系统硬件

出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《塑料挤出制品生产工艺手册》第374页（5953字）

如同挤出机需要传感器来准确监测加工过程、传递信号以控制加工过程一样，辅机控制系统也需有相应的设备。

挤出系统常采用热电偶或电阻型温控装置来测定温度，采用继电器或SCR装置调节功率或冷却段。压力监测装置在第四章已有详细的介绍，这些传感器及控制装置得到了广泛的应用，有必要了解辅机的尺寸监测及产品质量控制操作及输出原理。

对传感器的监测还有一个要求就是确定它们能否产生假性输出及其条件。如果传递了错误的尺寸信号，整个系统就会不稳定。从表19－1可以看出，监测头的范围很广，相对而言，机械监测装置简单，但有两点主要的不足：一是辊压机不能在非常短的时间内测定尺寸的变化情况，另一是设备的惯性。在生产线速度很快的情况下惯性会使设备滞后于制品表面，因而会产生错误的信号。

空气监测器是一种半机械型，因为其惯性小，时间短，故与辊压机相比，其所读尺寸精度较高。其操作通常是依据监测器的移动而产生恒定的空气、背压等信号，这种方式可避免因非线性刻度而造成的错误。图19－6即为采用空气监测传感器与辊压传感器的棒材生产线的示意图。该系统标明了非线性错误频繁出现的位置，尺寸监测装置必须安装在口模附近以便有效地控制加工过程，而不会产生过度的信号滞后现象。

图19－6 棒材挤出生产线测量和控制传感器示意图

1－机头 2－离模膨胀 3－空气仪表(空气仪表传感器和辊筒接触表被用于模头直径内控制，然后棒材硬化) 4－辊筒接触仪表 5－拉伸辊

口模附近监测的尺寸与制品在牵引和冷却时的实际尺寸有一定的差距，这样，就有必要在生产线的末端安装另一种监测器，以记录制品的实际尺寸。两种监测装置的读数用于确定冷却过程中各参数对尺寸的影响，帮助操作工或控制计算机校正来自牵引装置的偏差。

图19－7气体监测器输出的信号可为控制尺寸的牵引装置实行循环控制。这种情况下(此时)，对信号处理器有一直接的反馈——将口模处棒材的尺寸变化转化为SCR电机控制器的电压变化，从而对生产线速度进行调整，以校正尺寸。

图19－7 棒材尺寸自动控制系统闭路循环控制示意图控制传感器是驱动常量间隙的空气仪表和带LVDF位移读数，误差信号被用于带SCR驱动的牵引机速度的控制

1－机头 2－LVDT 3－空气仪表 4－活塞装置 5－控制装置 6－SCR控制 7－电机

另外，还有更复杂的系统通过安装软件程序来校正尺寸，即利用辊压监测器的输入及电脑存储器中的一些数据描述波动情况。利用控制计算机取代信号处理器，该计算机通过改变其它的参数如口模与冷却装置的间隔、冷却剂(空气或水)的温度等而得到很好地控制。

空气监测器的优点在于结构简单，操作方便，但也有其相应的缺点，即空气易逸出而造成制品局部冷却。其它如电容型监测器见图19－8，它是RF(射频)电阻电容振荡器电路的一部分，通过与塑料表面紧密接触可以旋转，它相对较粗糙，但并不会影响到通过的物料。其响应时间较短，可用于感应挤出物在短时间内的波动情况，特别是在高速挤出。另外，电容型监测器可用作直接(而非线性)裂纹测量装置或者换用LVDT(线性电压差动传送)监测器，而作为恒定间隙装置，该装置采用螺线管传动。无论何种方法产生的信号均可由控制或记录装置所采用。

图19－8 电容监测器示意图和挤出用仪表结构

1－电容探针结构 2－电容探针

另一种近似传感器如图19－9所示。这是一种光电探测器系统。其光源通常采用LED(发光二极管)或其它可聚焦于移动挤出物上一点的小型光源。若挤出物表面移动。光电探测器即可反映出这种变化，线性传动装置即可使装置重新恢复平衡，结果通过LVDT重新显示出来。

