或二阶滞后补偿等。

同时，控制器接收到的双螺杆挤出机出口压力信号后，对其进行PID处理，将PID控制器的处理结果与前馈控制的处理结果同时输出到螺杆挤出机电机的驱动器上，驱动器控制电机转速变化。

C.控制器、增压泵、硫酸系统和PPTA喂料系统组成进料控制子系统。该进料控制子系统的工作流程如下：

首先，控制器获取当前工作喷头数量M，单位硫酸流量F1，单位PPTA流量F2，以及增压泵当前转速R，增压泵容量L，单位喷头流量F0；

第二步，计算当前工作喷头数量N＝(R*L)/F0；

第三步，设置并开始定时器T；

第四步，判断定时器是否结束。若定时器未结束，设定PPTA流量为(2N-M)*F2，设定硫酸流量为(2N-M)*F1；若定时器结束，设定PPTA流量为N*F2，设定硫酸流量为N*F1；

第五步，控制器将第四步中设定的硫酸流量和PPTA流量分别输入到硫酸系统和PPTA喂料系统中，控制硫酸和PPTA的输出。

当纺丝机纺丝位喷头出现堵塞时，增压泵的转速、螺杆挤出机的转速以及进料速度都会相应调小，纺丝质量在调整期内会出现些微波动，之后会保持原有质量，生产的芳纶纤维单位长度重量不变，即产出率不变。而且，关闭支路，对堵塞的纺丝位喷头进行维修，修理之后，打开支路，增压泵的转速、螺杆挤出机的转速以及进料速度都会相应调大，不必停机维修。

与现有技术相比，本发明通过对配料系统、螺杆、增压泵和纺丝机的整体动态控制，该控制系统可以实时在线解决纺丝机纺丝位喷头堵塞的问题，保证纺丝质量，不存在物料的浪费；解决了停机维修造成的损失。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为PPTA纺丝流量控制系统图；

图2为PPTA纺丝流量控制示意图；

图3为PPTA纺丝流量控制系统原理图；

图4为增压泵控制流程图；

图5为螺杆控制流程图；

图6为进料控制流程图。

图中：1、硫酸系统，2、PPTA喂料系统，3、双螺杆挤出机，4、螺杆挤出机驱动电机，5、第一压力传感器，6、增压泵，7、过滤器，8、第二压力传感器，9、纺丝箱体，10、计量泵，11、控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。下面是结合附图对本发明进行的描述：

图1为本发明一种PPTA纺丝流量控制系统图，如图1所示，一种PPTA纺丝流量控制系统包括：硫酸系统1、PPTA喂料系统2、双螺杆挤出机3、螺杆挤出机驱动电机4、第一压力传感器5、增压泵6、过滤器7、第二压力传感器8、纺丝箱体9、计量泵10、控制器11，其中：

硫酸系统1，用于控制硫酸流量按照设定值输出；

PPTA喂料系统2，用于控制PPTA树脂下料量按照设定值输出；

双螺杆挤出机3，用于将输入的硫酸溶液和PPTA粉体树脂进行充分的溶解、混合、剪切和挤出操作；

螺杆挤出机驱动电机4，用于控制双螺杆挤出机中螺杆的转速；

第一压力传感器5，用于测定双螺杆挤出机出口压力大小；

增压泵6，用于给过滤器提供压差和为管道中的物料提供动能，同时输出转速信号给控制系统；

过滤器7，用于过滤物料中的杂质；

第二压力传感器8，用于测定纺丝机入口物料总管道上的压力值；

计量泵10，用于将分支管道上的物料输送到纺丝箱体的纺丝位上；

纺丝箱体9，纺丝箱体中安装多个纺丝位，用于将物料纺成丝。

所述硫酸系统1和PPTA喂料系统2的输出端都由管道接入到双螺杆挤出机3的喂料斗；螺杆挤出机驱动电机4位于双螺杆挤出机3的一侧；双螺杆挤出机3的输出口与增压泵6的输入口连接，第一压力传感器5安装在双螺杆挤出机3到增压泵6的主管道上，增压泵6输出口与过滤器7的输入口连接，过滤器7的输出口与纺丝机计量泵10前端总管道入口连接，第二压力传感器8安装在过滤器到纺丝机的主管道上，纺丝机计量泵10位于纺丝箱体9的上方；所述硫酸系统1、PPTA喂料系统2、螺杆挤出机驱动电机4、第一压力传感器5、增压泵6、第二压力传感器8分别与控制器11间由电路连接。

