多层共挤吹膜设备绿色化科学发展的分析研究（下）

张友根

(宁波海达塑料机械有限公司，浙江 宁波 315200)

多层共挤吹膜设备绿色化科学发展的分析研究（下）

Analysis of green scientif c development of multi-layer coextrusion blown f lm equipment(2)

张友根

(宁波海达塑料机械有限公司，浙江 宁波 315200)

提出了多层共挤吹膜设备绿色化内涵，论述了多层共挤吹膜设备绿色化成型性能的科学发展，研究了多层共挤吹膜设备绿色化技术的科学发展，分析了多层共挤吹膜设备控制技术的科学发展，指出控制技术的创新是国内多层共挤吹膜设备绿色化科学发展的核心。坚定沿着习近平总书记指出的“创新、创新、再创新”的方向发展，一定能创新出多层共挤吹膜设备绿色化的“强国梦”。

吹膜设备；多层共挤；绿色化；科学发展

3.2 资源节约化成型加工技术的科学发展

多层共挤塑料吹膜设备是将多种功能性塑料共挤吹膜而形成无粘合剂的绿色化多功能薄膜的装备，包含多组挤出、共挤机头、吹膜、稳泡、冷却、牵引、收卷等装置。多层共挤塑料吹膜设备加工技术绿色化的主要标志是全方位实现多层共挤薄膜设备的资源节约化技术的加工。

3.2.1 精密计量喂料技术的科学发展

精密计量喂料减少原料的损耗及与之关联的熔融能量的浪费，同时保证薄膜各层按照一定的比例进行复合。多层共挤要求多台挤出机之间计量喂料不但精密计量而且互相之间精密协调，保证稳定工作。美国美奎公司的28组分自动称重喂料系统，通过失重计量方式将信号传送到各个重力料斗，精确确定各组分的给料速率；根据薄膜制品的宽度和各层厚度、材料密度和牵引速度在线控制挤出螺杆的转速，实现精密喂料。

3.2.2 高产低能耗挤出螺杆的科学发展

包装薄膜的挤出塑化同比普通塑料制品的成型加工塑化性能要求更为严苛。一些塑料包装材料和制品的有害物质超标，并不是塑料原料所含的有害物质超标，而往往是塑料原料挤出熔融塑化工程中，由于设备熔融塑化性能不佳，剪切热过高，造成塑料原料内含某些物质过度分解而超过卫生标准。绿色化塑化技术使塑料原料在塑化熔融过程中，有效控制剪切热，达到低温塑化，不产生对人体有害物质的分解，或将有害物质的分解控制在标准之内，达到成型后塑料制品符合安全健康标准。

多层共挤的挤出螺杆的科学发展主要特点：低熔融温度塑化挤出，达到降低挤出能耗、降低冷却膜泡的能耗、提高膜泡的强度；高速高产率，达到降低塑化单位能耗，为实现设备高产化打下基础；高质量熔融混炼性，达到原料颗粒得到充分熔融混炼，实现把流率、压力稳定的熔液送入模头；适应性，达到必须更换挤出螺杆而实现多层薄膜组合位置之间的灵活变动及原料的变化。

高产低能耗主要是通过提高螺杆塑化转速达到提高挤出产能。挤出机螺杆塑化高转速化也带来了一系列需要克服的难点：如物料在螺杆内停留时间减少会导致物料混炼塑化不均，物料经受过度剪切可能造成物料由于高剪切而急骤升温和热分解，挤出稳定性控制困难会造成挤出物几何尺寸波动，相关的辅助装置和控制系统的精度必须提高，螺杆与机筒的磨损加剧需要采用高耐磨及超高耐磨材质，减速器与轴承在高速运转的情况下如何提高其寿命等问题都需要解决。

高产低能耗的分离型挤出螺杆。分离型螺杆的塑化是通过固体床的更有效的热传递和强剪切进行塑化，熔体床的宽度和深度都是变化的，保证了熔体温度不会继续升高，具有优良的低温熔融混炼性能；美国XALOY公司称,他们的通用型螺杆除PVC外，可以加工大多数塑料。金明精机股份有限公司挤出螺杆采用分离、屏障、熔体等温混炼等先进技术，并采用高效的强制送料结构以及抽气式机筒冷却结构，具有塑化良好、产量高、能耗低、噪音小、结构紧凑、易维护、安全等特点，适用于mLLDPE、LLDPE、LDPE、HDPE、EVA、PP、PA、EVOH等塑料的挤出加工。Battenfeld公司用于加工聚烯烃的直径65 mm的分离型螺杆，加料段的螺槽深度12.62 mm，计量段的螺槽深度9.6 mm，由于加料段与计量段螺纹导程不同，加料段一个螺槽体积与计量段一个螺槽体积比为1.512 6。

