CN113601809A - 一种复合挤出橡胶制品的挤出设备及自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合挤出橡胶制品的挤出设备，包括上挤出机和下挤出机；所述上挤出机连接上机供胶电机和上机压力传感器，所述下挤出机连接下机供胶电机和下机压力传感器；所述上挤出机电机旋转带动螺杆把胶料挤压并输送到机头，下挤出机电机旋转带动螺杆把胶料挤压输送到机头，上挤出机的胶料和下挤出机的胶料在机头复合并挤出到接取辊道上，接取电机带动所述接取辊道旋转并将胶料传输到收缩辊道；所述收缩辊道分为四段并分别由第一收缩电机、第二收缩电机、第三收缩电机以及第四收缩电机驱动；所述第四收缩电机后方设置有测宽系统和连续秤，还包括用于该挤出设备的自动控制方法。本发明能够提高复合挤出橡胶制品质量的稳定性，减少人工干预。

Description

一种复合挤出橡胶制品的挤出设备及自动控制方法

技术领域

本发明属于复合挤出机技术领域，特别涉及一种复合挤出橡胶制品的挤出设备及自动控制方法。

背景技术

现有技术采用多个挤出机一起挤出橡胶，挤出的橡胶带有形状，要求橡胶形状和重量符合工艺要求。为达到工艺要求，目前采用的方式都是人工设定挤出机的速度、接取的速度以及压缩比等参数，在胶料波动的情况下，当制品重量或形状有偏差时需要人工手动调整各参数和速度。带来的问题是，发现制品不合格有滞后性、人工需要多次调整测量，这样会造成大量的返回胶料，对返回胶的处理消耗大量的人力、物力。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题提供一种复合挤出橡胶制品的挤出设备及自动控制方法，能够提高复合挤出橡胶制品质量的稳定性，减少人工干预，减少不合格制品，提高效率、节省能源。

本发明包括如下技术方案：一种复合挤出橡胶制品的挤出设备，包括上挤出机和下挤出机；所述上挤出机连接上机供胶电机和上机压力传感器，所述下挤出机连接下机供胶电机和下机压力传感器；所述上挤出机的电机旋转带动螺杆把胶料挤压并输送到机头，下挤出机的电机旋转带动螺杆把胶料挤压输送到机头，上挤出机的胶料和下挤出机的胶料在机头复合并挤出到接取辊道上，接取电机带动所述接取辊道旋转并将胶料传输到收缩辊道；所述收缩辊道分为四段并分别由第一收缩电机、第二收缩电机、第三收缩电机以及第四收缩电机驱动；

所述第四收缩电机后方设置有测宽系统和连续秤系统；所述测宽系统包括测宽控制器和测宽探头，所述测宽控制器控制测宽探头测量胶料的宽度并与PLC进行通信；所述连续秤系统包括连续秤控制器和秤传感器，所述连续秤控制器控制秤传感器测量胶料每米的重量并与PLC进行通信；所述PLC对上挤出机、下挤出机、接取电机、第一收缩电机、第二收缩电机、第三收缩电机以及第四收缩电机进行运行速度的调节。

进一步的，所述测宽系统也可作为测厚系统，用于测量橡胶制品的厚度。

进一步的，所述第一收缩电机、第二收缩电机、第三收缩电机以及第四收缩电机按照设定系数逐级降速，使收缩辊道上的橡胶制品被动收缩，增加橡胶的致密度。制品的宽度和重量偏大时或偏小时先进行收缩比调整微调，未满足时再进行接取速度调整。

进一步的，所述PLC通过人机界面进行参数设定，并分别与上挤出机变频器、上机供胶变频器、下挤出机变频器、下机供胶变频器、接取机变频器、第一收缩电机变频器、第二收缩电机变频器、第三收缩电机变频器以及第四收缩电机变频器进行通信。

