KR20040043991A - 밀폐식 혼합기의 고무 혼합 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고무 제조 과정 중 약품과 고무를 투입하여 배합(blending)하거나 고무만을 혼합(mixing)할 경우 고무의 혼합 정도를 제어하기 위한 방법으로, 밀폐식 혼합기(internal mixer)를 이용하여 고무를 제조할 경우 유용하게 적용할 수 있는 고무의 혼합 제어 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 온도를 검출하는 통상의 장치인 온도계가 부착된 고무 혼합용 밀폐식 혼합기에서 고무의 혼합 정도를 제어하기 위한 목표 혼합 온도인 온도값 제어량을 설정하는 단계; 혼합 초기에 순차적으로 입력된 모터 RPM값으로 상기 제어 목표량 R(t)을 모터로 출력하고, 온도 상승에 따라 제어 시작 온도에 도달하는지 비교 및 연산을 실시하는 단계; 제어계 함수를 사용하여 제어 목표량과 온도계로부터 출력되는 전기 신호를 변환하여 실제 출력값 Y(t)를 읽어들이고, 목표량과 제어값의 편차와 연산에 사용하는 단계; 상기로부터 새롭게 연산된 출력 신호 U(t)를 모터로 출력하고, 다시 얻어진 출력값 Y(t)를 다시 비교하여 또 다른 출력 신호 U(t)를 모터로 출력하는 단계를 반복해서 실시하는 단계; 및 상기 단계에 의해 온도나 시간 등이 미리 정해진 종료 시점에 도달할 때 혼합을 종료하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

밀폐식 혼합기의 고무 혼합 제어 방법{Method for controlling a blending and mixture of rubber in an internal mixer}

본 발명은 고무의 혼합을 제어하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 고무 제조 과정 중 약품과 고무를 투입하여 배합(blending)하거나 고무만을 혼합(mixing)할 경우 고무의 혼합 정도를 제어하기 위한 방법으로, 밀폐식 혼합기(internal mixer)를 이용하여 고무를 제조할 경우 유용하게 적용할 수 있는 고무의 혼합 제어 방법에 관한 것이다.

혼합기에는 제조사 별로 특성이 다르지만, 혼합 정도를 제어하기 위해 제어 변수로서 시간과 적산 전력, 온도 등을 채택하여 제조되고 있으나, 대부분 시간, 전력, 온도를 사용하고 있다.

시간 제어 방식은 사용하는 원료 고무의 물리적 성질이 약간씩 다르고, 특히, 농산물인 천연 고무를 사용할 경우는 고무의 점도와 분자량 등이 상이하므로 한가지의 제어량만을 사용할 경우 목표로 하는 물성이 획득되기 어려울 뿐 아니라 밀폐식 혼합기의 구조적인 특성상 원료나 약품의 혼합에 의해 나타나는 손실(slippage) 현상에 의해 기계적인 일량이 달라지고, 결과적으로 유체(예를 들면, 고무)가 행한 총 일량이 상이해지므로 제조된 고무의 점도나 물성 등의 편차가 매우 심하게 나타나게 된다.

이러한 단점을 해결하고, 물성이 보다 균일한 고무를 제조하기 위해 제어량인 시간에 전력 기록계로부터 들어오는 토오크(torque)값을 적분하여 사용하는 적산 전력(integrated power)을 조합하거나 제어량을 시간과 온도를 사용하여 제어하는 방식이 채택, 개발되어 혼합기에 채용되고 있다.

이러한 혼합 제어 방법 외에 제어량을 온도로 바꾸어 놓은 온도 제어 혼합 방법이 있는 바, 도 1은 고무 혼합용 혼합기(mixer)의 개략적인 단면도로서, 부호 11은 로타(rotor)이고, 부호 12는 온도계이다. 도 1과 같이 혼합기의 특정 부분에 온도계(12)를 삽입시켜 놓고, 혼합 중에 나타나는 온도를 온도계(12)가 감지하고, 이를 전기 신호로 바꾸고, 이러한 신호를 컴퓨터로 보내면, 혼합을 종료하는 시점이 되는 제어량인 설정 온도와 비교하여 일치되거나 클 경우 혼합을 종료하도록 제어하는 방법이 있다.

고무 제조시 혼합 온도는 겨울철 및 여름철과 같이 대기나 주위의 온도 변화가 심할 경우나 연속적인 제조 과정에서 온도차가 발생하게 되며, 이에 따라 제어에 필요한 응답 시간(response time)이 많은 차이를 나타내어 오히려 품질을 저해시키는 요인으로 작용하고 있다. 즉, 로타가 회전하면서 생기는 기계적인 일은 열 에너지로 전환되고 점도가 낮은 고무에 비해 점도가 큰 고무는 온도 상승 속도가 커지게 된다.