塑料在螺杆内熔融过程太复杂，涉及的方程和变量太多，还没有十全十美的分析软件。完全符合塑料的熔融过程的螺杆设计是不可能的，螺杆设计在一定范围内符合塑料的熔融过程, 那就是好螺杆。分离型螺杆设计主要考虑以下两个方面：①副螺棱与机筒之间的间隙是变化的，如何设计能够让熔体一定速度通过到熔体床，这个速度不能太慢，太慢会使固体床还存有熔体，影响了固体料的塑化；②副螺陵的导程设计和固体床深度的变化，如何使实际固体料体积与固体床体积相一致，因为固体床体积缩小量超过了固体料体积的缩小量，容易卡料，大于实际固体料的体积，影响了塑化效率。

3.2.3 薄膜纠偏技术的科学发展

一般的薄膜纠偏技术是当薄膜纠偏装置的导辊调整薄膜卷取方向时需改变塑料薄膜的张力，导致了薄膜在纠偏过程中产生“张力记忆”，也就使下游设备出现一些问题。如卷曲时塑料薄膜的张力无效，卷轴的边缘将会根据其“张力记忆”产生不均匀现象。阻止“张力记忆”的产生是薄膜纠偏技术的科学发展的方向。

Macro公司的新型纠偏系统，包括两个转动轴杆和一个薄膜边缘传感器，边传感器在薄膜的一边测量并发出一种对其位置进行量化调整的信号，转动轴杆在塑料薄膜上不产生任何压力的情况下以平行的方式进行调整使其回到正确的位置，实现塑料薄膜的导引和纠偏。转动轴杆不可以如导辊一样自由转动，而是设计成薄膜可以以一种接近无摩擦的方式流过转动轴杆以实现阻止“张力记忆”的产生。为消除塑料薄膜和转动轴杆之间的摩擦，当处理一些高摩擦系数的薄膜如黏着性的薄膜或经过特殊涂层处理的顺滑的薄膜（HDPE 或一些PPS）时，转动轴杆可进行气滑。

3.2.4 多层共挤机头技术的科学发展

多层共挤机头是设备提高产量的技术创新的重点。机头的高科技含量表征了企业的核心竞争力。

3.2.4.1 锥形叠加机头

机头由锥形模块单元叠加而成的，每个单元都由一对短锥形模块组成。流道在锥形圆柱面上，承受的熔体的压力更高，密封性更好。锥形叠加共挤机头分为两种，即上斜叠加型和下斜叠加型。上斜锥形叠加是加拿大Macro公司推出的，特点是机头每层由下到上斜面叠加，每层之间相互吻合，从而不易溢料，熔体从每层机头进料，一次分流，主要用于小型（直径10～100 mm）共挤机头。下斜锥形叠加机头也是加拿大Macro公司的专利，特点是每层机头由上到下斜面叠加，每层机头之间相互吻合，从而不易溢料，熔体从机头底部同一平面侧进料并流到相应机头层进行一次分流，减少熔体的停滞，并得到好的厚度分布，每层的熔体流道数量不受限制，视直径不同，每层可以设计为16条及以上数量螺旋流道，机头易于清洗，主要用于直径中型共挤机头。

在多层共挤吹膜工艺中，LDPE和PA的塑化温度相差很大，只有能够独立加热的机头才可以生产，锥形叠加机头表面上可以独立加热。但从结构上分析，它的圆柱部分是相对独立的，但是其圆锥部分已经插入到另外一层的圆柱体中，理论上已经受到另外一层加热温度的影响了，况且，在长期生产过程中，金属的热传导会使各层锥形叠片温度互相干扰，趋于一致，必须增加隔热层才能保证相邻两种材料的温度差。

3.2.4.2 平面叠加机头

平面叠加机头按结构布置形式，分为两种：一种是高度方向平面叠加；另一种是径向方向平面叠加。由碟形片叠加而成的，每层碟形片有两个进料口，可以挤出两层薄膜，使每一层受热均匀。碟与碟之间加有隔热层，可以单独控制每一层机头的温度，相邻层之间温度之差可高达80 ℃。根据不同的生产要求。可以撤走、增加或重新布置各层机头，增减容易，节省费用。整个机头全部采用38CrMoAIA材料制成，具有良好的热稳定性。多层共挤膜强度高于同类复合膜30%，节省原料20%以上，产量可以提高50%。与锥形叠加机头相比，在相同条件下，平面叠加式机头结构紧凑，它的实际高度只有锥形叠加机头的60%，提高了塔架的有效高度，在7层和9层共挤吹膜机组中，这种机头就有了绝对的优势。平面叠加式机头采用侧面进料，机头内流道拐点少，没有死点，频繁停机和开机时绝不会有糊料现象，特别是吹制尼龙这种材料的时候，它的优越性是无与伦比的，这种机头的设计理论已经超出了传统思想观念，是理论上的一种飞跃。

