DE3623679A1 - Verfahren zum betrieb eines schneckenextruders und schneckenextruder zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zum betrieb eines schneckenextruders und schneckenextruder zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum
Betrieb eines Schneckenextruders nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und auf einen Schneckenextruder
zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff
von Anspruch 3. Ein derartiger Schneckenextruder
ist aus der DE-AS 22 60 768 bekannt. Dort wird
eine Steuereinrichtung für einen kontinuierlich
arbeitenden Mischer beschrieben, bei welchem der
Schnecken-Antriebsmotor sowohl in Abhängigkeit
von der Materialtemperatur wie auch in Abhangigkeit
von dem Mischerdrehmoment geregelt wird. Zur Vermeidung
von Überschwing-Vorgängen wird ein Filter eingeschal
tet und nur der niederfrequente Teil der Drehmoment
änderung zur Regelung herangezogen. Als Regler
wird ein PI-Regler verwendet. Dieses vorbekannte
Regelprinzip setzt eine exakte Temperaturmessung
für seine Funktionsfähigkeit voraus.
Aus der DE-PS 33 10 484 ist ein Doppelschneckenex
truder bekannt, bei welchem zur Erzielung einer
Leistungssteigerung bis an die Leistungsgrenze
des Extruders eine Drehzahlregelung vorgenommen
wird. Es handelt sich dabei um ein Zweifach-Regel
system, in dem ein Regelkreis "Drehmoment-Durchsatz"
zur Durchsatzoptimierung dient, während ein anderer
Regelkreis "Massetemperatur-Drehzahl" zur Einstellung
der maximal möglichen Ausstoßtemperatur dient.
Dieser letztgenannte Regelkreis ist an sich ein
Hilfs-Regelkreis, der es ermöglicht, eine möglichst
hohe Drehzahl einzustellen, so daß die entstehenden
Drehmomentreserven für eine weitere Erhöhung des
Durchsatzes ausgenutzt werden können. Da beide
Regelkreise sich gegenseitig beeinflussen, wurde
eine Entkopplung derart realisiert, daß man die
Regler zumindest in der Hochlaufphase abwechselnd
arbeiten läßt.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß
die sich beim Aufschmelzprozeß in einem Schnecken
extruder ergebenden Produkteigenschaften ganz wesent
lich durch die eingeleitete Energie bestimmt werden.
Zur Erzielung konstant gleichbleibender Produkt
eigenschaften ist es wünschenswert, die eingeleitete
Energie konstant zu halten. Hinsichtlich der zugeführ
ten thermischen Energie läßt sich dies durch eine
Gehäusetemperaturregelung realisieren. Die mechanische
Energieeinleitung durch Reibung wird demgegenüber
herkömmlicherweise ungeregelt vorgenommen, indem
eine feste Extruder-Drehzahl eingestellt wird,
oder aber die Extruder-Drehzahl - wie vorstehend
dargelegt - nach anderen Kriterien geregelt wird,
nicht jedoch mit der Zielrichtung der Konstanthaltung
der eingeleiteten Energie. Gerade bei größeren
Schneckenextrudern ist aber der Anteil mechanischer
Energieeinleitung dominierend.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Regelung für die mechanische Energie
einleitung vorzusehen, um diese zur Erzielung einer
möglichst gleichmäßigen Produktqualität konstant
zu halten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren nach dem kennzeichnenden Teil von
Anspruch 1 bzw. 2 und einen Schneckenextruder gemäß
dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 3.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei
der als Regelgröße die spezifische Energieeinleitung
verwendet wird, d.h. die eingeleitete Antriebsenergie
bzw. Antriebsleistung pro Durchsatz, ergibt sich
eine durchsatzunabhängige Betriebsweise des Schnecken
extruders. Darüber hinaus wird der grundsätzliche
Vorteil erreicht, daß gegenüber Drehzahlsteuerungen
und Drehzahlregelungen herkömmlicher Art eine kon
stante spezifische Energieeinleitung und damit
eine definierte Produktqualität erzielt wird. Da
die Produkttemperatur bei Schneckenextrudern der
in Betracht stehenden Art darüber hinaus ganz wesent
lich durch die spezifische Energieeinleitung bestimmt
wird, läßt sich das erfindungsgemäße Regelprinzip
mit Vorteil auch bei solchen Systemen anwenden,
bei welchen eine Messung der Produkttemperatur
nicht oder nur mit relativ großem Aufwand möglich
ist. Hinsichtlich der durchsatzunabhängigen Betriebs
weise ist außerdem noch als günstig zu vermerken,
daß die eingeleitete spezifische Energie als Meß
größe schneller auf Durchsatzänderungen reagiert
als z.B. die Produkttemperatur, so daß bei Durchsatz
änderungen hinsichtlich der Produkttemperatur eine
schnellere Ausregelung erreicht wird, als wenn
die Korrektur der Drehzahl direkt aus einer Masse
temperaturmessung abgeleitet wird.
