塑料薄膜生产可控机械的开发与研制.doc

1绪论1.1 双轴定位拉伸聚酯薄膜（BOPET）简介聚酯薄膜是以优质的纤维级聚酯切片（粘度为0.64）为主要原料，采用先进的工艺配方，经过干燥、熔融、挤出、铸片和拉伸制成的高档薄膜。 根据生产聚酯薄膜所采用的原料和拉伸工艺不同可分为以下两种： 1、双向拉伸聚酯薄膜（简称BOPET），是利用有光料（也称大有光料，即是在原材料聚酯切片中添加钛白粉，经过干燥、熔融、挤出、铸片和纵横拉伸的高档薄膜，用途广泛。 2、单向拉伸聚酯薄膜（简称CPET）,是利用半消光料（原材料聚酯切片中没有添加钛白粉），经过干燥、熔融、挤出、铸片和纵向拉伸的薄膜，在聚酯薄膜中的档次和价格最低，主要用于药品片剂包装。由于使用量较少，厂家较少大规模生产，大约占聚酯薄膜领域的5%左右,我国企业也较少进口，标准厚度为150m。 相比于非拉伸薄膜，BOPET具有更好的机械性能，以及其它薄膜所不具备的耐药性、耐高温性、抗冲击性和绝缘性等，被广泛用作食品包装材料、工业材料、磁性材料、感光材料和电气材料。通过加入不同的添加剂BOPET薄膜可以获得广泛的应用，例如： (1)电工绝缘膜。由于其具有良好的电器、机械、热和化学惰性，绝缘性能好、抗击穿电压高，专用于电子、电气绝缘材料，常用标准厚度有：25m、36m、40m、48m、50m、70m、75m、80m、100m和125m（微米）。其中包括电线电缆绝缘膜（厚度为25-75m）和触摸开关绝缘膜（50-75m）。 (2)电容膜。具有拉伸强度高、介电常数高，损耗因数低，厚度均匀性好、良好的电性能、电阻力大等特点，已广泛用于电容器介质和绝缘隔层。常用标准厚度有3.5m、3.8m、4m、4.3m、4.8m、5m、6m、8m、9m、9.8m、10m、12m。(3)护卡膜。具有透明度好、挺度高、热稳定好、表面平整优异的收卷性能、均匀的纵横向拉伸性能，并具有防水、防油和防化学品等优异性能。专用于图片、证件、文件及办公用品的保护包装，使其在作为保护膜烫印后平整美观，能保持原件的清晰和不变形。常用标准厚度有10.75m、12m、15m、25m、28m、30m、36m、45m、 55m、65m、70m，其中15m以上的主要作为激光防伪基膜或高档护卡膜使用。 (4)通用膜。具有优异的强度和尺寸稳定性、耐寒性及化学稳定性，广泛用于复合包装、感光胶片、金属蒸镀、录音录像等各种基材。具体有以下几种： 半强化膜。最主要的特点是纵向拉伸强度大，在较大的拉力下不易断裂，主要用于盒装物品的包装封条等。常用标准厚度有20m、28m、30m、36m、50m。 烫金膜。最大特点是拉伸强度和透明度好，热性能稳定、与某些树脂的结合力较低。主要适合高温加工过程中尺寸变化小或作为转移载体的用途上。常规标准厚度为9m、12m、15m、19m、25m、36m。 印刷复合包装膜。主要特点是透明性好、抗穿透性佳、耐化学性能优越、耐温、防潮。适用于冷冻食品及食品、药品、工业品和化妆品的包装。常用标准厚度为12m、15m、23m、36m。镀铝膜。主要特性是强度高、耐温和耐化学性能好、有良好的加工以及抗老化性能，适当的电晕处理，使得铝层和薄膜的附着更加牢固。用于镀铝后，可广泛用于茶叶、奶粉、糖果、饼干等包装，也可作为装饰膜如串花工艺品、圣诞树；同时还适用于印刷复合或卡纸复合。常规标准厚度有12m、16m、25m、36m。 磁记录薄膜。具有尺寸稳定性好，厚度均匀，抗拉强度高等特点。适用于磁记录材料的基膜和特殊包装膜。包括录音录像带基（常用标准厚度有9-12m）和黑色膜（常用标准厚度有35-36m）。表1-114为BOPET薄膜的主要用途及性能。表1-1 BOPET薄膜的主要用途及性能主要功能电容器电器材料磁带包装胶带标签板X光片相片制板脱模耐电压介电常数体积电阻率表面电阻率拉伸强度阻隔性耐撕裂性耐磨损性表面强度透明性光洁度尺寸稳定性粘结性热封性耐药性续表1-1主要功能电容器电器材料磁带包装胶带标签板X光片相片制板脱模耐光性耐热性耐湿性耐燃性爽滑性：好 ：差1.2 国内外 BOPET薄膜的发展概况1.2.1 国外发展用双向拉伸工艺生产塑料薄膜的方法始于1935年，当时德国首先用这种方法生产BOPS薄膜。20世纪40年代末，美国道(DOW)化学公司制出了偏二氯乙烯与氯乙烯共聚物，并推出了双向拉伸PVDC薄膜，商品名为Saran。1953年英国帝国化学公司(CI. C. I)在市场上推出了双向拉伸聚酷薄膜，商品名为Melinex。1958年双向拉伸聚丙烯薄膜得到了发展，当时以意大利Montecatini公司的商品名为Moplefan的最为有名，并申请了专利权。尼龙塑料虽然早在1939年就由德国工.G公司开发出来，但是由于制造的难度和成本高昂，直到60年代末期才开始用作包装材料。