进一步的，所述上机压力传感器和下机压力传感器采集的压力数据输入模拟量输入模块，模拟量输入模块与PLC通信。上下挤出机的速度根据压力传感器的压力反馈进行一定幅度的调整。

一种复合挤出橡胶制品的自动控制方法，包括以下步骤：

S1设计电气硬件，对电气硬件进行选型并完成挤出设备的连接；

S2编辑人机参数画面，设置人机界面的控制按钮、显示窗口以及设置对话框；

S3创建PLC变量标签，根据人机界面的需求在PLC中创建变量标签；

S4关联人机界面变量，在人机界面组态软件中建立和PLC的链接定义，然后对画面中每一个变量进行关联，关联完成进入S5，否则回到S3；

S5组态变频程序，通过PLC添加各个变频，可以根据需要在线或离线修改变频器参数；

S6编制PLC程序算法，包括设置挤出机速度和压力传感器反馈值控制关系、设置上下机运行速度并针对实际压力与设定压力的偏差进行调节、设定制品宽度和重量并针对反馈值与设定值的差值调节变频器；压力反馈数字量值以Fd表示，压力反馈实际工程值以F1表示，F1和Fd对应的数学表达式为F1=35*(Fd-400)/1600；

S7测试并调整PID参数，程序编制完成下载到PLC，进行负载测试；产出制品稳定则结束工作流程，否则再次运行S7。

进一步的，所述S1中上机压力传感器和下机压力传感器选择电流4～20mA输出，可以抑制干扰，并具备断线检测功能，模拟量输入模块选择电流型；根据实现压力稳定的功能需求，进行对电气硬件的选型，变频器根据电机功率选择，变频器、测宽系统和连续秤系统具备通讯功能，数据能互相读写，人机界面和PLC可以选择常规品牌及型号。

进一步的，所述S2中具体设置包括在人机界面上添加自动控制选择按钮、全线速度设置对话框、上下机压力设定值对话框、上下机压力显示值对话框、宽度设置对话框、宽度显示对话框、米重设置对话框、米重显示对话框、各变频电机的速度设定对话框、各变频电机的速度显示对话框。

进一步的，所述S3中具体设置包括在PLC中创建自动控制选择按钮标签、全线速度设置标签、上下机压力设定值标签、上下机压力显示值标签、宽度设置标签、宽度显示标签、米重设置标签、米重显示标签、各变频电机的速度设定标签、各变频电机的速度显示标签。

进一步的，所述S5中变频器可以采用多种通信方式，重点关注接取变频、收缩变频和挤出变频的加减速时间。

进一步的，所述S6中压力传感器模拟量信号线接到模拟量输入模块上，0～35MPa对应4～20mA， 4～20mA在模块中对应数字量400～2000，数字滤波设定10ms，实时采样周期设定100ms。

进一步的，所述S6中挤出机的速度设定公式为V2=k*V1+ k*V1*k1*P；V1为全线基准速度设定，k为全线基准速度和挤出机速度比例系数，P为PID调整数值在-100～100之间，k1是调整限制幅度在0.1～0.3之间；上下供胶机的速度V3根据V2进行设定，数学表达式为V3=k2*V2+Vp；k2为系数，Vp为根据喂料的料兜位置调节速度。

如果用100%压力闭环调整的化，会使挤出机速度变化大，不稳定，因此需要对挤出机闭环进行限幅。

进一步的，所述S6中设定制品宽度和重量时，首先确定制品到达测宽系统的距离L1和到达连续秤系统的距离L2，根据线速度和时间计算出执行调节后到达采样点时刻，然后比较设定值和反馈值；根据差值再进行第一收缩变频器、第二收缩变频器、第三收缩变频器以及第四收缩变频器的速度给定调整，速度调节幅度不超过基准值的10%；对收缩电机和接取电机的调节使用比例环调节，偏差大调节比例值大，偏差小调节比例值小，通过调整收缩比不能消除偏差时，进一步调整接取电机速度；连续秤系统测量每米制品的重量，因此对于重量的采样周期要大于制品行走1米长度的时间；测宽采样周期采用0.5秒，每次取四个求平均值作为测量宽度。

