王 丹1 薛 凱1 龐 博2
（1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2.沈陽透平機(jī)械股份有限公司）
摘要 介紹了BOPET薄膜回收造粒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理弟晚，針對系統(tǒng)中傳統(tǒng)控制模式存在的問題忘衍，引入了PID控制算法和模糊控制算法。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：機(jī)組上料輸送不穩(wěn)定卿城、切割壓實(shí)機(jī)料位不穩(wěn)定的問題均得到了解決枚钓，電機(jī)電流控制在120A±6%，成品物料粒子質(zhì)量滿足要求瑟押。
關(guān)鍵詞 模糊控制 PID控制 BOPET薄膜 回收造粒 切割壓實(shí)機(jī) 料位 電機(jī)電流
聚對苯二甲酸乙二酯(PET)是一種高度可回收的塑料樹脂搀捷，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(qiáng)度高嫩舟、光學(xué)性能好氢烘、產(chǎn)能大、生產(chǎn)效率高及可回收等優(yōu)勢家厌，在隔膜播玖、建材、包裝和印刷領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[2]饭于。在BOPET薄膜工業(yè)生產(chǎn)中蜀踏，為降低成本和能耗，保護(hù)環(huán)境防止污染掰吕，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)利用果覆，使之產(chǎn)生良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益[3]。其中殖熟，薄膜回收造粒系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是控制切割壓實(shí)機(jī)進(jìn)料局待。因生產(chǎn)線是連續(xù)生產(chǎn)的，必須保證連續(xù)定量進(jìn)料吗讶。當(dāng)進(jìn)料量少于擠出機(jī)的出料量時(shí)燎猛，回收機(jī)拉條會變細(xì)恋捆，甚至斷條照皆，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(jī)的出料量時(shí)沸停，物料會堆積在壓實(shí)料倉膜毁，造成物料溫度過高、物料結(jié)塊愤钾，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致壓實(shí)機(jī)過載瘟滨，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了精準(zhǔn)控制切割壓實(shí)機(jī)的進(jìn)料量能颁，筆者提出一種BOPET薄膜回收造粒機(jī)組自動(dòng)喂料控制改進(jìn)方法杂瘸，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(jī) 伙菊、破碎料倉败玉、原料輸送機(jī)、切割壓實(shí)機(jī)镜硕、單螺桿擠出機(jī)运翼、換網(wǎng)器和切粒機(jī)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(jī)在線粉碎后被存儲在破碎料倉中兴枯。破碎料具有堆積密度大血淌、含水量高和輸送不均勻的特點(diǎn)，因此無法通過傳統(tǒng)方式直接喂料進(jìn)入擠出機(jī)進(jìn)行造粒财剖。為此悠夯，在實(shí)際生產(chǎn)中引入切割壓實(shí)環(huán)節(jié)癌淮，破碎料先通過原料輸送機(jī)輸送到壓實(shí)機(jī)料倉內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)刀盤切刀與破碎料的相互作用下產(chǎn)生摩擦熱疗疟，薄膜碎片受熱后卷曲收縮使堆密度不斷增加该默。同時(shí)，在壓實(shí)機(jī)旋轉(zhuǎn)刀盤高速旋轉(zhuǎn)離心力的作用下策彤，破碎料被不斷壓實(shí)栓袖。單螺桿擠出機(jī)的進(jìn)料口經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，與壓實(shí)機(jī)料倉側(cè)面對接店诗，從而使被壓實(shí)的破碎料不斷被推入擠出機(jī)裹刮，進(jìn)而被擠出機(jī)螺桿帶走，進(jìn)行熔體造粒庞瘸。
2 傳統(tǒng)控制模式存在的問題