近年来双向拉伸塑料薄膜的发展很快，其中以聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酷(简称聚酷)、聚苯乙烯、尼龙薄膜的生产量最大，应用范围也最为广泛。下面介绍常用的BOPET薄膜增长情况:1980年全世界的产量为40万吨，到了1991年产量则达到98. 6万吨(生产能力达到108万吨)，11年间薄膜的产量就增长了147%, 1996年达到150万吨以上。从产品的规格上来看，目前双向拉伸薄膜的厚度最薄可为0.5m，最厚可达356 m。薄膜的幅宽最大已大于8m。从薄膜生产速度来看，12um双向拉伸薄膜时的生产速度可高达350m/min，而且整个生产过程都是采用计算机进行自动控制。据英国PCI咨询公司统计和预测，1999年全球聚酷薄膜生产能力为173. 3万吨，其中亚洲地区为102. 1万吨，占世界总产能的58. 9%; 2005年达到185. 0万吨，亚洲地区将达到107. 1万吨，占世界总产能的57. 9% 。从产能集中的国家来看，全球聚酷薄膜最大的生产国是美国、日本和韩国，在1999年生产能力分别为33. 6万吨、33. 5万吨和29. 2万吨，为世界前三名，其合计产能高达%.3万吨，超过世界总产能的二分之一(55. 6%)，中国年产能10. 6万吨，排名第五，仅占世界总产能的6%，与其巨大的潜在消费市场并不相称。在世界聚醋薄膜的生产中，前十大生产厂家的生产能力合计为111. 3万吨，占世界总产能的64. 2%。位居第一的是日本的东丽公司，该公司分布在世界各地的9家工厂产能合计为29. 8万吨，第二名是美国的杜邦公司，23. 8万吨的产能也是分布在世界各地的9个工厂中，韩国SKC集团的3个工厂产能13万吨，为世界第三。从增长速度来看，全球聚醋薄膜的年增长率为1.1%，亚洲/远东(不含日本)的聚酷薄膜产能的年平均增长率也达1.1%，而中国大大超过世界平均年增长率，其总产能在2005年增至13. 8万吨，上升为世界第四位。当前国外BOPF生产技术的特点如下：(1)产品质量高。薄膜厚度公差小，性能稳定、均匀。(2)生产设备大型化。目前薄膜幅宽都在3m以上，最大幅宽已超过10m。(3)生产高速化。生产设备的机械速度高达450m/min，在生产12m薄膜时，生产速度最高达到350m/min，生产375m薄膜时，线速度已达200m/min。(4)原料、设备趋向专用化很多薄膜生产厂都具有专用的原料生产装置，使用自己生产的原料，即使使用商品原料，原料的来源基本上是固定的;薄膜生产装置也趋于单一化，即一条生产线专门生产一种产品。(5)自动化程度高目前在大型双向拉伸塑料薄膜生产线中，生产过程的温度、速度、压力、张力、厚度、等控制系统已从继电器的逻辑控制发展为既有逻辑控制、计时、计数、分支程序、子程序控制功能，也有数字运算、数据处理、模拟调节、操作显示、联网通讯等功能控制系统。全球各薄膜设备制造商都已将大型计算机可编程程序控制器等新型装置用于生产线的全过程控制，过程控制从模拟控制进入到数字化控制阶段，最优化控制及模糊控制也逐渐应用于过程控制之中。计算机网络技术的发展使大型薄膜生产线能够实现整个生产线的集中控制，实现生产控制和生产管理等的有机结合，从而进一步提高企业的经济效益。1.2.2 国内发展我国双向拉伸塑料薄膜的研究工作始于20世纪50年代，首先是从BOPET薄膜开始的。70年代开发成功BOPP, BOPS薄膜。80年代以后，我国引进、吸收了国外的先进技术和设备，BOPF薄膜得到迅速发展。90年代已能大量生产包括BOPA在内等多品种塑料薄膜，不但能满足国内需要，而且许多产品还远销国外。国内中小型拉伸薄膜生产线的设计和加工方面也取得十分可喜的进步。下面我们分别介绍各种薄膜的发展情况：(1)BOPET 20世纪中期，由于电工方面的需要，我国就开始BOPET薄膜的开发试制。1959年，沈阳化工研究院就开始采用熔融-平面逐次双向拉伸法BOPET薄膜的研制工作。1962年原化工部北京研究院采用挤出一同时双向拉伸法BOPET薄膜，1965年通过了原化工部部级鉴定。与此同时，原一机部电器科学研究院、天津绝缘材料厂、常州绝缘材料厂、上海电磁线厂等单位，采用釜式法BOPET薄膜，并在改进的印染用拉幅机的基础上分别建成了多条BOPET薄膜生产线，1965年也通过部级鉴定并有小批量生产。在这个阶段里，我国都是以自行开发研制为主，直到1969年，我国才首次引进两台德国布鲁克纳(BRUECKNER)公司的小型双向拉伸设备。19851992年间丹东、上海、杭州、汕头、佛山、中山、南京等地引进了7条15003000t/a的薄膜生产线，也建成了多条中小型国产BOPET薄膜生产线，使我国BOPET薄膜的生产能力急剧增加。