多层共挤中空塑料成型机绿色技术的科技创新分析研究

2013-04-11宁波海达塑料机械有限公司张友根

湖南包装 2013年2期

宁波海达塑料机械有限公司张友根

多层共挤中空塑料成型使中空容器具有更优异的阻隔性、阻气性、防潮性、遮光性、保鲜性、健康性、无害性等绿色技术性能，实现中空容器减量化、资源节约化、废弃物资源化的低碳革命、低碳经济、低碳包装的可持续发展。多层共挤中空塑料容器在食品、化学品、化妆品、农药、酒类、医药卫生、物流等中空包装容器领域内占的比例越来越大，展现了多层共挤塑料中空塑料成型机的广阔的市场发展前景。国内多层共挤中空塑料成型机市场被国际上著名公司占领，而且附加值高，塑料中空成型机进口平均单价为出口平均单价的7.5倍，其主要因素是国内多层共挤中空塑料成型机与国际先进水平的绿色技术存在较大差距。绿色技术的开拓成为国内多层共挤中空塑料成型机由低端走向高端的发展分向。多层共挤中空塑料成型机的绿色技术的科学发展原则是在传统的技术原则、成本原则和人工工程学原则等基础上纳入生态环境原则，并将生态环境原则置于优先考虑的地位，根据生态环境价值并利用现代科技的全部潜力，以现代能源技术、材料技术、生物技术、污染治理技术、资源回收技术、环境监测技术、清洁生产技术、网络技术、数字技术等科学技术为指导，以先进的生态环境标准为准绳，生命周期内实现减少环境污染，减少原材料、自然资源和能源使用，实现从根本上保护生态环境、防止污染、节约资源和能源，最终达到设备生命周期对资源和能源的最大利用、环境污染和排放的最小化，实现设备与人、自然环境、社会环境的和谐关系。

一、多层共挤中空塑料成型机的绿色技术的绿色设计原则

绿色设计是实现绿色技术的前提。多层共挤中空塑料成型机的绿色设计原则以生态环境体系为指导，在传统技术设计基础上，应用现代化的全部科学的设计技术，在方案设计和技术设计中，不但要达到设备所要求的功能、性能，更重要的是预先防止设备制造及其成型工艺对生态、环境、能耗、资源、污染等生命周期全过程产生的负作用。

1.节能技术设计

多层共挤中空塑料成型机的节能技术，主要包含五个方面：节能成形技术；节能的执行机构；节能的动力驱动系统；节能的控制技术；能量回收利用技术。五者合为一体，才能达到完满的节能性能。

2.可靠性设计

可靠性设计实现整机各零件、部件、系统的关联使用寿命的合理化，资源节约化，把故障率降到可控制的目标，实现设备与人的和谐关系。国内自主开发的设备，绝大多数仍沿用传统的安全系数的设计方法，普遍呈现使用材料不合理、零件结构设计不合理、热处理选用不合理、强度刚度设计不合理等缺陷，导致设备质量大、故障率高等问题。

3.材料选用设计

材料选用是绿色设计环境属性的一个组成部分。在满足使用功能的前提下，尽量减少材料的用量和品种，选用标准型材、型钢，使用可再生、可回收、易于回收利用，易于修复、易于再制造的材料。考虑使用寿命结束后，回收材料的处理和再利用实现第二次使用寿命。报废材料的回收及回收工艺尽量不产生二次污染。

4.模块化技术设计

模块化技术设计是落实可拆卸性、可维修性的环境属性的重要举措。简化产品的连接结构和部件数量，使所设计的产品由多个功能模块组成。每个模块材料力求材料统一，保证产品部件使用寿命的一致性，同时还要保证模块之间的相似性、整体性，模块产品造型采用系列化造型方法，延长产品的使用寿命周期，既减少能源的消耗又能减少空气、水的污染。

5.零件工艺性设计

产品在设计应该充分考虑工艺效率和能源消耗，考虑废弃后产品零部件的有效回收，优化零件制造工艺，精简工艺步骤，提高零件的合格率，减少零件在加工过程中污染的排放。力求零件加工过程中，实现切削材料最少化、能源消耗最小化、污染物的排放最少化。

