KR100865181B1 - 안정한 온도 리셋을 갖는 압출기 온도 제어기 - Google Patents

안정한 온도 리셋을 갖는 압출기 온도 제어기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압출기 바렐에 대한 압출기 온도 제어기에 관한 것이다. 본 발명의 압출기 온도 제어기는 실제 스크류 속도를 결절하는 수단을 포함하고, 복수의 스크류 속도를 저장하는 수단을 갖는다. 복수의 저장된 스크류 속도의 각 값은 대응하는 저장된 온도 리셋 값을 갖는다. 압출기 온도 제어기는 실제 스크류 속도를 복수의 저장된 스크류 속도 각각과 비교하고 디폴트 스크류 속도 값을 선택하는 비교 및 선택 수단을 갖는다. 디폴트 스크류 속도 값은 임의의 다른 비교 및 저장된 스크류 속도 값보다는 실제 스크류 속도와의 작은 편차 값을 가진다. 상기 제어기는 또한 열교환 수단에 대한 제어 출력 드라이버 신호를 발생시키는 수단을 추가로 포함한다. 제어 출력 드라이버 신호는 디폴트 스크류 속도에 대한 대응하는 저장된 온도 리셋 값이다. 본 발명은 또한 열교환 수단에 대한 제어 출력 드라이버 신호 발생 수단이 최대 용량에서 또는 그 근처에서 작동되는 경우 예정된 시간동안 제어 알람을 지연시키는 수단을 포함한다. 본 발명은 압출기 바렐의 온도 조절 방법을 포함한다.
Figure R1020027010251
압출기 바렐 온도 제어기

Description

안정한 온도 리셋을 갖는 압출기 온도 제어기{Extruder Temperature Controller with Stable Temperature Reset}
본 발명은 안정한 온도 리셋을 갖는 압출기 온도 제어기 및 압출 장비 내에서 용융물의 온도를 제어하는 방법에 관한 것이다. 자세하게는, 본 발명은 압출기 온도 제어기 및 용융 압출물의 온도를 제어하는 방법에 관한 것인데, 여기서, 압출기 시스템의 최대 용량 또는 그 근처에서 열교환 수단에 대한 제어 출력 드라이버 신호를 발생하는 경우 예정된 시간동안 제어 알람은 지연된다.
압출 장비는 플라스틱 또는 다른 산업분야에서 플라스틱 또는 기타 재료를 원하는 형상으로 연속적으로 용융, 블렌딩, 성형, 및 고화하기 위하여 종종 사용된다. 대표적인 압출 장비는 가열되고 실린더형인 바렐(barrel)내에 동축상으로 하우징된 회전 스크류를 포함한다. 스크류는 바렐 내에서 회전하며, 플라스틱과 같은 압출 물질을 바렐을 통하여 밀어낸다. 압출 물질은 바렐 끝에 있는 다이(die) 또는 구멍(aperture)을 통과하도록 힘을 받는다. 압출 물질이 가열된 바렐을 떠나는 때 발생하는 온도 강하는 그 물질이 다이의 단면(profile)에 의해 결정되는 몰 딩된 형상으로 고화되게 한다.
압출기 바렐 내의 압출 물질 또는 플라스틱의 온도는 가능한 한 원하는 온도에 근사하게 유지되도록 제어되어야 한다. 압출기 바렐은 세가지 조건중 한가지 또는 그 이상의 조건 하에서 바렐 내에서 압출 물질의 온도를 제어하도록 작동될 수 있다. 압출기 바렐은 (1) 물질에 열을 가하고, (2) 물질로부터 열을 추출하거나, (3) 물질의 열을 유지할 수 있다. 압출 물질의 온도를 유지하는 세번째 조건은 압출 물질이 압출기 바렐 내에서 처리됨에 따라 발생하는 압출 물질의 마찰에 의한 열이 압출기 바렐에서의 열 손실과 대략적으로 동등하게 하는 속도로 압출기가 작동되는 경우에 나타난다. 이러한 열 손실 또는 유입이 없는 상태는 "단열" 조건이라 한다.
대부분의 압출 장비는 복수의 열 교환 구역을 갖는다. 각 열 교환 구역의 온도는 개별적으로 제어될 수 있어서, 하나 또는 그 이상의 열 교환 구역은 처리되는 물질을 가열하나, 나머지 열 교환 구역은 단열 조건이거나 압출 물질을 냉각한다. 압출기 바렐의 말단 근처의 열 교환 구역은 압출 물질이 다이를 통하여 압출되기 전에 압출 물질을 냉각시키기 위하여 사용되는 것이 일반적이다. 이 방법은 압출 물질이 다이 상에서 신속히 고화되도록 한다. 대표적으로, 압출기 바렐은 8개의 열 교환 구역을 가지나 그 수는 변할 수 있다.
압출 장비는 열 교환 요소로 그의 압출기 바렐의 온도를 제어할 수 있다. 압출기 바렐은 열 교환 요소를 포함하고 있는 쉘에 의해 둘러싸여 있다. 열 교환 요소는 (1) 압출기 바렐의 온도를 상승시키는 히터, 예를 들어, 저항식 히터, 및 (2) 압출기 바렐의 온도를 낮추기 위해 물 또는 다른 냉각 매체를 순환시키기 위한 냉각 튜브일 수 있다. 다른 열 교환 요소가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 냉각 구조물은 핀(fin)을 통하여 공기를 순환시키기 위한 송풍기가 있는 핀이 달린 쉘(shell)일 수 있다.
온도 센서, 예를 들어, 써모커플이 센서 장착 위치의 온도 신호를 발생시키기 위하여 압출기 바렐에 위치될 수 있다. 바렐 구역당 2개의 써모커플이 일반적으로 제공되고 서로간에 전기적으로 고립되어 있다. 제1 써모커플은 그 쌍의 "A" 써모커플로 불리워지고 압출기 바렐의 내부 표면에 장착된다. 제2 써모커플은 그 쌍의 "B" 써모커플로 불리워지고 압출기 바렐의 히터/쿨러 쉘의 내부에 장착된다. 압출기의 각 구역에는 유사하게 장착된 써모커플 쌍, A 및 B가 유사하게 제공된다. 공냉식 압출기 시스템도 역시 쉘 내부에 B 써모커플을 갖는다.
압출기 온도 제어기는 온도 센서들로부터 신호를 받는다. 압출기 온도 제어기는 특정 열 교환 구역의 온도가 너무 낮은지 또는 너무 높은지를 판단하고, 필요시, 그 제어기에 의해 조절되는 특정 구역의 열을 증가시키거나 감소시키기 위하여 적절한 열 교환 요소에 신호를 보낸다.
압출기 바렐 및 열 교환 요소는 흡열원이며, 따라서, 어느 구역의 온도를 상승시키거나 강하시키는 압출기 온도 제어기의 지시 신호의 지연을 야기한다. 예를 들어, 압출기 온도 제어기가 가열 요소에게 열 공급을 중단하도록 지시를 내렸으나 가열 요소내에 저장된 에너지는 압출기 바렐의 그 구역의 가열을 계속한다. 이 계속되는 가열은 그 구역에서의 압출기 바렐 온도의 계속적인 상승을 초래한다. 압출기 온도 제어기로 부터의 지시 통보와 열교환 요소의 응답간의 지연은 원하는 온도 근처에서의 압출기 바렐 온도의 진동을 야기한다.
Gardiner의 미국 특허 제3,866,669호 및 Waterloo의 미국 특허 제3,751,014호는 진동하는 압출기 온도 문제를 제기하고 있다. Gardiner 및 Waterloo의 특허에서 설명된 시스템에서, 제1 온도 프로브 또는 써모커플은 압출 물질의 온도를 나타내는 "심부(deep)" 온도 측정치를 제공한다. 제2 써모커플은 압출기 바렐을 둘러싸고 있는 쉘 내부에 위치되어 열 교환 요소의 온도를 나타내는 "천부(shallow)" 온도 측정치를 제공한다. 써모커플 쌍의 전기 신호는 평균값을 제공하기 위하여 결합된다. 압출기 온도 제어기는 평균값을 모니터링하고 평균값을 압출 물질의 대표적인 목적 온도 설정치와 거의 일치하는 온도로 유지하기 위하여 가열 및 냉각 요소를 선택적으로 활성화시킨다.
가공되는 압출 물질의 실제 온도보다는 평균 온도 값에 응답하는 압출기 온도 제어기에 의해 열 교환 요소를 제어하는 것은 온도 및/또는 제어 신호의 진동을 감소시킨다. 그러한 온도 진동의 한 예는 압출기 바렐의 온도를 상승시키기 위하여 저항식 가열 요소로 열을 공급하는 작동 조건하에서 발생한다. 가열 요소가 활성화되어 있는 동안에 천부 온도 측정치는 심부 온도 측정치보다 높다. 이 온도차는 천부 온도 프로브가 활성화된 가열 요소에 근접하여 위치되어 있기 때문에 발생한다. 따라서, 압출기 온도 제어기의 평균 값도 역시 심부 측정치 또는 압출 물질의 실제 온도보다 크다. 평균 값이 온도 설정치에 도달하더라도 압출 물질의 실제 온도는 여전히 목적 온도보다 낮다. 압출기 온도 제어기는 평균 값이 온도 설정치에 도달한 후이지만, 압출 물질은 목적 온도에 도달하기 전에 가열 요소를 불활성화시킨다. 가열 요소 내에 저장된 열은 목적 온도로 압출 물질의 온도를 계속 상승시킨다. 그러한 온도 진동은 압출 물질의 온도가 강하되고 있는 작동 조건하에서도 발생할 수 있다.