1994年BOPET薄膜的产量已近4万吨，1995年以后，佛山、仪征、潍坊、宁波、天津、上海等地又从德国、法国、日本引进46. 7m宽的大型薄膜生产线，目前我国BOPET薄膜的总生产能力约为10万吨左右。从我国的BOPET薄膜产量上看，目前国产的BOPET薄膜不但可以满足国内的需要，而且还可以部分出口。从BOPET薄膜的质量上来看，国产薄膜的质量已达到国外同类产品的水平。从薄膜的品种上来看，除了磁盘芯片、高级磁带带基以及少数特殊薄膜仍需进口外，其他的产品都可以生产。国产的BOPET薄膜主要是用于包装、X光片、电气绝缘、电容器等领域。(2) BOPP薄膜我国BOPP薄膜是在19721973年间由桂林电器科学研究院、嘉兴绝缘材料厂、晨光化工研究院开始试制的。1980年四川东方绝缘材料厂引进日本信越公司的管膜法生产线，生产能力为500t/ao 1980年北京化工六厂从德国布鲁克纳公司引进一套年产5000吨的BOPP薄膜生产线，1984年正式投产。产品的厚度为1560 m，幅宽为6m。北京燕山石油化学公司化工二厂也引进一套4m宽的设备。其后，广东、安徽、广西等地又陆续引进多套BOPP薄膜生产装置。90年代以后，BOPP薄膜发展更快，到1997年底我国共引进63条BOPP生产线，总生产能力达32万吨。其中德国布鲁克纳公司的设备为33条，法国DMT(包括其前身CELL工ER公司)的为4条，日本三菱重工为22条。(3)BOPS薄膜20世纪60年代末，天津近代化工厂，70年代晨光化工研究院、朝阳塑料厂采用平面扩张拉伸法生产BOPS薄膜，产品主要用作高频电容器的绝缘薄膜。90年代初期，我国先后从美国、日本、德国引进了7条BOPS薄膜生产线，分布在浙江、江苏、上海、广东四省。BOPS薄膜的年生产能力已达6. 8万吨，产品主要用于包装行业。(4)BOPA薄膜BOPA薄膜作为包装材料有许多优点，但是因为它成本高，加工难度大，影响了它的发展速度。80年代后，黑龙江方正县肠衣厂引进了一套德国管膜法尼龙薄膜生产线，直径为281200mmo 90年代以后，佛山东方包装材料公司从日本三菱重工引进一条年产3000吨的平面双向拉伸尼龙薄膜生产线，经过不断的开发和改进，使BOPA薄膜的生产技术达到了国际的水平，产品的规格以1140m为主。1.3 课题研究的背景和意义双向拉伸聚酯薄膜(BOPET)作为典型聚酯产品中的聚醋薄膜，由于PET 所具有的众多良好特性，科研人员们对其生产过程展开了细致有效的研究和改造，并取得了一系列成果，有些已在实践中得到了应用。随着可编程序控制器(PLC)近年来在薄膜生产线方面不断的发展和应用，PLC以其强大的功能、程序改变的灵活，且能适应高温、振动、冲击和强电干扰的工业环境等优势正逐步替代耗能高、体积庞大、可靠性差的继电器-接触器控制系统。本文正是在这样的双层背景下，对现行的BOPET塑料薄膜生产线电气控制系统进行改造，从而使产品质量和生产效率得以提高。1.4 课题研究的内容及方法根据国内外双向拉伸聚酯薄膜生产的现状和发展方向，结合现代工业自动化技术，对现有大众化薄膜生产线的原有电气控制系统进行了改造。本文主要研究内容及方法如下：(1)根据工艺要求，结合计算机控制理论，确定系统总体结构的组成，即采用可编程序控制器和工业计算机组成一个二级的过程控制系统。并完成硬件元器件的选型、系统软件平台的选择等。(2)生产过程中温度的精确控制是关系到BOPET质量的重要技术之一，针对挤出机温度系统具有参数时变、时滞系统、强耦合的特点，研究和制定智能控制策略。(3)根据所确定的控制策略，以S7-300PLC为硬件平台，开发设计出智能控制器，以满足工艺要求。(4)结合用户需求设计上位机监控软件，用WINCC组态软件开发薄膜生产管理系统。通过软件与硬件的联调，对系统进行检测和优化，使系统达到设计目标。1.5 本章小结首先介绍了与本课题相关的双轴定向拉伸聚酯薄膜（BOPET）及其国内外发展概况其次简述了课题研究的背景及意义、研究的内容与方法。2 BOPET薄膜的生产工艺2.1 BOPET薄膜工艺路线 PET薄膜一般用平膜法而不用管膜法生产，这是由于用平膜法生产的PET薄膜质量性能好，厚度均匀，且生产线速度快，膜幅宽，产量大，BOPET薄膜生产工艺流程见图2.1。空白切片改良料或母切片、回收料分筛配料混合洁净干燥洁净干燥铸片（附片冷却）测厚双向拉伸热处理牵引表面热处理收卷分切检验包装图2.1双向拉伸薄膜生产工艺流程图 第一步：原料选择生产。优质的双向拉伸薄膜，离不开优质而稳定的原材料。各原料的质量直接影响着薄膜的机械、热、电、光学等性能，并与薄膜的成型加工性能有密切关系。所以，BOPET薄膜生产的第一项工作就是选定原材料，细致检查和确定各种原材料的基本特性是否符合要求。第二步：分筛。使用时首先用吊车将袋装的商品粒料调到平台上，然后倒进加料斗。