高度方向平面叠加共挤机头，以加拿大BramptonEngineering公司为代表，一般采用侧进料，熔体以中心轴线对称，熔体在每层流道中流动层数的变化不会影响机头内外径的大小，机头层数可以任意组合，且每层的温度可以单独控制，这样可以根据不同的物料的需要单独控制每层的温度，也有效的防止物料的分解，适应于高阻隔多层共挤薄膜加工。

径向方向叠加共挤机头，以 Battenfeld Gloucester Engineer公司为代表，模头的特点是低中心易于维护，模头的高度不会随着层数的增加而增大，优点是熔体的压力是在流道圆周方向平衡掉，所以密封性能比高度方向平面叠加型机头好，缺点是熔体各层的温度不能单独控制，特别是中间层的温度，适用于多层共挤高强度薄膜的加工。

金明精机股份有限公司研发了5层共挤双流平面叠加式机头，它是由碟形片叠加而成的，每层碟形片有两个进料口，可以挤出两层薄膜，使每一层受热均匀。碟与碟之间加有隔热层，可以单独控制每一层机头的温度，相邻层之间温度之差可高达80℃。根据不同的生产要求。可以撤走、增加或重新布置各层机头，增减容易，节省费用。整个机头全部采用38CrMoAIA材料制成，具有良好的热稳定性。多层共挤膜强度高于同类复合膜30%，节省原料20%以上。

3.2.4.3 螺旋芯棒机头

螺旋芯棒机头没有分流支架，物料在螺旋流道中流动的同时伴有轴向流，使物料得以很好地重合，消除了熔接线，达到材料各向同性，熔体温度均匀，提高了薄膜的物理性能。设计螺旋芯棒机头的时候应尽量使机头内物料的轴向流在圆周方向分布加宽，以提高机头的混合性能。影响机头混合性能的主要参数：螺槽深度对机头混合性能影响最大，随后依次为螺旋升角、螺旋消退角和芯棒锥角。螺槽深度参数取大值，螺旋消退角和芯棒锥角两个参数取小值。

佛山捷勒公司采用预分配式螺旋流道设计的低模体螺旋芯棒式模头，使熔体料在进入汇合前分布均匀，保证了料流的流速和压力分布，各层汇合后流动阻力相同，汇流流道短，熔体的滞留时间短，薄膜的阻隔层均匀，成型性能好。模头背压小，挤出量高。利用表面工程技术，使流道表面的镀层无死角，镀层硬度高、耐磨、耐蚀，不产生剥落和裂纹，并能长期保持表面光亮，以解决流道的腐蚀和磨损问题。

Alpine公司推出了一种新型X系列11层共挤阻透薄膜用侧加料螺旋机头，螺旋体中的熔体进料点被优化布局，可产生极高的熔体流动性和均匀性，消除了薄膜共挤过程中条纹线的产生。在更换料时，极短的流道降低了原料的损失和获得最短的清料时间。模头压力低保证了高的产量。模头直径400～560 mm，薄膜上无出口流纹，因为螺旋形是在芯棒内切铣而成的，而非其外。出口是圆形的，不是半圆，使料流更具流线性，清洗和换色快达15 min。这种机头对于容易留下出口流痕的窄分子量分布的物料来说优势明显。

3.2.4.4 多层共挤机头科学发展方向

设计研究重点。机头设计是比较复杂的，经验加上理论计算分析后得出结果。物料的参数和产量作为初始条件，算出熔体在模头内的压力分布、停留时间、剪切速率，以及最重要的螺旋流道结束处的速度分布。根据计算的数据分析流道参数的合理性，根据经验，修改参数，代入理论计算，以得到最好的分析结果。

结构科学发展的特征：①各层之间温度控制精确并不受干扰；②机头无死角无滞留无溢料；③熔体压力平衡，流速稳定；④预热时间短；⑤缩短流道长度，减少熔融料滞留时间；⑥多层组合灵活；⑦原料适应的广泛性；⑧维护保养方便。

3.2.5 稳泡系统的绿色化技术的科学发展

稳定膜泡的外径、壁厚，同时对于薄膜的表面质量、产量、厚度、薄膜均匀性都有极大的影响。

3.2.5.1 风环技术的科学发展

风环主要功能实现稳泡，同时对于薄膜的表面质量、产量、厚度、薄膜均匀性都有极大的影响。

3.2.5.1.1 内风环

内风环也叫膜泡内部冷却系统（IBC）。冷却的空气进入膜泡内部，吸收薄膜内表面的热量，热的空气和膜泡内冷却而产生的挥发物通过内风环排出，如此循环从薄膜的内表面降低薄膜的温度。现在国外的多层共挤吹塑设备都采用了IBC，IBC能使产量提高30%左右。内风环除了能提高产量，还有两个作用：①能提高薄膜的光学性能。内冷却使膜泡的冷却速度加快，使结晶减少，同时通过空气在内部的流通，带走了膜泡内的挥发物。②膜泡的稳定性大大的提高。这也不仅仅是因为内冷使膜泡的冷却速率加快，使冷凝线下的熔体温度降低，提高了熔体强度，另外一个主要因素是当膜泡内冷时，可以在膜泡的内外形成对流的气流，可以抵消彼此的冲力。而膜泡不用内冷时，膜泡内部气体是静止的，只有外部风环出来的气体是流动的，所以不能抵消外部气流带来的冲力。