압출 물질이 목적 온도에 도달하기 전에 열교환 요소를 불활성화시키는 것은 원하지 않는 온도의 진동을 야기할 수 있는 압출 물질의 온도의 목적 온도에 대한 "오버슈팅(overshooting)"을 방지한다. 이러한 장점은 압출 물질의 온도를 제어하는 정확도의 감소를 무릅쓰고 달성된다. 더욱 자세하게는, 압출기 온도 제어기는 평균 온도 값이 목적 온도와 편차를 가지는 경우에만 온도를 보정하기 위해 작동하기 때문에, 압출 물질의 온도가 목적하는 상승 온도보다 낮거나 목적하는 냉각 온도보다 높게 유지되는 경우라도 온도 조정을 시도하지 않을 것이다.
Faillace의 재발행 미국 특허 제31,903호는 압출기 바렐에서의 온도 변화를 예상하는 압출기 온도 제어기를 개시하고 있다. 이 시스템은 온도가 언제 특정 길이의 시간동안 현저히 변화하지 않았는지 또는 언제 그 시스템이 "안정화"되었는지를 판단하기 위하여 평균 온도 값을 모니터링한다. 일단 시스템이 안정화되면, 이 압출기 온도 제어기는 심부 측정에 의해 표시되는 압출 물질의 실제 온도를 조사하고 실제 온도를 목적 온도와 비교한다. 실제 온도가 목적 온도와 현저히 다른 경우 압출기 온도 제어기는 계산하고 온도 설정치를 변경하여 평균 값이 온도 조정이 필요한 것으로 보이게 한다. 예를 들어, 압출 물질의 실제 온도가 너무 낮은 경우, Faillace의 압출기 온도 제어기는 목적 온도보다 높게 설정치를 올린다. 그 후, 평균 값은 설정치보다 낮게 되고 이는 압출기 온도 제어기가 평균 값이 온도 설정치에 거의 일치할 때까지 온도를 조정하게 한다.
압출 라인의 작동 시작 및 중단 중의 압출기 스크류의 회전 속도 또는 "스크류 속도"의 변화는 통상적이다. 그러나, 스크류 회전 속도의 변화는 전형적으로 압출 공정에서 문제를 야기하는 열적 부하 변동을 초래한다. 이러한 조건의 예는 블로우 몰딩 공정중에 발생하는 데, 여기서, 몰딩된 물건은 몰드 내에 남아있는 경우 짓눌리게 된다(jammed). 짓눌린 물건을 감지하는 센서는 추가의 짓눌림 및 몰드 시스템에 대한 잠재적인 손상을 방지하기 위하여 신속히 압출기 시스템을 작동 중단시킨다. 블로우 몰딩 공정에서 정상 작동중인 압출기 시스템은 미리 설정된 속도로 운전된다.
Faillace의 재발행 특허의 블로우 몰딩 공정의 압출기 온도 제어기는 각 열 교환 구역의 리셋 값을 분석(resolve)한다. 리셋 값은 열 교환 구역의 열적 부하에 비례하는, 열 교환 구역에 대한 온도 오프셋(offset)에 비례한다. Faillace의 압출기 온도 제어기는 개별적으로 각 열 교환 구역의 리셋 값을 분석한다.
Faillace의 재발행 특허의 제어기를 사용하는 블로우 몰딩용 압출기 시스템이 잼(jam)으로 인해 정지되는 경우, 전형적으로 그것은 수분내에 재작동된다. 열 교환 구역이 제어 하에 안정화 되어야 하는 최소 시간 또는 "최소 리셋 안정화 시간"은 약 4분이다. 그 시간동안 열 교환 구역이 부하의 계단 변화, 예를 들어, 갑작스런 정지 조건으로부터 회복되는 실제 시간은 약 10 내지 12분이다. 따라서, Faillace 압출기 온도 제어기의 리셋 수단은 10 내지 12분보다 짧은 시간동안 지속되는 부하의 계단 변화를 보상하기 위해서는 충분히 신속하게 응답하지 못한다. 이러한 조건의 결과는 열 교환 구역이 정지중의 스크류 속도와 비교하여 정상 작동 스크류 속도에서의 열적 부하의 차이와 동등한 온도에서 오프셋된다는 것이다. 또한, 압출기 시스템이 리셋이 실행되도록 하는 시간 기간, 예를 들어, 짓눌린 물체가 제거되고 압출기 시스템이 정상 작동 스크류 속도로 복귀하는 시간 동안 정지 상태를 유지하는 경우, 잘못된 열교환 구역 리셋 값은 온도 오프셋을 초래한다. 이 온도 오프셋은 리셋 값이 정상 스크류 속도에서 분석될 수 있을 때까지 유지되고, 그 스크류 속도에서 열적 부하를 보상한다. 블로우 몰딩 공정에서의 이 조건은 압출기 시스템의 플라스틱 용융 결과물의 특성의 상당한 변화를 초래한다. 이러한 변화는 블로우 몰딩된 제품의 중량의 편차를 초래한다. 이 편차는 제품의 벽 두께 변화를 초래함으로써 최종 제품의 품질을 파괴할 수 있다. 이러한 품질상의 편차는 폐기물, 비효율, 및 과도한 비용 문제를 야기한다.
Faillace의 미국특허 제5,149,193호는 압출기 시스템의 스크류 속도 변화를 기초로 열 교환 구역에 대한 온도 제어 설정값을 선취하는(preempts) 압출기 온도 제어기를 개시하고 있다. 이 압출기 온도 제어기는 스크류 속도의 변화에 대응하여 제어 설정치를 조정하며, 이는 제어기가 압출기 바렐 온도 및 바렐 내 압출 물질의 온도의 역 변화를 선취할 수 있게 한다. 다양한 스크류 속도에 대해 미리 계산된 제어 설정치의 모음을 저장하는 것은 이 압출기 온도 제어기가 현재 또는 실제 스크류 속도에 대응하는 제어 설정치를 메모리로부터 신속히 검색(retrieve)함으로써 적절한 제어 설정치를 결정할 수 있게 한다. 미리 계산된 제어 설정치 는 압출기 시스템이 압출 물질 또는 바렐의 현격한 온도 변화를 피할 수 있게 하며, 이들 온도 변동은 종종 목적하는 바렐 온도를 제공하기 위하여 제어 설정치에 대한 검색을 수반한다.
Faillace의 제'193호 특허의 개선된 제어기는 각 프로파일에 대해 도입되어야 하는 열 교환 구역 "리셋 값 테이블"을 허용한다. 프로파일 번호를 선택함으로써, 대응하는 리셋 값 테이블도 역시 선택된다. 또한, 이 제어기의 적응식 리셋 능력은 심부 및 천부 온도 제어에 대하여 온도 리셋이 압출기 스크류 속도가 계속성 또는 비예측성을 기초로 변화할 수 있는 플라스틱 압출 공정에 적용되게 한다. 전형적으로, 이 제어기는 모든 스크류 작동 속도에서 바렐 온도 제어를 1℉의 온도 안정성 내에 유지시킨다. 이 제어기의 적응식 리셋 능력은 스크류 작동 속도가 계속적 또는 비예측적으로 변화하는 동안 압출기 시스템의 플라스틱 용융 결과를 개선시킨다. 이 능력은 스크류 속도의 변화가 발생한 후 열 교환 구역의 온도 제어를 안정화시키기 위한 시간을 크게 감소시키며, 압출 공정 라인의 작동 초기 및 종료 동안의 제품 품질을 개선시키고 스크랩(scrap)을 감소시킨다.
Faillace의 제'193호 특허의 압출기 온도 제어기는 가열 출력이 100%에 도달하는 경우 제어 알람을 울린다. 제어 알람은 안정화 타이머를 리셋시키고 3 또는 4분의 예정된 시간동안 새로운 리셋은 계산되지 않는다. 이 특징은 압출기 시스템이 그의 가열 능력의 100% 또는 그 근처에서 작동되는 것을 불필요하게 제한한다. 이 제어기는 압출기 바렐 온도가 안정한 경우 스크류 속도에 대한 새로운 리셋 값을 "습득(learn)" 하지 않으며, 현격한 공정상의 변화가 감지되는 경우 저장 된 스크류 속도를 삭제하지 않는다.
당업계에는 적응식 리셋 능력을 가진 압출기 시스템의 온도 제어기가 없으며, 압출기 시스템이 그의 최대 가열 능력 또는 그 근처에서 작동되도록 하는 이중 센서 온도 제어기가 없다. 나아가, 당업계에는 압출기 바렐 온도가 안정한 경우 스크류 속도에 대한 새로운 리셋 값을 습득하며/하거나, 현격한 공정상의 변화가 감지되는 경우 저장된 스크류 속도를 삭제하는 제어기가 없다.