在加料斗的入口处，一般都设有一个特大网孔的栅栏，它既不会影响投料速度，又能分离原料中的大型杂物。第三步：原料的输送。在薄膜生产线中，原料进入挤出机之前都需要进行远距离的输送。此次使用高精度旋转阀连续送料法。连续旋转供料器的核心设备是高精度旋转阀，这种旋转阀可以使物料顺利卸出，完全隔离高压气体通过。第四步：配料及物料混合。生产BOPET薄膜时，一般要使用两种或多种原料。而各种物料的性能往往存在很大的差异，因此，在加工之前必须准确计量各种原料的加入量，有时还需要将配好的原料混合均匀。配料的准确性与混合的均匀性主要影响产品的物理机械性能(如薄膜的雾度、拉伸强度、表面性能等)，有时也会影响薄膜的成膜性。第五步：分离原料中的金属杂质。为了防止新料、回收料中可能混入金属或者在原料输送过程中落入金属而损坏挤出机，在物料进入挤出机料斗之前，必须装设一台金属分离器，将物料中混入的金属及时排除。第六步：原料结晶和干燥。从聚合物降解原理可以知道，某些聚合物在高温条件下进行成型加工时，微量的水分、酸或碱等杂质都会使聚合物产生降解。因此，聚合物加工前必须将树脂进行严格的除湿处理。原料的干燥处理的过程实质是用加热的方法，使原料的含水率降低的过程。尽管切片干燥方式种类繁多，但是，归纳起来主要有气流干燥与真空干燥两大类。在实际生产线上，采用了气流干燥的方法。这种干燥方法是流态化原理在干燥中的应用，特点是传热、传质速率高，干燥能力大，设备结构简单。第七步：挤出一铸片。“铸片”是指熔融塑料在压力的推动下，强行通过长形的口模，并在外力(静电、气流等)作用下，使熔融塑料迅速贴附在冷鼓上，制成固态片材的过程。通常铸片的方法有两种，即聚合物在聚合后进行直接铸片法和聚合物切片经挤出重熔制片法。目前绝大多数的薄膜生产厂，选用挤出铸片方法来生产拉伸薄膜。挤出铸片法是利用挤出螺杆旋转产生的压力和剪切力，利用物料与机筒、螺杆的摩擦热和机筒外部传入的热量，将聚合物进行充分的塑化、混合、匀化并强行通过机头的口模，在冷却鼓上实现铸片的方法。用挤出法生产双向拉伸薄膜，最关键的问题就是要保持挤出熔体压力均匀、稳定，防止熔体过分降解及带未熔物料、气泡或焦料等异物，可以说这些问题也是衡量挤出系统性能的主要标准。第八步：薄膜平面双向拉伸。众所周知，用熔融铸片法制得的片材，无论是物理性能还是机械性能都没有充分发挥，往往都要进行拉伸取向处理。拉伸取向分为单向拉伸和双向拉伸两大类。在实际生产线中选用逐次拉伸的方法。逐次拉伸法是将挤出的片材分别经过纵向、横向两次拉伸完成取向过程的方法。在这种拉伸方法中，大多数采用先进行纵向拉伸，然后进行横向拉伸的纵一横两次拉伸法。第九步：薄膜牵引。装置薄膜牵引装置是指双向拉伸机之后，直到薄膜收卷机之前，薄膜所通过的所有设备。这个装置的作用是将拉伸的薄膜展平、冷却。利用薄膜测厚仪检测薄膜的纵、横向厚度，然后切除两个废边，并将废边通过吸风嘴吸入粉碎机，最终以恒定速度将薄膜送往收卷机。不同品种的薄膜，生产的工艺要求是不同的，牵引装置的具体结构也不完全相同。图2.214为典型薄膜牵引装置的示意图。6543211-展平辊；2-冷却辊；3-测厚议；4-切刀；5-吸边风嘴；6-牵引辊图2.2典型薄膜牵引装置的示意图第十步：薄膜收卷。拉伸薄膜离开牵引机后，立即进入薄膜收卷机。薄膜通过收卷机的张力控制辊、展平辊、跟踪辊，最后缠绕在收卷机的卷芯上，完成薄膜成型加工的过程。薄膜收卷机也是薄膜生产线上很重要的设备之一，其性能和质量的好坏会影响分切后产品的质量和收卷率。第十一步：薄膜分切。从收卷机卸下的母卷，由于运输不便，薄膜的尺寸不能满足用户使用要求。所以，在出厂前都要将其进行分切，把母卷切成具有特定的宽度及一定长度的小卷，完成这一工作的机器称为分切机。第十二步：废料回收。在生产双向拉伸薄膜的过程，出现废料是不可避免的。废薄膜、片材的回收方法很多。在实际生产线中采用的时挤出造粒法，这种方法是将粉碎、剪切、破碎的废塑料，用挤出机挤成细条，经过水槽冷却、脱水、切成物料的方法。下图为挤出造粒工艺流程图：废边切断，粉碎废膜片，粉碎块料，破碎预干燥碎预干燥碎预干燥碎切换式过滤挤出成条水冷却鼓风或吸气脱水牵引切片分筛包装或风送料仓图2.3挤出造粒工艺流程图2.2 温度控制对薄膜挤出机挤出过程的影响20世纪60-70年代开始，人们对挤出质量及其影响因素进行了大量的实验性研究。Young通过实验证明了挤出制品的拉伸强度决定于挤出过程的温度，而挤出制品的最大拉伸强度对应一个最佳挤出温度。Sander和Seeks在制造LDPE包覆电缆时，通过研究挤出质量和挤出温度的关系，发现适当提高挤出温度，可增加包覆层耐环境应力开裂的强度。B.Breolplater对聚合物挤出过程的温度控制进行了优化，优化出最佳温控点和温控区域，从而保证材料的均匀塑化。