DE3623679C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Regeln eines Schneckenextruders nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und auf einen Schneckenextruder zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff von Anspruch 3. Ein derartiger Schneckenextruder ist aus der DE-AS 22 60 768 bekannt. Dort wird eine Steuereinrichtung für einen kontinuierlich arbeitenden Mischer beschrieben, bei welchem der Schnecken-Antriebsmotor sowohl in Abhängigkeit von der Materialtemperatur wie auch in Abhängigkeit von dem Mischerdrehmoment geregelt wird. Zur Vermeidung von Überschwing-Vorgängen wird ein Filter eingeschaltet und nur der niederfrequente Teil der Drehmomentänderung zur Regelung herangezogen. Als Regler wird ein PI-Regler verwendet. Dieses vorbekannte Regelprinzip setzt eine exakte Temperaturmessung für seine Funktionsfähigkeit voraus.

Aus der DE-PS 33 10 484 ist ein Doppelschneckenextruder bekannt, bei welchem zur Erzielung einer Leistungssteigerung bis an die Leistungsgrenze des Extruders eine Drehzahlregelung vorgenommen wird. Es handelt sich dabei um ein Zweifach-Regelsystem, in dem ein Regelkreis "Drehmoment-Durchsatz" zur Durchsatzoptimierung dient, während ein anderer Regelkreis "Massetemperatur-Drehzahl" zur Einstellung der maximal möglichen Ausstoßtemperatur dient. Dieser letztgenannte Regelkreis ist an sich ein Hilfs-Regelkreis, der es ermöglicht, eine möglichst hohe Drehzahl einzustellen, so daß die entstehenden Drehmomentreserven für eine weitere Erhöhung des Durchsatzes ausgenutzt werden können. Da beide Regelkreise sich gegenseitig beeinflussen, wurde eine Entkopplung derart realisiert, daß man die Regler zumindest in der Hochlaufphase abwechselnd arbeiten läßt.

Aus der gattungsbildenden DE-AS 15 54 833 ist an sich eine geregelte Produktzufuhr bekannt. Allerdings ist gemäß diesem Stand der Technik eine Druckmessung des im Schneckenextruder befindlichen Produktes zwingend erforderlich. Dies führt zu Problemen hinsichtlich der Genauigkeit und damit einer ausreichenden Reproduzierbarkeit, welche Voraussetzung zur Erlangung eines gleichbleibend optimalen Produkts ist. Weiterhin stellt sich bei dieser bekannten Regelung das Problem, daß bei unterschiedlichen Verfahrensführungen entschieden werden muß, an welcher Stelle des Extruders jeweils gesondert vorzusehende Messvorrichtungen zur Erfassung dieser Größen anzubringen sind.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß die sich beim Aufschmelzprozeß in einem Schneckenextruder ergebenden Produkteigenschaften ganz wesentlich durch die eingeleitete Energie bestimmt werden. Zur Erzielung konstant gleichbleibender Produkteigenschaften ist es wünschenswert, die eingeleitete Energie konstant zu halten. Hinsichtlich der zugeführten thermischen Energie läßt sich dies durch eine Gehäusetemperaturregelung realisieren. Die mechanische Energieeinleitung durch Reibung wird demgegenüber herkömmlicherweise ungeregelt vorgenommen, indem eine feste Extruder-Drehzahl eingestellt wird, oder aber die Extruder-Drehzahl - wie vorstehend dargelegt - nach anderen Kriterien geregelt wird, nicht jedoch mit der Zielrichtung der Konstanthaltung der eingeleiteten Energie. Gerade bei größeren Schneckenextrudern ist aber der Anteil mechanischer Energieeinleitung dominierend.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Regelung für die mechanische Energieeinleitung vorzusehen, um diese zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Produktqualität konstant zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 bzw. 2 und einen Schneckenextruder gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 3, jeweils in Verbindung mit deren Oberbegriff.

Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei der als Regelgröße die spezifische Energieeinleitung verwendet wird, d. h. die eingeleitete Antriebsenergie bzw. Antriebsleistung pro Durchsatz, ergibt sich eine durchsatzunabhängige Betriebsweise des Schneckenextruders. Darüber hinaus wird der grundsätzliche Vorteil erreicht, daß gegenüber Drehzahlsteuerungen und Drehzahlregelungen herkömmlicher Art eine konstante spezifische Energieeinleitung und damit eine definierte Produktqualität erzielt wird. Da die Produkttemperatur bei Schneckenextrudern der in Betracht stehenden Art darüber hinaus ganz wesentlich durch die spezifische Energieeinleitung bestimmt wird, läßt sich das erfindungsgemäße Regelprinzip mit Vorteil auch bei solchen Systemen anwenden, bei welchen eine Messung der Produkttemperatur nicht oder nur mit relativ großem Aufwand möglich ist. Hinsichtlich der durchsatzunabhängigen Betriebsweise ist außerdem noch als günstig zu vermerken, daß die eingeleitete spezifische Energie als Meßgröße schneller auf Durchsatzänderungen reagiert als z. B. die Produkttemperatur, so daß bei Durchsatzänderungen hinsichtlich der Produkttemperatur eine schnellere Ausregelung erreicht wird, als wenn die Korrektur der Drehzahl direkt aus einer Massetemperaturmessung abgeleitet wird.

Zur Realisierung des angestrebten Regelverhaltens wird gemäß Anspruch 4 vorzugsweise eine PID-Regeleinrichtung verwendet. Eine solche PID-Regeleinrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Stellgröße einer Addition der Ausgangsgrößen einer P-Regeleinrichtung, einer I-Regeleinrichtung und einer D-Regeleinrichtung entspricht (vgl. DIN 19 226). Eine derartige Regeleinrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Regelprinzips ist immer dann einsetzbar, wenn im Arbeitsbereich ein annähernd proportionaler Zusammenhang zwischen der Drehzahl des Antriebsmotors und der spezifischen Energieeinleitung besteht.

Durch die gemäß Anspruch 5 vorgesehene Dividiereinrichtung wird der Quotient aus Antriebsleistung des Antriebsmotors und Durchsatz zur Bildung der Regelgröße S entsprechend der spezifischen Energieeinleitung gebildet. Die nach Anspruch 6 der Dividiereinrichtung zur Ausfilterung von höherfrequenten Signalanteilen nachgeordnete Filtereinrichtung, welche gemäß Anspruch 7 vorzugsweise eine Zeitkonstante von ca. 10 - 40 sec. besitzt, wird ebenso wie durch eine gemäß Anspruch 8 vorgesehene, der Regeleinrichtung nachgeordnete Filtereinrichtung, welche gemäß Anspruch 9 vorzugsweise eine Zeitkonstante von ca. 100 sec. besitzt, erreicht, daß kurzzeitige Störgrößen nicht berücksichtigt werden und auf diese Weise unnötige Stellbewegungen vermieden werden. Demgegenüber soll erreicht werden, daß langsame Störgrößen ausgeregelt werden, wie z. B. Ausgangsproduktschwankungen. Durch die vorgesehene Dimensionierung wird sichergestellt, daß auch bei Durchsatzänderungen der jeweils neue stationäre Betriebspunkt für die Drehzahl ausreichend schnell, aber ohne Überschwingen des Drehmoments erreicht wird.

