BOPET薄膜回收造粒機組自動喂料控制方法的改進(jìn)

王 丹 薛 凱 龐 博

（1.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司；2.沈陽透平機械股份有限公司）

聚對苯二甲酸乙二酯（PET）是一種高度可回收的塑料樹脂，于1941年由杜邦公司的化學(xué)家在北美首次合成［1］。 PET經(jīng)過雙向拉伸法可以制成BOPET薄膜，該膜具有強度高、光學(xué)性能好、產(chǎn)能大、生產(chǎn)效率高及可回收等優(yōu)勢，在隔膜、建材、包裝和印刷領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［2］。 在BOPET薄膜工業(yè)生產(chǎn)中，為降低成本和能耗，保護環(huán)境防止污染，普遍使用回收造粒系統(tǒng)對破膜和邊膜進(jìn)行回收造粒并重復(fù)利用，使之產(chǎn)生良好的社會和經(jīng)濟效益［3］。其中，薄膜回收造粒系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)就是控制切割壓實機進(jìn)料。 因生產(chǎn)線是連續(xù)生產(chǎn)的，必須保證連續(xù)定量進(jìn)料。 當(dāng)進(jìn)料量少于擠出機的出料量時，回收機拉條會變細(xì)，甚至斷條，影響產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)進(jìn)度；當(dāng)進(jìn)料量多于擠出機的出料量時，物料會堆積在壓實料倉，造成物料溫度過高、物料結(jié)塊，嚴(yán)重時會導(dǎo)致壓實機過載，造成巨大的經(jīng)濟損失。 為了精準(zhǔn)控制切割壓實機的進(jìn)料量，筆者提出一種BOPET薄膜回收造粒機組自動喂料控制改進(jìn)方法，希望為解決行業(yè)中的類似問題提供一定的參考借鑒。

1 薄膜回收造粒系統(tǒng)

薄膜回收造粒系統(tǒng)（圖1）主要由破碎機、破碎料倉、原料輸送機、切割壓實機、單螺桿擠出機、換網(wǎng)器和切粒機組成。

圖1 薄膜回收造粒系統(tǒng)示意圖

BOPET薄膜雙向拉伸生產(chǎn)線產(chǎn)生的破膜和邊膜經(jīng)過破碎機在線粉碎后被存儲在破碎料倉中。 破碎料具有堆積密度大、含水量高和輸送不均勻的特點， 因此無法通過傳統(tǒng)方式直接喂料進(jìn)入擠出機進(jìn)行造粒。 為此，在實際生產(chǎn)中引入切割壓實環(huán)節(jié)， 破碎料先通過原料輸送機輸送到壓實機料倉內(nèi)， 在旋轉(zhuǎn)刀盤切刀與破碎料的相互作用下產(chǎn)生摩擦熱， 薄膜碎片受熱后卷曲收縮使堆密度不斷增加。 同時，在壓實機旋轉(zhuǎn)刀盤高速旋轉(zhuǎn)離心力的作用下， 破碎料被不斷壓實。 單螺桿擠出機的進(jìn)料口經(jīng)過特殊設(shè)計，與壓實機料倉側(cè)面對接， 從而使被壓實的破碎料不斷被推入擠出機，進(jìn)而被擠出機螺桿帶走，進(jìn)行熔體造粒。

2 傳統(tǒng)控制模式存在的問題

在薄膜回收造粒系統(tǒng)中，為確保進(jìn)入擠出機的物料均勻穩(wěn)定，必須使壓實機中的破碎料保持在一定的料位。 然而，切割壓實機料倉的刀盤高速旋轉(zhuǎn)，破碎料堆密度低，各種形式的料位計都無法準(zhǔn)確、直接地測量料倉的實際料位。 經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)， 壓實機料位與壓實機電機負(fù)載密切相關(guān)，隨著原料料位的不斷增加，原料重量增加，進(jìn)而使壓實機電機負(fù)載增大，有功電流增加，且成正相關(guān)關(guān)系，因此可采用電機的有功電流來間接反映壓實機內(nèi)的料位。

傳統(tǒng)的控制模式是采用超馳控制方法，即設(shè)定一個電機電流的高限，當(dāng)壓實機電機電流超過高限電流時，表明壓實機料倉滿倉，這時輸送電機停轉(zhuǎn)，上游料倉不再送料；當(dāng)壓實機電機電流低于高限電流時，表明壓實機料倉空倉，這時輸送電機運轉(zhuǎn)連續(xù)送料［3］。 然而該控制模式存在一定的弊端， 剛輸送進(jìn)切割壓實機的物料較輕，沒有被壓實， 不會迅速引起壓實機電流的變化，存在一定的滯后性。 在實際生產(chǎn)過程中，滯后性將導(dǎo)致切割壓實機電機電流大幅振蕩，振幅可達(dá)壓實機額定電流的15%左右。 這種不穩(wěn)定會造成后續(xù)擠出機進(jìn)料不穩(wěn)定， 扭矩上下波動幅度大，熔體擠出拉條粗細(xì)不均， 粒子大小間歇性變化，嚴(yán)重影響成品質(zhì)量。

3 控制方法改進(jìn)

