現(xiàn)代塑料擠出設(shè)備自動控制研究進(jìn)展

呂秀亭

現(xiàn)代塑料擠出設(shè)備自動控制研究進(jìn)展

呂秀亭

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧省撫順市 113001）

綜述了我國塑料擠出設(shè)備的市場情況，總結(jié)了近年來擠出設(shè)備生產(chǎn)商推出的先進(jìn)設(shè)備及裝備制造的改進(jìn)、新型節(jié)能擠出技術(shù)等，以及中國企業(yè)對塑料擠出設(shè)備的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用狀況。塑料擠出設(shè)備正朝著高效、環(huán)保、節(jié)能、生產(chǎn)過程數(shù)字化智能化的方向發(fā)展。今后，應(yīng)開發(fā)數(shù)字化生產(chǎn)過程，加快生產(chǎn)啟動程序，提高生產(chǎn)過程的靈活性；開發(fā)新型人機(jī)界面，用于工業(yè)控制任務(wù)；在生產(chǎn)過程中采用數(shù)字化設(shè)備，收集信息和實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

塑料 擠出設(shè)備 機(jī)械 研究進(jìn)展

按塑料加工工藝的不同，塑料機(jī)械可分為擠出機(jī)、注塑機(jī)和吹塑機(jī)三大類。擠出成型是一種重要的塑料制品加工方法，適用于絕大多數(shù)熱塑性塑料，其制品約占整個塑料制品的40%。擠出成型設(shè)備主要有單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)、磨盤擠出機(jī)、往復(fù)螺桿擠出機(jī)、多螺桿擠出機(jī)、雙階擠出機(jī)。隨著高分子材料和塑料制品的不斷發(fā)展，擠出成型設(shè)備向著高速、高效、節(jié)能的智能化方向發(fā)展［1-2］。本文主要綜述了我國塑料擠出成型設(shè)備的市場情況及現(xiàn)代塑料擠出成型設(shè)備自動控制的研究進(jìn)展。

1 塑料擠出成型設(shè)備市場情況

2014年，全球擠出機(jī)的主要進(jìn)口國為中國、俄羅斯、土耳其、美國和墨西哥，其中，中國擠出機(jī)進(jìn)口金額為6.30億美元，是該商品全球最大的進(jìn)口國。2014年，全球擠出機(jī)主要出口到德國、意大利、中國、日本和美國，其中，德國為最主要的擠出機(jī)出口國，其出口金額為8.26億美元［3］。

2014年，我國擠出機(jī)出口10 760臺，出口金額約3.45億美元，主要出口貨源地為江蘇省、廣東省和浙江省，三省擠出機(jī)總出口金額占我國擠出機(jī)出口總額的75.1%。2014年，我國擠出機(jī)出口企業(yè)分布見表1。

表1 2014年中國擠出機(jī)出口企業(yè)分布Tab.1 Distribution of Chinese export extruder producers in 2014

2014年，我國擠出機(jī)出口市場較分散，越南是我國擠出機(jī)的主要出口市場，占我國擠出機(jī)出口總額的8.2%。2014年，我國擠出機(jī)主要出口國見圖1。

圖1 2014年中國擠出機(jī)的主要出口國Fig.1 Exporting countries of extruders made in China

2 擠出成型設(shè)備技術(shù)改進(jìn)

2.1 自動控制系統(tǒng)改進(jìn)