Durch die nach Anspruch 10 vorgesehene Ausgestaltung ist es möglich, dem Energieregelkreis eine Produkttemperatur in Form einer Kaskadenregelung zu überlagern, wobei der Soll-Wert der spezifischen Energieeinleitung als Stellgröße für den Massentemperatur- Regelkreis verwendet wird. Hierdurch ergeben sich Vorteile sowohl im Betrieb als auch bei der Inbetriebnahme, da der Energieregelkreis unabhängig von dem Temperatur-Regelkreis optimiert werden kann und für sich funktionsfähig ist. Auch bei Ausfall eines Temperaturfühlers kann der Schneckenextruder ohne wesentliche Beeinträchtigung der Produktqualität weitergefahren werden. Die überlagerte Produkt- Temperaturregelung arbeitet also so, daß über den Soll-Wert der spezifischen Energieeinleitung der Schneckenextruder in die Nähe des zur gewünschten Produkttemperatur gehörenden Betriebspunktes gesteuert wird, wobei die Temperatur-Regeleinrichtung dann nur noch in einem kleinen Arbeitsbereich die so gewählte Voreinstellung korrigiert.

Die Einzelheiten der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung ersichtlich. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines gattungsgemäßen Schneckenextruders,

Fig. 2 eine schematische, blockschaltbildartige Darstellung einer erfindungsgemäßen Regelanordnung, und

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung mit überlagerter Produkttemperatur-Regelung.

Ein in Fig. 1 dargestellter Schneckenextruder weist ein Gehäuse 1 auf, das aus mehreren Abschnitten 2, 3, 4 besteht, die axial hintereinander angeordnet und aneinandergeflanscht sind. In dem Gehäuse 1 ist eine in der Zeichnung nicht dargestellte Schnecke angeordnet, welche über ein Getriebe 5 von einem Motor 6 angetrieben wird. Das Gehäuse 1 und das Getriebe 5 sowie der Motor 6 sind über Ständer 7 gegenüber dem Boden 8 abgestützt. In den ersten, als Einzugszone dienenden Gehäuseabschnitt 2 mündet ein Einlaßtrichter 9 ein, in den zu verarbeitendes Material beispielsweise über eine als Bandwaage ausgebildete Zuführeinrichtung 10, beispielsweise für Granulat, und/oder eine als Dosierschnecke ausgebildete Zuführeinrichtung 10′, beispielsweise für Pulver, zugeführt wird. In dem letzten Gehäuseabschnitt 4 kurz vor dem austragsseitigen Ende 11 ist eine - lediglich schematisch dargestellte - Temperaturmeßeinrichtung 12, welche sich in das Innere des Gehäuses 1 erstreckt, vorgesehen. Den Zuführeinrichtungen 10, 10′ sind Durchsatz-Meßeinrichtungen 13, 14 zugeordnet.

In Fig. 2 ist schematisch eine Regelanordnung dargestellt, wie sie erfindungsgemäß verwendet werden kann. Diese Anordnung umfaßt eine Dividiereinrichtung 15, welcher als Eingangsgrößen die Antriebsleistung N des Antriebsmotors 6, welche durch Messung von Strom und Spannung in an sich bekannter Weise mit im einzelnen nicht dargestellten Meßeinrichtungen 22 erfaßt werden kann, und der Durchsatz G zugeführt werden. Der Durchsatz G wird durch die Durchsatz-Meßeinrichtung 13, 14, welche den Zuführeinrichtungen 10, 10′ zugeordnet sind, ermittelt, wobei davon ausgegangen wird, daß im Betrieb die zugeführte Produktmenge der ausgetragenen Produktmenge, d. h. dem Durchsatz, entspricht. Als Durchsatz ist die zugeführte Produktmasse pro Zeit definiert.

In der Dividiereinrichtung 15 wird der Quotient aus Antriebsleistung N und Durchsatz G ermittelt und hierdurch die Regelgröße S gebildet, welche über eine Filtereinrichtung 16 der Soll-Ist-Wert-Vergleichsstelle 17 einer Regeleinrichtung 18 zugeführt wird. Die als Tiefpaß ausgestaltete Filtereinrichtung 16 sorgt ebenso wie eine der Regeleinrichtung 18 nachgeschaltete Filtereinrichtung 19, welche ebenfalls als Tiefpaß ausgestattet ist, dafür, daß höherfrequente Signalanteile ausgefiltert werden, so daß in die Regelung nur langsam sich ändernde Störgrößen, wie z. B. Ausgangsprodukt-Änderungen, eingehen. Die Filtereinrichtung 19 hat eine Zeitkonstante von ca. 100 sec. und die Filtereinrichtung 16 eine Zeitkonstante von ca. 20 sec.