图19－9 正显示从制品表面距离传感器接近变化焦点的光学表面探针的示意图

1－光学检测器 2－环形透视 3－制品表面 4－凸透镜 5－发光二极管 6－线性传动装置 7－LVDT检测器

另一种光学监测器如图19－10所示。其内部由两种光纤束组合在一起。其中一半连光源，另一半连光电探测器，散射光通量是表面亲和力的函数。其非线性关系曲线如图中所示。通过测定某一侧的最小值，可确定探测器与挤出物之间的距离，并作为光电探测器的输入信号。该装置可在具有线性过滤器和LVDT输出的恒定距离模式下工作。

图19－10 用于近似法光纤维光学表面对于光电传感器，纤维的一半是入射光，另一半是反射光，注意校准曲线

lin=25．4mm

在尺寸控制系统中，也可使用其它类型的外部固定装置。但以上所列举的仍是最典型的。挤出物的厚度是另一种常需测定的尺寸。如管材、片材、薄膜、异型材、电线包覆和许多其它的挤出制品。监测这些尺寸的装置类型很多；而超声波型探测器、原子探测器和磁性监测器是其中最常用的三种。

图19－11为使用磁性通道效应型监测器示意图。它是一种裂纹监测装置，为了有效地进行厚度测量，气体缝隙需封闭并紧贴定型芯模，而外部间隙保持恒定。在特定的监测环境下，在一定范围内，通道效应的电压与间隙间的校正曲线呈线性，所产生的信号可由控制及记录设备处理。

图19－11 霍耳(Hall)效应传感器和测量壁厚的磁场结构图

在成型中显示挤出管材的内部尺寸注意校准曲线

1－表头 2－已校准的霍耳效应传感器 3－空气支承面 4－产品壁(管材) 5－校准磁铁 6－定型芯模

在加工管材采用内置芯模定型内径时，用到该装置。此时，管状电容装置可用作厚度测量。图19－12为管壁厚度监测设置示意图，它亦可用于片材或薄膜。该图也表示出了该装置与牵引控制系统合并的一种简单方法。与其它控制系统相比，这是最简单的反馈方法，也可用微机控制系统来取代它。

图19－12 管材挤出生产线中用电容器显示管材壁厚示意图

1－挤出机 2－机头 3－管材 4－仪表装置 5－电容探针 6－定型芯模 7－电机控制 8－电机 9－牵引机 10－电容传感器 11－管壁 12－芯模13－空气间隙 14－保护物

超声波监测仪广泛用于管材壁厚的控制。因它是单壁测厚传感方式中最好的。如图19－13所示。其工作模式有多种，如变频信号法是其中之一。它利用传送信号与返回信号间的频率来测定信号通过管壁与脉冲反馈系统的时间，从而可测定壁厚。实际上，利用物料的音速和传送时间也可得到壁厚数据。脉冲反馈系统还可测定管壁中空隙及缺陷的存在。双频超声波装置产生的其它数据可作为塑料管壁质量的测定依据。其结果是根据不同材料于不同频率下声波传递速率的不同。

图19－13 管材挤出生产线中用反射超声波测管材壁厚仪表表头在管材周围旋转测量全部边的管壁

1－挤出机 2－机头 3－管坯 4－真空定径套 5－偶联流体 6－声音传感器 7－牵引机 8－声音传感器探头 9－外罩 10－管材

中心监测器包括X－射线仪、β－射线仪及其它高能射线监测装置。探测器为特殊的辐射式，包括气体型、闪光型及电荷衰变型。厚度测定仪的原理是通过测定挤出物吸收的电荷或射线，并利用厚度来校正探测器。该装置可通过挤出物测量，并将其设计成单侧测量形式。其中最常见的是利用β－射线散射反馈来测量厚度，大部分光线穿过挤出物到达金属反射板或反射面。初始电子多次撞击金属表面逸出电子，然后通过挤出物，由适当的探测器在器壁的同一侧进行测量。

中心监测器的一个独特之处是它所测定的为挤出物的横截面，它与测定网单位面积的质量有着直接的关系。从而出现一些有趣的问题及特殊的结果。例如，有些塑料在加工片材时会结晶，从而使片材在加工条件下较通常情况下的密度大。此时，所测定的厚度与真实值有一定差别。