2016年，在第20屆德國杜塞爾多夫國際塑料及橡膠博覽會（以下簡稱K展）上，德國巴頓菲爾辛辛那提集團(tuán)的全新擠出生產(chǎn)線所用的BCtouch UX控制系統(tǒng)，采用平板電腦或手機(jī)面板界面，提供多點(diǎn)觸控、拖動和滑移功能。借助現(xiàn)代便捷的通訊界面，直觀的菜單導(dǎo)航平臺來實現(xiàn)交互控制，連接服務(wù)器和移動設(shè)備，支持高效的生產(chǎn)計劃和預(yù)防性設(shè)備維護(hù)計劃管理，所有的工藝參數(shù)均可實現(xiàn)集中監(jiān)控。由于生產(chǎn)線所有組件的維修間隔都記錄在控制系統(tǒng)中，因此，可以從原料和能源消耗兩方面找到資源效率最高的生產(chǎn)線運(yùn)行平衡點(diǎn)，實現(xiàn)各種控制單元之間的通訊。整個生產(chǎn)線和工藝參數(shù)經(jīng)過系統(tǒng)評估后，可以連到ERP（即企業(yè)資源計劃）系統(tǒng)上［4］。除了現(xiàn)場操作，BCtouch UX操作系統(tǒng)也支持網(wǎng)絡(luò)報警功能，通過互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)來實現(xiàn)。根據(jù)客戶的選擇，通過局域網(wǎng)/無線局域網(wǎng)或通用移動通信系統(tǒng)/準(zhǔn)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，設(shè)定的生產(chǎn)線狀態(tài)數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備上。

德國布魯克納公司將智能生產(chǎn)線管理系統(tǒng)應(yīng)用于雙向拉伸聚酰胺生產(chǎn)線，可以簡化生產(chǎn)線操作，提高生產(chǎn)線利用率。該公司開發(fā)的一種新工具和輔助系統(tǒng)可用于在線測量，并直接影響薄膜生產(chǎn)的重要參數(shù)（如溫度、霧度、分子取向角度、密度、孔隙度等）［5］。該系統(tǒng)簡化了薄膜生產(chǎn)線的操作，工藝參數(shù)調(diào)節(jié)少，用戶導(dǎo)航直觀，生產(chǎn)數(shù)據(jù)可追蹤。目前，生產(chǎn)雙向拉伸聚醌包裝薄膜的生產(chǎn)線的常見工作寬度為8.7 m。在2016年的K展上，布魯克納公司首次展出10.4 m的概念，新生產(chǎn)線生產(chǎn)能力約提高了20%，可靠速度達(dá)515 m/min。

2016年的K展上，美奎產(chǎn)品有限公司展示了17.78，53.34 cm的HMI（即人機(jī)接口界面）擠出控制界面，以及新系列Maguire?混料系統(tǒng)——WXBTM系列，該系列兼具批量處理功能與質(zhì)量損失控制功能。結(jié)合意大利 Syncro公司廣泛的擠出控制選項，將使客戶能夠利用現(xiàn)有的美奎產(chǎn)品有限公司的設(shè)備，擴(kuò)展產(chǎn)品線上的控制元素［6］。

瑞士科萊恩國際有限公司采用美國艾默生電氣集團(tuán)提供的Unidrive M系列驅(qū)動器與Leroy-Somer Dyneo?永磁同步電機(jī)相結(jié)合的工業(yè)自動化解決方案，取代之前所使用的直流電機(jī)和驅(qū)動器系統(tǒng)，使擠出機(jī)的能效、精確度和可靠性得以大幅改善，總產(chǎn)量也提高了10%左右。Unidrive M600型驅(qū)動器的用戶菜單界面友好，所設(shè)置的參數(shù)易于使用。在Unidrive M600的主要技術(shù)特點(diǎn)中，支持無傳感器開環(huán)控制的能力。該模式可提供極為出色的動態(tài)性能，促進(jìn)更緊湊、高效的電機(jī)技術(shù)使用。Unidrive M600還支持簡單的定位功能，無需通過編碼器的位置反饋。此外，Unidrive M600還提供一個帶實時任務(wù)的高性能機(jī)載可編程邏輯控制器，可用于簡單的邏輯控制、速度跟蹤和數(shù)字鎖定，以增強(qiáng)驅(qū)動器的應(yīng)用能力。該驅(qū)動器還帶有用于機(jī)器控制編程的CoDeSys技術(shù)［7］。