Zur Realisierung des angestrebten Regelverhaltens
wird gemäß Anspruch 4 vorzugsweise eine PID-Regel
einrichtung verwendet. Eine solche PID-Regeleinrich
tung zeichnet sich dadurch aus, daß die Stellgröße
einer Addition der Ausgangsgrößen einer P-Regelein
richtung, einer I-Regeleinrichtung und einer D-Regel
einrichtung entspricht (vgl. DIN 19 226). Eine
derartige Regeleinrichtung zur Realisierung des
erfindungsgemäßen Regelprinzips ist immer dann
einsetzbar, wenn im Arbeitsbereich ein annähernd
proportionaler Zusammenhang zwischen der Drehzahl
des Antriebsmotors und der spezifischen Energie
einleitung besteht.
Durch die gemäß Anspruch 5 vorgesehene Dividier
einrichtung wird der Quotient aus Antriebsleistung
des Antriebsmotors und Durchsatz zur Bildung der
Regelgröße S entsprechend der spezifischen Energie
einleitung gebildet. Die nach Anspruch 6 der Divi
diereinrichtung zur Ausfilterung von höherfrequenten
Signalanteilen nachgeordnete Filtereinrichtung,
welche gemäß Anspruch 7 vorzugsweise eine Zeitkon
stante von ca. 20 sec. besitzt, wird ebenso wie
durch eine gemäß Anspruch 8 vorgesehene, der Regel
einrichtung nachgeordnete Filtereinrichtung, welche
gemäß Anspruch 9 vorzugsweise eine Zeitkonstante
von ca. 100 sec. besitzt, erreicht, daß kurzzeitige
Störgrößen nicht berücksichtigt werden und auf
diese Weise unnötige Stellbewegungen vermieden
werden. Demgegenüber soll erreicht werden, daß
langsame Störgrößen ausgeregelt werden, wie z.B.
Ausgangsproduktschwankungen. Durch die vorgesehene
Dimensionierung wird sichergestellt, daß auch bei
Durchsatzänderungen der jeweils neue stationäre
Betriebspunkt für die Drehzahl ausreichend schnell,
aber ohne Überschwingen des Drehmoments erreicht
wird.
Durch die nach Anspruch 10 vorgesehene Ausgestaltung
ist es möglich, dem Energieregelkreis eine Produkt
temperatur in Form einer Kaskadenregelung zu überla
gern, wobei der Soll-Wert der spezifischen Energie
einleitung als Stellgröße für den Massentemperatur-
Regelkreis verwendet wird. Hierdurch ergeben sich
Vorteile sowohl im Betrieb als auch bei der Inbetrieb
nahme, da der Energieregelkreis unabhängig von
dem Temperatur-Regelkreis optimiert werden kann
und für sich funktionsfähig ist. Auch bei Ausfall
eines Temperaturfühlers kann der Schneckenextruder
ohne wesentliche Beeinträchtigung der Produktqualität
weitergefahren werden. Die überlagerte Produkt-
Temperaturregelung arbeitet also so, daß über den
Soll-Wert der spezifischen Energieeinleitung der
Schneckenextruder in die Nähe des zur gewünschten
Produkttemperatur gehörenden Betriebspunktes gesteuert
wird, wobei die Temperatur-Regeleinrichtung dann
nur noch in einem kleinen Arbeitsbereich die so
gewählte Voreinstellung korrigiert.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschrei
bung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand
der Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines gattungs
gemäßen Schneckenextruders,
Fig. 2 eine schematische, blockschaltbildartige
Darstellung einer erfindungsgemäßen Regelan
ordnung, und
Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung mit
überlagerter Produkttemperatur-Regelung.
Ein in Fig. 1 dargestellter Schneckenextruder weist
ein Gehäuse 1 auf, das aus mehreren Abschnitten
2, 3, 4 besteht, die axial hintereinander angeordnet
und aneinandergeflanscht sind. In dem Gehäuse 1
ist eine in der Zeichnung nicht dargestellte Schnecke
angeordnet, welche über ein Getriebe 5 von einem
Motor 6 angetrieben wird. Das Gehäuse 1 und das
Getriebe 5 sowie der Motor 6 sind über Ständer 7
gegenüber dem Boden 8 abgestützt. In den ersten,
als Einzugszone dienenden Gehäuseabschnitt 2 mündet
ein Einlaßtrichter 9 ein, in den zu verarbeitendes
Material beispielsweise über eine als Bandwaage
ausgebildete Zuführeinrichtung 10, beispielsweise
für Granulat, und/oder eine als Dosierschnecke
ausgebildete Zuführeinrichtung 10′, beispielsweise
für Pulver, zugeführt wird. In dem letzten Gehäuse
abschnitt 4 kurz vor dem austragsseitigen Ende 11
ist eine - lediglich schematisch dargestellte
Temperaturmeßeinrichtung 12, welche sich in das
Innere des Gehäuses 1 erstreckt, vorgesehen. Den
Zuführeinrichtungen 10, 10′ sind Durchsatz-Meßeinrich
tungen 13, 14 zugeordnet.