内风环和环型柱体结合的冷却装置。环型柱体使装置使来自风环的气流方向与膜泡的径向几乎平行，迫使冷却空气沿膜泡表面流动，增加了接触面积。环型柱体导管越高，接触面积越大，冷却效果也越好，可达到提高20%的产量。

3.2.5.1.2 外风环外风环基本上都采用双唇风环结构，相对于单唇风环，它的冷却效率大大的提高，所以可以使多层共挤吹膜设备的产量提高。一般对于单唇风环来说，在膜泡外表面形成了一层气层，靠近膜泡外表面的温度高，而这个气体层是平行于膜泡向上运动，所以气层内侧的温度越来越高，膜泡的冷却效率会越来越低。而对于双唇风环,另一个风唇的气体会冲乱第一个风唇的气体层，使冷却气体层产生湍流，膜泡的冷却效率大大的提高。据报道双唇风环比单唇风环使设备的产量提高25%左右。

3.2.5.1.3 双风环

下风口气流起到了予冷膜泡的作用，上风口的高速气流冲击着下风口气流，形成紊流混合，破坏了滞流边界层，强化了传热过程，冷却效果明显提高，可在膜泡的周围有关位置分别控制冷却空气量降低或者增加，可以准确地调节膜泡壁厚的变化。继双风口风环广泛应用之后，为了在不增加风机功率和风量的前提下，有效提高膜泡的冷却效率和薄膜产量，人们又开发了射流式双风口风环，即在双风口风环上增加射流环，产生射流效应，把环外的自然空气通过射流环的进气孔强行吸入环内，从而增大环内的气流量，提高风环的冷却能力，同时达到一定的节能效果。德国Octagon公司生产的双风环的两股冷却气流保证了最佳的冷却，比单风口风环的产量提高30%，可以将吹塑薄膜的产量提高多达50%。Rerfenhauser公司还推出了一种高性能双风环——REI 2 cool，其高度可调，有专用的IBC稳定器，不同于普通的双风环，是两个独立的风环，一个安装在机头上，另一个安装在人字板下面，高度可调，两个风环之间产生的是一种圆形泡颈，而不是椭圆形的，稳定性更高，Rerfenhauser称，吹胀比范围大的各种薄膜都可以用该装置把产量提高到最大。德国W&H公司的在冷却环内部和膜泡上进行的创新空气导向，提高了冷却率，降低了压力损耗，进一步提升了产能。

3.2.5.1.4 内外表面同步冷却装置

为了增加冷却面积可采用膜泡内外表面同时进行冷却的装置。此装置在机头里有两条通道，外层为进气通道，里层为出气通道。输入的冷风经进气通道的缝隙或小孔吹出对薄膜进行冷却，而热风经里层通道被抽走。由于热风上升，其排气通道延伸到膜管的较高位置。这种冷却装置其效果可提高 33%以上，吹膜线速度已达到200 m/min，产量比只用风环外冷的传统吹膜法提高50%～70%。同时，由于膜泡骤冷，薄膜的光学性能也有所提高。

3.2.5.2 冷却介质的绿色化技术的科学发展

泡膜内冷系统从无到有、从粗到精的几代发展。通过感应泡膜直径尺寸的变化，在冷却膜泡的同时又能稳定膜泡外径。冷却介质从风环出口处以一定的角度，适当的风速吹向膜泡，沿着表面形成一堵“冷却风墙”，与高温膜泡表面接触，进行热交换，热量由空气带走，膜泡温度下降。冷却介质是膜泡冷却速度的快慢的决定因素。

3.2.5.2.1 水冷介质[4]

传统的多层吹塑薄膜的配方不能直接适用于水冷技术。水冷方式有效抑制了PP、PA等材料的结晶现象的发生，生产出的薄膜接近无结晶分子结构，提升了薄膜成品的表面光泽度、透明度、耐刺穿度、柔软度。宾顿工程公司9层共挤的水冷AquaFrost吹塑薄膜生产线，水冷使熔体在关键的结晶增长温度区所花的时间缩到最短，薄膜具有更高的透明度及内应力的均衡取向，使薄膜纵横向的收缩几乎相同，同时产量同比气冷的要高出1.5～2倍。水冷的效果是最好的，然而从卫生角度考虑，医用膜和食品包装膜不允许使用水冷，因为室内空气与冷却水的温度差异，会使冷却辊的表面凝结水汽，不符合卫生要求。

