DE4236364C1 - Verfahren zur Regelung der Ausbringung einer Kunststoff-Extrusionsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Ausbringung einer Kunststoff-Extrusionsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Extrusions- und Co-Extrusionsanlage zur Herstellung von Platten, Profilen, Rohren usw. aus thermoplastischen Kunststoffen ist die zeitliche Konstanz der Ausbringung des Extrusionswerkzeuges von entscheidender Bedeutung für die gleichbleibende Qualität des Produktes. Der Extruder, in der Regel ein Schneckenextruder, in welchem das Kunststoffmaterial geschmolzen wird, weist unvermeidliche Schwankungen in der Fördermenge auf. Diese Schwankungen sind besonders stark beim Anlauf der Anlage, können jedoch auch im Dauerbetrieb auftreten, z. B. infolge von Schwankungen der zugeführten Materialmenge oder durch sich ändernde Materialeigenschaften. Um zu verhindern, daß solche Schwankungen in der Fördermenge des Extruders zu Druckschwankungen der Kunststoffschmelze vor dem Extrusionswerkzeug und damit zu Schwankungen in der Ausbringung führen, wird zwischen den Extruder und das Extrusionswerkzeug eine Schmelzepumpe eingesetzt, vorzugsweise eine nahezu volumetrisch fördernde Zahnradpumpe. Diese Schmelzepumpe gewährleistet eine zeitlich konstante Förderung der Kunststoffschmelze zu dem Extrusionswerkzeug, so daß die Schmelze mit konstantem Druck durch das Extrusionswerkzeug gepreßt wird. Um eine konstante Materialförderung zu der Schmelzepumpe sicherzustellen, wird der Pumpenvordruck vor der Schmelzepumpe über die Drehzahl des Extruders konstant geregelt.

Diese bekannte Regelung des Pumpenvordrucks der Schmelzepumpe über die Drehzahl des als Stellglied wirkenden Extruders ist im stationären Betrieb der Extrusionsanlage im allgemeinen ausreichend und ergibt eine gute Konstanz der Ausbringung. Schwierigkeiten ergeben sich jedoch beim Anfahren der Anlage. Zunächst läuft die Schmelzepumpe noch sehr langsam, wenn der Extruder angefahren wird. Beginnt die Fördermenge des Extruders zu steigen, so würde der Pumpenvordruck plötzlich schlagartig ansteigen, so daß die aus Sicherheitsgründen notwendige Grenzdruckabschaltung aktiviert würde. Deshalb wird der Extruder zunächst mit einer langsamen Drehzahl angefahren, bis ein gewisser Pumpenvordruck aufgebaut ist. Anschließend werden die Drehzahlen von Extruder und Schmelzepumpe parallel hochgefahren, bis die stationären Betriebsbedingungen erreicht sind. Dieses parallele Hochfahren der Drehzahlen von Extruder und Schmelzepumpe wird manuell durch eine Bedienungsperson gesteuert und erfordert ein großes Geschick und eine große Erfahrung, da die Fördermenge des Extruders beim Anfahren noch sehr ungleichmäßig ist und demzufolge der Pumpenvordruck stark schwankt. Die Bedienungsperson muß daher beim Hochfahren der Extruderdrehzahl laufend die Drehzahl der Schmelzepumpe nachstellen, um Spitzen des Pumpenvordruckes zu vermeiden, die zu einer Grenzdruckabschaltung führen könnten. Schließlich muß die Bedienungsperson entscheiden, wann sich die Betriebsbedingungen so weit stabilisiert haben, daß die automatische Regelung des Pumpenvordruckes über die Drehzahl des Extruders eingeschaltet werden kann. Eine vorzeitige Einschaltung der Regelung ist sinnlos, da der Extruder als Stellglied für die Regelung des Pumpenvordrucks unbrauchbar ist, solange der Extruder noch ungleichmäßig fördert. Ein zu spätes Einschalten der Regelung bedeutet einen Verlust an effektiver Produktionszeit.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Anfahren und die Bedienung einer Extrusionsanlage einfacher und sicherer zu machen.