Der Vergleichsstelle 17, welche als Differenzbildungs- Einrichtung wirkt, wird neben dem gefilterten Regelsignal S _m der Soll-Wert S _soll der spezifischen Energieeinleitung zugeführt, so daß am Eingang der Regeleinrichtung 18 Signal Δ S entsprechend der Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert anliegt.

Das durch die Filtereinrichtung 19 gefilterte Ausgangssignal der Regeleinrichtung 18 wird durch einen Faktor K₂ gewichtet, wobei dieses Signal einer als Additionseinrichtung ausgebildeten weiteren Vergleichsstelle 20 zugeführt wird. Dieser Vergleichsstelle 20 wird daneben ein durch einen Faktor K₁ gewichtetes Grund-Drehzahlsignal n _b zugeführt, wobei aus der Summe dieser Eingangsgrößen gemäß der Gleichung n _s = K₁ × n _b + K₂ × X _s ein Ausgangssignal n _s gebildet wird, welches dem Antriebsmotor 6 zugeführt wird, der den in Fig. 1 dargestellten, als Ganzes mit 21 bezeichneten Extruder antreibt. Die Größe n _s bildet also die resultierende Soll-Wert-Drehzahl für den Hauptantrieb.

Eine Regelung der vorstehend beschriebenen Art läßt sich z. B. zur Extrusion von Kunststoffen verwenden, z. B. Polyäthylen und Polyamid. Ein charakteristischer Wert für die eingeleitete Energie bezogen auf die Produktmasse kann z. B. bei 0,1 bis 0,3 KWh/kg liegen. Abhängig von dem verwendeten Material liegt die maximal zulässige Temperatur bei ca. 200 bis 280°C. Durch die erfindungsgemäß erzielte Konstanthaltung der eingeleiteten spezifischen Energie wird auch eine Konstanthaltung der bei Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art von dieser spezifischen Energie wesentlich bestimmten Temperatur erzielt, d. h. es wird erreicht, daß die maximal zulässige Temperatur nicht überschritten wird.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem der vorstehend beschriebenen Energieregelung eine Temperaturregelung in Form einer Kaskaden-Regelung überlagert ist. Zur Vereinfachung der Darstellung sind hinsichtlich des Energie-Regelkreises in Fig. 3 lediglich die Soll-Ist-Wert-Vergleichsstelle 17, die Regeleinrichtung 18 und der Motor 6 dargestellt. Die Produkttemperatur am austragsseitigen Ende 11 des Extruders 21 wird über eine Meßeinrichtung 12 erfaßt, welche das Signal ϑ _n liefert. Dieses Signal wird einer Vergleichsstelle 23, welche als Differenzbildungseinrichtung ausgebildet ist, zusammen mit dem Temperatur-Soll-Wert-Signal ϑ _ns zugeführt. Das in der Vergleichseinrichtung 23 gebildete Signal wird dem Eingang der Temperatur-Regeleinrichtung 24 zugeführt. Am Ausgang der Temperatur-Regeleinrichtung 24 liegt dann ein Korrektur-Signal S _k für die spezifische Energieeinleitung vor, welches einer Vergleichsstelle 25, die als Addiereinrichtung ausgebildet ist, zugeführt wird. Dieser Vergleichsstelle 25 wird außerdem ein Signal S _b zugeführt, welches den Basis-Soll-Wert für die Energieeinleitung darstellt, wobei diesem dann das Korrektursignal S _k unter Ausbildung des resultierenden Soll-Wert-Signales S _s überlagert und der Soll-Ist-Wert-Vergleichsstelle 17 anstelle des Wertes S _soll bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 zugeführt wird. Der Wert für das Signal S _b wird so gewählt, daß die Produktmasse einen der gewünschten Massetemperatur entsprechenden Betriebspunkt erreicht, wobei durch die Regelung lediglich noch ein kleiner Arbeitsbereich der über das Signal S _b gewählten Voreinstellung ausgeregelt wird.