3.2.5.2.2 乙二醇冷却介质

乙二醇制冷机组来替代冷水机组，可大幅度提高冷却和结晶速度，薄膜达到更高的透明度、强度和韧性。

3.2.5.5 逆流冷却装置的科学发展

普通的风环冷却装置都为顺流冷却装置，即加热的空气流与膜泡的牵引方向一致，汇集在膜泡上部，这在某种程度上，影响了薄膜的冷却。逆流冷却装置，在一个标准的风环上，安装一个圆形护罩。由护罩顶部引入的冷却空气流 （ 称为逆流 ） 同底部风环吹出的空气成逆流，冷却膜泡，冷却后的混合气流收集在圆形护罩上部空腔内，然后通过排风口排出。圆形护罩可上下调节，以达到适当的位置。冷却效率可提高20%～30%。

3.2.6 收卷机技术的科学发展

收卷机从名义上分类有两种，一种是表面摩擦式收卷机（表面式），另外一种是转位式收卷机（旋转式）；针对不同的品种，又出现了带中心辅助卷曲的表面摩擦式收卷机、间隙式表面摩擦收卷机以及带有表面摩擦辅助的中心式收卷机、间隙式中心转位收卷机等等。旋转式收卷机在北美得到了大量的应用，而欧洲更偏重于表面式收卷机，旋转式只用于特殊要求或结构复杂的薄膜，在共挤吹塑薄膜方面只占到了20%。

模块绿色化。德国W&H公司的FILMATIC系列收卷机按功能分成多个工作模块，根据客户要求进行组合。FILMATIC N为满足吹膜设备最高收卷要求的新型接触式收卷机，分成中心驱动、间歇式收卷 、转向（向右/向左旋转）、无折边初始收卷、直角切割、真空—切膜—接触辊、自动化膜卷卷芯安装和粘贴、手动卸卷、自动卸卷等功能模块，可以配备各种纵向幅切切刀，两个独立工作的中心驱动装置在初始收卷时就能确保精确的张力控制，带有重量平衡装置并可精确控制的上压辊可以在间隙式收卷时自始至终保证侧面平整的薄膜收卷，可以进行直角切割以及无折边初始收卷，从而避免了废品产生。其基本配置机型可以很好地满足多种用途。如果添加中心驱动式和间歇式收卷功能以及转向功能和无折边初始收卷功能等选项，那么该收卷机可以满足薄膜收卷技术的最高要求。其他选项配置如专利产品真空—切膜—接触辊等，可以在任何时候后需添加，对机器进行升级。

高速化。收卷速度直接影响到设备的生产速度。德国W&H公司的FILMATIC TX/TC收卷机，最大收卷速度可达200 m/min，具有内置式或外置式，以适应根据场地大小以及公司内部的膜卷物流情况，可以选择配备展宽辊和切膜辊牵引装置进行多幅料带分切。

型式多样化。德国W&H公司的FILMATIC S薄膜收卷机，提供两种型式供选择：一种可以放置在地面上以方便操作人员的操作，另一种可以放置在高台上以节省空间；具有两种收卷工位：内置式，外置式。全自动的卷芯安装及膜卷拆卸。允许在同一收卷轴上同时收卷不同宽度的膜卷，达到前所未有的规格灵活性。

3.2.7 牵引技术的科学发展

广东金明精机股份有限公司的水平式旋转牵引系统拥有三项专利技术:ZL01243077“一种吹塑机的气垫辊”、ZL01243076.5“一种吹塑机的新型展平辊”、ZL01243079.x“一种吹塑机的旋转牵引装置”。气垫辊在导向辊与膜承接的面上开有若干个气孔，从导向辊内部向气孔吹气，能使膜与导向辊之间的磨擦降到最低，既减小了因磨擦引起的牵引阻力，同时使膜面不易受磨损。新型展平辊是在橡胶辊上面刻有螺旋形的凹槽，其凹入方向均向辊的端部倾斜，使薄膜的展平效果更出色。水平式薄膜旋转牵引系统通过扇形齿轮运动副以±360˚的转角缓慢地把薄膜的微量厚薄点呈左、右螺旋线均匀地分布在膜卷上的各个部位，使所生产的薄膜表面平整，薄膜卷的圆柱精度高、外观质量良好，为薄膜的后加工工序（如印刷等）提供更高质量的薄膜材料。