Dieses Problem wird mit einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, das erfindungsgemäß die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 aufweist.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben. Eine zweckmäßige Extrusionsanlage zur Durchführung des Verfahrens ist in den Ansprüchen 7 und 8 gekennzeichnet.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Druck vor der Schmelzepumpe alternativ über die Drehzahl des Extruders oder über die Drehzahl der Schmelzepumpe zu regeln. Fördert der Extruder nicht gleichmäßig, so wird der Pumpenvordruck mit der Schmelzepumpe als Stellglied geregelt, während der Extruder mit der vorgegebenen Drehzahl läuft. Dies hat den Vorteil, daß sich der Prozeß aufgrund des mit konstanter Drehzahl laufenden Extruders schneller stabilisert. Unstetigkeiten der Fördermenge des Extruders führen nicht zu Änderungen der Extruderdrehzahl, die dann wieder mit einer entsprechenden Verzögerung auf den Sollwert gefahren werden müßte. Außerdem eignet sich die Schmelzepumpe bei Unstetigkeiten der Fördermenge des Extruders besser als Stellglied, da die Schmelzepumpe erst anläuft, wenn ein Druck vor der Pumpe aufgebaut ist, d. h. Material vor der Schmelzepumpe vorhanden ist. Insbesondere reagiert der Pumpenvordruck sehr direkt auf Drehzahländerungen der Schmelzepumpe, während der Pumpenvordruck auf Drehzahländerungen des Extruders nur mit Verzögerung anspricht. Durch die Regelung der Drehzahl der Schmelzepumpe können Förderschwankungen des Extruders daher sehr schnell und direkt ausgeglichen werden.

Erfindungsgemäß werden die Förderschwankungen des Extruders beobachtet und der Pumpenvordruck der Schmelzepumpe wird durch Steuerung der Drehzahl der Schmelzepumpe geregelt, wenn starke zeitliche Schwankungen der Fördermenge des Extruders auftreten. Hat sich die Förderung des Extruders stabilisert, so daß der Pumpenvordruck keine störenden kurzzeitigen Schwankungen zeigt, so wird die Regelung umgeschaltet und der Pumpenvordruck durch Steuerung der Drehzahl des Extruders geregelt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann beim Anfahren der Extrusionsanlage der Extruder schnell auf die stationäre Soll-Drehzahl hochgefahren werden. Da der Pumpenvordruck sehr schnell auf Drehzahländerungen der Schmelzepumpe anspricht, besteht keine Gefahr, daß Förderschwankungen des Extruders bei dem schnellen Hochfahren zu einem zu hohen Pumpenvordruck und damit zu einer Grenzdruckabschaltung führen. Das Hochfahren der Extrusionsanlage muß nicht mehr manuell gesteuert werden, so daß der personelle Aufwand verringert und der Betrieb zuverlässiger wird.

Vorzugsweise erfolgt das Umschalten zwischen Regelung über die Schmelzepumpendrehzahl oder über die Extruderdrehzahl automatisch aufgrund einer Beobachtung und Bewertung der Schwankungen vorzugsweise des Pumpenvordrucks, gegebenenfalls auch der Drehzahlen. Das automatische Umschalten hat den Vorteil, daß beim Anfahren frühzeitig auf den stationären Betrieb mit konstanter Drehzahl der Schmelzepumpe umgeschaltet werden kann. Dadurch wird die Produktivität der Anlage gesteigert. Außerdem hat das automatische Umschalten den Vorteil, daß eventuell während des stationären Betriebs auftretende Schwankungen automatisch durch Umschalten auf die Regelung über die Pumpendrehzahl aufgefangen werden. Dadurch können Ausschußproduktion aufgrund von Förderschwankungen des Extruders während des Dauerbetriebs und insbesondere Grenzwertabschaltungen bei stärkeren Förderschwankungen vermieden werden. Durch diese automatische Umschaltung kann die Extrusionsanlage gegebenenfalls zumindest zeitweise auch mannlos gefahren werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine schematische Darstellung des Verfahrens zeigt.

Die Extrusionsanlage zum Strangpressen von Platten, Profilen, Schläuchen, Rohren usw. aus thermoplastischem Kunststoff weist einen Extruder Ex auf, der insbesondere als Schneckenförderer ausgebildet ist. Dem Extruder Ex wird der Kunststoff als Granulat zugeführt. Der Kunststoff wird in dem Extruder Ex geschmolzen und einer Schmelzepumpe Sp zugeführt, die die Kunststoffschmelze mit konstantem Volumenstrom und damit konstantem Druck einem Extrusionswerkzeug zuführt. Die Schmelzepumpe Sp ist insbesondere eine nahezu volumetrisch fördernde Zahnradpumpe.

Der Pumpenvordruck p vor der Schmelzepumpe Sp hängt von den Drehzahlen n des Extruders Ex und der Schmelzepumpe Sp ab. Wie in der Zeichnung durch die Kennzeichnungen + und - der entsprechenden Pfeile angedeutet ist, bewirkt eine Erhöhung der Drehzahl n des Extruders Ex einen Anstieg des Pumpenvordrucks p, während eine Erhöhung der Drehzahl n der Schmelzepumpe Sp eine Verringerung des Pumpenvordrucks p bewirkt.