Claims (11)

1. Verfahren zum Regeln eines Schneckenextruders, wobei die Drehzahl des Antriebsmotors des Schneckenextruders veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsleistung (N) des Antriebsmotors und die dem Schneckenextruder zugeführte Produktmenge pro Zeit (Durchsatz G) gemessen werden, daß aus dem Quotienten von Antriebsleistung (N) und Durchsatz (G) ein Signal gebildet wird, daß dieses Signal als IST-Wert (S) einer Regeleinrichtung (Soll-Ist-Wert-Vergleichsstelle 17) zugeführt wird, und daß in der Regeleinrichtung in Abhängigkeit von diesem IST-Wert (S) ein Ausgangssignal gebildet und dem Antriebsmotor als Drehzahl-Vorgabesignal zugeführt wird derart, daß der Quotient aus Antriebsleistung (N) und Durchsatz (G), d. h. die spezifische Energieeinleitung, konstant gehalten wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieregelung in Form einer an sich bekannten Kaskaden-Regelung eine Regelung in Abhängigkeit von der Produkttemperatur überlagert ist.
3. 3. Schneckenextruder zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, umfassend einen Schneckenextruder mit wenigstens einer in einem Gehäuse angeordneten Schnecke, welche über einen Antriebsmotor mit veränderbarer Drehzahl kontinuierlich angetrieben wird, und mit Zuführeinrichtungen zur Zuführung von Ausgangsprodukten, Zuschlagstoffen u. dgl. und einer Steuerung der Schnecken- Drehzahl, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (22) zur Messung der Antriebsleistung (N) des Antriebsmotors (6), wenigstens eine Einrichtung (13 bzw. 14) zur Bestimmung der zugeführten Produktmenge pro Zeit (Durchsatz G), wobei dem Eingang der Regeleinrichtung (18) ein dem Quotienten aus Antriebsleistung (N) und Durchsatz (G) entsprechendes Signal als Ist- Wert (S) zugeführt wird, und wobei der Ausgang der Regeleinrichtung (18) mit dem Antriebsmotor (6) zur Konstanthaltung der spezifischen Energieeinleitung verbunden ist.
4. 4. Schneckenextruder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (18) eine PID-Regeleinrichtung ist.
5. 5. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Einrichtungen (22, 13 bzw. 14) zur Bestimmung der Antriebsleistung (N) und des Durchsatzes (G) eine Dividiereinrichtung (15) nachgeschaltet ist.
6. 6. Schneckenextruder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dividiereinrichtung (15) eine Filtereinrichtung (16) zur Ausfilterung von höherfrequenten Signalanteilen nachgeordnet ist.
7. 7. Schneckenextruder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (16) eine Zeitkonstante von ca. 10 - 40 sec. besitzt.
8. 8. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regeleinrichtung (18) eine Filtereinrichtung (19) zur Ausfilterung von höherfrequenten Signalanteilen angeordnet ist.
9. 9. Schneckenextruder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (19) eine Zeitkonstante von ca. 100 sec. aufweist.
10. 10. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am austragsseitigen Ende (11) des Extruders (21) eine Produkttemperatur-Meßeinrichtung (12) angeordnet ist, welche mit dem Eingang einer Temperatur-Regeleinrichtung (24) verbunden ist, deren Ausgang mit dem Eingang der Regeleinrichtung (18) für die Motordrehzahl verbunden ist.
11. 11. Schneckenextruder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Regeleinrichtung (24) als PID-Regeleinrichtung ausgebildet ist.