立式旋转牵引装置具有刚性强度好，方便维护等特点，可以有效降低机器的整体高度，特别适于生产大宽幅薄膜。金明精机股份有限公司开发的辊宽达2 800 mm和3 200 mm的两台立式旋转牵引装置，分别在安徽及泰国客户工厂投入使用。

4 多层共挤吹膜设备控制技术的科学发展

控制软件和系统的落后严重阻碍了多层共挤吹膜设备绿色化的进程。控制软件和系统的技术水平已成为设备技术水平的标志。国内塑料多层共挤吹膜设备制造企业绝大多数其控制系统都为成套外包，基本上没有软件开发能力。出口的多层共挤吹膜设备，控制系统的软硬件基本上都是国外的。

多层共挤吹膜设备控制系统包括自动配料计量控制、实时温度控制、挤出计量控制、风环风速控制、人字板和护板角度控制、稳泡器控制、牵引系统控制、薄膜线速度控制、自动收卷控制。

控制技术的发展方向是控制技术科学发展方向为智能化、网络化与虚拟化。智能化控制，即控制系统具备对外界的感知、分析、预防、决策的自适应的“人脑”功能，通过数字化通讯网络排除对整机的加工温度、螺杆转速、熔体压力、熔体温度、内外冷却系统、稳泡系统、牵引系统、收卷系统等干扰因素，进行全方位的闭环控制，稳定地实现预定目标。

4.1 系统控制技术的科学发展[5]

数字化通讯网络对整机的加工温度、螺杆转速、熔体压力、熔体温度、内外冷却系统、电动稳泡装置、人字板角度、薄膜旋转牵引系统、薄膜线速度、光电纠偏装置、收卷装置等进行全方位的集中控制,具有自动报警和自诊断等功能。实施现场智能化的精确控制、监测以及远程参数化，储存制品加工工艺参数,提高了操作的精确度和方便性。

广东金明精机机械有限公司联手西安交大研发“高性能智能化多层共挤吹塑装备”，项目将采用基于进化计算与模糊控制等智能算法，结合吹膜装备控制的特点，实现系统位置、速度、温度、压力等物理量的闭环精确控制，通过并行化、实时化与最小资源化等处理，采用片上化等技术，将算法硬化到专用芯片上，最终获得专用的、自主研发的、实现吹膜装备工艺的系统芯片。基于SOC系统芯片的控制系统，是现阶段塑机行业的核心技术之一，而目前这一技术还只掌握在少数发达国家手中。该产品研发成功后，将打破外国公司对高档吹膜机的垄断，改变行业“机强电弱”的局面，提升国产设备的利润空间。广东金明精机机械有限公司9层共挤阻隔薄膜设备的智能化控制系统，实现智能化的精确控制、监测以及远程参数化，具有配料计量、温度、螺杆转速、风环风速、稳泡器、人字板和护膜板角度、牵引速度、薄膜线等成型的各环节的自动控制及收卷机的自动控制，显示及监控温度、电流、频率、压力、长度、张力、速度等各项参数，自动报警和自诊断功能，实现快速的实时响应和精确的薄膜厚度控制，厚度基本偏差降低50%，可节省约5%的原料。

智能功能的预测控制技术的应用及开发。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。

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。

4.2 单层厚度控制技术的科学发展

单层厚度调整装置。系统由检测、执行及中央处理器等三部份组成。中央处理器根据单层厚度测量系统检测层厚发出的信号，控制与层厚有关的技术参数，使层厚尺寸公差控制在要求范围内。采用自动模头系统可以自动检测、调节、控制层的厚度，提高了单层厚度均匀度和质量，在保证薄膜品质不变的条件下减少了原料消耗，降低了生产成本，同时减轻了操作人员的劳动强度。

德国ScenEx CB共挤吹塑膜专用高精度层厚控制器，每个挤出机有一个WLS重力测定式生产量测定感应器，牵引上有卷筒速度感应器，通过局域网总线系统，MAC-CB电脑与感应器相联，一个重力测试生产量控制系统与一个牵引控制器协同作业，确保与各个预定层厚的精确符合。在操作者输入了目标产量（ 每米重量）之后，系统将以线速度为基础计算出每个挤出机所需的生产量，并通过螺杆转速来控制各层厚度。用户可同调整每组挤出量和总重。为了进一步提高层厚控制精度，ScenEx CB可以与Octagon的宽度测量和控制器结合起来。只要操作者确定了目标值，系统将自动地控制每个膜层的平均厚度，公差范围在1%内。生产变化可以迅速、轻松的实现，材料输入也最小。

意大利Luigi Bandera公司吹膜生产线的厚度调整装置配置的电容式传感器采用无线数据传送协议，可实现层度数据的快速读取，从而省去了更换旋转方向而消耗的时间，并使薄膜层更均匀。