예를 들어, 제어량이 150℃로 동일하다고 하더라도 온도 곡선의 변화와 제어값을 나타낸 그래프인 도 2에서와 같이 계절적인 변화 또는 고무의 점도 차에 따라 발생하는 열의 상태나 온도 상승 속도(경로)의 정도가 달라지게 된다.

도 2와 같이 온도의 경로 또는 속도 변화는 직접적으로 혼합기로부터 고무에 투입되는 열량의 변화가 발생함을 의미한다. 어떠한 고무 혼합물의 경우에는 직접적인 화학 반응을 야기시키므로서 이 경우에는 화학 반응의 제어 뿐 아니라 온도 수준이 제한되는 경우가 있다.

종래의 온도 제어 방식에 있어서는 온도 제한을 억제하기 위한 별도의 제어 방법이 구성되어 있지 않았다.

교류를 전원으로 하는 AC 모터인 경우

혼합방법	온도
동작 구분	온도	모터 RPM
고무, 약품투입오일투입세정(clean)방출	80℃120℃150℃175℃	70707070

직류를 전원으로 하는 DC 모터, AC 인버터인 경우

혼합방법	온도
동작 구분	온도	모터 RPM
고무, 약품투입오일투입세정(clean)방출	80℃120℃150℃175℃	70604040

직류를 전원으로 하는 DC 모터인 경우 교류를 전원으로 하는 AC 모터와는 달리 RPM의 가감속이 가능하므로 감속할 경우에는 동일 온도에 도달하는 시간이 길어짐으로써(발열속도의 저하) 다른 특성을 얻을 수 있게 된다.

AC 인버터를 채용한 시스템에서도 이와 유사한 특성을 갖게 된다. 그러나, 특정한 고무 혼합물이 만일 160℃를 유지한 채 일정 시간 혼합하여야 하는 특성을 가질 경우 종래의 방법은 다음과 같다.

직류를 전원으로 하는 DC 모터, AC 인버터인 경우

혼합방법	온도
동작 구분	온도	모터 RPM
고무, 약품투입오일투입세정(clean)방출	80℃120℃150℃175℃	70603030

고무 특성별로 나타나는 발열 속도를 감안하여 정해진 순서(즉, 시퀀셜제어)에 따라 미리 속도를 지정하여 작업하는 방법이 있다.

그러나, 이러한 방법에 있어서도 전술한 바와 같이 계절적 요인이나 재료의 특성 변화에 따라 매우 다른 거동을 나타내므로 로타의 정해진 RPM이 달라져야 하는 경우가 발생한다.

또한, 아무리 속도를 감속한다 할지라도 혼합물의 자체 발열 및 잠열에 따라 일정 온도를 유지하는 것이 어려우며, 그에 따라 도 3과 같이 목표 온도에 비하여 점차 증가하거나 감소하는 등 매우 불안정한 온도 곡선의 거동을 나타낸다.

종래 기술에서 이러한 현상이 발생할 경우에는 재료의 화학 반응 정도(중합도, 반응속도) 등이 달라지고, 그에 따라 품질에 지대한 영향을 미칠 뿐 아니라 배합 설계가 변경될 경우에는 일일이 그 발열 속도를 측정하여 적당한 제어 RPM을 만들어 주어야 한다. 또한 그렇게 할지라도 잠열이나 외적인 변수에 의해 온도가 지속 상승하거나 감소하는 현상이 발생하게 되므로 이를 해결하기가 매우 어려운 상태이다.

이에 본 발명은 종래 기술의 단점을 해결하고, 고무 혼합물의 품질을 향상시키기 위한 고무의 새로운 혼합 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 고무 혼합용 혼합기의 단면도이다.

도 2는 종래 온도 곡선의 변화와 제어값을 나타낸 그래프이다.

도 3은 종래 모터의 RPM에 따른 온도 곡선의 거동을 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따른 고무의 혼합 제어 방법을 설명하기 위한 일련의 과정을 보여주기 위한 순서도 이다.

도 5는 통상의 PID 제어계를 나타낸 그림이다.

도 6은 종래 기술과 본 발명 기술의 동적 특성을 나타낸 그래프이다.