在薄膜回收造粒系統(tǒng)中捧弃，為確保進(jìn)入擠出機(jī)的物料均勻穩(wěn)定，必須使壓實(shí)機(jī)中的破碎料保持在一定的料位擦囊。然而违霞，切割壓實(shí)機(jī)料倉的刀盤高速旋轉(zhuǎn)，破碎料堆密度低瞬场，各種形式的料位計(jì)都無法準(zhǔn)確买鸽、直接地測量料倉的實(shí)際料位。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)贯被，壓實(shí)機(jī)料位與壓實(shí)機(jī)電機(jī)負(fù)載密切相關(guān)眼五，隨著原料料位的不斷增加，原料重量增加彤灶，進(jìn)而使壓實(shí)機(jī)電機(jī)負(fù)載增大看幼，有功電流增加，且成正相關(guān)關(guān)系幌陕，因此可采用電機(jī)的有功電流來間接反映壓實(shí)機(jī)內(nèi)的料位诵姜。
傳統(tǒng)的控制模式是采用超馳控制方法，即設(shè)定一個(gè)電機(jī)電流的高限搏熄，當(dāng)壓實(shí)機(jī)電機(jī)電流超過高限電流時(shí)棚唆，表明壓實(shí)機(jī)料倉滿倉，這時(shí)輸送電機(jī)停轉(zhuǎn)搬卒，上游料倉不再送料瑟俭；當(dāng)壓實(shí)機(jī)電機(jī)電流低于高限電流時(shí)，表明壓實(shí)機(jī)料倉空倉契邀，這時(shí)輸送電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)連續(xù)送料[3]摆寄。然而該控制模式存在一定的弊端，剛輸送進(jìn)切割壓實(shí)機(jī)的物料較輕，沒有被壓實(shí)微饥，不會迅速引起壓實(shí)機(jī)電流的變化逗扒，存在一定的滯后性。在實(shí)際生產(chǎn)過程中欠橘，滯后性將導(dǎo)致切割壓實(shí)機(jī)電機(jī)電流大幅振蕩矩肩，振幅可達(dá)壓實(shí)機(jī)額定電流的15%左右。這種不穩(wěn)定會造成后續(xù)擠出機(jī)進(jìn)料不穩(wěn)定肃续，扭矩上下波動(dòng)幅度大黍檩，熔體擠出拉條粗細(xì)不均，粒子大小間歇性變化始锚，嚴(yán)重影響成品質(zhì)量刽酱。
3 控制方法改進(jìn)
3.1 PID控制算法
以天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司(以下簡稱天華院)DJ-120單螺桿擠出機(jī)為研究對象，引入PID控制算法瞧捌。首先將物料輸送電機(jī)改為變頻調(diào)速電機(jī)棵里，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使物料的輸送量連續(xù)可調(diào)節(jié)姐呐。根據(jù)輸送電機(jī)轉(zhuǎn)速與切割壓實(shí)機(jī)電機(jī)電流變化的動(dòng)態(tài)關(guān)系殿怜，以切割壓實(shí)機(jī)電機(jī)電流設(shè)定值與實(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速曙砂，得到切割壓實(shí)機(jī)電機(jī)電流曲線如圖2所示头谜，可以看出，切割壓實(shí)機(jī)電機(jī)由于傳統(tǒng)控制模式導(dǎo)致電流波動(dòng)大的現(xiàn)象得到了明顯改善麦轰，在穩(wěn)定狀態(tài)下乔夯，電機(jī)電流基本保持在設(shè)定電流120A的±9%以內(nèi)砖织。
圖2 引入PID控制算法后的壓實(shí)機(jī)電機(jī)電流曲線
然而款侵，碎膜非常蓬松，導(dǎo)致上游破碎料倉容易“架橋”侧纯，輸送電機(jī)的轉(zhuǎn)速與實(shí)際物料的輸送量無法呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系新锈，有時(shí)較低的轉(zhuǎn)速也會帶來大批的物料。另外眶熬，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妹笆，因此會導(dǎo)致輸出大幅變動(dòng)，造成壓實(shí)機(jī)電機(jī)電流仍會每隔一段時(shí)間就出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況娜氏，嚴(yán)重時(shí)甚至需要人工干預(yù)拳缠。
3.2 模糊控制算法