因为制品宽度和重量采样位置和执行机构位置差，控制滞后性较大，所以不采用实时闭环PID调节。

进一步的，所述S7中负载测试为观察挤出机压力设定值和反馈值的差距，调整PID的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，达到设备运行中压力反馈值稳定、数值上下浮动较小的效果；观察连续秤系统设定值和反馈值的差距、观察测宽系统的设定值和反馈值的差距，调整比例环参数，调整限制幅度，使制品重量和宽度稳定。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明通过连续秤系统、测宽系统、上下机压力传感器等反馈信号，由PLC进行判断计算并调节各电机的运行速度，实现自动调节功能，使挤出的橡胶制品稳定。

2、本发明通过编制PLC程序算法实现对各种变频器的快速调节，从而实现快速准确的调节各电机的转速值，使得在胶料波动或制品重量形状有偏差时能够及时判断并调整，从而使得挤出的橡胶制品稳定。

3、本发明采用自动控制替代原本的操作工手动操作，提高复合挤出橡胶制品质量的稳定性，减少人工干预，减少不合格制品，减少对不合格制品处理的人力、物力，提高效率、节省能源。

附图说明

图1是挤出设备的结构示意图。

图2是本发明的电气控制系统图。

图3是本发明的工作流程图。

图4是压力反馈数字量和压力反馈的实际工程量关系图，Fd轴代表PLC中压力反馈数字量值，F1轴代表PLC中压力反馈实际工程量值，单位为MPa。图形显示了F1和Fd对应关系。

图5是挤出机设定压力和反馈压力的闭环控制框图。

图6是重量、宽度反馈的闭环控制框图。

图中，1-上挤出机；2-上机供胶电机；3-上机压力传感器；4-测宽系统；5-连续秤系统；6-下挤出机；7-下机供胶电机；8-下机压力传感器；9-接取电机；10-第一收缩电机；11-第二收缩电机；12-第三收缩电机；13-第四收缩电机。

具体实施方式

为能进一步公开本发明的发明内容、特点及功效，特例举以下实例并结合附图详细说明如下。

实施例1：参阅附图1-2，一种复合挤出橡胶制品的挤出设备，包括上挤出机1和下挤出机6；所述上挤出机1连接上机供胶电机2和上机压力传感器3，所述下挤出机6连接下机供胶电机7和下机压力传感器8；所述上挤出机1的电机旋转带动螺杆把胶料挤压并输送到机头，下挤出机6的电机旋转带动螺杆把胶料挤压输送到机头，上挤出机1的胶料和下挤出机6的胶料在机头复合并挤出到接取辊道上，接取电机9带动所述接取辊道旋转并将胶料传输到收缩辊道；所述收缩辊道分为四段并分别由第一收缩电机10、第二收缩电机11、第三收缩电机12以及第四收缩电机13驱动；

所述第四收缩电机13后方设置有测宽系统4和连续秤系统5；所述测宽系统4包括测宽控制器和测宽探头，所述测宽控制器控制测宽探头测量胶料的宽度并与PLC进行通信；所述连续秤系统5包括连续秤控制器和秤传感器，所述连续秤控制器控制秤传感器测量胶料每米的重量并与PLC进行通信；所述PLC对上挤出机1、下挤出机6、接取电机9、第一收缩电机10、第二收缩电机11、第三收缩电机12以及第四收缩电机13进行运行速度的调节。

所述第一收缩电机10、第二收缩电机11、第三收缩电机12以及第四收缩电机13按照设定系数逐级降速，使收缩辊道上的橡胶制品被动收缩，增加橡胶的致密度。制品的宽度和重量偏大时或偏小时先进行收缩比调整微调，未满足时再进行接取速度调整。