본 발명은 압출기 시스템에 대한 압출기 온도 제어기에 관한 것이다. 본 발명은 압출기 바렐 내의 압출기 스크류의 실제 스크류 속도를 감지하는 수단을 포함한다. 압출기 바렐은 하나 이상의 열 교환 수단을 가진다. 압출기 온도 제어기는 복수의 스크류 속도를 인덱싱(indexing)하고 저장하는 수단을 가진다. 각 저장된 복수의 스크류 속도 값은 대응하는 온도 리셋 값을 가진다. 압출기 온도 제어기는 비교하고 선택하는 수단을 가진다. 비교 및 선택 수단은 실제 스크류 속도를 각각의 저장된 스크류 속도와 비교하고 저장된 스크류 속도중 하나를 선택한다. 선택된 스크류 속도는 실제 스크류 속도와 대수적으로 가장 대등한 값을 가진 복수의 저장된 스크류 속도중 한 값이다. 비교 및 선택 수단은 선택되고 저장된 스크류 속도에 대응하는 온도 리셋 값을 검색한다(retrieve). 본 발명은 열 교환 수단에 대한 제어 출력 드라이버 신호 발생 수단을 포함한다. 제어 출력 드라이버 신호는 비교 및 선택 수단으로부터 검색된 온도 리셋 값에 응답한다. 본 발명은 추가로, 열교환 수단에 대한 제어 출력 드라이버 신호 발생 수단이 최대 용량 또는 그 근처에서 작동되는 경우 예정된 시간동안 제어 알람을 지연하는 수단을 포함한다.
본 발명에 따른 압출기 온도 제어기에서, 적응식 리셋 제어기가 저장된 리셋 값을 이중(dual) 센서 온도 제어기로 적용하는 경우 상기 제어 알람을 지연시키는 수단은 새로운 리셋 값의 트리거(trigger)를 지연시킨다. 또한, 상기 제어 알람을 지연시키는 수단은 첫번째 선택된 시간동안 상기 이중 센서 온도 제어기로부터 상기 새로운 리셋 값을 트리거하기 위한 기준을 지연시킨다. 상기 지연을 위해 선택된 상기 시간은 4분이다. 상기 제어 알람을 지연시키는 수단은 실제 온도의 진동(oscillation)을 방지한다.
또한, 본 발명에 따른 압출기 온도 제어기에서, 상기 압출기 바렐의 온도가 예정된 시간 동안 변화에 대해 안정한 경우 상기 실제 스크류 속도의 새로운 리셋 값을 습득하는 논리 회로를 추가로 포함한다. 상기 논리 회로는 (a)상기 실제 스크류 속도가 변화에 대해 안정하고, (b)안정한 속도 변화가 두번째 선택된 시간 동안 유지되며, (c)적응식 리셋 제어기가 리셋 한계에 도달하지 않고 세번째 선택된 시간 동안 상기 리셋 한계가 유지되며, (d)리셋이 가능해지고, (e)적응식 리셋이 가능해지는 경우, 변화에 대해 안정한 적응식 리셋을 달성하기 위한 수단을 갖는다. 상기 두번째 선택된 시간 및 세번째 선택된 시간이 각각 1분이다.
본 발명에 따른 압출기 온도 제어기에서, 압출기 시스템의 작동중에 상기 비교 및 선택 수단은 (a) 작동 온도 리셋 값을 각각의 상기 실제 스크류 속도에 대응시키고, (b) 상기 실제 스크류 속도를 상기 대응하는 온도 리셋 값과 함께 상기 인덱싱 및 저장 수단으로 입력한다.
본 발명은 압출기 바렐의 온도를 제어하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 압출기 바렐 내의 압출기 스크류의 실제 스크류 속도를 감지하는 단계를 포함한다. 압출기 바렐은 하나 이상의 열 교환 수단을 갖는다. 상기 방법은 그 후 복수의 스크류 속도를 인덱싱하고 저장하는 단계를 포함한다. 각각의 저장된 스크류 속도는 온도 리셋 값에 대응한다. 실제 스크류 속도를 각각의 저장된 스크류 속도와 비교하는 단계가 수행된다. 그 후, 하나의 저장된 스크류 속도를 선택하는 단계가 일어난다. 선택된 스크류 속도는 대수적으로 실제 스크류 속도에 가장 대등한, 복수의 저장된 스크류 속도중 하나이다. 선택 단계는 선택되고 저장된 스크류 속도에 대응하는 온도 리셋 값을 검색한다. 열 교환 수단에 대한 제어 출력 드라이버 신호를 발생하는 단계가 일어난다. 본 발명은 추가로 열교환 수단에 대한 제어 출력 드라이버 신호의 발생 단계가 최대 용량 또는 그 근처인 경우 예정된 시간동안 제어 알람을 지연하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 압출기 온도 제어기를 포함하는 압출기 바렐의 측면 단면도이다.
도 2는 가열 부하 조건하에서 압출기 온도 제어기의 바람직한 구체예의 작동 에 대한 이벤트(event) 다이아그램이다.
도 3은 본 발명에 따라 예정된 시간동안 제어 알람을 지연시키는 수단을 가진 적응식 리셋 제어기를 포함하는 압출기 온도 제어기의 블록 다이아그램이다.
본 발명은 하나이상의 압출기 바렐 구역의 온도 제어에 이용되는, 열 교환 수단에 대한 압출기 온도 제어기를 포함한다. 본 발명은 실제 스크류 속도를 감지 또는 결정하는 수단을 포함한다, 상기 압출기 온도 제어기는 복수의 스크류 속도를 인덱싱하고 저장하는 수단을 갖는다. 각 스크류 속도는 저장된 복수의 온도 리셋 값의 단일 값에 대응한다. 본 발명은 저장된 복수의 스크류 속도값에서 선택하고 비교하는 수단을 갖는다. 비교 및 선택 수단은 실제 스크류 속도를 각각의 저장된 복수의 스크류 속도와 비교하고 복수의 저장된 스크류 속도에서 디폴트 스크류 속도를 선택한다. 디폴트 스크류 속도는 다른 비교 및 저장된 스크류 속도에 비해 실제 스크류 속도와 적은 편차를 가진다. 본 발명은 열 교환 수단에 대한 제어 출력 드라이버 신호를 발생하는 수단을 포함한다. 제어 출력 드라이버 신호는 디폴트 스크류 속도에 대하여 대응하는 저장 온도 리셋 값으로부터 유도된다. 본 발명은 추가로 열교환 수단에 대한 제어 출력 드라이버 신호 발생 수단이 최대 용량 또는 그 근처에서 작동되는 경우 예정된 시간동안 제어 알람을 지연하는 수단을 포함한다.
본 발명의 목적상 용어 "리셋 값"은 스크류 속도에 대응하고, 바렐 온도에 대응하는 것은 아니다. 리셋 값은 안정한 스크류 속도에 대해 결정되며, 온도 설정치와 관련되어져서 압출기 온도 제어기에 저장된다. 본 발명의 바람직한 구체 예와 관련하여 리셋 값의 수동 입력은 없다. 리셋 값은 "0" 또는 하나의 다른 분석된 값이다. 대표적으로, 리셋 값은 각 압출기 바렐 구역에 대해 정상 작동 상태 동안 압출기 시스템에 대한 열역학적 부하에 따라 분석(resolve)된다.
본 발명은 실제 스크류 속도를 결정하는 수단을 포함한다. 실제 스크류 속도 결정 수단은 압출기 스크류의 단위시간당 회전수를 감지하는 전기적 또는 전기-기계적 수단일 수 있다. 실제 스크류 속도를 결정하는 적합한 수단은 압출기 온도 제어기에 대한 실제 스크류 속도 입력 신호를 제공하도록 조정된, 상업적으로 이용가능한 디지탈 엔코더 또는 타코미터(tachometer)를 포함한다.
압출기 온도 제어기는 복수의 스크류 속도를 저장하는 수단을 갖는다. 이 저장 수단은 저장된 각각의 스크류 속도가 각 스크류 속도에 대하여 각 압출기 바렐 구역에 대한 특정 또는 실제 온도 리셋 값에 대응하도록 스크류 속도를 저장해야 한다. 독립적인 스크류 속도가 대응하는 실제 온도 리셋 값과 함께, 저장된 각각의 스크류 속도에 대한 압출기 바렐 구역당 목적하는 실제 온도 리셋 값 입력 신호의 대표값인 온도 리셋 값 입력 신호를 입력하는 리셋 값 신호 입력 수단에 의해 도입된다. 저장 수단은 바람직하게는 전자적 저장 수단이다. 적합한 저장 수단은 당업계에 공지되어 있고 당업자에게 있어서 본 발명에 이용되도록 조정될 수 있다.