즉, 본 발명은 온도를 검출하는 통상의 장치인 온도계가 부착된 고무 혼합용 밀폐식 혼합기에서 고무의 혼합 정도를 제어하기 위한 목표 혼합 온도인 온도값 제어량을 설정하는 단계;

혼합 초기에 순차적으로 입력된 모터 RPM값으로 상기 제어 목표량 R(t)을 모터로 출력하고, 온도 상승에 따라 제어 시작 온도에 도달하는지 비교 및 연산을 실시하는 단계;

제어계 함수를 사용하여 제어 목표량과 온도계로부터 출력되는 전기 신호를 변환하여 실제 출력값 Y(t)를 읽어들이고, 목표량과 제어값의 편차와 연산에 사용하는 단계;

상기로부터 새롭게 연산된 출력 신호 U(t)를 모터로 출력하고, 다시 얻어진 출력값 Y(t)를 다시 비교하여 또 다른 출력 신호 U(t)를 모터로 출력하는 단계를 반복해서 실시하는 단계;

상기 단계에 의해 온도나 시간 등이 미리 정해진 종료 시점에 도달할 때 혼합을 종료하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 방법에 의하면, 온도를 검출하는 통상의 장치가 부착된 고무 혼합용 밀폐식 혼합기에서 고무의 혼합 정도를 제어하기 위한 목표 혼합 온도인 온도값 제어량을 도출한다.

이때, 제어량 도출 수단은 밀폐식 혼합기에 취부되어 있는 온도계를 이용하여 변환된 전기 신호로부터 검출하며, 상기 제어 목표량을 원하는 출력값 R(t) 초기의 외란의 증폭을 방지하기 위해 제어가 시작되는 임의의 기준 온도값으로 설정을 한다.

다음에, 혼합 초기에 시퀀셜 형태로 입력된 모터 RPM값으로 상기 제어 목표량 R(t)을 모터로 출력하고, 온도 상승에 따라 제어 시작 온도에 도달하는지 비교및 연산을 실시한다.

본 발명에서는 제어를 위한 기본 로직(logic)은 도 5에 나타낸 바와 같은 통상의 PID 제어기의 전달 함수를 사용한다.

도 5에서 R(t)은 원하는 출력값이고, e(t)는 추적 오차(tracking error)이고, Y(t)는 실제 출력값이다. 그리고, H(s)는 제어기이고, G(s)는 모터이며, u(t)는 제어기에서 출력되는 신호이다.

도 5에서 보는 바와 같이 추적 오차 e(t)는 원하는 출력값 R(t)과 실제 출력값 Y(t)의 차이이다. 이 오차신호 e(t)가 PID 제어기 H(s)로 보내지고, 제어기 H(s)는 이 오차신호 e(t)의 미분값과 적분값을 계산하게 된다. 제어기 H(s)에서 출력되는 신호 u(t)는 오차에 비례이득 Kp를 곱한 것, 오차의 적분값에 적분이득인 Ki를 곱한 것, 오차의 미분값에 미분이득을 Kd를 곱한 것의 합으로 계산된다. 즉 다음과 같이 계산된다.

따라서, 신호 u(t)가 모터 장치에 보내지고, 새로운 출력 Y(t)가 얻어지게 된다. 새로운 출력 Y(t)는 새로운 오차 신호 e(t)를 계산하기 위하여 피드백 되고, 제어기는 새로운 오차신호 e(t)를 바탕으로 새로운 신호 u(t)를 계산하게 된다. 이 과정은 목표량에 도달할 때까지 실시간으로 계속 반복된다.

본 발명에 의하면, 상기한 RPM의 제어 로직으로서 PID 제어기가 아닌 PC 또는 PLC(Programmable Logic Controller)에서의 제어 목표값을 설정하거나 변경할 수 있도록 쌍방 통신이 가능하게 구성할 수도 있다.

본 발명의 방법에 의하면, 상기 제어함수를 사용하여 제어 목표량과 온도계로부터 출력되는 전기 신호를 변환하여 실제 출력값 Y(t)를 읽어들이고, 목표량과 제어값의 편차와 편차 누적량을 연산한다.

상기로부터 새롭게 연산된 출력 신호 U(t)를 모터로 출력하고, 다시 얻어진 출력값 Y(t)를 마찬가지로 비교하여 또 다른 출력 신호 U(t)를 모터로 출력하는 단계를 반복해서 실시한다.

상기 단계에 의해 온도나 시간 등이 미리 정해진 종료 시점에 도달할 때 혼합을 종료한다. 여기서, 혼합은 미리 종료 시점이 설정된 값을 사용하며, 이 값은 시간, 또는 특정한 제어 파라미터 값을 사용할 수 있다. 본 발명에 있어서는 화학 반응의 효과적 제어를 위해 반응 속도를 일정 시간으로 누적하는 반응량의 파라미터를 사용한다.

여기서, 반응속도는로 나타낼 수 있으며, 아레니우스 관계식에 의해 활동 에너지와 절대 온도로 환산한 온도값, 즉, 기체 상수값이다.

그리고, 반응량은로 나타낼 수 있으며, 각 시간 변화에 대한 반응 속도의 차를 적분한 값이다.

본 발명에서 온도 제어를 위해 PID 함수를 사용하고, 모터의 RPM과 이를 램 중량(ram weight)과 플로팅 중량(floating weight)과 혼합기의 냉각 수온을 조절하기 위해 온도 조절기 등의 제어부와 연동하도록 구성할 수 있다.