在本实施例中，使用的压力传感器，均采用哈氏合金材质，测量范围为0-16bar；双螺杆挤出机电机采用300kw异步电机，驱动器为西门子G120变频器；增压泵电机采用伺服电机，驱动器为西门子S20驱动器，纺丝机采用16位纺丝机；整体系统使用的控制器为西门子1500PLC。

图2结合图3，理解本发明的PPTA纺丝流量控制系统的控制原理，如图2所示，整个系统的控制分为三部分，控制器11通过采集第一压力传感器5、第二压力传感器8和增压泵6转速信号来分别实现：增压泵控制、螺杆控制和进料系统控制，其中进料系统控制包括硫酸系统的控制和PPTA喂料系统的控制。其中：

控制器11、第二压力传感器8和增压泵6组成一个增压泵控制系统，控制器11根据第二压力传感器8反应的主管上的压力数值，控制和调整增压泵6的转速。

控制器11、第一压力传感器5、增压泵6和螺杆挤出机驱动电机4组成一个螺杆控制系统，控制器11根据第一压力传感器5的压力值和增压泵6的转速变化对螺杆挤出机驱动电机4转速进行控制。

控制器11、增压泵6、硫酸系统1和PPTA喂料系统2组成进料控制系统。

在本实施例中，纺丝系统正常生产时，PPTA纺丝流量控制系统不需要动作，各个环节设备只需按照系统设定值运行即可。当纺丝位发生堵塞时，PPTA纺丝流量控制系统开始介入，控制各环节动态调整。

当纺丝位发生堵塞时，总管上的第二压力传感器8先发生变化，首先动作的是增压泵控制系统。如图4所示，PLC控制器将反馈的4-20ma压力信号发送至PID控制器中处理，PID控制器将处理结果以4-20ma信号发送到增压泵伺服驱动器中，控制增压泵6转速输出，以维持纺丝机入口压力平衡。

当增压泵控制系统动作时，PLC控制器同时将增压泵6的速度信号发送至螺杆控制系统中，对螺杆的转速进行前馈调节，本发明实施例前馈调节器采用一阶滞后补偿，补偿器的算法为：

AV(S)＝(KG/TC*S+1)(1-e-LGT*S)*IN(S)，其中：

IN为输入信号；

AV为输出信号；

KG为比例增益；

TC为时间常数；

LGT为纯滞后时间；

本发明使用的前馈控制不限于一阶滞后补偿，也可为二阶滞后补偿或其他前馈调节器，依据不同的工况选择使用的调节器。

第一压力传感器5反馈的压力值通过PID控制器处理后与上述的前馈调节器的处理结果同时作用在螺杆电机的变频器上，控制螺杆电机转速发生变化。

控制器11在完成上述增压泵控制和螺杆控制的同时，还需要控制硫酸流量和PPTA下料流量，以适应纺丝位堵塞导致的物料量减少带来的影响。进料系统工作原理如下：

首先，控制器获取当前工作喷头数量M，单位硫酸流量F1，单位PPTA流量F2，以及增压泵当前转速R，增压泵容量L，单位喷头流量F0；

第二步，计算当前工作喷头数量N＝(R*L)/F0；

第三步，设置并开始定时器T；

第四步，判断定时器是否结束。若定时器未结束，设定PPTA流量为(2N-M)*F2，设定硫酸流量为(2N-M)*F1；若定时器结束，设定PPTA流量为N*F2，设定硫酸流量为N*F1；

第五步，控制器将第四步中设定的硫酸流量和PPTA流量分别输入到硫酸系统和PPTA喂料系统中，控制硫酸和PPTA的输出。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，并不是无遗漏的或将本发明限制于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域技术人员是显然的，选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并使本领域技术人员能够理解本发明从而设计适用于特定用途的带有各种修改的实施例。