압출기 온도 제어기는 비교하고 복수의 저장된 스크류 속도에서 선택하는 수 단을 포함한다. 비교 및 선택 수단은 실제 스크류 속도를 복수의 저장된 스크류 속도중 하나와 비교한다. 비교 및 선택 수단은 실제 스크류 속도와 대수적으로 가장 대등한 값을 가진 복수의 저장된 스크류 속도를 선택한다. 열 교환 구역에 대한 실제 온도와 선택된 저장 스크류 속도에 대한 실제 온도 리셋 값간의 차이가 현저한 경우, 압출기 온도 제어기는 선택된 스크류 속도 저장값을 선택하거나 디폴트값으로 한다. 이 디폴트 또는 선택된 스크류 속도에 대응하는 실제 온도 리셋 값는 각 압출기 바렐 구역에 대한 새로운 온도 "개별 리셋 값"을 유도하기 위해 압출기 온도 제어기에 의해 이용된다.
본 발명은 열 교환 수단에 대한 제어 출력 드라이버 신호 발생 수단을 추가로 포함한다. 제어 출력 드라이버 신호 발생 수단은 제어 출력 드라이버 신호를 압출기 시스템의 압출기 바렐의 각 열 교환 구역으로 전송하는 수단을 포함한다. 제어 출력 드라이버 신호 발생 수단은 디폴트 스크류 속도에 대응하는, 저장된 온도 리셋 값 출력 신호에 응답한다. 제어 출력 드라이버 신호 발생 수단은 각 열 교환 구역에 대해 갱신된 리셋 값에 응답하여 제어 출력 드라이버 신호를 변화시키는 수단을 포함한다. 제어 출력 드라이버 신호는 각 열 교환 구역에 대한 열 교환 수단을 제어 또는 작동한다. 제어 출력 드라이버 신호 발생 수단은 전형적으로, 압출기 스크류의 속도가 변화하는 경우, 압출 물질의 온도에 영향을 미치는 열 교환 구역의 실제 온도가 변화하지 않도록 열교환 수단에 대한 제어 출력 드라이버 신호를 변경하도록 프로그램되어 있다. 다수의 다른 인자, 예를 들어, 압출기 바렐 내의 압력, 압출 물질의 마찰, 및 압출되는 물질의 유형은 압출 물질의 실제 온 도에 영향을 미친다.
본 발명의 가장 바람직한 구체예는 연속적으로 압출기 시스템 작동 온도를 모니터링, 비교 및 조정하는 하나 이상의 다른 압출기 온도 제어기와 연동하여 이용되는 적응식 리셋 온도 제어기를 갖는 압출기 시스템을 포함한다. 연속적으로 압출기 시스템 작동 온도를 모니터링, 비교 및 조정하는 다른 압출기 온도 제어기는 일정한 속도에서 압출기 스크류가 작동되는 경우 잘 작동한다. 본 발명과 그러한 다른 압출기 온도 제어기를 결합하여 사용하는 것은 속도 변화에 대하여 리셋 값을 저장하고 검색하는 추가의 능력을 가진 압출기 시스템을 제공한다. 본 발명의 적응식 리셋 온도 제어기를 포함하는 압출기 온도 제어기의 향상된 작동 유연성은 작동중 스크류의 속도가 변화하는 경우 발생되는 압출 물질 폐기물의 양을 감소시킴으로써 경제적인 장점을 제공한다. 그러한 "이중(dual) 압출기 온도 제어기"의 경제적 장점은 특히 계속적이거나 비예측적인 스크류 속도 변화를 갖는 공정에서 실현된다. 본 발명의 압출기 온도 제어기의 제어 알람 지연 수단은 또한 열 교환 수단의 작동에 대하여 디자인된 용량의 최대 또는 그 근처에서 압출기 시스템을 이용할 수 있게 함으로써 작동 유연성을 개선시킨다.
본 발명에 따른 바람직한 구체예의 이중 압출기 온도 제어기는 계속적이거나 비예측적인 스크류 속도 변화 중에도 안정하고 정확한 압출기 바렐 구역의 온도 제어를 유지한다. 본 발명의 바람직한 구체예는, 본 명세서에 참조로서 도입된 Faillace의 미국 특허 제5,149,193호에 개시된 압출기 온도 제어기 및 방법를 개선한 것이다. Faillace의 개시 내용중 당업계에서 표준인 용어의 기술, 일반적인 압출기 시스템에 대한 기술 및 적응식 리셋을 갖는 압출기 온도 제어기에 대한 기술 내용은 본원 명세서에 도입된다.
본 발명에 따른 압출기 온도 제어기를 갖는 압출기 시스템은 축이 있는 바렐 및 그 축을 따라 형성된 하나 이상의 열 교환 구역을 갖는다. 압출기 시스템은 바렐 내에 스크류를 갖고, 바렐을 둘러싼 쉘을 갖는다. "열 교환 구역"은 바렐의 일부분이며 열 교환 수단에 의해 온도가 제어될 수 있는 쉘의 대응 부분이다. 열 교환 수단은 각 열 교환 구역에 대해 제공된다. 열 교환 수단은 각 열 교환 구역에서의 열을 교환하기 위한 열 교환 요소를 포함한다. 열 교환 요소는 열 교환 요소 동력 수단을 갖는다.
본 발명에 따른 압출기 시스템은 실제 스크류 속도를 결정하는 수단을 갖는다. 실제 스크류 속도 결정 수단은 실제 스크류 속도 감지 수단 및 압출기 온도 제어기를 위한 실제 스크류 속도 입력 신호 생성 수단을 포함한다. 압출기 시스템은 복수의 선택 및 저장된 스크류 속도중 한 값에 대한 목적하는 바렐 온도 리셋 값을 대표하는 온도 리셋 값 신호를 입력하는 온도 리셋 값 신호 입력 수단을 갖는다. 압출기 시스템은 각각의 온도 리셋 값 신호를 독립적으로 저장하는 저장 수단을 갖는다. 압출기 시스템은 실제 스크류 속도를 복수의 저장 스크류 속도 각각과 비교하고, 복수의 저장 스크류 속도 값으로부터 디폴트 스크류 속도를 선택하는 비교 및 선택 수단을 갖는다. 디폴트 스크류 속도는 비교되고 저장된 다른 스크류 속도 값에 비해 실제 스크류 속도값과 보다 작은 편차를 갖는다. 디포트 스크류 속도의 선택은 본 발명에 따른 압출기 온도 제어기에 의해 검색되는 온도 리 셋 값 신호를 결정한다.
압출기 시스템은 또한, 제어 출력 드라이버 신호를 발생시키는 수단을 갖는다. 상기에서 설명한 바와 같이, 상기 신호 발생 수단은 저장된 온도 리셋 값 신호에 반응한다. 상기 신호 발생 수단은 바람직하게는 "출력 드라이버"이며, 디폴트 스크류 속도에 대한 저장된 온도 리셋 값에 반응한다. 상기 신호 발생 수단은 각 열 교환 구역에 대한 제어 출력 드라이버 신호를 변경하는 수단을 포함한다. 신호 변경 수단은 실제 스크류 속도와 선택된 스크류 속도간의 현저한 편차가 존재함으로 인해 상기 비교 및 선택 수단이 구동되는 경우, 구동된다. 온도 리셋 값 제어 설정치는 각 열 교환 구역에 온도 값을 제공하기 위하여 각 열 교환 구역에 대한 열 교환 동력 수단을 제어한다.
도 1은 본 발명에 따른 두개의 적응식 리셋 온도 제어기(22)를 갖는 압출기 시스템(1)의 바렐 부분을 표현하고 있다. 압출기 시스템(1)은 압출기 바렐(12) 내에 하우징된 구동 또는 압출기스크류(10)를 포함하고 있다. 압출기 스크류(10)의 회전은 용융 압출 물질, 예를 들어, 플라스틱을 압출기 바렐(12)의 축을 따라 힘을 가한다. 압출기 바렐(12)은 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 열 교환 구역(14)를 포함한다. 각 열 교환 구역(14)은 압출기 바렐(12)를 가열 또는 냉각하기 위한 열 교환 요소(15)를 갖는다. 열 교환 요소(15)는 예를 들어, 열 교환 구역(14)의 온도를 상승시키기 위하여 저항식 가열 요소(18) 및 열 교환 구역(14)의 온도를 강하시키기 위하여 열 교환 구역(14)의 주위로 물 또는 다른 냉매를 순환시키기 위한 튜브(20)을 포함한다. 디지탈 엔코더(16)는 실제 스크류 속도를 결정 하고 적응식 리셋 온도 제어기(22)로 스크류 속도 입력 신호(17)를 제공한다. 제어 신호의 입력을 위한 키보드를 갖는 판넬 및 표시장치(도시 않음)은 당업계에 공지되어 있고, 상기에서 인용한 Faillace의 재발행 특허에 개시된 대로 제공될 수 있다.
각 적응식 리셋 온도 제어기(22)는 바람직하게는 하나의 열 교환 요소(15)에 전념한다. 단일 열 교환 구역(14)의 열 교환 요소(15)는 열 교환 구역(14)에서 취한 한 쌍의 온도 측정치에 대응하여 적응식 리셋 온도 제어기(22)에 의해 조정된다. 심부 온도 센서 또는 "A" 써모커플(24)는 압출기 바렐(12)의 내부 표면(28) 근처에 위치되고, 바람직하게는 압출기 바렐(12)의 실린더 심부 온도를 대표하는 심부 온도 신호 Td를 제공하기 위하여 라이너(3)에 접촉된다. 천부 온도 센서 또는 "B" 써모커플(26)는 열 에너지 또는 냉각 원인 열 교환 요소(15)에서의 온도를 대표하는 천부 온도 신호 Ts를 제공하기 위하여 열 교환 요소(15)에 위치된다.