2.2 產(chǎn)品厚度控制

在2015年的國際橡塑展上，美國諾信電子公司展出了商品名為SmartGap的模唇及平直定型區(qū)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可隨時進(jìn)行大幅度的產(chǎn)品厚度轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換時間從數(shù)小時縮短到數(shù)分鐘，同時可改善產(chǎn)品質(zhì)量［8］。SmartGap系統(tǒng)采用單點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)制，可在更改模唇間隙的同時改變模唇平直定型區(qū)的長度，以便在片材退出模頭時為新設(shè)定的厚度提供恰當(dāng)?shù)臈l件。SmartGap系統(tǒng)的模頭間隙調(diào)整是通過在執(zhí)行厚度變更期間使上下模唇面以及模唇平直定型區(qū)保持平行來實現(xiàn)的，內(nèi)置智能系統(tǒng)可在更改模唇間隙時自動調(diào)整模唇平直定型區(qū)長度。使用該技術(shù)可避免片材過度收縮，從而擁有更平整的片材。由于擠出膨脹情況減少，有助于避免出現(xiàn)裂紋，因此，使外觀更美觀。

2015年，諾信公司開發(fā)的共擠出技術(shù)能夠在多層結(jié)構(gòu)中保證各子膜層的厚度公差。使用九流道平模頭，流道是模頭內(nèi)部熔體流量的分配通道，在模頭上游配置接模分配器，可將熔融聚合物從擠出機(jī)輸送到多層流道模頭。在多層復(fù)合模頭中，每層熔體流都有自己專門的流道，只有當(dāng)每一層熔體流分別鋪滿后，所有各層才會被匯聚到同一個單層結(jié)構(gòu)中。該技術(shù)不需要將多層熔體流預(yù)先排布在一個共擠喂料塊，而是通過模頭同時鋪展，從而減少了層界變形。多層復(fù)合模頭可定制UltracartTM快速清潔站，模頭上的Autoflex自動唇口調(diào)節(jié)裝置可以隨時拆下，有利于模頭的定期清潔和預(yù)防性維護(hù)。

高性能的包裝薄膜通常采用昂貴的特殊材料作為阻隔膜層，多層復(fù)合模頭的精確度更高，使加工商可以使用更少的昂貴材料制作成更薄的薄膜阻隔層，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，保證了產(chǎn)品的一致性。

2.3 喂料系統(tǒng)改進(jìn)

2016年的K展上，諾信公司開發(fā)的新一代復(fù)合共擠出超寬流道喂料塊，可以減少剪切應(yīng)力并提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

諾信公司生產(chǎn)的Extrusion Dies IndustriesTMUltraflowTMV-T型喂料塊可以在生產(chǎn)線上進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，且其流道比普通流道更寬，可以減少剪切應(yīng)力和界面不穩(wěn)定性。新款喂料塊可以對每個復(fù)合層精度進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，而且還能使各復(fù)合層熔體流在匯流處的線速度達(dá)到平衡，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的多層共擠出結(jié)構(gòu)。喂料塊將來自不同擠出機(jī)的熔體流合并成一個多層的“三明治”結(jié)構(gòu)，然后由模頭擠出至目標(biāo)產(chǎn)品寬度。如使用2 540 mm幅寬的模頭時，對于100 mm喂料塊流道，延展率為25∶1，對于180 mm喂料塊流道，延展率約為14∶1。Extrusion Dies IndustriesTMUltraflowTMV-T型喂料塊帶有獨(dú)立的裝置，分別調(diào)節(jié)復(fù)合層穩(wěn)定性和厚度均勻性，這兩種調(diào)節(jié)均不需要停工即可進(jìn)行。其中的一個調(diào)節(jié)裝置是一副穩(wěn)流調(diào)節(jié)翼片，可以通過調(diào)節(jié)復(fù)合層匯流處的間隙來微調(diào)整個層間結(jié)構(gòu)，設(shè)計亮點(diǎn)在于新增了一對“層厚調(diào)節(jié)單元”（位于穩(wěn)流調(diào)節(jié)翼片的對面），其間裝有可拆換的層厚微調(diào)梗，可以微調(diào)復(fù)合層厚度的均勻性。對于超過3層的復(fù)合共擠出，其他微調(diào)設(shè)備放在更遠(yuǎn)的下游，那里將有更多的復(fù)合層熔體流匯入中心層的位置，會依次設(shè)置更多的層厚微調(diào)梗，其相對匯流點(diǎn)的位置可以通過層厚調(diào)節(jié)單元來調(diào)節(jié)，這可以根據(jù)位置指示刻度轉(zhuǎn)動喂料塊外部的螺母來實現(xiàn)，并且不需要停止生產(chǎn)。

