王 丹1 薛 凱1 龐 博2
（1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.沈陽透平機械股份有限公司）
摘要 介紹了BOPET薄膜回收造粒系統(tǒng)的結構和工作原理，針對系統(tǒng)中傳統(tǒng)控制模式存在的問題，引入了PID控制算法和模糊控制算法。實際應用結果表明：機組上料輸送不穩(wěn)定、切割壓實機料位不穩(wěn)定的問題均得到了解決，電機電流控制在120A±6%，成品物料粒子質量滿足要求。
關鍵詞 模糊控制 PID控制 BOPET薄膜 回收造粒 切割壓實機 料位 電機電流
聚對苯二甲酸乙二酯(PET)是一種高度可回收的塑料樹脂，于1941年由杜邦公司的化學家在北美首次合成[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、包裝和印刷領域被廣泛應用[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)對破膜和邊膜進行回收造粒并重復利用，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)的一項關鍵技術就是控制切割壓實機進料。因生產(chǎn)線是連續(xù)生產(chǎn)的，必須保證連續(xù)定量進料。當進料量少于擠出機的出料量時，回收機拉條會變細，甚至斷條，影響產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)進度；當進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、物料結塊，嚴重時會導致壓實機過載，造成巨大的經(jīng)濟損失。為了精準控制切割壓實機的進料量，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)方式直接喂料進入擠出機進行造粒。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，在旋轉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，在壓實機旋轉刀盤高速旋轉離心力的作用下，破碎料被不斷壓實。單螺桿擠出機的進料口經(jīng)過特殊設計，與壓實機料倉側面對接，從而使被壓實的破碎料不斷被推入擠出機，進而被擠出機螺桿帶走，進行熔體造粒。
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，破碎料堆密度低，各種形式的料位計都無法準確、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載密切相關，隨著原料料位的不斷增加，原料重量增加，進而使壓實機電機負載增大，有功電流增加，且成正相關關系，因此可采用電機的有功電流來間接反映壓實機內的料位。
傳統(tǒng)的控制模式是采用超馳控制方法，即設定一個電機電流的高限，當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，上游料倉不再送料；當壓實機電機電流低于高限電流時，表明壓實機料倉空倉，這時輸送電機運轉連續(xù)送料[3]。然而該控制模式存在一定的弊端，剛輸送進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，滯后性將導致切割壓實機電機電流大幅振蕩，振幅可達壓實機額定電流的15%左右。這種不穩(wěn)定會造成后續(xù)擠出機進料不穩(wěn)定，扭矩上下波動幅度大，熔體擠出拉條粗細不均，粒子大小間歇性變化，嚴重影響成品質量。
3 控制方法改進
3.1 PID控制算法
以天華化工機械及自動化研究設計院有限公司(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速電機，通過調節(jié)電機轉速，使物料的輸送量連續(xù)可調節(jié)。根據(jù)輸送電機轉速與切割壓實機電機電流變化的動態(tài)關系，以切割壓實機電機電流設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定電流120A的±9%以內。
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，導致上游破碎料倉容易“架橋”，輸送電機的轉速與實際物料的輸送量無法呈現(xiàn)良好的線性關系，有時較低的轉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，嚴重時甚至需要人工干預。
3.2 模糊控制算法
為進一步提高控制質量，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)驗對應的語言規(guī)則直接轉換為自動控制策略。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計和修正控制算法[4]。設模糊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，得到改進后的模糊PID控制器結構框圖如圖3所示。
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：
Kp=Kp0+ΔKp
Ki=Ki0+ΔKi
其中，Kp0、Ki0為PID控制器的初始比例系數(shù)和積分系數(shù)。實際應用中，模糊控制規(guī)則采用IF-THEN方式，其結構簡單，易于修改和掌握，比較適合PLC編程實現(xiàn)。
4 應用效果
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。由破碎料輸送機不穩(wěn)定所帶來的干擾被大幅減弱，在一定范圍內壓實機電機可以長期平穩(wěn)運行，壓實機內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
壓實機內料位的穩(wěn)定使得造粒擠出機進料均勻，長期保持動態(tài)穩(wěn)定進料，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控制器調節(jié)破碎料輸送機，并結合模糊控制算法，在破碎料進料控制中取得了滿意的效果。
5 結束語
PID調節(jié)喂料量并結合模糊控制算法控制切割壓實機料位的方式目前已經(jīng)應用在BOPET薄膜回收生產(chǎn)線中，解決了進料系統(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)的回收顆粒質量良好，批次質量穩(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。
參考文獻
[1] Tennant D J.Manufactu re of Highly Polymeric Sub-stances[P] .US：US2465150A，1949-03-22.
[2] 馮樹銘 .PET薄膜雙向拉伸技術及發(fā)展方向[J] . 聚酯工業(yè)，2009，22(2)：1~3，31.
[3] 張國強 ，馬永金 .BOPET廢膜再生技術開發(fā)[J].橡塑技術與裝備，2017，43(16)：16~19.
[4] 王芳，潘春榮.基于IGA優(yōu)化模糊PID的堆垛機控制系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化，2020，42(11)：82~86，106.
聚砜醫(yī)療干粉吸入...
塑料包裝材料的減...
汽車功能鍵觸摸蓋I...
高性能注塑聚丙烯...