도 2는 본 발명의 압출기 시스템의 작동 중에 존재하는 다양한 변수들간의 도식적 관계를 제공한다. 이 "이벤트" 다이아그램은 열 부하 조건하에서 이중 센서 온도 제어기의 작용을 설명한다. 이중 센서 온도 제어기는 본 발명의 "적응식 리셋 기능"을 갖는다. 도 2로 나타내어진 압출기 시스템(1)의 작동은 열 교환 구역(14)이 가열 부하 조건 또는 압출 물질로의 열 부가 조건하에 있는 조건에 대한 것이다. 압출기 시스템(1)은 또한 냉각 부하 조건 또는 압출기 바렐(12)을 통과하는 압출 물질을 냉각하기 위한 조건에서 사용될 수 있다.
도 2는 단일 x-축이 시간 t0에서 시작하는 시간을 나타내는 그래프이다. x-축 또는 "시간 라인"위의 3개의 커브는 천부 또는 "B" 써모커플의 온도, 제어 설정치, 및 심부 또는 "A" 써모커플의 온도를 나타낸다. x-축 또는 시간 라인 아래의 12개 커브는 다른 y-축 값에 대한 동시 기능을 나타낸다. 이들 다른 y-축 값은 (1) 제어 합계 오차, "E"; (2) 오차 "A" 또는 설정 온도 값과 심부 또는 "A" 써모커플의 온도간의 차이; (3) 실제 스크류 속도, "Sd"; (4) 히터 작동 시간 퍼센트; (5) 리셋; (6) 가능화 리셋; (7) 실제 오차가, 예를 들어, 0.1℉(0.06℃)(이하에서 화씨 및 섭씨 온도는 각각 ℉ 및 ℃로 나타내어진다) 보다 큰 경우의 실제 알람; (8) 상당한 시간(대표적으로, 60초) 동안 (K1A+K2B)/(K1+K2)>비례 밴드(대표적으로, 가열시 6℉) 인 경우의 제어 알람; (9) 리셋 한계; (10) 리셋 안정화 종료 시간(reset stability time up); (11) 변화하는 스크류 속도; (12) 안정화된 스크류 속도; 및 (13) 리셋 트리거(trigger) 이벤트이다.
압출기 시스템(1)이 먼저, t0에서 활성화 또는 "파워 온" 되면, 온도 설정치 제어기가 제어 설정치 Tcp를 작업자(operator)에 의해 선택된 열 교환 구역 설정치의 목적 온도와 동일한 값으로 설정한다. 평균 오차 제어기는 필요에 따라 열 교환 구역을 가열 또는 냉각하기 위해 열 교환 제어 신호 "H" 및 "C"를 확증한다 (assert). 열 교환 제어 신호 "H"는 열 교환 구역 (14)에서의 온도를 상승 또는 강하시키기 위하여 열교환 요소(15)를 활성화시킨다. 시간 t0 및 t4 사이의 도 2 는 (1) 저항식 가열 요소(18)가 열을 공급하고, (2) 심부 온도 신호 Td 및 천부 온도 신호 Ts가 신속히 상승하는 조건을 표현한다.
적응식 리셋 온도 제어기(22)는 제어 합계 오차 "E"가 대략 0 에 달하는 경우 시간 t2까지 열 교환 제어 신호 "H"를 계속 확증한다. 열 교환 제어 신호 "H"는 시간 t2에서 종료되며, 천부 온도 신호 Ts는 상승을 중지하고 저항식 가열 요소(18)이 냉각됨에 따라 떨어지기 시작한다. 열 교환 요소(15)에 저장된 잔류 열은 압출기 바렐(12)를 계속 가열한다. 심부 온도 신호 Td는 심부 및 천부 온도가 안정화되는 경우 시간 t3까지 계속 상승한다.
도 2는 시간 t4에서 안정화되고 0.1℉(0.06℃) 이상의 실제 오차 "A" 신호를 갖는 압출기 시스템(1)을 표현하고 있다. 실제 오차 민감도 값은 압출기 온도 제어기의 제조자 또는 프로그래머에 의해 선택될 수 있다. 실제 오차 민감도는 전형적으로 0.05℉ 및 1℉(약 0.03℃ 내지 0.6)℃ 사이이다. 도 2는 본 발명의 바람직한 구체예의 적응식 리셋 온도 제어기의 작동을 나타내며, 여기서, 스크류 속도의 변화에 의하여 "보통 리셋" 기능이 발생하거나 "적응식 리셋"이 발생할 수 있다. 실선으로 표시된 도 2의 커브는 보통 리셋 온도 제어기에서 발생한다. 파선으로 표시된 커브는 적응식 리셋 온도 제어기에서 나타난다.
설정치 TD는 작업자에 의해 입력될 수 있다. 설정치 TD는 압출기 바렐 구역에 대한 목적 온도의 대표값이다. 적응식 리셋 온도 제어기(22)에 의해 분석된 제1 보통 리셋은 도 2의 시간 t4에서 일어난다. 보통 리셋 온도 제어기는 열 교환 요소(15)의 "히터 작동 시간 퍼센트" 값을 상승시키는 제어 설정치 Tcp의 신규 값을 분석한다.
심부 또는 "A" 써모커플 에 대한 커브는 스크류 속도 변화에 의하여 시간 t4 및 t10 사이에서 감소된다. 본 발명의 바람직한 구체예는 작업자가 선택한 3분 또는 4분의 리셋 안정화 시간에 추가의 4분의 지연을 부가한다. 따라서, 7분 또는 8분이 시간 t7 및 시간 t10 을 분리한다. 스크류 속도의 증가는 열 부하 또는 열 교환 요소(15)에 의해 공급되어지는 열을 증가시켜야 하는 필요성을 초래한다. 심부 또는 "A" 써모커플의 온도는 통상 이 조건하에서 시간 t10 에서 보통 리셋이 발생할 때까지 강하한다.
리셋에 대한 커브는 압출기 시스템을 제어하기 위한 정상 및 적응식 리셋 양자를 표현하고 있다. 제1 활성 "보통" 리셋은 시간 t4 에서 이다. 리셋 값에 대한 실선은 첫번째는 시간 t10 에서, 두번째는 시간 t15 에서 발생하는 두개의 다른 보통 리셋을 표현하고 있다. 리셋 기능에 대한 파선은 본 발명의 적응식 리셋 제어기(이하에서 설명)에 의해 제공되는 "적응식 리셋"의 발생을 나타낸다. 커브는 첫번째는 시간 t7 에서, 두번째는 시간 t12 에서 발생하는 두개의 적응식 리셋을 표현하고 있다.
본 발명의 적응식 리셋 제어기는 리셋에 대한 파선으로 나타낸 바와 같이 시간 t7 에서의 리셋 값을 예상하고 있다. 리셋 값의 이 예상은 이 값에 대하여 파선으로 표시한 바와 같이 시간 t7에서 제어 설정치를 변경한다. 제어 설정치의 변화는 이 리셋 값에 대한 파선으로 나타낸 바와 같이 시간 t7에서 "히터 작동 시간 퍼센트"를 실행한다. 히터 작동 시간 퍼센트의 실행(actuation)은 심부 또는 "A" 써모커플에 대하여 파선으로 표시된 열 교환 구역(14)에서의 일정한 온도를 유지한다.
온도의 유지는 실제 오차 "A"의 편차를 효율적으로 제거한다. 실제 오차 "A"는 설정치에서 심부 온도 Td 값을 뺀 것이다.
적응식 리셋은 제어 설정치를 변경하기 위한 요구사항을 예측하는 바람직하고 기대하지 않은 결과를 제공하고, 따라서, 심부 또는 "A" 써모커플에서의 온도 변동을 효과적으로 제거한다. 적응식 리셋 제어기는 압출기 시스템의 열 교환 수단으로의 에너지를 예측하고 변경한다. 이 변경은 압출기 시스템의 스크류 속도의 안정한 변화에 기인한 열역학적 부하의 변동을 오프셋하기 위하여 수행된다.
플라스틱 물질을 가공하기 위한 압출기 시스템에서 히터는 전형적으로 압출기 시스템이 작동 또는 부하가 걸린 동안에는 적어도 수 %의 히터 작동 시간을 가지면서 작동된다. 부하조건하에서 압출기 시스템 내의 온도를 일정하게 유지하는 것은 압출기 시스템이 이론적인 "무한 게인(gain)" 또는 0의 평균 오차를 가질 수 없다는 것을 표시한다. 이러한 이유로, 예를 들어, 300℉(약150℃)에서 작동되는 압출기 시스템은 300℉(약150℃) 온도를 유지하기 위하여 적어도 수 %의 히터 작동 시간을 제공하는 보통 리셋 온도를 갖는다. 이론적으로 완벽한 압출기 시스템은 안정한 부하 조건 하에서 0의 평균 오차를 가지며 300℉(약150℃)에서 히터는 0%의 히터 작동 시간을 갖는다. 그러므로, 제어 합계 오차 "E"는 압출기 시스템의 부하에 정비례한다.