2.4 新型節(jié)能擠出技術(shù)

瞿金平等［9］研發(fā)出塑料無螺桿塑化擠出技術(shù)，利用拉伸流變作用來代替剪切，其能耗比傳統(tǒng)螺桿擠壓系統(tǒng)降低30%左右。該技術(shù)解決了傳統(tǒng)加工方法中高分子材料因強(qiáng)剪切作用而降解，導(dǎo)致制品性能下降、循環(huán)再利用困難等問題，塑料加工高能耗、高浪費(fèi)的“雙高”局面將得到改觀，使用該技術(shù)的產(chǎn)品產(chǎn)量比螺桿擠出機(jī)的高25%左右。由于物料可以在很短的空間內(nèi)完成壓實、排氣、研磨及塑化，因而設(shè)備尺寸也極大減小，物料熱機(jī)械歷程比單螺桿擠出機(jī)縮短50%以上，設(shè)備體積減小2/3左右，設(shè)備噪音降低至75 dB以下。應(yīng)用該技術(shù)及設(shè)備，在塑料加工時添加部分廢棄的中藥渣、甘蔗渣以及秸稈等替代塑料，在減少“白色污染”的同時，還可實現(xiàn)資源的有效利用，未來可將60%～70%的塑料原料換成植物纖維，極大減少了塑料的使用量。塑料無螺桿塑化擠出技術(shù)及設(shè)備目前已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段［10］。