6.清洁技术设计

塑料制品加工的污染已列入环境保护部、发展改革委、财政部三部委去年12月发布的《重点区域大气污染防治“十二五”规划》中的重点监测对象。清洁技术设计显得越来越重要，目的减少生产环境中的污染物排放。

应用无环境污染的动力驱动，设计无环境污染的传动系统，达到设备运行不对环境产生二次污染；液压传动系统防渗、防漏、防污、防噪等环境设计。

表面处理绿色技术设计包括：

先进的表面处理工程技术：纳米表面处理工程技术；高速电弧喷涂技术；纳米电刷镀技术；纳米减摩自修复添加剂技术等等。

设备表面绿色技术，对涂装提出了更高的要求。

学习新型涂料的喷涂工艺，及时更新已经习惯了的传统低档喷涂手法。推广高压无气喷涂、静电喷涂等低污染喷涂技术。

7.清洁生产设计

多层共挤中空塑料成型机清洁生产技术设计就是把设备在成型加工过程中对环境的污染及交叉污染降到不断发展的清洁度标准上；根据设备成型加工的不同对象的清洁度要求，采用不同的清洁度标准。

1）清洁生产标准

食品、饮料、医疗塑料制品对洁净度有很高的要求，成型设备应符合清洁、卫生要求，防止对产品产生污染及交叉污染，达到清洁生产的标准。按照GMP的要求，制定成型洁净包装制品的设备的行业标准及国家标准，规范净房注塑包装设备的设计、生产、检测、验收。洁净医疗塑料制品成型设备必须达到美国US联邦标准209E和国际通用标准EN ISO 14644-1的要求，符合GMP认证标准要求。食品、饮料塑料包装制品注塑成型设备应符合《食品用包装、容器、工具等制品生产许可通则》、《食品用塑料包装、容器、工具等制品生产许可审查细则》及相关标准等的具体要求。

2）整套清洁生产技术设计方案

设备制造企业必须提供从原料的储存、干燥、制品成型及储存等完整的整清洁解决方案。

制品功能的洁净特殊性，要求主机厂商能够提供可实现洁净生产的全套成型加工方案生产线，包括清洁多层共挤中空塑料成型机、洁净室及周边设备等。主机厂商需与其他相关设备厂商展开广泛的联合开发和制造，共同研发清洁生产线。

8.再制造技术设计

每种设备运行中，不可避免都有一些易损金属零件。习惯的做法是易损件一次寿命法，即易损件达到使用寿命，用新的零件更换。在技术设计中也没有考虑易损如何实现二次使用寿命，甚至三次使用寿命，以及废弃后的回收技术。

二、智能化实现多层共挤中空成型机的绿色技术科学化发展的分析研究

智能化使多层中空成型实现最低能耗、最佳质量、最佳清洁环保性能、最低资源消耗，即是绿色技术达到完美的境界。

多层共挤中空成型机智能化以成型加工塑料容器为目标，设备具有感知、分析、推理、决策、控制功能的“人脑”智能，自动检测制品的质量、自动修正成型工艺参数、“智”适应成型加工环境，实现人为设定的预期目标。

智能化系统是把先进制造技术、信息技术、微电子技术、电子技术、网络技术、检测技术、视觉技术等高度融合集成为一体，通过技术与装备集成，实现新型塑料制品及塑料制品新型加工的方法与机理、加工工艺与技术的多技术交叉融合。基于温度、压力、流量、体积、流速、应力等多工艺参数数据的深度融合，并及时对外部指令做出响应、完成指令动作，实现对设备自身状态的调节、控制、监控和诊断。

智能化系统的开发是一个难度极高的现代高科技的系统工程。现在小闭环控制系统的开发为今后实现全闭环的智能化控制打下了基础，越深入，技术难度越高越复杂。

1.智能化成型加工技术体系

多层共挤中空成型机智能化系统包括了很多的子系统，各个子系统集成起来成为一个全方位的智能化整体。实现分支的智能化，才能实现全方位的智能化。不同的成型工艺、容器，智能化的系统也不一样。