3.1 PID控制算法

以天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司 （以下簡稱天華院）DJ-120單螺桿擠出機為研究對象，引入PID控制算法。 首先將物料輸送電機改為變頻調(diào)速電機， 通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使物料的輸送量連續(xù)可調(diào)節(jié)。根據(jù)輸送電機轉(zhuǎn)速與切割壓實機電機電流變化的動態(tài)關(guān)系，以切割壓實機電機電流設(shè)定值與實際值的偏差e作為PID控制器的輸入變量， 以控制器的輸出控制量u來控制輸送電機轉(zhuǎn)速，得到切割壓實機電機電流曲線如圖2所示，可以看出，切割壓實機電機由于傳統(tǒng)控制模式導(dǎo)致電流波動大的現(xiàn)象得到了明顯改善，在穩(wěn)定狀態(tài)下，電機電流基本保持在設(shè)定電流120A的±9%以內(nèi)。

圖2 引入PID控制算法后的壓實機電機電流曲線

然而，碎膜非常蓬松，導(dǎo)致上游破碎料倉容易“架橋”，輸送電機的轉(zhuǎn)速與實際物料的輸送量無法呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，有時較低的轉(zhuǎn)速也會帶來大批的物料。 另外，由于PID控制器中的微分器對系統(tǒng)中的噪聲會有放大作用，因此會導(dǎo)致輸出大幅變動，造成壓實機電機電流仍會每隔一段時間就出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，嚴(yán)重時甚至需要人工干預(yù)。

3.2 模糊控制算法

為進(jìn)一步提高控制質(zhì)量， 消除噪聲干擾，保證電機電流穩(wěn)定，對PID參數(shù)采用動態(tài)化調(diào)節(jié)，即對于不同的偏差程度采取不同的PID控制參數(shù)，以提高控制響應(yīng)速度，為此筆者引入模糊控制算法。 模糊控制算法是以模糊集合理論、模糊規(guī)則語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機智能控制方法，可以透過模糊化將原本0和1的二值化控制轉(zhuǎn)變成0～1之間的數(shù)值， 相對于原本非0即1的二分法， 模糊控制算法更加接近人類的思維。雖然模糊控制算法的輸入、 輸出均是模糊的，但透過解模糊化的步驟，即可得到精確的輸出值。

利用模糊集合理論可以將專家知識或操作人員經(jīng)驗對應(yīng)的語言規(guī)則直接轉(zhuǎn)換為自動控制策略。 通常的方法是使用模糊規(guī)則查詢表，用語言知識模型來設(shè)計和修正控制算法［4］。設(shè)模糊PID控制器的輸入變量為切割壓實機電機電流偏差e和偏差變化率ec， 輸出變量為比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki，得到改進(jìn)后的模糊PID控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的模糊PID控制器結(jié)構(gòu)框圖

模糊規(guī)則語言變量為［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］，根據(jù)PID控制算法參數(shù)整定的經(jīng)驗建立模糊控制規(guī)則表（表1）。

表1 模糊控制規(guī)則表

運行過程中，將輸入?yún)?shù)e和ec模糊化，然后通過查詢模糊控制規(guī)則表并經(jīng)過解模糊化后，輸出參數(shù)ΔKp和ΔKi。

經(jīng)過模糊控制算法修正后的PID控制器參數(shù)為：

其中，Kp0、Ki0為PID控制器的初始比例系數(shù)和積分系數(shù)。 實際應(yīng)用中， 模糊控制規(guī)則采用IFTHEN方式，其結(jié)構(gòu)簡單，易于修改和掌握，比較適合PLC編程實現(xiàn)。

4 應(yīng)用效果

圖4為引入模糊控制算法后的壓實機電機電流曲線，可以看出，壓實機電機電流保持在120A左右，由原料輸送機不穩(wěn)定造成的電流波動大幅減弱，其中最大電流126.3A，最小電流116.7A，波動范圍在±6%以內(nèi)。 由破碎料輸送機不穩(wěn)定所帶來的干擾被大幅減弱，在一定范圍內(nèi)壓實機電機可以長期平穩(wěn)運行，壓實機內(nèi)液位可以保持一定的穩(wěn)定性。

圖4 引入模糊控制算法后的壓實機電機電流曲線

壓實機內(nèi)料位的穩(wěn)定使得造粒擠出機進(jìn)料均勻，長期保持動態(tài)穩(wěn)定進(jìn)料，擠出機主電機扭矩長期保持穩(wěn)定運行。 對造粒機出料口進(jìn)行隨機采樣，如圖5所示，可以看出物料粒子均勻穩(wěn)定，消除了此前粒子大小每隔一段時間就會發(fā)生周期性變化的問題。

圖5 物料粒子實物圖

綜上所述， 通過PID控制器調(diào)節(jié)破碎料輸送機，并結(jié)合模糊控制算法，在破碎料進(jìn)料控制中取得了滿意的效果。

5 結(jié)束語

PID調(diào)節(jié)喂料量并結(jié)合模糊控制算法控制切割壓實機料位的方式目前已經(jīng)應(yīng)用在BOPET薄膜回收生產(chǎn)線中，解決了進(jìn)料系統(tǒng)大滯后、非線性等多種因素共同影響造成的控制難點。 該生產(chǎn)線目前運行穩(wěn)定， 生產(chǎn)的回收顆粒質(zhì)量良好，批次質(zhì)量穩(wěn)定，使用維護成本低，在客戶現(xiàn)場已長時間平穩(wěn)運行，得到了客戶的好評和肯定。