DE102007021037A1

DE102007021037A1 - Verfahren zur Verschleißerkennung bei Extrudermaschinen

Info

Publication number: DE102007021037A1
Application number: DE102007021037A
Authority: DE
Inventors: Klaus Becker; Norbert Dr.-Ing. Kreth
Original assignee: Battenfeld Extrusionstechnik GmbH
Current assignee: Battenfeld Cincinnati Germany GmbH
Priority date: 2007-05-04
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2027-05-05
Also published as: DE102007021037B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschleißwertermittlung bei einem Doppelschneckenextruder, das die Schritte umfasst: a) Auswahl relevanter Daten und/oder Parameter am Doppelschneckenextruder, b) Erfassen der Daten am Doppelschneckenextruder, c) permanentes Wiederholen des Verfahrensschrittes b) nach X Betriebsstunden, wobei X eine variable Größe sein kann. Erfindungsgemäß sind hierbei weiter die Schritte vorgesehen: d) Ermitteln einer Funktion aus den Messdaten, wobei die Funktionsermittlung nach Vorliegen von mindestens zwei bis drei Messreihen durchgeführt wird, e) Hochrechnen des Funktionsverlaufes anhand der Funktionsgleichung, f) Vergleichen der gemäß Schritt c) erfassten Daten mit dem nach e) ermittelten Funktionsverlauf, g) Melden von Abweichungen, sobald der ermittelte Messwert eine zuvor bestimmte maximale Abweichung überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschleißermittlung am Doppelschneckenextruder, das die Schritte umfasst: a) Auswahl relevanter Daten und/oder Parameter am Doppelschneckenextruder, b) Erfassen der Daten am Doppelschneckenextruder, c) permanentes Wiederholen des Verfahrensschrittes b) nach X Betriebsstunden, wobei X eine variable Größe sein kann.
Bei Kunststoffverarbeitungsmaschinen tritt abrasiver, erosiver, korrosiver und adhäsiver Verschleiß auf. Der häufig abrasive Verschleiß bei Einschneckenextrudern entsteht im Wesentlichen durch den relativ hohen Druck im Bereich der Nutbuchse, bei Doppelschneckenextrudern (DSE) ist adhäsiver Verschleiß im Bereich der Druckaufbauzonen typisch. Verschleißbilder und -raten sind stark vom zu verarbeitenden Material abhängig und damit auch vom Beimischen abrasiver Füll- und Zuschlagstoffe.
Um den Verschleiß der Schnecke, des Zylinders (bei DSE) festzustellen, werden die genannten Maschinenteile in regelmäßigen Abständen ausgebaut und vermessen. Erst nach der Vermessung kann entschieden werden, ob ein neues Maschinenteil bzw. dessen Reparatur notwendig ist.
Hieraus lassen sich folgende wirtschaftliche Nachteile der bisherigen Vorgehensweise ableiten:

• Produktions- bzw. Nutzungsausfall während der Umbauzeiten der Anlage. Eine Verschleißmessung bzw. -beurteilung setzt einen Produktionsstopp voraus, da das betreffende Maschinenteil ausgebaut werden muss.
• Ein zu spätes Erkennen von starkem Verschleiß an der Verfahrenseinheit kann auch zu längeren Standzeiten der Produktionsanlage führen, wenn die angestrebte Qualität des Endproduktes bzw. die Wirtschaftlichkeit nicht mehr gegeben ist (Lieferzeit für Schnecke und Zylinder 4–6 Wochen).
• Produktionsausschuss, weil infolge des auftretenden Verschleißes die Verfahrensaufgaben nicht mehr zufriedenstellend gelöst werden können. Als Beispiel kann hier die geringere Durchsatzleitung und eine schlechtere Plastifizierleistung angegeben werden.
• Schleichende Veränderung der Plastifizierungsqualität, die im laufenden Prozess derzeit nicht oder nur unzureichend erkannt wird, führen zu veränderten Eigenschaften des Endproduktes, insbesondere bei Profilhalbzeugen.