（1）塑化挤出智能化主要技术体系

塑化挤出智能化是实现型坯挤出成型智能化的重要组成环节。多层共挤中空成型的塑化挤出控制技术参数：挤出率，挤出质量。塑化挤出智能化就是以设定的挤出率和挤出质量为控制参数，实时智能检测、分析、推理，实时做出调整相关技术参数，实现挤出率和挤出质量在实时要求精度内。

塑化挤出智能化系统就是把上述系统组合为一体，由中央控制系统按设定的塑化技术参数，对各控制器集中控制，组成一个全闭环的自动化控制系统。

1）塑化质量智能化控制技术体系

塑化挤出的质量具体体现在熔融料的PVT（压力、热比容、温度）等三个技术参数，三个技术参数互相关联，其中一个参数恒定，其余两个参数也得到恒定。传统通过控制机筒加热温度及塑化螺杆转速实现塑化质量的控制，塑化温度为间接控制，转速为开环控制，实际上熔融料PVT得不到有效的实时控制。挤出塑化智能化直接把熔融料PVT中的一个技术参数作为控制对象，实时检测并反映给中央控制系统，中央控制系统接到信息后，实时分析、推理，根据设定的控制对象的技术参数，实时作出机筒塑化加热温度、塑化螺杆转速的调整，实现设定的塑化质量目标。

2）挤出率智能化控制技术体系

连续性多层共挤中空成型对塑化挤出率及稳定性有严格要求，调整的技术参数为螺杆转速。智能化挤出率控制即实时检测挤出率、分析、推理，实时做出调整塑化螺杆转速，实现设定的塑化挤出率目标。

3）喂料控制系统智能化主要技术体系

喂料控制系统智能化是实现挤出率控制智能化的环节。

传统的喂料控制PLC系统是根据设定的加料量，自动调整加料的螺杆转速。智能化计量加料控制系统是根据设定的塑化挤出参数（流率、机头压力等），并实时检测、分析、推理，实时调整加料螺杆的转速，达到塑化挤出参数的精度。

4）实时性塑化挤出动力驱动系统

动力驱动只有达到控制智能化的实时性的动态性能要求，才能实现系统智能化。塑化挤出、加料配料的动力驱动采用实时性的高动态反映性能的伺服电机驱动，才能达到动态性能要求。

5）实时性加热系统

温度实时性指系统的加热温度与系统的控制系统两者之间动态反映同步。实时性是衡量加热系统性能的标志，直接关系到实现智能化温度控制的实现。

传统的电阻丝加热件热惯性大，动态实时性能差，达不到控制智能化的灵敏精确的控制要求，导致温度信息反馈实时误差。电磁感应加热具有良好的实时性能，是智能化加热系统的优先选择。

（2）多层共挤型坯智能化控制主要技术体系

挤出型坯的控制的技术参数：型坯形状曲线，壁厚。

传统的伺服型坯控制系统是依据设定的形状曲线、把曲线分成多点、通过伺服系统调整口模间隙而实现，实际生产中，由于不确定的干扰因素无法预测，实际挤出型坯的技术参数与设定的型坯技术参数两者之间的差异较大。

挤出型坯智能化控制是依据设定的型坯技术参数、把型坯挤出时间分成多段，应用视觉技术等实时检测实际挤出型坯的动态技术参数（形状、壁厚）并把信息反馈给中央控制系统，中央控制系统接到信息后，实时分析、推理，根据设定的型坯的技术参数，做出实时调整挤出速率、温度、口模间隙等有关技术参数，实现设定的目标。

1）连续挤出式多层型坯的智能化控制

连续挤出式多层型坯智能化控制是依据设定的型坯技术参数，实时检测实际挤出型坯的技术参数并把信息反馈给中央控制系统，中央控制系统接到信息后，实时分析、推理，根据设定的技术参数，做出塑化挤出转速、加热温度、口模间隙、壁厚伺服驱动等技术参数的调整，实现设定的型坯技术参数。挤出流量实时性，涉及到流量检测、加热温度及检测、动力驱动等实时性能，其中任何一类的性能达不到实时性能，整个系统的智能化控制就不能实现。伺服交流电机驱动系统具有动态性能优及能量利用率高的特性，用于塑化挤出是绿色化技术的发展方向。