所述PLC通过人机界面进行参数设定，并分别与上挤出机变频器、上机供胶变频器、下挤出机变频器、下机供胶变频器、接取机变频器、第一收缩电机变频器、第二收缩电机变频器、第三收缩电机变频器以及第四收缩电机变频器进行通信。

所述上机压力传感器3和下机压力传感器8采集的压力数据输入模拟量输入模块，模拟量输入模块与PLC通信。上下挤出机的速度根据压力传感器的压力反馈进行一定幅度的调整。

工作过程：启动挤出设备，开始速度按人机界面设定好的初始速度运行，原料橡胶A通过上机供胶电机2送进上挤出机1的喂料口，并在上挤出机1的电机带动下挤压输送到机头；原料橡胶B通过下机供胶电机7送进下挤出机6的喂料口，并在下挤出机6的电机带动下挤压输送到机头，上下胶料在机头复合并挤出到接取辊道上；接取电机9带动辊道旋转，把胶料传输到收缩辊道上，收缩辊道分四段分别由第一收缩电机10、第二收缩电机11、第三收缩电机12、第四收缩电机13驱动，收缩电机按设定系数逐级降速，使收缩辊道上的橡胶制品被动收缩，增加橡胶的致密度。

测宽系统测量橡胶制品的宽度，测量宽度如果和工艺要求宽度超差，则报警提示；连续秤系统测量橡胶制品的每米的重量，测量重量如果和工艺要求重量超差，超差较小则报警提示，超差较大可以停机检查。

实施例2，参阅附图3-6，一种复合挤出橡胶制品的自动控制方法，包括以下步骤：

S1设计电气硬件，对电气硬件进行选型并完成挤出设备的连接；所述S1中上下机压力传感选择电流4～20mA输出，可以抑制干扰，并具备断线检测功能，模拟量输入模块选择电流型；根据实现压力稳定的功能需求，进行对电气硬件的选型，变频器根据电机功率选择，变频器、测宽系统和连续秤系统具备通讯功能，数据能互相读写，人机界面和PLC可以选择常规品牌及型号。

S2编辑人机参数画面，设置人机界面的控制按钮、显示窗口以及设置对话框；所述S2中具体设置包括在人机界面上添加自动控制选择按钮、全线速度设置对话框、上下机压力设定值对话框、上下机压力显示值对话框、宽度设置对话框、宽度显示对话框、米重设置对话框、米重显示对话框、各变频电机的速度设定对话框、各变频电机的速度显示对话框。

S3创建PLC变量标签，根据人机界面的需求在PLC中创建变量标签；所述S3中具体设置包括在PLC中创建自动控制选择按钮标签、全线速度设置标签、上下机压力设定值标签、上下机压力显示值标签、宽度设置标签、宽度显示标签、米重设置标签、米重显示标签、各变频电机的速度设定标签、各变频电机的速度显示标签。

S4关联人机界面变量，在人机界面组态软件中建立和PLC的链接定义，然后对画面中每一个变量进行关联，关联完成进入S5，否则回到S3；

S5组态变频程序，通过PLC添加各个变频，可以根据需要在线或离线修改变频器参数；所述S5中变频器可以采用多种通信方式，重点关注接取变频、收缩变频和挤出变频的加减速时间。本例采用以太网通信方式，设上挤出机1、上机供胶电机2、下挤出机6、下机供胶电机7、接取电机9、第一收缩电机10、第二收缩电机11、第三收缩电机12、第四收缩电机13等各变频器IP地址，并通过PLC添加各个变频。

S6编制PLC程序算法，包括设置挤出机速度和压力传感器反馈值控制关系、设置上下机运行速度并针对实际压力与设定压力的偏差进行调节、设定制品宽度和重量并针对反馈值与设定值的差值调节变频器；压力反馈数字量值以Fd表示，压力反馈实际工程值以F1表示，F1和Fd对应的数学表达式为F1=35*(Fd-400)/1600；所述S6中上机压力传感器和下机压力传感器模拟量信号线接到模拟量输入模块上，0～35MPa对应4～20mA， 4～20mA在模块中对应数字量400～2000，数字滤波设定10ms，实时采样周期设定100ms。