히터 작동 시간 퍼센트는 제어 합계 오차로부터 유도된다. 제어 합계 오차 "E"는 압출기 시스템의 작동에 있어서 압출기 시스템의 부하가 없는 경우가 아닌 한 절대 0 이 아니다. 제어 합계 오차 "E"는 두가지 오차 "A" 및 "B"로부터 유도된다. 두가지 오차 "A" 및 "B"는 제어 설정치로부터 유도된다. 오차 "A"는 제어 설정치Tcp에서 심부 온도 값 Td를 뺀 것이다. 오차 "B"는 제어 설정치 Tcp에서 천부 온도 값 Ts를 뺀 것이다.
본 발명의 적응식 리셋 제어기(38)는 시간 t7 및 시간 t12에서 시작하는 파선 커브로 나타내어진 제어 합계 오차 "E"에 대한 새로운 값을 시작한다. 제어 합계 오차 "E"의 이러한 조정은 스크류 속도의 안정한 변화에 의하여 작동된다. 제어 합계 오차 "E"의 조정은 이 값에 대해 파선으로 표시된 커브 또는 실제 오차 값 "A"의 변화를 피하게 한다. 실제 오차 값 "A"의 변화가 없는 것은 심부 또는 "A" 써모커플에서의 온도가 변화하지 않았음을 나타낸다.
본 발명의 온도 제어기는 바람직하게는 리셋 후에 압출기 시스템이 안정화될 수 있도록 하는 보호 논리 제어 기능(protective logic control function)을 제공 한다. 이러한 제어 기능은 압출기 시스템에 목적하는 온도 편차, 예를 들어, 0.1℉(0.06℃) 내에서 안정화되기에 충분한 시간, 예를 들어, 3분을 허용한다. 본 발명의 개선된 제어기는, 적응식 리셋 온도 제어기가 저장된 리셋 값을 이중 센서 온도 제어기로 전송하는 경우 추가의 4분 또는 비슷한 시간의 지연을 부과한다. 이러한 제어 기능은 불필요하고 원하지 않는 리셋의 발생을 방지한다. 그러한 제어 기능의 예는 리셋 안정화 시간에 의해 제공된다. 또다른 제어 기능은 작동 속도가 구해질 때까지 새로운 리셋 값의 실행없이 압출기가 속도를 "등가속(ramp up)" 시키도록 한다. 압출기 시스템은, 압출기 시스템을 손상시킬 수 있는 작동 조건이 존재하는 경우 작동을 중단시킬 수 있는 다른 제어 기능을 포함할 수 있다. 제어 알람 및 플랙(flag) 기능을 포함하는 이러한 기능은 Faillace의 재발행 특허에 개시되어 있으며 도 2에 도시되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 적응식 리셋 온도 제어기(22)의 바람직한 구현예를 나타내고 있다. 본 발명의 적응식 리셋 온도 제어기(22)는 당업계에 공지되어 있으며 상기 Faillace의 재발행 특허 및 Faillace의 '193호 특허에 개시된 압출기 온도 제어기에 대한 개선 발명이다. 적응식 리셋 제어기(38)는 스크류 속도의 변화에 따라 리셋 값 Rn 및 제어 설정치 Tcp를 조정한다. 이러한 스크류 속도의 조정은 스크류 속도의 변화에 대한 바렐 온도의 임의의 현저한 변화를 선취한다. 적응식 리셋 제어기(38)은 단일 센서 압출기 온도 제어기와 함께 사용될 수 있다.
스크류 속도 센서 또는 타코미터(16)은 현재 또는 실제 압출기 스크류(10)의 속도를 대표하는 아날로그 스크류 속도 신호 Sa를 적응식 리셋 제어기(38)로 제공한다. 이 도면의 구체예는 압출기 스크류 구동 수단(9)를 나타낸다. 스케일링 버퍼(scaling buffer)(110)는 아날로그 스크류 속도 신호 Sa를 수신하고 대응하는 스크류 속도 신호 Sc를 발생한다. 대응하는 스크류 속도 신호 Sc는 아날로그/디지털(A/D) 컨버터(112)의 입력 범위내에 있도록 스케일링된다. 아날로그/디지털 컨버터 (112)는 대응하는 스크류 속도 신호 Sc를 스크류 속도를 나타내는 디지털 스크류 속도 신호 Sd로 변환한다. 타이머 카운터가 있는 다른 디지털 속도 입력 수단이 사용될 수 있다. 얻어진 스크류 속도 신호는 클럭, 논리, 인덱싱 및 리셋 저장 수단(114)으로 전송된다.
도 3은 선택적인 속도 센서 또는 디지털 엔코더(16a)를 보여주고 있다. 디지털 엔코더(16a)로 부터의 속도 입력은 타이머 카운터(116)에 의해 가공된다. 얻어진 디지털 스크류 속도 신호 Sd는 클럭, 논리, 인덱싱 및 리셋 저장 수단(114)으로 전송된다.
적응식 리셋 제어기(38)는 주어진 임의의 스크류 작동 속도에 대한 리셋 값을 선택한다. 리셋 값 Rn은, 일단 분석되고 나면, 클럭, 논리, 인덱싱 및 리셋 저장 수단(114)의, 디지털 스크류 속도 신호 Sd에 의해 결정된 주소에 저장된다. 클럭, 논리, 인덱싱 및 리셋 저장 수단(114)은 속도 안정화 신호 및 속도 변경 신호를 포함하는 논리 제어 신호를 제 1 "AND" 게이트 (39)로 제공한다. 스위치(48) 는 리셋 값이 저장 및 검색되도록 한다. 스위치(48)는 선택가능한 오퍼레이터 (operator)이고, 적응식 리셋 가능화 신호를 제 1 "AND" 게이트(39)로 제공한다. 제 1 "AND" 게이트(39) 신호는 "OR" 게이트(46)로 전송된다. "OR" 게이트(46)는 리셋 스위치(41a 및 41b)에 대한 신호를 제공한다.
클럭, 인덱싱 및 리셋 저장 수단 및 본 발명의 구체 예를 형성하기 위해 필요한 다른 서브컴퍼넌트(subcomponent)는 상업적으로 구입가능한 전자 부품들에 의해 제공된다. 전자 부품 프로그래밍 기술 분야의 기술 수준은 본 발명에 의해 요구되는 (i)복수의 스크류 속도를 인덱싱 및 저장하는 수단, 및 (ii)전자적 또는 다른 논리 회로를 통하여 비교, 타이밍, 및 선택하는 수단을 제공하기 위하여 클럭, 논리, 인덱싱 및 저장 수단을 프로그램하기에 충분하다. 적절한 클럭, 인덱싱 및 리셋 저장 수단은 적합하게 프로그래밍되고 상업적으로 이용가능한 마이크로프로세서에 의해 제공된다. 논리 회로는 다양한 비교 및 타이밍 파라미터, 예를 들어, "속도 안정화" 조건의 만족의 존재 또는 부존재를 결정할 것이 요구된다.
본 발명의 개선된 적응식 리셋 온도 제어기(22)의 클럭, 인덱싱 및 리셋 저장 수단(114)은 복수의 스크류 속도 저장 위치(location)를 갖는다. 바람직한 구체예는 적어도 11개의 스크류 속도 저장 위치를 갖는다. 바람직한 구체예의 논리회로는 또한 현저한 공정 변화가 감지되는 경우 저장된 값을 삭제하는 프로그래밍을 포함한다.
본 발명의 바람직한 구체예의 적응식 리셋 제어기(38)은 선택적인 논리 회로(210)를 갖는다. 논리회로(210)은 상업적으로 이용가능하고, 클럭, 인덱싱 및 리셋 저장 수단(114)로부터 분리 가능하거나 클럭, 인덱싱 및 리셋 저장 수단(114)의 회로 속에 삽입 가능하다. 논리 회로(210)는 온도가 안정한 경우 스크류 속도의 리셋 값을 "습득"하도록 프로그램된다. 따라서, 논리 회로(210)는 적응식 리셋 온도 제어기(22)가 이중 센서 온도 제어기에 의해 트리거(trigger)되지 않는 리셋 값을 추가 또는 리파인(refine) 할 수 있게 허용한다. 전자 부품 프로그래밍 기술 분야의 기술 수준은 이러한 기능에 대하여 논리 회로(210)을 프로그램하기에 충분하다.
본 발명의 바람직한 구체예의 적응식 리셋 온도 제어기(22)는 Faillace의 '193호 특허의 압출기 온도 제어기와 같이 이중 센서 온도 제어기(121)을 갖는다. 이중 센서 온도 제어기(121)는 리셋 가능화 신호, 리셋 리미트 오프(limit off) 신호, 실제 알람 신호, 안정화 시간 종료 신호, 및 제어 알람 "not" 신호를 포함하는 논리 제어 신호를 모니터링한다. 리셋 가능화 신호 및 리셋 리미트 "not" 신호는 제 2 AND 게이트(47)로 제공된다. 제 2 AND 게이트(47)는 제 1 AND 게이트(39) 및 제 3 AND 게이트(45)로 신호를 제공한다. 실제 알람 신호, 안정화 시간 종료 신호, 및 제어 알람 오프 신호는 제 3 AND 게이트(45)로 제공된다. 제 3 AND 게이트(45) 신호도 역시 OR 게이트(46)로 전송된다.