Claims (10)

1.一种PPTA纺丝流量控制系统，其特征在于，

包括：硫酸系统(1)、PPTA喂料系统(2)、双螺杆挤出机(3)、螺杆挤出机驱动电机(4)、第一压力传感器(5)、增压泵(6)、过滤器(7)、第二压力传感器(8)、纺丝箱体(9)、计量泵(10)、控制器(11)；

双螺杆挤出机(3)的输出口与增压泵(6)的输入口连接，第一压力传感器(5)安装在双螺杆挤出机(3)到增压泵(6)的主管道上，增压泵(6)输出口与过滤器(7)的输入口连接，过滤器(7)的输出口与纺丝机计量泵(10)前端总管道入口连接，第二压力传感器(8)安装在过滤器(7)到纺丝箱体(9)的主管道上；所述硫酸系统(1)、PPTA喂料系统(2)、螺杆挤出机驱动电机(4)、第一压力传感器(5)、增压泵(6)、第二压力传感器(8)分别与控制器(11)间由电路连接；

该控制系统由增压泵控制子系统、螺杆控制子系统和进料控制子系统三个子系统组成。

2.根据权利要求1所述的一种PPTA纺丝流量控制系统，其特征在于，增压泵控制子系统中包括：控制器(11)、第二压力传感器(8)和增压泵(6)。

3.根据权利要求1所述的一种PPTA纺丝流量控制系统，其特征在于，螺杆控制子系统包括：控制器(11)、第一压力传感器(5)、增压泵(6)和螺杆挤出机驱动电机(4)。

4.根据权利要求1所述的一种PPTA纺丝流量控制系统，其特征在于，进料控制子系统包括：控制器(11)、增压泵(6)、硫酸系统(1)和PPTA喂料系统(2)。

5.一种PPTA纺丝流量控制方法，其特征在于，该控制方法基于权利要求1～4任一所述的一种PPTA纺丝流量控制系统。

6.根据权利要求5所述的一种PPTA纺丝流量控制方法，其特征在于，增压泵控制子系统中，控制器(11)根据第二压力传感器(8)反应的主管上的压力数值，控制和调整增压泵(6)的转速。

7.根据权利要求5所述的一种PPTA纺丝流量控制方法，其特征在于，增压泵控制子系统中，控制器(11)接收到纺丝机纺丝位堵塞产生的压力变化后，对其进行PID运算处理，将输出结果控制增压泵(6)的转速输出。

8.根据权利要求5所述的一种PPTA纺丝流量控制方法，其特征在于，螺杆控制子系统中，控制器(11)根据第一压力传感器(5)的压力值和增压泵(6)的转速变化对螺杆挤出机驱动电机(4)转速进行控制。

9.根据权利要求5所述的一种PPTA纺丝流量控制方法，其特征在于，螺杆控制子系统中，控制器(11)在接收到增压泵(6)转速信号发生变化时，先对转速信号做滤波处理再进行前馈控制；控制器(11)接收到的双螺杆挤出机出口压力信号后，对其进行PID处理，将PID控制的处理结果与前馈控制的处理结果同时作用在螺杆挤出机驱动电机(4)上，控制电机转速。

10.权利要求5至9任一所述的一种PPTA纺丝流量控制方法，其特征在于，

进料控制子系统，包括硫酸系统的控制和PPTA喂料系统的控制；

进料控制方法，步骤如下：

S1：开始；

S2：获取当前工作喷头数量M，单位硫酸流量F1，单位PPTA流量F2；

S3：获取增压泵(6)当前转速R，增压泵(6)容量L，单位喷头流量F0；

S4：计算当前工作喷头数量N＝(R*L)/F0；

S5：设置并开始定时器T；

S6：判断定时器是否结束；

S7：若定时器未结束，设定PPTA流量为(2N-M)*F2，设定硫酸流量为(2N-M)*F1，同时返回S6；

S8：若定时器结束，设定PPTA流量为N*F2，设定硫酸流量为N*F1；

S9：结束。