所述S6中上下挤出机的速度设定公式为V2=k*V1+ k*V1*k1*P；V1为全线基准速度设定，k为全线基准速度和挤出机速度比例系数，P为PID调整数值在-100～100之间，k1是调整限制幅度在0.1～0.3之间；上下供胶机的速度V3根据V2进行设定，数学表达式为V3=k2*V2+Vp；k2为系数，Vp为根据喂料的料兜位置调节速度。如果用100%压力闭环调整的化，会使挤出机速度变化大，不稳定，因此需要对挤出机闭环进行限幅。

所述S6中调节制品宽度和重量偏差时，首先确定制品到达测宽系统的距离L1和到达连续秤系统的距离L2，根据线速度和时间计算出执行调节后到达采样点时刻，然后比较设定值和反馈值；根据差值再进行第一收缩变频器、第二收缩变频器、第三收缩变频器以及第四收缩变频器的速度给定调整，速度调节幅度不超过基准值的10%；对收缩电机和接取电机的调节使用比例环调节，偏差大调节比例值大，偏差小调节比例值小，通过调整收缩比不能消除偏差时，进一步调整接取电机速度；连续秤系统测量每米制品的重量，因此对于重量的采样周期要大于制品行走1米长度的时间；测宽采样周期采用0.5秒，每次取四个求平均值作为测量宽度。因为制品宽度和重量采样位置和执行机构位置差，控制滞后性较大，所以不采用实时闭环PID调节。

S7测试并调整PID参数，程序编制完成下载到PLC，进行负载测试；产出制品稳定则结束工作流程，否则再次运行S7。所述S7中负载测试为观察挤出机压力设定值和反馈值的差距，调整PID的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，达到设备运行中压力反馈值稳定、数值上下浮动较小的效果；观察连续秤系统设定值和反馈值的差距、观察测宽系统的设定值和反馈值的差距，调整比例环参数，调整限制幅度，使制品重量和宽度稳定。

尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合挤出橡胶制品的挤出设备，包括上挤出机和下挤出机，其特征在于：所述上挤出机连接上机供胶电机和上机压力传感器，所述下挤出机连接下机供胶电机和下机压力传感器；所述上挤出机的电机旋转带动螺杆把胶料挤压并输送到机头，下挤出机的电机旋转带动螺杆把胶料挤压输送到机头，上挤出机的胶料和下挤出机的胶料在机头复合并挤出到接取辊道上，接取电机带动所述接取辊道旋转并将胶料传输到收缩辊道；所述收缩辊道分为四段并分别由第一收缩电机、第二收缩电机、第三收缩电机以及第四收缩电机驱动；所述第四收缩电机后方设置有测宽系统和连续秤系统；所述测宽系统包括测宽控制器和测宽探头，所述测宽控制器控制测宽探头测量胶料的宽度并与PLC进行通信；所述连续秤系统包括连续秤控制器和秤传感器，所述连续秤控制器控制秤传感器测量胶料每米的重量并与PLC进行通信；所述PLC对上挤出机、下挤出机、接取电机、第一收缩电机、第二收缩电机、第三收缩电机以及第四收缩电机进行运行速度的调节。

2.根据权利要求1所述的一种复合挤出橡胶制品的挤出设备，其特征在于：所述第一收缩电机、第二收缩电机、第三收缩电机以及第四收缩电机按照设定系数逐级降速，使收缩辊道上的橡胶制品被动收缩。

3.根据权利要求1所述的一种复合挤出橡胶制品的挤出设备，其特征在于：所述PLC通过人机界面进行参数设定，并分别与上挤出机变频器、上机供胶变频器、下挤出机变频器、下机供胶变频器、接取机变频器、第一收缩电机变频器、第二收缩电机变频器、第三收缩电机变频器以及第四收缩电机变频器进行通信。