Dem Extruder Ex ist ein Regler R_Ex zugeordnet, der die Drehzahl n des Extruders Ex als Stellgröße bestimmt. Ebenso ist der Schmelzepumpe Sp ein Regler R_Sp zugeordnet, der die Drehzahl n der Schmelzepumpe Sp als Stellgröße vorgibt. Über eine Umschaltlogik Ul können alternativ entweder der Regler R_Ex des Extruders Ex aktiviert und der Regler R_Sp der Schmelzepumpe Sp deaktiviert werden, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, oder der Regler R_Sp an die Schmelzepumpe Sp angeschaltet und der Regler R_Ex von dem Extruder Ex getrennt werden. Der Pumpenvordruck p wird gemessen und als Druck-Ist-Wert X_p den Reglern R_Ex und R_Sp zugeführt, so daß je nach Schaltstellung der Umschaltlogik Ul der Pumpenvordruck p über die Drehzahl n des Extruders Ex oder über die Drehzahl n der Schmelzepumpe Sp geregelt wird.

Der für die Prozeßbedingungen erforderliche Pumpenvordruck p wird dabei als Druck-Soll-Wert w_p den Reglern R_Ex bzw. R_Sp vorgegeben.

Ebenso kann ein den Konstruktions- und Prozeßbedingungen entsprechender optimaler Drehzahl-Soll-Wert w_n dem Extruder Ex und der Schmelzepumpe Sp vorgegeben werden. Die Umschaltlogik Ul schaltet die Drehzahl-Soll-Wert-Vorgabe dabei so, daß jeweils dem Aggregat (Extruder Ex oder Schmelzepumpe Sp) der zugehörige Drehzahl-Soll-Wert w_n vorgegeben wird, dessen Drehzahl n nicht durch den zugehörigen Regler gesteuert wird. Wird somit (in dem in der Zeichnung dargestellten Schaltzustand) die Drehzahl n des Extruders Ex durch den Regler R_Ex gesteuert, so wird die Drehzahl n der Schmelzepumpe Sp auf den zugehörigen Drehzahl-Soll-Wert w_n eingestellt, während die Drehzahl-Soll-Wert-Vorgabe des Extruders Ex nicht aktiviert ist. Wird umgekehrt die Drehzahl n der Schmelzepumpe Sp durch den Regler R_Sp gesteuert, so wird dem Extruder Ex ein Drehzahl-Soll-Wert w_n vorgegeben.

Die Umschaltung zwischen der Regelung über den Extruder Ex und über die Schmelzepumpe Sp erfolgt stoßfrei, so daß das Umschalten den Prozeßablauf nicht störend beeinflußt. Hierzu wird beim Umschalten die momentane Ist-Drehzahl des bisher als Stellglied arbeitenden Aggregats als Drehzahl-Soll-Wert w_n für den weiteren Betrieb dieses Aggregats übernommen.

Die Umschaltung über die Umschaltlogik Ul kann von einer Bedienerebene Be manuell über einen Betriebsart-Wahlschalter Bw betätigt werden. Von dieser Bedienerebene Be werden auch die Druck-Soll-Werte W_p und die Drehzahl-Soll-Werte w_n als Führungsgrößen eingegeben.

Die Anlage ist von dem manuellen Betrieb, bei welchem die Regelung über die Extruder-Drehzahl oder über die Schmelzepumpen- Drehzahl manuell durch den Betriebsart-Wahlschalter Bw vorgegeben wird, auf einen automatischen Betrieb umschaltbar. In diesem automatischen Betrieb beobachtet und überwacht ein Rechner C den Betriebs- und Prozeßzustand der Extrusionsanlage und gibt der Umschaltlogik Ul den Befehl zum Umschalten auf die jeweils optimale Betriebsart, d. h. auf die Regelung über die Extruder-Drehzahl oder über die Schmelzepumpe-Drehzahl.

Dem Rechner C wird der jeweils aktuelle gemessene Ist-Wert Xp des Pumpenvordruckes p zugeführt. Der Rechner C überwacht den Pumpenvordruck p und bewertet dessen Schwankungen jeweils über ein vorgegebenes Zeitfenster. Hat der Pumpenvordruck p, insbesondere beim Anfahren des Extruders Ex den vorgegebenen Druck-Soll-Wert w_p noch nicht erreicht oder treten innerhalb des Zeitfensters Schwankungen des Pumpenvordruckes p auf, die den Druck-Soll-Wert W_p um einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten, so schaltet der Rechner C über die Umschaltlogik Ul auf die Betriebsart um, bei welcher der Pumpenvordruck p über die Drehzahl n der Schmelzepumpe Sp geregelt wird. Hat sich die Förderung des Extruders Ex stabilisiert, so daß der Pumpenvordruck p stabil innerhalb des vorgegebenen Grenzwertes mit dem Druck-Soll-Wert w_p übereinstimmt, so schaltet der Rechner C auf die Betriebsart um, in welcher der Pumpenvordruck p über die Drehzahl n des Extruders Ex geregelt wird.