In Fig. 2 ist schematisch eine Regelanordnung darge
stellt, wie sie erfindungsgemäß verwendet werden
kann. Diese Anordnung umfaßt eine Dividiereinrich
tung 15, welcher als Eingangsgrößen die Antriebs
leistung N des Antriebsmotors 6, welche durch Messung
von Strom und Spannung in an sich bekannter Weise
mit im einzelnen nicht dargestellten Meßeinrichtun
gen (22) erfaßt werden kann, und der Durchsatz G
zugeführt werden. Der Durchsatz G wird durch die
Durchsatz- Meßeinrichtungen 13, 14, welche den
Zuführeinrichtungen 10, 10′ zugeordnet sind, ermittelt,
wobei davon ausgegangen wird, daß im Betrieb die
zugeführte Produktmenge der ausgetragenen Produktmenge,
d.h. dem Durchsatz, entspricht. Als Durchsatz ist
die zugeführte Produktmasse pro Zeit definiert.
In der Dividiereinrichtung 15 wird der Quotient
aus Antriebsleistung N und Durchsatz G ermittelt
und hierdurch die Regelgröße S gebildet, welche
über einen Filter 16 der Vergleichsstelle 17 einer
Regeleinrichtung 18 zugeführt wird. Die als Tiefpaß
ausgestaltete Filtereinrichtung 16 sorgt ebenso
wie eine der Regeleinrichtung 18 nachgeschaltete
Filtereinrichtung 19, welche ebenfalls als Tiefpaß
ausgestattet ist, dafür, daß höherfrequente Signalan
teile ausgefiltert werden, so daß in die Regelung
nur langsam sich ändernde Störgrößen, wie z.B.
Ausgangsprodukt-Änderungen, eingehen. Die Filterein
richtung 19 hat eine Zeitkonstante von ca. 100 sec.
und die Filtereinrichtung 16 eine Zeitkonstante
von ca. 20 sec.
Der Vergleichsstelle 17, welche als Differenzbildungs-
Einrichtung wirkt, wird neben dem gefilterten Regel
signal S m der Soll-Wert S soll der spezifischen
Energieeinleitung zugeführt, so daß am Eingang
der Regeleinrichtung 18 ein Signal ΔS entsprechend
der Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert anliegt.
Das durch die Filtereinrichtung 19 gefilterte Aus
gangssignal der Regeleinrichtung 18 wird durch
einen Faktor K 2 gewichtet, wobei dieses Signal
einer als Additionseinrichtung ausgebildeten weiteren
Vergleichsstelle 20 zugeführt wird. Dieser Vergleichs
stelle 20 wird daneben ein durch einen Faktor K1
gewichtetes Grund-Drehzahlsignal n b zugeführt,
wobei aus der Summe dieser Eingangsgrößen gemäß
der Gleichung n s =K 1×n b +K 2×X s ein Ausgangs
signal n s gebildet wird, welches dem Antriebsmotor 6
zugeführt wird, der den in Fig. 1 dargestellten,
als Ganzes mit 21 bezeichneten Extruder antreibt.
Die Größe n s bildet also die resultierende Soll-Wert-
Drehzahl für den Hauptantrieb.
Eine Regelung der vorstehend beschriebenen Art
läßt sich z.B. zur Extrusion von Kunststoffen verwen
den, z.B. Polyäthylen und Polyamid. Ein charakte
ristischer Wert für die eingeleitete Energie bezogen
auf die Produktmasse kann z.B. bei o,1 bis o,3 KWh/kg
liegen. Abhängig von dem verwendeten Material liegt
die maximal zulässige Temperatur bei ca. 200 bis
280°C. Durch die erfindungsgemäß erzielte Konstant
haltung der eingeleiteten spezifischen Energie
wird auch eine Konstanthaltung der bei Vorrichtungen
der gattungsgemäßen Art von dieser spezifischen
Energie wesentlich bestimmten Temperatur erzielt,
d.h. es wird erreicht, daß die maximal zulässige
Temperatur nicht überschritten wird.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt,
bei welchem der vorstehend beschriebenen Energie
regelung eine Temperaturregelung in Form einer
Kaskaden-Regelung überlagert ist. Zur Vereinfachung
der Darstellung sind hinsichtlich des Energie-Regel
kreises in Fig. 3 lediglich die Vergleichsstelle 17,
die Regeleinrichtung 18 und der Motor 6 dargestellt.