挤出过程中塑料熔体温度的变化必然引起熔体豁度的变化，导致挤出压力和流率的波动。研究表明，机头中温度波动1，可引起3%的流率波动，使挤出制品在外观质量和内在强度都受到影响1,2 。目前，我国常规挤出机控温精度为35而温度波动会引起9%15%的流率波动，造成5%20%的制品壁厚分布不均匀度。由此造成的材料浪费可达8%左右。由此可见，通过合理的控制手段和方法，获得精确的挤出机工艺温度是非常必要的。2.2.1 国内外温度控制发展概况 在工业控制中，温度过程控制起着重要作用。温度控制广泛应用于社会生产、生活的各个领域。随着现代工业生产和科学研究的发展，人们对温度过程控制的要求越来越高，除了要求系统具有较高的温度控制精度外，还希望控制系统的过程过渡时间尽量短，最大偏差和超调量要小，扰动作用后减幅振荡的次数尽量少，恒温曲线要求尽可能平直，静态误差要小。温度控制的对象大多模型复杂且具有较大的热惯性，这导致温度控制系统具有非线性、时滞以及不确定性。由于控制对象的纯滞后性质，常使系统在运行中产生超调乃至振荡。所以温度控制方面单纯的依靠传统控制方法很难达到高质量的控制效果。人们一直在寻找着更好的控制方法以提高控制性能，满足不同的控制要求。特别对于高精度温度控制，如何快速、精确的将温度控制在给定值一直是现代生产、生活面临的重要课题之一。1、国外温度控制系统的发展概况：自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，在智能化、自适应、参数自整定等方面取得很大成果。在温度控制方面，以日本、美国、德国等国的技术领先，生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点:(1)适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制，能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。(2)能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。这些温度控制系统普遍采用自适应控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，适应的范围广泛。(3)控制器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。(4)温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。国外塑料挤出成型温度控制系统的智能化程度较高、反馈及时、控制灵敏、稳定性也较好。不仅应用了很多先进的仪器仪表，同时在相关算法和控制软件方面也有明显的优势。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。2、国内温度控制系统的发展概况目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。智能化、自适应的温度控制仪表方面的技术国内还不成熟，商品化并广泛应用的控制仪表较少。目前，我国的温度控制器及仪表与国外的差距主要表现在如下几个方面:(1)温控行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，研发能力不强，制约技术发展。(2)商品化产品以PID控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大，目前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制器及仪表。(3)在关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外落后。2.2.2 挤出机温度控制方案的选择塑料挤出机广泛应用于塑料的混炼、填充和挤出成型。其主体是螺杆及相配的多段机筒。为了保证工艺上的需要，每段机筒温度必须保持恒定，而且每段温度之间具有预定的温度梯度。为此，机筒必须具有加热和冷却两种功能的控制。视螺杆长径比不同，机筒的 段数也不同，每段机筒的设定温度也不同，这样筒体间的热耦合不但较强，而且将随工况不同而变化。由此可以分析得出，塑料挤出机温度控制系统是一种非线性、强耦合的系统，其具有较大的热惯性和热滞后。为了适应这类复杂的温度控制系统，满足越来越高的控制要求，已有不少学者针对其先进控制策略进行了研究，实现了许多相对复杂的高级控制算法。下面将最近儿年快速发展的PID温控，模糊控制，以及神经网络，遗传算法在温度控制中的应用做一综述：（1）PID控制。PID控制即比例、积分、微分控制。