為進(jìn)一步提高控制質(zhì)量，消除噪聲干擾贸弥，保證電機(jī)電流穩(wěn)定窟坐，對PID參數(shù)采用動(dòng)態(tài)化調(diào)節(jié)佣盒，即對于不同的偏差程度采取不同的PID控制參數(shù)璃弄，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爸黄、模糊規(guī)則語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)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)值消返，相對于原本非0即1的二分法凝果，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婿奔、輸出均是模糊的缺狠，但透過解模糊化的步驟，即可得到精確的輸出值萍摊。
利用模糊集合理論可以將專家知識或操作人員經(jīng)驗(yàn)對應(yīng)的語言規(guī)則直接轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制策略儒老。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(jì)和修正控制算法[4]记餐。設(shè)模糊PID控制器的輸入變量為切割壓實(shí)機(jī)電機(jī)電流偏差e和偏差變化率ec驮樊，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所示片酝。
模糊規(guī)則語言變量為[NB囚衔，NM，NS雕沿，ZO练湿，PS， PM审轮，PB]肥哎，根據(jù)PID控制算法參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)建立模糊控制規(guī)則表(表1)。
表1 模糊控制規(guī)則表
運(yùn)行過程中疾渣，將輸入?yún)?shù)e和ec模糊化篡诽，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榴捡。
經(jīng)過模糊控制算法修正后的PID控制器參數(shù)為：
Kp=Kp0+ΔKp
Ki=Ki0+ΔKi
其中杈女，Kp0、Ki0為PID控制器的初始比例系數(shù)和積分系數(shù)吊圾。實(shí)際應(yīng)用中达椰，模糊控制規(guī)則采用IF-THEN方式，其結(jié)構(gòu)簡單项乒，易于修改和掌握啰劲，比較適合PLC編程實(shí)現(xiàn)。
4 應(yīng)用效果
圖4為引入模糊控制算法后的壓實(shí)機(jī)電機(jī)電流曲線檀何，可以看出蝇裤，壓實(shí)機(jī)電機(jī)電流保持在120A左右趁尼，由原料輸送機(jī)不穩(wěn)定造成的電流波動(dòng)大幅減弱，其中最大電流126.3A猖辫，最小電流116.7A酥泞，波動(dòng)范圍在±6%以內(nèi)。由破碎料輸送機(jī)不穩(wěn)定所帶來的干擾被大幅減弱啃憎，在一定范圍內(nèi)壓實(shí)機(jī)電機(jī)可以長期平穩(wěn)運(yùn)行芝囤，壓實(shí)機(jī)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(shí)機(jī)電機(jī)電流曲線
壓實(shí)機(jī)內(nèi)料位的穩(wěn)定使得造粒擠出機(jī)進(jìn)料均勻辛萍，長期保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定進(jìn)料悯姊，擠出機(jī)主電機(jī)扭矩長期保持穩(wěn)定運(yùn)行。對造粒機(jī)出料口進(jìn)行隨機(jī)采樣贩毕，如圖5所示悯许，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(shí)間就會發(fā)生周期性變化的問題辉阶。
圖5 物料粒子實(shí)物圖
綜上所述先壕，通過PID控制器調(diào)節(jié)破碎料輸送機(jī)，并結(jié)合模糊控制算法谆甜，在破碎料進(jìn)料控制中取得了滿意的效果垃僚。
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(shí)機(jī)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)大滯后规辱、非線性等多種因素共同影響造成的控制難點(diǎn)谆棺。該生產(chǎn)線目前運(yùn)行穩(wěn)定，生產(chǎn)的回收顆粒質(zhì)量良好罕袋，批次質(zhì)量穩(wěn)定改淑，使用維護(hù)成本低，在客戶現(xiàn)場已長時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行浴讯，得到了客戶的好評和肯定朵夏。
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