Die Regelung über die Extruder-Drehzahl kann im stationären Betrieb Langzeit-Drifts der Prozeßparameter ausgleichen, wobei die konstante vorgegebene Drehzahl n der Schmelzepumpe Sp für konstante Bedingungen an dem Extrusionswerkzeug sorgt. Beim Anfahren und beim Abfahren der Anlage und bei kurzzeitigen Störungen während des Betriebs tritt automatisch die Regelung über die Drehzahl n der Schmelzepumpe Sp in Funktion. Das Hochfahren und Herunterfahren der Anlage kann daher schnell und problemlos erfolgen. Kurzzeitige Störungen im Dauerbetrieb führen nicht zu einer Zwangsabschaltung, sondern werden abgefangen, bis sich die Prozeßparameter wieder stabilisiert haben.

Zweckmäßigerweise überwacht der Rechner C auch die Drehzahlen n des Extruders Ex und der Schmelzepumpe Sp. Auch diese Drehzahlen n können gegebenenfalls als Kriterien für den Prozeßzustand und für die Wahl der Betriebsart herangezogen werden. Insbesondere bedeuten starke Schwankungen der Drehzahl n des jeweils als Stellglied arbeitenden Aggregats (Schmelzepumpe Sp oder Extruder Ex) daß der Prozeß nicht stabil abläuft und die Betriebsart der Regelung über die Drehzahl n der Schmelzepumpe Sp gewählt werden muß. Weiter können die Drehzahlen n als Kriterium dafür herangezogen werden, ob der stationäre Zustand mit den vorgegebenen Drehzahl-Soll-Werten w_n erreicht ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur Regelung der Ausbringung einer Kunststoff- Extrusionsanlage mit einem das thermoplastische Kunststoffmaterial zuführenden Extruder (Ex), mit einem Extrusionswerkzeug und mit einer zwischen den Extruder (Ex) und das Extrusionswerkzeug geschalteten, nahezu volumetrisch fördernden Schmelzepumpe (Sp), wobei der Pumpenvordruck (p) der Schmelzepumpe (Sp) als Regelgröße über die Drehzahl (n) des als Stellglied wirkenden Extruders (Ex) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenvordruck (p) auch über die Drehzahl (n) der Schmelzepumpe (Sp) regelbar ist und daß der Pumpenvordruck (p) umschaltbar über den Extruder (Ex) oder die Schmelzepumpe (Sp) als Stellglied geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungen des Pumpenvordrucks (p) von einem Druck-Soll-Wert (w_p) und die Schwankungen des Pumpenvordrucks (p) beobachtet werden, daß auf die Regelung mit der Schmelzepumpe (Sp) als Stellglied geschaltet wird, wenn die Abweichung bzw. die Schwankungen einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten, und daß auf die Regelung mit dem Extruder (Ex) als Stellglied umgeschaltet wird, wenn die Abweichung oder die Schwankungen innerhalb des vorgegebenen Grenzwertes liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungen der Drehzahl (n) der Schmelzepumpe (Sp) und/oder des Extruders (Ex) von einem vorgegebenen Drehzahl-Soll-Wert (w_n) und die Schwankungen dieser Drehzahlen (n) beobachtet werden, daß auf die Regelung mit der Schmelzepumpe (Sp) als Stellgröße umgeschaltet wird, wenn die Abweichungen oder die Schwankungen einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten, und daß auf die Regelung mit dem Extruder (Ex) als Stellglied umgeschaltet wird, wenn die Abweichungen bzw. Schwankungen innerhalb des vorgegebenen Grenzwertes liegen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwankungen des Pumpenvordrucks (p) bzw. der Drehzahlen (n) jeweils über ein vorgegebenes Zeitfenster bewertet werden und daß das Umschalten der Regelung automatisch erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem automatischen Umschalten und einem manuellen Umschalten der Betriebsart der Regelung gewählt werden kann.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten zwischen den Betriebsarten der Regelung stoßfrei erfolgt.

7. Extrusionsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Extruder (Ex), einer Schmelzepumpe (Sp), einem Extrusionswerkzeug und einem die Drehzahl (n) des Extruders (Ex) steuernden Regler (R_Ex), gekennzeichnet durch einen die Drehzahl (n) der Schmelzepumpe (Sp) steuernden Regler (R_Sp) und durch eine Umschaltung (Umschaltlogik Ul), die alternativ den Regler (R_Ex) des Extruders (Ex) oder den Regler (R_Sp) der Schmelzepumpe (Sp) aktiviert.

8. Extrusionsanlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Rechner (C), der den Betriebszustand der Anlage beobachtet und bewertet und die Umschaltung (Ul) automatisch betätigt.