自19世纪40年代开始以来，广泛应用在工业生产中，长期以来，由于其结构简单、实用、价格低，在广泛的过程领域内可以实现满意的控制。温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较，差值作为PID功能块的输入。PID算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续，是很普通的调节方法。其缺点是现场PID参数整定麻烦，被控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控制漂离最佳状态。 文献3提出一种PID参数自整定的温度控制算法，采用简化临界比例度整定法，只需整定一个参数，提高了参数的整定效率，用编程的方法实现在线参数自整定。应用这种规则的系统特点是其瞬态响应超调量小，抗干扰能力强，目振荡有足够的阻尼，具有良好的选择性和灵敏度。效果得到了改善。针对大功率二极管应用中的技术困难，文献4提出开关型大电流双向输出模型和含PID调节器的双闭环控制。（2）神经网络控制。人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反向传播算法(即BP算法)应用最为广泛。温度控制系统由于负载的变化以及外界干扰因素复杂，而PID控制只能对电参数的影响做精确的计算，对于外界环境的变化只能做近似的估算，影响控制精度。人工神经网络以其高度的非线映射，自组织，自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。该方法响应速度快，抗干扰能力强，算法简单，且易于用硬件和软件实现。训练方法实际是网络的自学习过程，即根据事先定义好的学习规则，按照提供的学习实例，调节网络系统各节点之间相互连接的权值大小，从而达到记忆，联想，归纳等目的。在温控系统中，将温度的影响因素如天气、气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体温度等作为网络的输入，将其输出作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，随实验与研究的进行与深入，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定PID控制器参数的目的56 mnn (memory neuron network)在每个网络节点增加了记忆神经元，在学习动态非线性系统时，不须知道实际系统过多的结构，同时当系统滞后比较大时不会造成网络庞大难以训练7。（3）模糊控制。模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。电力系统的模型通常是不完善的，即使模型己知，也存在参数变化的问题。PID控制简单、方便，但难以解决非线性和参数的变化，模糊控制不需要装置的精确模型，仅依赖于操作人员的经验和直观判断，非常容易应用。模糊温控的实现:将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值，建立规则，例如，IF温度太高OR温度在上升，THEN减少控制输入，或风冷。将这些模糊规则写成模糊条件语句，形成模糊模型。根据控制查询表，形成模糊算法。对温度误差采样的精确量模糊化，经过数学处理输入计算机中，计算机根据模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，变成精确量去驱动执行机构，调整输入，达到调节温度，使之稳定的日的。同传统的P ID控制比较，模糊控制响应快，超调量小，参数变化不敏感89。（4）模糊控制与PID结合(fussy- PID)。 模糊模型使用模糊语言和规则描述一个系统的动态特性及性能指标。其特点是不须知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象，对被控对象参数变化有强鲁棒性，对控制系统干扰有较强抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于对控制系统设计分析和标准缺乏系统的方法步骤，规则库缺乏完整性，没有明确的控制结构。PID控制器结构简单，明确，能满足大量工业过程的控制要求，特别是其强鲁棒性能较好适应过程工况的大范围变动。但PID本质是线性控制，而模糊控制具有智能性，属于非线性领域，因此，将模糊控制与PID结合将具备两者的优点。即用过程的运行状态(温度偏差及温度变化率)确定PID控制器参数，用PID控制率确定控制作用10。主要的问题是合理地获得PID参数的模糊校正规则。其实质是一种以模糊规则调节PID参数的自适应控制，即在一般PID控制系统基础上，加上一个模糊控制规则环节。