2）储料缸式挤出型坯的智能化控制

储料缸式挤出型坯智能化控制与连续式挤出型坯智能化控制不同之处，连续式挤出型坯为塑化挤出直接为型坯，储料缸式挤出型坯为伺服挤出储料为型坯。储料式挤出型坯智能化控制是依据设定的型坯技术参数，实时检测实际挤出型坯的技术参数并把信息反馈给中央控制系统，中央控制系统接到信息后，实时分析、推理，根据设定的技术参数，做出伺服缸挤出速度、模头加热、口模间隙、壁厚伺服驱动等技术参数调整，实现设定的型坯技术参数。储料式挤出型坯的电液伺服系统中，伺服阀是实现电液转换的实时性能的关键环节，它直接影响到伺服系统的响应速度和稳定性，应具备响应时间≤10ms的性能。

（3）吹塑系统控制智能化的主要技术体系

传动的吹塑技术参数经人为设定后成为固定值。智能化吹塑系统是实时检测型坯的温度、壁厚、环境温度，自动推理吹气压力、吹气量、保压定型时间，调整压缩机、冷水机等运行的技术参数，实现以最低能耗、最短时间成型容器。

2.PID控制的智能化技术的发展及应用的分析研究

经典的PID控制都建立在被控对象精确模型（传递函数和状态方程）的基础上，对多层共挤中空塑料成型机的复杂系统，特别是实现智能化控制系统，建立其数学模型比较困难，有时甚至是不可能的，明显呈现出控制性能的不足，也就无法实现期望的自动控制。在计算机技术的充分应用的前提下，在经典PID控制的基础上，把自矫正技术、模糊控制、专家控制、智能控制等用于PID，微分信号产生的质量更高，打破了经典PID控制系统的局限性，实现PID智能化控制的科学发展。

实时性是PID智能化控制的主要技术性能指标，包括两个内容：稳态精度，即稳态值与期望值之差；稳态时间，即系统阶跃快速收敛时间。

（1）实时性温度控制算法及应用技术

温度是一个非线性、大惯性、纯滞后、相邻段有较强耦合的难控对象，经典的PID控制使系统的超调量变大、过渡过程时间增长，实时性差。应用与开发实时性温度控制软件，实现实时性稳定控制。下面举二例实时性温度控制算法，供参考。

1）实时性温度控制的模糊变系数PID互联算法

模糊控制运用模糊集合论模拟操作人员的操作和决策，从而实现自动控制，相对于传统的PID控制具有更好的动态和静态性能，控制精度也大为提高。传统的PID控制器依赖被控对象精确的数学模型，当应用在复杂的、非线性、大迟滞的塑化挤出加热系统时难以达到良好的动态响应。

将模糊控制和PID控制相结合为互联算法，采用以模糊控制方式在线调整PID参数的控制算法，能使模糊控制器根据工艺生产实际情况实时自动调整比例系数、积分系数和微分系数，以达到调节和控制作用的实时性最优。PID参数调节则由模糊控制器根据偏差和偏差变化率进行自动调整，同时把模糊自整定控制器的模糊部分按比例系数、积分系数、微分系数，分成3部分，分别由相应的子推理器来实现。模糊变系数PID的过渡过程时间、最大偏差，余差调节等动态和静态特性指标均明显优于PID控制，具有较好的自适应能力和鲁棒性，其超调量精度为0.30C，稳态精度≤10C，过渡过程的动、静态性能优良。

2）提高温度动态波动精度的统计过程控制系统（Statistician Process Control）

这是一种基于预先预测过程发展趋势的先进控制方法，可比常规的逻辑程序控制方法的控制精度提高80%以上。采用SPC控制系统，可以将挤出温度的波动控制在±1℃以内。

（2）型坯壁厚伺服控制的非线性PID控制

型坯壁厚控制系统是一个典型的电液伺服系统，壁厚分布曲线的很小陡变会引起制品较大的变化。经典的PID控制采用“线性组合”形式产生的控制量，常引起快速性和超调量及准确性之间的矛盾，比如可能会引起控制回路自激震荡，也会引起瞬态互调的失真，使被控对象出现损害的几率更高，达不到制品壁厚的设定技术要求。