Die Produkttemperatur am austragsseitigen Ende 11
des Extruders 21 wird über eine Meßeinrichtung 12
erfaßt, welche das Signal ϑ n liefert. Dieses Signal
wird einer Vergleichsstelle 23, welche als Differenz
bildungseinrichtung ausgebildet ist, zusammen mit
dem Temperatur-Soll-Wert-Signal ϑ ns zugeführt. Das
in der Vergleichseinrichtung 23 gebildete Signal
wird dem Eingang der Temperatur-Regeleinrichtung 24
zugeführt. Am Ausgang der Temperatur-Regeleinrich
tung 24 liegt dann ein Korrektur-Signal S k für
die spezifische Energieeinleitung vor, welches
einer Vergleichsstelle 25, die als Addiereinrichtung
ausgebildet ist, zugeführt wird. Dieser Vergleichs
stelle 25 wird außerdem ein Signal S b zugeführt,
welches den Basis-Soll-Wert für die Energieeinleitung
darstellt, wobei diesem dann das Korrektursignal S k
unter Ausbildung des resultierenden Soll-Wert-Sig
nales S s überlagert und der Vergleichseinrichtung 17
anstelle des Wertes S soll bei der Ausführungsform
gemäß Fig. 2 zugeführt wird. Der Wert für das Sig
nal S b wird so gewählt, daß die Produktmasse einen
der gewünschten Massetemperatur entsprechenden
Betriebspunkt erreicht, wobei durch die Regelung
lediglich noch ein kleiner Arbeitsbereich der über
das Signal S b gewählten Voreinstellung ausgeregelt
wird.
Claims (11)
1. Verfahren zum Betrieb eines Schneckenextruders,
wobei die Drehzahl des Antriebsmotors des Schnecken
extruders geregelt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Drehzahl in Abhängigkeit von der spezifischen
Energieeinleitung derart geregelt wird, daß diese
im wesentlichen konstant gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Energieregelung in Form einer Kaskaden-Rege
lung eine Regelung in Abhängigkeit von der Produkt
temperatur überlagert ist.
3. Schneckenextruder zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1 oder 2, umfassend einen Schneckenex
truder mit wenigstens einer in einem Gehäuse angeord
neten Schnecke, welche über einen Antriebsmotor
mit veränderbarer Drehzahl kontinuierlich angetrie
ben wird, und mit Zuführeinrichtungen zur Zuführung
von Ausgangsprodukten, Zuschlagstoffen u. dgl.
und einer Regeleinrichtung zur Regelung der Schnecken-
Drehzahl, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (22)
zur Messung der Antriebsleistung (N) des Antriebs
motors (6), wenigstens einer Einrichtung (13 bzw. 14)
zur Bestimmung der zugeführten Produktmenge pro
Zeit (Durchsatz), wobei dem Eingang der Regeleinrich
tung (18) eine den Quotienten aus Antriebsleistung (N)
und Durchsatz (G) entsprechendes Signal als Ist-
Wert (S) zugeführt wird, und wobei der Ausgang
der Regeleinrichtung (18) mit dem Antriebsmotor (6)
zur Konstanthaltung der spezifischen Energieeinleitung
verbunden ist.
4. Schneckenextruder nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Regeleinrichtung eine PID-Regelein
richtung ist.
5. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß den Einrichtungen zur Bestimmung
der Antriebsleistung (N) und des Durchsatzes (G)
eine Dividiereinrichtung (15) nachgeschaltet ist.
6. Schneckenextruder nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Dividiereinrichtung (15) eine
Filtereinrichtung (16) zur Ausfilterung von höher
frequenten Signalanteilen nachgeordnet ist.
7. Schneckenextruder nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Filtereinrichtung (16) eine Zeitkon
stante von ca. 10-40 sec. besitzt.
8. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Regeleinrichtung (18) eine Filter
einrichtung (19) zur Ausfilterung von höherfrequen
ten Signalanteilen nachgeordnet ist.
9. Schneckenextruder nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Filtereinrichtung (19) eine Zeitkon
stante von ca. 100 sec. aufweist.
10. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß im Austragsbereich (Ende 11)
des Extruders (21) eine Produkttemperatur-Meßein
richtung (12) angeordnet ist, welche mit dem Eingang
einer Temperatur-Regeleinrichtung (24) verbunden
ist, deren Ausgang mit dem Eingang der Regeleinrich
tung (18) für die Motordrehzahl verbunden ist.
11. Schneckenextruder nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur-Regeleinrich
tung (24) als PID-Einrichtung ausgebildet ist.
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