中心监测器的密度敏感性使片材厚度控制的Autoflex系统能成功运行。该系统见图19－14，热螺栓模唇调节装置见图9－8，控制装置利用口模螺栓在整个口模宽度范围内调节厚度，利用网络来控制生产线速度。但是，由于模唇与辊压机之间不可能放置传感器，片材尺寸由压辊而定，其横截面尺寸变化也会逐渐减至最小。另外，较厚的片材通过辊间的挤压作用，其密度会升高，而由于中心监测器测定的是材料的局部密度，它只能读出从口模中挤出片材在变薄状态下的厚度值。只要该监测器的敏感度适当，即使在恶劣的环境中，该系统仍能正常运行。若在该系统中使用计算机，就可根据辊压机对最终尺寸的影响程度来提高控制效果。

图19－14 片材牵引系统和自弯模头

来自贝塔(β)扫描器的信号被用于控制模唇开度，使片材横向宽度尺寸恒定

1－挤出机 2－调节螺栓 3－机头 4－三辊压光机 5－挤出物 6－贝塔(β)扫描器 7－控制装置

Autoflex系统具有模唇尺寸的主控单元，可作为成型装置。采用其它类型口模的系统亦可达到同样的目的。如管口可调口模及电线包覆口模，及开口度可调的异型材口模。图19－15为可调口模的一种形式。在该类装置中，口模零件的移动依靠一连接电子伺服阀的油缸，而该阀通过高压液压油与油缸相连。

图19－15 可调异型材模头

使用于伺服阀控制的液压缸作用于阻流圈的阻流块

1－挤出机 2－机头 3－电液阀 4－可调阻流块 5－异型材

通过以上硬件的介绍，成型系统控制的监测装置有一宽广的选择范围。(控制)计算机从能控制多条生产线的微机到(控制)单条生产线的小型专用微机。计算机程序又是其应用的基础，其成本在整个系统中占有相当大的比重。计算机系统的优点在与简单的反馈控制系统相比在于控制的灵活性。

在线控制系统的经济效益取决于制品的合格率。其优点有如下几方面：

①采用封闭控制，次品率更低。

②质量标准更严格。

③控制系统的调整更容易。

第二存料区域如图19－16、图19－17、图19－18所示。使电线包覆尺寸的变化幅度降低，通过改变中心尺寸分布达到更低水平，可达到最佳的包覆效果。此时，物料与加工时间均有节余——假定物料的输出恒定。

图19－16 线材涂覆中涂层变化图，使用与不使用自动在线控制进行对比

D=线材直径 W=线材涂层最小规格 V=线材涂层的变化

(a)没使用控制 (b)使用了控制

图19－17 用和不用调节(或自动控制)的挤出涂覆线材壁厚高斯(Gaussian)分布曲线

lin=25．4mm

图19－18 用自动控制的涂覆线材的高斯(Gaussian)分布曲线，使用了自动壁厚显示曲线峰的可能位移

位移表示节省了原料的加工时间lin=25．4mm

由于节省原料与加工一定数量制品所用的树脂量减少有关，显然，经济效益取决于制品产量。

对于人工控制来说却并非如此。在其它多种情况下，经济效益是通过测定一特殊加工时段的物料及加工时间的节省情况来衡量的。

节省的根本效果是高产量，如管材、片材与电线等，均处于最佳设置状态。

从而可为控制系统投入大量资金。典型的管材加工系统在同样的加工规模下，可节省5%的原料和时间。如此下去，可大幅度地控制支出。实际上，任何连续工作系统，一般而言，均需相应的控制设备。对于短期制品生产线，每次启动的成本很高，而对于处理大量制品的控制设备，其建设操作成本更高。

控制系统的基本经济效益与手工控制系统相比，与单位质量的原料加工的制品量有关。高产量连续加工操作易于改变，通常，改变控制系统可适用于任何连续加工过程。对于改变多种短期产品的特定操作而言，相当困难，而在多种情况下，复杂系统控制的使用，除了挤出机产量控制之外，要想提高产量都是很难的。对需循环控制尺寸的制品而言，可完全改变加工的制品，这种情况下，手工操作会导致废品的显着增多，使加工过程难以进行。

本章介绍了一些特定实例，但其原理可适用于任何挤出系统，如何选择适当的控制设备及最佳的控制模式需对制品及系统参数进行细致的分析。利用系统的数学模型可为新的系统确定主要参数及控制点。