3 中國企業(yè)技術(shù)研發(fā)應(yīng)用

上海金湖擠出設(shè)備有限公司開發(fā)了一種大型高效擠出的錐型雙螺桿擠出機(jī)，并在2016年推出大型SJZ110/220型錐形雙螺桿擠出機(jī)。生產(chǎn)實踐證明，一臺SJZ110/220型擠出機(jī)可替代3～5臺擠出機(jī)，達(dá)到高產(chǎn)節(jié)能的效果，可廣泛應(yīng)用于舊生產(chǎn)線改造、新材料管道建材、城市供排水、農(nóng)田灌溉、天然氣或強(qiáng)腐蝕化工產(chǎn)品運(yùn)輸、城市管網(wǎng)改造等領(lǐng)域［11］。上海金緯機(jī)械制造有限公司研發(fā)了一條新的小口徑波紋管生產(chǎn)線，適合生產(chǎn)OD50-160型雙壁、單壁波紋管，其生產(chǎn)速度不低于10 m/min，可為客戶提供設(shè)備升級方案［12］?？票堵。暇C(jī)械有限公司2015年上市的STS Mc11系列雙螺桿擠出機(jī)，與上一代機(jī)型相比，制品產(chǎn)量最高可提升27%［13］。天津市恒瑞塑膠機(jī)械有限公司于2016年制造的阻隔片材生產(chǎn)線，主要用于聚丙烯、聚苯乙烯高阻隔片材的生產(chǎn)，原料中可添加破碎料。5臺擠出機(jī)實現(xiàn)了7層高阻隔片材的生產(chǎn)，且多層合層器配有特殊設(shè)計的邊料，不含乙烯乙烯醇共聚物/己二酸二酰肼，片材厚度可為0.6～3.0 mm，產(chǎn)量為300～1 500 kg/h［14］。廣州普同實驗分析儀器有限公司的桌面式三維打印耗材實驗線由單/雙螺桿擠出機(jī)、口模、冷卻水槽、測徑、自動收卷等組成，自動化程度高，使用方便，可適應(yīng)聚乳酸、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物、聚醚酮、熱塑性彈性體等線材的生產(chǎn)要求［15］。新樂華寶塑料機(jī)械有限公司的最新四軸全自動高速高配纏繞膜機(jī)組，主機(jī)采用高效節(jié)能電機(jī)、自動配混系統(tǒng)來彌補(bǔ)人工拌料的缺陷，液壓換網(wǎng)快捷高效，7層共擠使纏繞膜的各項物理指標(biāo)更加優(yōu)異。該設(shè)備可在線生產(chǎn)大卷、小卷的手用膜和機(jī)用膜［16］。張家港市貝爾機(jī)械有限公司生產(chǎn)的90-38型單螺桿高效擠出機(jī)，采用的長徑比為38，適用于高密度聚乙烯、聚丙烯、無規(guī)共聚聚丙烯、耐熱聚乙烯管材擠出，該集團(tuán)還擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能雙軸取向聚氯乙烯管材生產(chǎn)線［17-19］。江門市輝隆塑料機(jī)械有限公司的無菌包裝專用三聯(lián)多層共擠出復(fù)合生產(chǎn)線，采用其特有的“混煉低能耗擠出機(jī)”專利技術(shù)，具有節(jié)能、低損耗、復(fù)合強(qiáng)度高、黏合層薄等特點(diǎn)，速度達(dá)到300 m/min［20-22］。

4 結(jié)語

塑料制品廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、包裝、建筑材料、通訊、石油化工、航空航天、國防等領(lǐng)域。我國是塑料制品的使用大國，塑料工業(yè)的發(fā)展前景廣闊。塑料加工機(jī)械行業(yè)為塑料制品行業(yè)提供設(shè)備，促進(jìn)了塑料工業(yè)的發(fā)展。為滿足塑料原料加工、企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)以及成本控制的需要，塑料機(jī)械行業(yè)正在向智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、個性化、專用化、微型化、系列化的方向發(fā)展。今后，需要研發(fā)能夠在加工過程節(jié)省能源的部件，還應(yīng)開發(fā)數(shù)字化生產(chǎn)過程，加快生產(chǎn)啟動程序，提高生產(chǎn)過程的靈活性；開發(fā)新型HMI擠出控制界面，提供與智能手機(jī)、平板電腦操作相似的直觀操作，并可用于工業(yè)控制任務(wù)；在生產(chǎn)過程中采用數(shù)字化設(shè)備，允許塑料加工商分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)，收集信息和實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

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Research progress of auto-control for plastic extruder

Lv Xiuting

（Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China）

This paper reviews the market of plastic extruder in China. It also demonstrates the advanced extruders developed by extruder producer in recent years along with the modification for the equipment and new energy saving extrusion techniques. The research and development of the plastic extruder in China are presented as well. The equipment has evolved to high efficiency，environmental friendly，energy saving，digitization and intelligence in manufacturing process. Digital production will be the emerging field，which will help to accelerate the production launch process and improve the flexibility of the operation. New human-machine interface is the research hotspot in industrial control. Digital equipment will be applied in production process for information collection and intelligent manufacturing.

plastics； extruder； machinery； research progress

TQ 325；TQ 320.66+3

A

1002-1396（2017）03-0099-04

2016-12-10；

2017-03-01。

呂秀亭，女，1980年生，碩士，2009年畢業(yè)于遼寧石油大學(xué)計算機(jī)與通信工程學(xué)院，現(xiàn)主要從事塑料機(jī)械自動化研究工作。聯(lián)系電話：13941314396；E-mail：78059486@qq.com。