Aufwendige und teure Verfahren zur Beurteilung der Plastifizierungsqualität mittels indirekt ermittelbaren Schmelze- und Produktparametern wie Homogenität, Viskosität, Molekülgewichtsabbau, etc. erfordern einen hohen Aufwand und werden in der Praxis selten eingesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzubieten, bei dem die automatische Erkennung und eine frühzeitige, stetige und kontinuierliche Meldung des Verschleißzustandes von Schnecke und Zylinder bei Doppelschneckenextrudern ohne Ausbau der Verfahrenseinheit und manueller Vermessung möglich werden. Auf die Installation aufwendiger, teurer Zusatzmesstechnik, -instrumente wird hierbei verzichtet.
Die Lösung der Aufgabe ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die weiteren Schritte gekennzeichnet:
d) Ermitteln einer Funktion aus den Messdaten, wobei die Funktionsermittlung nach Vorliegen von mindestens zwei bis drei Messreihen durchgeführt wird, e) Hochrechnen des Funktionsverlaufes anhand der Funktionsgleichung, f) Vergleichen der gemäß Schritt c) erfassten Daten mit dem nach e) ermittelten Funktionsverlauf, g) Melden von Abweichungen, sobald der ermittelte Messwert eine zuvor bestimmte maximale Abweichung überschreitet.
Das Auftreten von Verschleiß führt zu Änderungen der Maschinendaten und -parameter. Davon ausgehend, dass der geforderte Gesamtenergieeintrag, bestehend aus Motor und Heizenergie, in ein Material immer konstant ist, lässt ein zunehmender Eintrag einer Heizzone auf mechanische Veränderungen der Verfahrenseinheit, Zylinder und Schnecke, schließen. Folglich wird vorgeschlagen, eine kontinuierliche Online-Aufzeichnung von den relevanten Maschinendaten und -parametern (z. B. Heiz- und Kühlleistung, Massedruckverlauf in der Verfahrenseinheit etc.), durchzuführen.
Eine Langzeitauswertung dieser Daten mit geeigneten mathematischen Verfahren bringt die Maschinendaten und -parameter in Korrelation mit dem Verschleißwert. Fortbildungsgemäß beinhaltet dies die Elimination von Störgrößen oder Korrektur der störgrößenbedingten Messwerte und die Berechnung einer störgrößenbereinigten Prozesskurve. Insbesondere steht die Betrachtung der Zeitkonstanten im Vordergrund, im Gegensatz zu der großen Verschleißzeitkonstante (z. B. 6000 Betriebsstunden) sind Störungen wie Material- und Chargenwechsel, Änderungen des Zylindertemperaturprofils und der Extruderschneckendrehzahl kleine Zeitkonstanten (z. B. < 24 Betriebsstunden), die mittels Vergleich mit den aufgezeichneten Maschinendaten und -parametern erkennbar sind und entweder vernachlässigt werden können oder auf eine für den Verschleißwert berechnete bereinigte Prozesskurve projizierbar sind.
Relevante Maschinendaten und -parameter sind z. B. Energieeintrag, Heiz-, und Kühlleistung der Zylinderzonen, Extruderdrehzahl, -drehmoment, Massedruck, Zylindertemperaturprofil, die Einzugsbuchsen- und Materialtemperatur, aber auch Chargen- und Materialwechsel können erfasst werden.
Im Speziellen werden die Veränderungen der Heiz- und Kühlleistung durch die Einschaltdauer-Veränderung (ED) bzw. dem Tastverhältnis, der Tastrate ermittelt.
Ermittelt und ausgewertet wird der Gradient über den Verlauf der aufgezeichneten ED-Kurve. Ermittelt und ausgewertet wird auch die Differenz zwischen einem idealisierten Referenzmesswert und dem Verlauf der aufgezeichneten ED-Kurve.
Mathematische Verfahren sind z. B. Expertensysteme, Fuzzytechnologie, neuronale Netze, evolutionäre Strategien, statistische Methoden, ähnlichkeitstheoretische und modelltheoretische Ansätze.
Diese Datenaufzeichnung und -auswertung kann sowohl auf einem maschineninternen PC, einer maschineninternen Steuerungselektronik als auch auf einem im Intranet stehenden externen PC durchgeführt werden.