美国美奎公司的28组分自动称重喂料系统，通过失重计量方式将信号传送到各个重力料斗，精密确定各组分的给料速率；根据薄膜制品的宽度和各层厚度、材料密度和牵引速度在线控制挤出螺杆的转速。

4.3 膜泡厚度控制技术的科学发展

膜泡厚度控制系统，由测厚探头检测到薄膜厚薄信号传送到计算机，计算机把厚薄信号与当前设定平均厚度进行对比，根据厚薄偏差量以及曲线变化趋势进行运算，控制冷却介质温度，调整各点冷却速度，使薄膜厚度偏差控制在目标的范围。

金明精机股份有限公司开发出了国产首台可自动调节薄膜厚度的吹膜机头。机头口模直径Φ250 mm，周围均布56个加热元件（加热元件数量视口模直径和控制点精度要求增减），通过电加热方式调整控制风环出风口温度，与薄膜在线测厚仪和控制单元共同组成了一套薄膜厚度在线检测、调节的闭环系统，提高薄膜的厚度均匀度30%～40%。

美国David Standard公司的风环自动控制系统，在风环的圆周方向上有48个控制点，在线测量薄膜的厚度，并同时将数据反馈给控制系统，根据薄膜厚度沿圆周变化的情况，自动调节冷却风量，实现薄膜厚度的调节和控制。

薄膜厚度变化是高度非线性、强耦合、时变性和控制不确定性系统，与伺服（变频）电机控制量之间的精确数学模型几乎无法建立。常规的PID控制，其抗干扰和抗参数摄动的鲁棒性不够理想，难以得到满意的调速和定位性能，对于高度非线性，不确定性，复杂反馈信息控制效果很差甚至无能为力。针对系统给定与反馈之间的误差，开发提高系统动态响应速度和控制精度的各种专业控制算法的应用。将现代可拓、变结构等非线性控制方法引入电机磁场定向控制算法，以消除磁阻电机参数的非线性影响，且对电机与控制器进行一体优化设计，实现永磁—磁阻伺服电机输出力矩的精确控制，使系统快速响应并且超调小；开发给定非线性信号校正算法，有效解决设备的低速控制特性问题。

4.4 张力控制技术的科学发展

如果张力过大，会使塑料薄膜被拉断，张力过小，则会出现跑膜现象，即使不会出现上面的情况，如果张力频繁波动变化的话，也会导致塑料薄膜厚度不均，影响制品质量，塑料薄膜卷材在一定的张力控制下被输送到机器，而且在一定的张力控制下被卷取。张力控制是提高薄膜卷材质量的关键技术。传感器直接测定卷料的张力，根据实测张力及设定的目标张力的变化经PID运算后自动改变离合器或制动器的激磁电流，从而获得恒定的张力。交流伺服电机动力驱动，提高了设备的速度调节性能，而且节能效果显著。

瑞士CMGZ600数字式张力控制器。CMGZ600张力控制器将众多的功能集成在一个紧凑的外壳内，支持三种张力控制模式——“收卷控制”、“放卷控制”、“中间段控制”。单台张力控制器最多提供两个独立的PID控制回路，可控制两个独立的张力测量点。CMGZ600用户界面友好，张力给定值、仪表的参数均可通过菜单方式进行设置，也可通过计算机通讯口和总线来设置。控制器内置设置，也可通过计算机通讯口和总线来设置。控制器内置“斜坡启动”等功能，加之其他张力控制功能，使得CMGZ600张力控制器功能强大，使用简单。CMGZ600数字式张力控制器的信号处理速度达到2 ms，非常适合对动态响应性要求较高的张力控制应用。如果采用“速度叠加”功能则可进一步提高控制器的动态响应速度。此外，CMGZ600控制器还内置“导航控制”功能，控制器可以根据材料实际卷径大小而动态调整内部PID控制参数，优化张力控制性能。单通道或双通道可选，最多提供两个独立张力闭环控制。可选择“收卷”、“放卷”、“中间段”控制模式； 可选配总线通讯接口，方便远程连接和系统集成； 内置其他特殊张力控制功能，功能强大，操作简单。

4.5 控制模块化技术的科学发展

德国W&H公司多层共挤薄膜控制系统采用模块式结构，实现了快速更换、易于维修、降低维护成本的绿色化要求。Easy Change模块用于自动程序转换，Easy Wind模块用于对收卷工艺进行目标校准而实现最优薄膜收卷，Profile Booster模块用于在产品切换后加速形成新的产品断面，Energy Monitoring模块用于判断并形成关于所有相关组件的独立能耗的图像。

4.6 风环自动控制技术的科学发展

风环自动控制是一种在线实时控制系统，目的是稳定膜泡直径，也是薄膜厚度自动控制系统的重要组成部分。不用自动风环，国外的设备的薄膜厚薄均匀性也只能作到误差7%左右,加了自动风环后，薄膜厚薄均匀性可以做到误差4%以内。