본 발명의 이중 센서 온도 제어기(121)는 제 3 AND 게이트(45)에 대하여 프로그램된 기준(criteria)를 통하여 부분적으로 개선된 온도 제어를 제공한다. 본 발명의 바람직한 구체예의 이러한 기준은 실제 알람 플러스 또는 마이너스 0.1℉(0.06℃)를 정의한다. 이러한 실제 알람의 기준은 실제 온도가 열 교환 구역에 대한 온도 설정치와 더욱 정교하게 일치되도록 한다. 본 발명의 바람직한 구체예에 대한 상기 기준은, 적응식 리셋 온도 제어기(22)가 최대 1분 동안 최대 용량 또는 그 근처에서 열 교환 수단에 대한 제어 출력 드라이버 신호를 발생하는 경우 제어 알람이 리셋 값을 트리거하도록 한다. 이 기준은 압출기 시스템이 최대 출력 또는 그 근처에서 작동되도록 한다.
OR 게이트(46)는 스위치(41a 및 41b)를 리셋하도록 "원 샷(one shot)" 멀티바이브레이터 시그널링 디바이스(50)를 통하여 단일 이벤트 트리거 신호를 제공한다. 지연 타이머(220)는, 적응식 리셋 제어기(38)가 저장된 리셋 값을 이중 센서 온도 제어기(121)에 적용하는 경우 새로운 리셋 값의 트리거를 지연시킨다. 지연 타이머(220)는 선택된 시간동안 이중 센서 온도 제어기(121)로부터의 리셋 값 트리거 기준을 지연시킨다. 본 발명의 바람직한 구체예에서의 선택된 지연 시간은 4분이다. 지연 타이머(220)는 실제 온도에서의 진동을 방지한다.
리셋 스위치(41a 및 41b)는 클럭, 논리, 인덱싱 및 저장 수단(114)으로 실제 오차 "A" 신호를 입력하며, 표시된 리셋 값 저장 수단(52)을 갖는다. 리셋 값 저장 수단(52)은 논리 회로(210)에게 신호를 보낸다. 이중 센서 온도 제어기는, 안정화된 경우, 리셋 값 Rn을 제공한다. 실제 오차 "A"는, 스위치(41a 및 41b)가 리셋 트리거를 수용한 경우, 적응식 리셋 제어기(38)로 제공된다.
리셋 트리거는 세가지 조건 중 하나에서 발생된다. 제1 조건은 "적응식 리셋"이며, (1)변경된 또는 새로운 스크류 속도가 안정화된 경우, (2)속도의 변화가 있는 경우, (3)리셋이 가능하게 된 경우, 및 (4) 적응식 리셋이 가능하게 된 경우 발생한다. 제2 조건은 "안정한 적응식 리셋"이며, (1)변경된 또는 새로운 스크류 속도가 안정화된 경우, (2)안정화된 속도 변화가 선택된 시간(바람직하게는 1분)동안 유지되는 경우, (3)그 디바이스가 리셋 한계에 도달하지 못하고 선택된 시간(바람직하게는 1분)동안 그 리셋 한계를 유지하는 경우, (4) 리셋이 가능하게 된 경우, 및 (5) 적응식 리셋이 가능하게 된 경우 발생한다. 제3 조건은 "보통 리셋"이며, (1)리셋이 가능하게 된 경우, (2)그 디바이스가 리셋 한계에 도달하지 못하고 선택된 시간(바람직하게는 1분)동안 그 리셋 한계를 유지하는 경우, (3)실제 알람이 있는 경우, (4)그 디바이스가 온도 한계에 도달하지 못하는 경우, (5)안정화 시간이 종료한 경우, 및 (6)제어 알람이 없는 경우 발생한다.
본 발명의 바람직한 구체예의 이중 센서 온도 제어기(121)는 제1 비교기 (40), 제2 비교기(42), 제3 비교기(43), 제4 비교기(44), 제5 비교기(51)를 갖는다. 제1 비교기(40)는 리셋 스위치(41a)로 제공되는 실제 오차 "A"를 유도하기 위하여 설정치 및 심부 온도 값 Td를 대수적으로 합산한다.
리셋 값이 클럭, 논리, 인덱싱 및 리셋 저장 수단(114)에 의해 확증되는(asserted) 경우, 제2 비교기 또는 제어 설정치 제어기(42)는 "리셋 트리거" 시간에서 제어 설정치 Tcp를 조정한다. "파워 온" 에서, 제어 설정치는 동등 설정치로 설정된다. 제어 설정치 제어기(42)는 제어 설정치 Tcp를 확증되게 하며, 제3 비교기(43) 및 제4 비교기(44)에 대한 신호를 제공한다. 이중 센서 온도 제어기(121)는 오차 "A" 신호를 계산하기 위한 제3 비교기(43)에 의한 대수적 합산을 수행한다. 제3 비교기(43)는 제5 비교기(51)에 대한 오차 "A" 신호를 발생시킨다(exert). 제4 비교기(44)는 천부 온도 Ts를 제어 설정치 Tcp와 비교하고 오차 "B" 신호를 유도한다. 오차 "B"는 또한 제5 비교기(51)로 제공된다.
적응식 리셋 제어기(38)는 제어 설정치가 조정되어야 하는 정도를 나타내는 리셋 값 Rv와 함께 제어 설정치 제어기(42)를 제공한다. 리셋 값 Rv의 크기는 계산 모듈을 가진 제어 설정치 제어기(42)에 의해 다음 식(1)에 따라 스케일링된다.
R n = r g x R v
상기 식에서, rg는 일정한 리셋 게인(reset gain)을 나타낸다. 전형적으로, 리셋 게인 rg는 "1"의 값으로 설정된다. 새로운 또는 스케일링된 리셋 값 Rn은 제어 설정치 제어기(42)로 제공된다. 그 후, 제어 설정치 제어기(42)는 다음 식(2)에 따라 리셋 트리거 시간에 제어 설정치 T'cp를 업데이트하기 위해 제어 설정치 Tcp와 스케일링된 리셋 값 Rn의 대수적 합산을 수행한다.
T' cp = R n + T cp
이중 센서 온도 제어기(121)는, 일단 적응식 리셋 온도 제어기(22)가 스케일 링된 리셋 값 Rn 을 분석하고 나면, 0.1℉(0.06℃) 미만의 실제 오차로써 안정하게 유지된다. 그러나, 압출 시스템에 대한 열적 부하의 현저한 변화는 열 교환 구역 심부 온도 Td 의 변화를 야기한다. 이중 센서 온도 제어기(121)는 열 교환 구역 심부 온도 Td 의 변화를 보정하고자 함에 따라 불안정해진다. 적응식 리셋 온도 제어기(22)는 열 교환 요소(15)를 선택적으로 활성화시켜 가열 또는 냉각하기 위한 제어 출력 드라이버 "H" 또는 "C" 신호 발생용 이중 센서 온도 제어기(121)을 포함한다. 제3 및 제4 비교기(43 및 44)는 각각 제어 설정치 Tcp와 온도 신호 Td 및 T s간의 차이를 나타내는 오차 신호 "A" 및 "B" 각각을 발생시킨다. 제5 비교기(51)의 계산 모듈은 다음 식(3)에 따라 제어 합계 오차 E를 계산한다.
Figure 112002025649855-pct00001
상기 식에서, K1 및 K2는 각 오차 신호 "A" 및 "B"에 적절한 가중치를 부여하기 위해 선택된 상수이다. 제어 합계 오차 E에 대응하여, 열 교환 드라이버 또는 제어기(36)는 저항식 가열 요소(18) 또는 제어 합계 오차 "E"가 최소화될 때까지 열 교환 요소(15)의 튜브(20)를 통하여 냉각 매체 흐름을 제공하는 유체 냉각 시스템(도시 않음)을 선택적으로 활성화시키기 위하여 제어 출력 드라이버 신호 "H" 및 "C"를 조정한다.
적응식 리셋 온도 제어기(22)의 논리 경로(logic path)는, 스크류 속도의 변 화가 발생한 경우 디지털 속도 신호 Sd를 결정하기 위하여 모니터링하는 클럭, 논리, 인덱싱 및 리셋 저장 수단(114)을 갖는다. 디지털 속도 신호 Sd가 변경된 경우, 클럭, 논리, 인덱싱 및 리셋 저장 수단(114)은 저장된 리셋 값을 선택하고 이중 센서 온도 제어기(121)에게 신호를 보낸다. 이중 센서 온도 제어기(121)는 그 후, 상기 식 (2)를 이용하여 제어 설정치 Tcp를 다시 계산한다.
AND 게이트(39)는 언제 이중 센서 온도 제어기(121)가 새로운 리셋 값에서 안정화되었는지를 결정한다. 이중 센서 온도 제어기(121)가 일단 안정화되면, AND 게이트(39)는 상기에서 정의된 리셋 기준 신호를 수용한다. 리셋 값 Rv는 클럭, 논리, 인덱싱 및 리셋 저장 수단(114)의 테이블에 있는, 디지털 속도 신호 Sd에 의해 표시되는 현재 스크류 작동 속도에 대응하는 입구(entry)에 저장된다.