Die Meldung der Verschleißzustände kann lokal an der Maschine, Linie und in der Produktionsstätte per Intranet, aber auch global über den aktuellen Stand der Telekommunikationsverfahren wie Internet, SMS, E-Mail, Telefon, Fax etc. mitgeteilt und angezeigt werden. Diese Mitteilungen können physikalisch nach aktuellem Stand der Technik Topologien wie drahtlos z. B. WLAN, Funkstrecken etc. oder drahtgebunden benutzen. Warnhinweise sind in diese Meldungen integrierbar.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
In den beiden Figuren sind beispielhaft zwei Aufzeichnungen der Messergebnisse von einer der relevanten Daten dargestellt.
1 zeigt den gerechneten Funktionsverlauf und
2 eine Messreihe über X Betriebstunden.
1 zeigt beispielhaft die Veränderung der Einschaltdauer der Heizlinie ED, aufgetragen über den gemessenen Betriebsstunden h. Beginnend vom ersten Messwert wird eine Gerade als Referenzlinie gestrichelt dargestellt. Aus den ersten drei bis vier Messpunkten 1 wird anhand eines mathematischen Verfahrens die Funktion 2 ermittelt und dargestellt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Steigung zwischen zwei benachbarten Messpunkten sich gleichmäßig verändert und sich somit die theoretischen Messpunkte 3 auf der Funktion 2 ergeben.
2 zeigt im Vergleich dazu die kontinuierliche Aufzeichnung der Messdaten, in dem Beispiel ebenfalls die Einschaltdauer der Heizleistung über den Betriebsstunden. Es ist deutlich zu erkennen, dass hierbei eine Vielzahl von Messpunkten 4 von dem theoretischen Idealgraphen 2 abweichen. Es zeigt sich jedoch, dass diese Messpunkte 4, bezogen auf den Gesamtbetrachtungszeitraum der Betriebsstunden, ein relativ kurzes Zeitintervall aufweisen, weshalb davon ausgegangen werden kann, dass diese Messdaten zu einem Zeitpunkt aufgezeichnet wurden, bei dem beispielsweise ein Material- bzw. Chargenwechsel vollzogen wurde. Derartige Messdaten können daher unberücksichtigt bleiben. Alternativ besteht die Möglichkeit, Veränderungen der Messwerte mit kleiner Zeitkonstante zu eliminieren, indem die Messwerte auf ihren Startwert zu rückgerechnet werden. Dies gilt für einzelne Messwerte, kann aber auch bei Gruppen von Messwerten mit identischem Störgrößeneinfluss auf den Startzeitpunkt der Störgröße umgesetzt werden. Ergebnis sind die korrigierten Messwerte 6 in 2, die dann bei der Berechnung und Auswertung der Verschleißkurve einbezogen werden können.
Die anderen Messdaten liegen weitgehend auf dem theoretischen Graphen 2. Weichen derartige Daten nun vom theoretischen Graphen ab und können nicht den anfangs beschriebenen Störgrößen zugeordnet werden, kennzeichnet dieses einen Verschleiß der Extrudermaschine.
Es ist auch ein weiterer mathematischer Ansatz denkbar, bei dem die Auswertung der Steigung ded/dt und der ΔED Differenz zum Startwert herangezogen wird.
Wird beispielsweise der Gradient über den Verlauf der aufgezeichneten ED – Kurve ermittelt und ausgewertet, so sollte dieser Gradient ein gewisses Maß nicht überschreiten. Im Umkehrschluss kennzeichnet ein Überschreiten den Verschleiß der Extrudermaschine. Bei den weiteren Messungen wird nun auch die Differenz zwischen einem idealisierten Referenzmesswert 7 gemäß 1 und dem Verlauf der aufgezeichneten ED – Kurve ermittelt und ausgewertet. Nach obiger Bedingung bedeutet das, wenn die Veränderung der Steigung oder die ermittelte Differenz von der bestimmten Gesetzmäßigkeit abweicht, liegt ein Verschleiß vor. Hierbei ist zu beachten, dass Veränderungen über eine kurze Zeit von X, als Abweichungen durch Chargenwechsel etc., herbeigeführt wurden und nach weiteren X Stunden sich wieder auf das „Normalmaß" zurückpendeln.