첨부 도면 중 도 4는 본 발명에 따른 고무의 혼합 제어 프로그램의 처리 방식을 설명하기 위한 일련의 과정을 보여주기 위한 순서도로서, 예를 들어, 먼저 목표 제어 온도와 제어 시작 온도를 각각 150℃로 설정하며, 방출 반응량을 200으로 설정한다. 다음에 현재의 온도를 읽고, 제어 시작 온도와 비교한다. 현재 rpm 과 반응량의 결과를 출력하고, 다음에 제어 시작 온도에 도달하면 기존 제어권을 연산 장치로 넘겨준다.

다음에 연산 함수에 따라 새로운 rpm 제어량을 출력 및 제어하고, 목표 온도와 비교하여 지속적으로 새로운 제어량을 출력한다. 초기 설정한 방출 반응량과 비교하여 방출 반응량에 도달하면 혼합을 종료하고 배출한다.

다음은 종래 기술과 본 발명의 제어 방법에 의한 가류도 측정기 레오메타의 최고 토오크 값을 비교한 것이다.

	종래 기술(Tmax)	본 발명(Tmax)
실험예 1	23.35	23.51
실험예 2	25.31	23.55
실험예 3	26.15	23.39
실험예 4	27.7	24.16
실험예 5	24.7	24.53
평균값	25.442	23.828
편차	1.623597857	0.493274771
범위	4.35	1.14
변동계수	6.38	2.07

※고무 혼합물의 가류도 변동 감소율 : 68％

첨부 도면 중 도 6a와 6b는 종래 기술과 본 발명의 동적 특성을 나타낸 그래프이다.

도 6a는 종래 기술로 제조한 시료의 가류도 측정 곡선으로 미리 설정된 rpm값으로 제어할 경우 정밀하지 않은 혼합 온도로 인하여 시료의 화학 반응도가 달라지고, 그에 따라 시료의 가류도 편차가 크게 나타남을 알 수 있다.

도 6b는 본 발명의 방법으로 혼합된 시료의 가류도 곡선으로 온도를 일정하게 유지하기 위해 rpm을 자동 가변 제어하였고, 혼합시 온도 균일화에 의한 시료의 화학 반응도가 균일하여 시료의 가류도 편차가 적어져 혼합물의 균일성이 크게 개선된 경우를 나타내고 있다.

본 발명에 의하면, 고무 제조 과정, 예를 들어 실리카 조성물과 실란 조성물을 포함하는 고무 조성물을 혼합기를 이용하여 혼합 제조하는 과정 중 약품과 고무를 투입하여 배합(blending)하거나 고무만을 혼합(mixing)할 경우 고무의 혼합 정도를 제어하기 위한 방법으로, 밀폐식 혼합기(internal mixer)를 이용하여 고무를 제조할 경우 유용하게 적용할 수 있으며, 고무의 점도나 물성 등의 편차 없이 우수한 품질의 혼합 고무를 제조할 수 있다.

Claims (3)

1. 온도를 검출하는 통상의 장치인 온도계가 부착된 고무 혼합용 밀폐식 혼합기에서 고무의 혼합 정도를 제어하기 위한 목표 혼합 온도인 온도값 제어량을 설정하는 단계;

   혼합 초기에 순차적으로 입력된 모터 RPM값으로 상기 제어 목표량 R(t)을 모터로 출력하고, 온도 상승에 따라 제어 시작 온도에 도달하는지 비교 및 연산을 실시하는 단계;

   제어계 함수를 사용하여 제어 목표량과 온도계로부터 출력되는 전기 신호를 변환하여 실제 출력값 Y(t)를 읽어들이고, 목표량과 제어값의 편차와 연산에 사용하는 단계;

   상기로부터 새롭게 연산된 출력 신호 U(t)를 모터로 출력하고, 다시 얻어진 출력값 Y(t)를 다시 비교하여 또 다른 출력 신호 U(t)를 모터로 출력하는 단계를 반복해서 실시하는 단계; 및

   상기 단계에 의해 온도나 시간 등이 미리 정해진 종료 시점에 도달할 때 혼합을 종료하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고무의 혼합 제어 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기한 RPM의 제어 로직으로서 PID 제어기가 아닌 PC 또는 PLC에서의 제어 목표값을 설정하거나 변경할 수 있도록 쌍방 통신이 가능하게 혼합기를 구성하여서 되는 것을 특징으로 하는 고무의 혼합 제어 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 온도 제어를 위해 PID 함수를 사용하고, 모터의 RPM과 이를 램 중량과 플로팅 중량과 혼합기의 냉각 수온을 조절하기 위해 온도 조절기 등의 제어부와 연동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 고무의 혼합 제어 방법.