文献11给出不同实时状态下对PID参数的推理结果，当温差较大时采用fussy控制，响应速度快，动态性能好;当温差较小时采用PID控制，使其静态性能好，满足系统精度要求。因此fussy-PID复合控制，比单一的模糊控制或PID调节器有更好的控制性能。文献12采用模糊自适应PID设计方法，根据人们要求的温度曲线，由计算机系统进行监控，根据模糊推理判断，实现对任何一种模型参数的系统都能自动调节其PID参数，使输出与温度曲线趋于一致，实现快速响应特性与超调量最优的统一13。以上几种控制系统针对温度系统大滞后、参数时变、非线性的特点，提出了多种先进控制策略，并做了仿真实验，有的已在实际的控制系统中得到了应用，且效果良好。本课题的研究对象BOPET薄膜挤出机温度控制，系统同样有大滞后、非线性、模型不精确的特性，且工况易变，要求温控精度高。从上文对常用温度控制算法的介绍可以知道，常规PID显然不可取;基于模型预测控制的自适应PID控制器虽然能取得很好的控制效果，但对数学模型的精确性要求较高，参数难以整定，不适合在本系统中应用;模糊预测控制发挥了两种控制技术的优势，但其算法复杂，难以实现现场级的在线控制。所以最终选择鲁棒性好、控制算法简单且实时性好的模糊PID控制策略。2.3 本章小结本章介绍BOPET的生产工艺路线，并对目前挤出机温度控制系统各组成部分的选择方案进行了分析，通过比较各种可选方案的特点，本着性能优良、简单实用的原则，确定了本课题的温度控制方案。3 薄膜挤出机模糊温度控制策略研究3.1受控对象特性分析3.1.1 塑料挤出机工作原理及物料生产过程中对温控的要求塑料挤出机是制造各种塑料片材和塑料薄膜的关键设备，按螺杆数量分单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。(1)单螺杆挤出机是在加热料筒中装一根转动的螺杆，料筒外部分区设有加热和冷却装置，一端有径向加料口，另一端轴向与机头相连。螺杆是挤出机的关键部件。单螺杆挤出机主要技术参数是螺杆直径、长径比（螺杆长度与直径之比）、螺杆转速范围、驱动电机功率、料筒加热功率和机器生产能力。螺杆直径决定挤出机的生产能力和制品容许最大截面。不同物料要求不同几何形状的螺杆和长径比。现代塑料挤出机广泛采用组合型螺杆、分配混合型螺杆，以及在螺杆上加屏障物或销钉等，以改善塑化，提高生产能力和产品质量。 (2)双螺杆挤出机有两根螺杆在字形加热料筒中转动。螺杆可分为啮合和非啮合型；组合和非组合式；同向旋转和异向旋转的。以同向啮合型和异向啮合型用得较多。前者用于塑料共混、填充和增强，生产各种配合料；后者用于加工硬聚氯乙烯制品。单螺杆挤出机由于操作简单、易改造、适应性广、性价比高等优点而得到了广泛的应用。据统计全世界80%以上的塑料是用挤出法来加工的，其中单螺杆挤出机的使用占有相当大的比例。我国塑料机械行业生产的挤出机80-85%是单螺杆挤出机。一套塑料挤出吹膜设备是由塑料挤出机（主机）、相应配套装置（辅机）和控制系统三部分组成。主机是由加料系统（加料斗）、挤压塑化、传动、加热冷却四部分组成；挤压塑化系统主要由机筒和螺杆组成,是挤出机的核心部分、关键零部件；传动系统的作用是起驱动螺杆，保证螺杆在旋转工作过程中所具备的扭矩和转速；加热冷却系统主要用来保证塑料在挤压系统熔融温度，自动控制。辅机一般包括机头、冷却和定形装置、牵引装置、切割装置等。其中机头是根据薄膜的层数而定，由单层、双层、三层等不一。通常塑料挤机所配备的机头是单层吹膜机头，即生产单层塑料薄膜。机组的控制系统主要由变频器、三相交流异步电动机、电器、仪表和执行机构组成，其主要作用为：（1）控制主、辅机的拖动电机、满足生产工艺要求所需的转速和功率，并保证主、辅机能协调地运行；（2）控制主、辅机的温度、压力、流量、张力和制品的质量。（3）实现整套机组（生产线）的自动控制。图3.1是薄膜挤出机生产线组成图。图3.1塑料薄膜挤出机生产线组成挤出机通常至少由三段组成。第一段，靠近加料斗，是加料段。它的功能让物料以一个相对平稳的速率进入挤出机。一般情况下，为避免加料通道的堵塞，这部分物料由室温状态进入料筒，与熔融温度的温差较大，所以物料在该段需要的热量较大。第二部分为压缩段，在这段形成熔体并且压力增加。由加料段到压缩段的过渡可以突然的也可以是逐步（平缓）的。压缩段的作用是使机筒与螺杆之间的塑料进一步压实和塑化，将携带在塑料内的空气压回到加料口处排出，以改善塑料的热传导性能。当塑料从加料段进入熔融段后，随着塑料的继续向前输送，并由于螺杆螺槽的逐渐变浅、螺距越来越小，物料温度不断升高，固体塑料逐渐熔融变成熔体。在该段由物料剪切作用所转化的热往往超过了物料的需求，此时，应采取制冷措施将系统多余的热量排出。最后一个部分计量段，紧靠着挤出机出口。