1: erste Messungen
2: Funktion aus 1
3: theoretische Messwerte gem. 2
4: Störgrößen
5: weitere Messdaten
6: korrigierte Messwerte durch Störgrößenelimination
7: idealisierter Referenzmesswert
ΔED: Differenz der Einschaltdauer zu 7
dt: Differenzial der Zeit
ded: Differenzial der Einschaltdauer

Claims

Verfahren zur Verschleißwertermittlung bei einem Doppelschneckenextruder, das die Schritte umfasst: a) Auswahl relevanter Daten und/oder Parameter am Doppelschneckenextruder, b) Erfassen der Daten (1, 3, 5) am Doppelschneckenextruder, c) permanentes Wiederholen des Verfahrensschrittes b) nach X Betriebsstunden, wobei X eine variable Größe sein kann, gekennzeichnet durch d) Ermitteln einer Funktion (2) aus den Messdaten (1), wobei die Funktionsermittlung nach Vorliegen von mindestens zwei bis drei Messreihen durchgeführt wird, e) Hochrechnen des Funktionsverlaufes anhand der Funktionsgleichung, f) Vergleichen der gemäß Schritt c) erfassten Daten (5) mit dem nach e) ermittelten Funktionsverlauf, g) Melden von Abweichungen, sobald der ermittelte Messwert (5) eine zuvor bestimmte maximale Abweichung überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Verfahrensschritten d) bis f) Messwerte mit einer kleinen Zeitkonstanten als Störgrößen (4) behandelt und somit nicht berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Verfahrensschritten d) bis f) Messwerte mit einer kleinen Zeitkonstanten als Störgrößen (4) behandelt werden, wobei diese auf ihren Anfangs- bzw. Startwert zurückgerechnet und als korrigierte Messwerte (6) in der Berechnung gemäß Verfahrensschritt e) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als relevante Daten oder Parameter der Energieeintrag, die Heiz- und Kühlleistung der Zylinderzonen, die Extruderdrehzahl oder das Extruderdrehmoment, der Massedruck, das Zylindertemperaturprofil, die Einzugsbuchsen- und Materialtemperatur, aber auch Chargen- und Materialwechsel ausgewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderungen der Heiz- und Kühlleistung durch die Einschaltdauer-Veränderung (ED) bzw. dem Tastverhältnis, Tastrate ausgewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter in der Verfahrenseinheit ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Parameter gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Aufzeichnung und Berechnung mittels eines in der Extrudermaschine integrierten PC's erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Aufzeichnung und Berechnung mittels einer in der Extrudermaschine integrierten Steuerungselektronik erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Aufzeichnung und Berechnung mittels eines mit einem Intranet verbundenen PC erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meldung des Verschleißzustandes lokal an der Maschine erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meldung des Verschleißzustandes in der Produktionsstätte per Intranet erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meldung des Verschleißzustandes über aktuelle Telekommunikationsverfahren wie Internet, SMS, E-Mail, Telefon, FAX erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meldung des Verschleißzustandes drahtgebunden oder drahtlos über WLAN, Funkstrecken übermittelt wird.