4.根据权利要求1所述的一种复合挤出橡胶制品的挤出设备，其特征在于：所述上机压力传感器和下机压力传感器采集的压力数据输入模拟量输入模块，模拟量输入模块与PLC通信。

5.一种复合挤出橡胶制品的自动控制方法，用于权利要求1-4所述的挤出设备，其特征在于包括以下步骤：

S1设计电气硬件，对电气硬件进行选型并完成挤出设备的连接；

S2编辑人机参数画面，设置人机界面的控制按钮、显示窗口以及设置对话框；

S3创建PLC变量标签，根据人机界面的需求在PLC中创建变量标签；

S4关联人机界面变量，在人机界面组态软件中建立和PLC的链接定义，然后对画面中每一个变量进行关联，关联完成进入S5，否则回到S3；

S5组态变频程序，通过PLC添加各个变频，可以根据需要在线或离线修改变频器参数；

S6编制PLC程序算法，包括设置挤出机速度和压力传感器反馈值控制关系、设置上下机运行速度并针对实际压力与设定压力的偏差进行调节、设定制品宽度和重量并针对反馈值与设定值的差值调节变频器；压力反馈数字量值以Fd表示，压力反馈实际工程值以F1表示，F1和Fd对应的数学表达式为F1=35*(Fd-400)/1600；

S7测试并调整PID参数，程序编制完成下载到PLC，进行负载测试；产出制品稳定则结束工作流程，否则再次运行S7。

6.根据权利要求5所述的一种复合挤出橡胶制品的自动控制方法，其特征在于：所述S1中上机压力传感器和下机压力传感器选择电流4～20mA输出；模拟量输入模块选择电流型。

7.根据权利要求5所述的一种复合挤出橡胶制品的自动控制方法，其特征在于：所述S6中压力传感器模拟量信号线接到模拟量输入模块上，0～35MPa对应4～20mA， 4～20mA在模块中对应数字量400～2000，数字滤波设定10ms，实时采样周期设定100ms。

8.根据权利要求5所述的一种复合挤出橡胶制品的自动控制方法，其特征在于：所述S6中挤出机的速度设定公式为V2=k*V1+ k*V1*k1*P；V1为全线基准速度设定，k为全线基准速度和挤出机速度比例系数，P为PID调整数值在-100～100之间，k1是调整限制幅度在0.1～0.3之间；上下供胶机的速度V3根据V2进行设定，数学表达式为V3=k2*V2+Vp；k2为系数，Vp为根据喂料的料兜位置调节速度。

9.根据权利要求5所述的一种复合挤出橡胶制品的自动控制方法，其特征在于：所述S6中设定制品宽度和重量时，首先确定制品到达测宽系统的距离L1和到达连续秤系统的距离L2，根据线速度和时间计算出执行调节后到达采样点时刻，然后比较设定值和反馈值；根据差值再进行第一收缩变频器、第二收缩变频器、第三收缩变频器以及第四收缩变频器的速度给定调整，速度调节幅度不超过基准值的10%；对收缩电机和接取电机的调节使用比例环调节，偏差大调节比例值大，偏差小调节比例值小，通过调整收缩比不能消除偏差时，进一步调整接取电机速度；连续秤系统测量每米制品的重量，因此对于重量的采样周期要大于制品行走1米长度的时间；测宽采样周期采用0.5秒，每次取四个求平均值作为测量宽度。

10.根据权利要求5所述的一种复合挤出橡胶制品的自动控制方法，其特征在于：所述S7中负载测试为观察挤出机压力设定值和反馈值的差距，调整PID的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd；观察连续秤系统设定值和反馈值的差距、观察测宽系统的设定值和反馈值的差距，调整比例环参数，调整限制幅度。

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