非线性PID的设计是在经典PID基础之上，使用一种新的非线性机构—非线性跟踪／微分器来产生控制新的基本要素，并利用这些新的要素的“非线性组合”方式来改进经典PID调节器，在经典PID控制器的线性区间使用非线性组合，使其适应性和鲁棒性得以大幅度提高，有效地克服了电液伺服系统存在的大惯性、滞后性的缺陷，提高系统鲁棒性能及自适应性能，对传统PID控制器的比例、积分、微分系数进行实时调整，保证在误差较大时能够快速收敛，提高了跟踪能力，精确地实时达到型坯壁厚的控制要求。控制系统定义每个任务的优先级和循环时间，实时多任务操作系统，循环时间最短可达1ms，使整个系统的实时性得到了优化；实现多通道的串口通讯功能；实时地显示设备状态、操作指示、参数设定、动作流程、统计资料、警报信息及简易报表等内容；配以触摸屏，各种参数的设定、按钮开关的运用、壁厚控制曲线的显示以及报警信息等都可由该触摸屏来完成，触摸屏上设定各种函数曲线，为壁厚图形的编辑提供了十分有利的工作平台；PLC控制器在接收到人机界面设定的曲线数据和参数信息后，控制伺服阀，实时调节并达到预设的口模间隙。

非线性PID控制系统存在着快速性与稳定性之间的矛盾，在未来的发展道路上，设计一些基于偏差的比例、积分和微分的非线性控制模块，并由这些模块以合适的方式组合出控制律是一个需要解决的课题。

（3）伺服交流电机的回推非线性PID复合控制

伺服交流电机（PMSM）控制结构一般由电流环、速度环和位置环组成的三环串级结构。其控制策略一般电流环采用滞环控制方式，速度环采用PI控制规律，以保证进行稳定的速度控制。位置环通常采用比例控制规律来保证位置控制的高精度和良好的跟踪性能。但是由于其速度环和电流环的非线性耦合等因素的影响，系统的快速性和抗干扰能力及对系统参数摄动的鲁棒性都不够理想。回推算法采用反向递推的设计原则，把状态坐标的变化、不确定参数的自适应调节函数和已知Lyapunov函数的虚拟控制系统的镇定函数等联系起来，实现系统的全局调节或跟踪。在大误差下利用回推控制进行调节，使系统全局渐近稳定，同时防止出现溢出现象；误差较小时则利用非线性PID的自调整能力；误差设定值以外的情况，通过回推算法使得系统误差快速收敛到设定值以内，提高了跟踪能力，保证了非线性PID的调节作用。通过非线性PID的自调整能力，调节控制参数，以适应系统响应时间中系统位置的变化，减少了控制效果对人为因素的依赖，使电机达到比较理想的位置响应实时性能。

（4）提高挤出流量测量抗干扰性能的改进型限幅一递推平均滤波控制

精确测量挤出流量并实时提供给中央处理器正确的信息，达到实时精确调整螺杆塑化转速、加热温度，实现挤出流量按设定的型坯技术要求挤出。常用的失重式计量加料系统在线测量进料量时，采集的挤出流量值不可避免的带有一些挤出过程的波动和控制系统干扰因素引起的偏差，降低了挤出流量测量的精确性。目前常用处理干扰信号的数字滤波主要算法有限幅滤波法和递推平均滤波法，由于单纯糅合两种数字滤波算法并不能很好的抑制挤出过程中的干扰。北京化工大学针对控制系统中周期性干扰、随机脉冲干扰与机械传动中的振动干扰，提出改进型限幅一递推平均滤波算法，来抑制失重式计量加料系统中波动和控制系统带来的干扰信号，提高在线挤出流量测量精度。原限幅一递推平均滤波处理后，挤出流量测量平均偏差分数为3.6%；改进型限幅一递推平均滤波处理后，挤出流量平均测量偏差分数为1.2%，同比前者的测量精度提高3倍。