도 3의, 본 발명에 따른 압출기 온도 제어기는 온도 리셋을 갖는 심부 및 천부 온도 제어를 계속적인 열적 부하 변동 공정에 적용한다. 본 발명은 스크류 속도 변화에 기인한 열적 부하 변화를 예측하는 수단을 제공한다. 본 발명은 특정 압출기 작동 속도를 기초로 하여 각 열 교환 구역(14)에 대한 온도 리셋 값 또는 열적 부하 변동의 실제 감지에 선행하여 "적응식 리셋"을 적용한다. 적응식 리셋은 모든 정상 작동 스크류 속도에서의 각 열 교환 구역에 대한 리셋 값을 분석 또는 "습득"한다. 압출기의 스크류 속도가 변경됨에 따라 적응식 리셋은 주어진 스크류 속도에서 열 교환 구역에 대하여 이전 리셋 계산에 의하여 각 열 교환 구역(14)에 대하여 습득된 최종 온도 리셋 값을 적용 또는 "리콜(recall)"한다. 이 기능은 (i) 안정화된 작동 온도 리셋 값을 각각의 작동 스크류 속도에 대응시키고, (ii) 실제 스크류 속도를 대응하는 온도 리셋 값과 함께 저장 수단으로 입력하는 압출기 시스템의 작동 중에, 비교 및 선택 수단에 의해 제공된다.
본 발명의 압출기 온도 제어기는 표준 아날로그 입력을 통하여 스크류 속도를 감지하고 스크류 속도를 습득된 리셋 값 테이블에 대한 인덱스 또는 포인터 (pointer)로서 적용한다. 이들 저장된 리셋 값은 스크류 속도가 새로운 스크류 속도로 변경되고 안정화되고 난 후 각 열 교환 구역에 대하여 리콜 될 수 있다. 바람직한 구체예에서, 이용할 수 있는 스크류 속도의 1 내지 100%의 리셋 값을 나타내는 100 어드레스(address)의 테이블이 각 열 교환 구역에 대해 사용될 수 있다. 습득된 리셋 값은 Faillace의 '193호 특허의 압출기 온도 제어기에서와 같이 분석될 수 있다. 그러나, 습득된 리셋 값은 비휘발성 리셋 값 저장 테이블, 예를 들어, EEPROM 메모리 저장 디바이스에, 리셋 값이 계산된 시간에서의 스크류 속도에 특정한 위치에 저장된다.
압출기 시스템의 새로운 스크류 속도가 변경 및 안정화되고, 온도 리셋 기준이 만족되는 경우, 새로운 온도 리셋 값은 새로운 스크류 속도에 대해 계산되고 리셋 값 테이블의 그 스크류 속도를 나타내는 각각의 어드레스에 저장된다. 이 적응식 리셋 시퀀스는 최대 스크류 속도의 1%의 해상도와 마주치면서(encountered) 각각의 새로운 작동 속도에 대해 반복된다.
본 발명에 따라, 첫번째로 새로운 스크류 작동 속도에서 압출기 시스템을 작 동하는 것은 그 최초 스크류 속도에 대하여 분석된 실제 리셋 값을 갖지 않는다. 적정 리셋 값은 그 스크류 속도에 대한 본 발명에 따라, 분석되어진 가장 근접한 인접 스크류 속도 리셋 값들간의 직선 근사법에 의하여 계산된다. 이 근사 리셋 값은 새로운 스크류 작동 속도에 대한 리셋 값 테이블에 저장된다. 그러나, 새로운 스크류 속도가, 새로운 리셋 값이 보통 리셋 기준을 기초로 계산되기에 충분한 시간동안 유지된다면, 근사 리셋 값은 새로운 스크류 속도 대신 실제 리셋 값으로 대체된다.
본 발명의 압출기 온도 제어기는 Faillace의 '193호 특허의 압출기 시스템과 같은 압출기 시스템과 동일한 장점을 제공한다. 본 발명의 압출기 온도 제어기는 보다 정밀한 온도 제어 및 압출기 시스템의 설계 능력의 최적화라는 추가의 이점을 제공한다. 정밀한 온도는 실제 알람에 대한 기준, 안정한 조건하에서의 리셋 값 습득 능력, 리셋 값 신호 및 실제 온도의 진동을 방지하기 위한 지연 회로의 이용, 및/또는 상기에서 개시된 다른 특징들에 의해 제공된다. 압출기 시스템의 설계 능력의 최적화는 그의 최대 용량 또는 그 근처에서의 압출기 시스템의 작동중에 달성되는(established) 추가의 리셋 값을 허용하는 제어 알람에 대한 기준에 의해 제공된다.

Claims (11)

  1. 하나 이상의 열교환 수단을 가진 압출기 바렐 내의 압출기 스크류의 실제 스크류 속도를 감지하는 수단;
    각각의 저장된 스크류 속도가 온도 리셋 값에 대응하는 복수의 스크류 속도를 인덱싱하고 저장하는 수단;
    (i) 실제 스크류 속도를 상기 각각의 저장된 스크류 속도와 비교하고, (ii) 상기 저장된 스크류 속도중 하나를 선택하며, 상기 선택되고 저장된 스크류 속도에 대응하는 상기 온도 리셋 값을 검색하는 비교 및 선택 수단(여기서, 상기 선택된 스크류 속도는 실제 스크류 속도에 대수적으로 가장 대등한 값을 가지는 복수의 저장된 스크류 속도중 하나이다);
    상기 비교 및 선택 수단으로부터 검색된 온도 리셋 값에 응답하는, 상기 열 교환 수단에 대한 제어 출력 드라이브 신호를 발생시키는 수단; 및
    상기 열교환 수단에 대한 제어 출력 드라이버 신호를 발생시키는 수단이 최대 용량에서 작동하는 경우 예정된 시간동안 제어 알람을 지연시키는 수단을 포함하는 압출기 온도 제어기.
  2. 제1항에 있어서, 적응식 리셋 제어기가 저장된 리셋 값을 이중(dual) 센서 온도 제어기로 적용하는 경우 상기 제어 알람을 지연시키는 수단이 새로운 리셋 값의 트리거(trigger)를 지연시킴을 특징으로 하는 압출기 온도 제어기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어 알람을 지연시키는 수단이 첫번째 선택된 시간동안 상기 이중 센서 온도 제어기로부터 상기 새로운 리셋 값을 트리거하기 위한 기준을 지연시킴을 특징으로 하는 압출기 온도 제어기.
  4. 제3항에 있어서, 지연을 위해 선택된 상기 시간은 4분임을 특징으로 하는 압출기 온도 제어기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제어 알람을 지연시키는 수단은 실제 온도의 진동(oscillation)을 방지함을 특징으로 하는 압출기 온도 제어기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 압출기 바렐의 온도가 예정된 시간 동안 변화에 대해 안정한 경우 상기 실제 스크류 속도의 새로운 리셋 값을 습득하는 논리 회로를 추가로 포함하는 압출기 온도 제어기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 논리 회로가 (a)상기 실제 스크류 속도가 변화에 대해 안정하고, (b)안정한 속도 변화가 두번째 선택된 시간 동안 유지되며, (c)적응식 리셋 제어기가 리셋 한계에 도달하지 않고 세번째 선택된 시간 동안 상기 리셋 한계가 유지되며, (d)리셋이 가능해지고, (e)적응식 리셋이 가능해지는 경우, 변화에 대해 안정한 적응식 리셋을 달성하기 위한 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 압출기 온도 제어기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 두번째 선택된 시간 및 세번째 선택된 시간이 각각 1분인 압출기 온도 제어기.
  9. 제4항에 있어서, 상기 압출기 바렐의 온도가 예정된 시간 동안 변화에 대해 안정한 경우 상기 실제 스크류 속도의 새로운 리셋 값을 습득하는 논리 회로를 추가로 포함하는 압출기 온도 제어기.
  10. 제1항에 있어서, 압출기 시스템의 작동중에 상기 비교 및 선택 수단이 (a) 작동 온도 리셋 값을 각각의 상기 실제 스크류 속도에 대응시키고, (b) 상기 실제 스크류 속도를 상기 대응하는 온도 리셋 값과 함께 상기 인덱싱 및 저장 수단으로 입력함을 특징으로 하는 압출기 온도 제어기.
  11. 제1항에 있어서,
    (a) 리셋 스위치로 제공되는 실제 오차 "A" 신호를 유도하기 위하여 설정치 및 심부온도 값을 대수적으로 합산하는 제1 비교기;
    (b) 리셋 트리거 시간에서 제어 설정치를 조정하는 제어 설정치 제어기인 제2 비교기;
    (c) 제5 비교기에 대해 오차 "A" 신호를 발생시키는 제3 비교기;
    (d) 천부 온도를 제어 설정치와 비교하고, 오차 "B" 신호를 유도하는 제4 비교기; 및
    (e) 오차 "B" 신호를 제공하는 제5 비교기를 포함하는 온도 제어기를 추가로 포함하는 압출기 온도 제어기.
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