主要功能是流出挤出机的物质是均匀一致的。在这部分为确保组成成分和温度的均匀性，物料应有足够的停留时间。 在机筒的尾部，塑料熔体通过一个机头离开挤出机，这个机头设计成理想的形状，挤出的熔体流在这里通过。 另一个重要的部分是挤出机的驱动机构。它控制螺杆的旋转速度，螺杆的旋转速度决定着挤出机的产量。所需的功率由聚合物的粘性（流动阻力）决定。而聚合物的粘性取决于温度和流动速率，随着温度和剪切力的增加而下降。 挤出机都带有滤网，能将杂质阻挡在滤网上。为避免停工，滤网应能自动更换。通过以上对挤出过程的分析可知，温度控制在塑料挤出加工过程中非常重要。温度直接影响物料在整个加工过程的流变状态，进而影响产品的内在质量。为了保证挤出过程的顺利进行，根据工艺要求机筒各段均需维持温度恒定且相互间具有预定的温度梯度。3.1.2 薄膜传热模型的建立BOPET薄膜的生产通常包括以下过程:首先是将聚酷粒子经过称重、混合配料后送到干燥塔干燥后由加料料斗将塑料料粒加入机筒，在挤出机加热熔融后进入熔体线，在熔体线进行粗过滤和精过滤后送入铸片系统的模头，熔体由模唇流出，经过冷却辊表面快速冷却定型成薄膜厚片。从机头中挤出后，薄膜温度依然较高，仍有一定的塑性，经冷却拉伸及定型，成为一定宽度和厚度的塑料薄膜。为克服薄膜在冷却定型过程中所产生的摩擦力，用牵引装置使薄膜以均匀的速度引出。当牵引装置送出冷却定型后的薄膜达到规定的长度后，由切割装置将薄膜切断，这样整个的生产工序得已完成。薄膜传热模型的建立：冷却铸片、纵向拉伸、横向拉伸等过程需对薄膜进行多次的加热和冷却，且都必须控制在一定的温度下进行。生产中常用的辊筒都是经过高度抛光，它与膜表面直接接触，用热风喷射进行加热和冷却，所以薄膜的加热和冷却通常是对薄膜表面直接进行强制加热和冷却，薄膜内部则主要靠热传导进行传热。薄膜热量传递的机理己经有很多学者研究过，且都取得不错的效果，经过多方面比较，本文采用刘国平建立的传热模型16。现对其建立模型的步骤做简要叙述。在建立模型时，作以下假设：薄膜宽度方向上温度一致；薄膜运动方向上的热传导忽略不计；厚片的结晶忽略不计。基于以上假设，将膜平均分为层叠加而成，各层温度相同，厚度为;则在T时时，时间内有: (3.1)采用计算机进行模拟计算时，以一极小量替代，将积分运算转化为计算机能够实现的差分形式，则有： （） (3.2) (3.3) (3.4) (3.5)式中，为时刻，时间内由第层传至第层的热通量()；为时刻第层温度()。采用以上模型并结合薄膜表面的强制传热系数，不仅可模拟计算出膜的温升、温降曲线，而且可以计算出膜内温度分布梯度，这对生产线的设计和工艺参数的选择具有指导作用。3.2 模糊控制算法3.2.1 模糊控制概况 模糊逻辑控制 (Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。 模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在东方却得到了迅速而广泛的推广应用。近20多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用的例子涉及生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等的模糊控制；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制等。 3.2.2 模糊控制基础 模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。模糊控制器 (Fuzzy Controller，即FC)获得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点： 模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 模糊控制器的基本结构如图 3.215所示： 计算和模糊化决策逻辑反模糊化过程精确值模糊值模糊值精确值+-模糊推理单元知识库模糊控制单元图3.2模糊控制器的基本结构3.2.3 模糊控制应用研究现状 模糊控制具有良好控制效果的关键是要有一个完善的控制规则。但由于模糊规则是人们对过程或对象模糊信息的归纳，对高阶、非线性、大时滞、时变参数以及随机干扰严重的复杂控制过程，人们的认识往往比较贫乏或难以总结完整的经验，这就使得单纯的模糊控制在某些情况下很粗糙，难以适应不同的运行状态，影响了控制效果。 常规模糊控制的两个主要问题在于：改进稳态控制精度和提高智能水平与适应能力。在实际应用中，往往是将模糊控制或模糊推理的思想，与其它相对成熟的控制理论或方法结合起来，发挥各自的长处，从而获得理想的控制效果。由于模