（5）智能功能的预测控制

预测控制（Model Algorithm Control-MAC）近年来发展起来的一类新型的计算机控制算法。预测控制由于它采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略，具有很强的抗干扰能力和鲁棒性，是对传统的PID控制的革命，也是实现工程塑料制品高精度化的革命。预测控制根据设定的成型加工的工艺曲线（速度、压力、温度、位移等成型工艺参数），预测环境的变化规律并自我调整，实现智能控制，其稳态精度和动态品质明显优于传统PID控制；可以有效地消除和减小由于机械的因素和外部扰动对于运动控制的不利影响，大幅度提高成型加工的重复精度；成型曲线的重现性，基本处于无能量损耗的成型加工，提高制品成品率及质量一致性。

（6）视觉技术的应用及研发

视觉技术是实现类似人类视觉（眼睛+视觉神经中枢+视觉神经细胞）的功能，机器视觉是实现真正意义的智能化检测和重要的质量控制技术。视觉系统由镜头，像机和控制器构成的机器视觉替代人工，根据物体在一定环境下得到的画面进行尺寸，缺陷，种类，匹配，文字等各种参数的测量和判别，在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。作为高精度、非接触的测量系统，视觉系统涉及到视觉、光学和图像处理，机器视觉与运动控制、智能通信等先进技术的结合正在推动着工业自动化生产的面貌的提升，视觉技术与成型加工相结合，成为实现智能化不可缺少的技术。

Amcor公司红外视觉在线检测系统，不仅可以检测挤吹成型瓶子内外部的尺寸变化和污染情况，甚至还可以检查出瓶壁中的污染物。

（7）感测技术的应用及研发

感测（sensing）技术是智能化控制系统的重要组成部分。如果没有先进的感测技术，一切准确的测试与控制都将无法实现，即使最现代化的电子计算机，没有准确的信息（或转换可靠的数据），不失真的输入，也将无法充分发挥其应有的作用。

感测系统包括传感器、变送器。传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换。变送器把传感器的直接输出进行放大及电平搬移以得到所需的电压输出范围，以供给二次仪表进行测量、指示和过程调节。

近年来，塑料机械感测技术得到长足的发展。塑化挤出专用的高温熔体压力传感器，隔离结构零点满度可调节多种放大信号输出，自校准良好的稳定性和抗干扰能力量程，将压力转换为无干扰的放大信号，直接输入上位机控制系统。深圳市贝斯特宁科技有限公司，采用世界领先的纳米级化工导电材料及贵金属耐磨新材料科学组合，制造出高精密、高线性度、长寿命（耐磨寿命一亿次）的电子尺。

感测元件的合理选用。感测元件的种类及品种繁多，原理也各式各样。根据测量对象的要求，恰当地选择测量精度和范围。但无论何种条件、场合使用的传感器，均要求其性能稳定，数据可靠，经久耐用。

3.智能化服务技术体系的发展及应用的分析研究

基于网络技术及无线技术的远程监控智能化管理系统，实时采集设备现场运行的技术数据，将设备系统的动态参数传递出去，与其余设备系统共享数据；软件远程自动升级；实现运行、服务的新模式。技术人员利用网络资源进行高级过程控制、优化生产工艺、管理和维护生产过程、提高设备利用率，最终提高产品质量，降低生产成本。

智能化服务技术体系不但节省人力和财力、消除一些人为的不确定因素，而且实现设备生命周期的最长化。

（1）远程监控智能化管理系统的技术体系

实现维修远程化，不但减少了维修投入，更可简化故障检查流程、方便故障研究、实现故障快速排除。德国考特斯机械制造有限公司多层共挤中空机配备了欧洲产先进的可实现网络远程控制、诊断功能的带有内置MODEM的100点壁厚控制系统。美国MOOG公司具有远程诊断功能的模块化的多轴伺服整机控制器TMC-4，基于PC的人机界面以及兼容IEC61131-3的开发环境，不但实现更高的闭环控制精度，而且客户可根据自己设备的特点及要求编写程序。陕西秦川机械发展股份有限公司开发的SCJ2300B中空机远程监控系统，通过MODEM实现对设备PLC的远程监控，可以对PLC的程序读写，监测运行数据，实现远程编程、调试、实时控制，及时消除隐患，提高系统的可靠性。

（2）智能化再制造技术

智能化再制造技术把再制造提高到一个更高的绿色技术科学化的水平。智能化再制造技术包括：虚拟再制造；柔性再制造；网络化再制造；快速响应再制造；快速再制造成形系统；信息化再制造。