美 国 David Standard公 司的风环Smart RingWesJet自动风环，全自动风量控制调节系统，在圆周方向上有48个控制点，在线测量薄膜的厚度，并同时将数据反馈给控制系统，根据薄膜厚度沿圆周变化的情况，进而调节冷却风量，最后实现薄膜厚度的调节和控制。加拿大Future Design公司Saturn Genie系列风环能够记录吹塑薄膜生产线运行最佳时的有关数据，并将数据储存下来，在提高生产线的速度时取出储存的数据，使生产线达到生产—质量工艺状态。该风环配备了5台线性电机，分别调节下唇、泡锥、上唇、泡锥风口和升降器（将风环升至机头上）。这种风环设计用于频繁更换产品的吹塑薄膜生产线，可以减少产品更换产生的废料。

加拿大Future Design 公司Saturn Genie系列风环自动控制系统，能够记录吹塑薄膜生产线运行最佳时的有关数据，并将数据储存下来，在提高生产线的速度时取出储存的数据，使生产线达到生产—质量最优工艺状态。该风环配备了5台线性伺服电机，分别调节下唇、泡锥、上唇、泡锥风口和升降器（将风环升至机头上）。

4.7 机头自动控制技术的科学发展

金明公司研发出国内首套自动调节薄膜厚度的多层共挤吹膜自动机头，机头口模直径Φ250 mm，周围均布56个加热元件（加热元件数量视口模直径和控制点精度要求增减），通过电加热方式调整控制口模内管坯料流的温度，与薄膜在线测厚仪和控制单元共同组成了一套薄膜厚度在线检测、调节的闭环系统，自动检测、调节、控制吹塑薄膜的厚度，提高了薄膜厚度均匀度和质量，在保证薄膜品质不变的条件下减少了企业的原料消耗，降低了生产成本，同时减轻了操作人员的劳动强度。

4.8 IBC控制技术的科学发展

IBC（内冷）系统具有提高产量、透明度、稳定膜泡直径、力学性能以及净化膜泡内气体的绿色化作用。IBC（内冷）控制系统主要由内冷微电脑控制器、风机、自动温控的空气冷却器、超声波传感器、气流控制阀以及自动调节稳泡器等组成。多组超声波传感器对膜泡的径向直径进行监控和检测，IBC控制器根据超声波传感器的传感信号进行处理，确定膜泡内冷的空气交换量，处理器发出信号给执行机构，精确地控制膜泡进、排风机的风量，使膜泡内部容气量达到稳定状态，从而在冷却膜泡的同时又能稳定膜泡的外径。风机系统的动态反映性能是实现快速达到生产所需的膜泡外径及稳定膜泡外径的主要技术参数，高性能气体比例控制阀、伺服交流电机驱动风机系统等现代技术的应用，提高了稳定膜泡直径的动态性能。新一代IBC控制系统[6]，带有温度补偿的超声波传感器，得到更精确的控制原始信号；对膜泡突然出现孔洞等引起的过度膨胀或收缩，能及时恢复到正常状态；高精度的气流控制阀，改善了因膜泡不稳引起的膜皱问题和厚薄均匀度问题，提高了因折径变化引起的收卷端面不齐的问题；采用双冷却进风系统，大大提高了冷却效率，机台产量大幅提高；采用了顶部冷却，可以有效防止薄膜分片困难。

德国W&H公司Varex II内冷系统，集成电子、中央供气和创新的高度调整，在冷却环内部和膜泡上进行的创新空气导向，提高了冷却率、降低了压力损耗，从而进一步提升了产能。冷却环外罩以复合材料制造，具有优良的隔热性，因此即便在低冷却空气温度下，也可避免冷却环外壳的冷凝，从而进一步拓宽了产量的提升空间。

4.9 现场总线控制技术的科学发展

数控系统大量模拟量交换，常规的分散控制系统中，往往出现相互干扰，运行不稳定，需要在现场采取大量的屏蔽手段，以实现运行的稳定性，但由于使用环境的变化，屏蔽措施达不到十分可靠。现场总线控制系统将工业现场具有通信特点的智能化仪器仪表、PLC控制器、执行机构等现场设备和通信设备连接成网络系统，通过网络实现现场设备之间由模拟量交换变为可靠的数据交换。整个过程都由1台计算机完成，控制器与控制器、控制器与上位机（操作员站或工程师站）之间建立了计算机控制网络，使得操作员在上位机中能够对被控系统的实时运行状态进行监控，某个控制回路的控制策略的设计也可以在上位机中组态完成，通过控制网络下载到对应的控制器中实时运行，大大提高了控制系统的可靠性，并实现了集中管理和分散控制。

4.10 网络化控制技术的科学发展[7]

网络化技术设计是数字控制系统设计的发展方向。网络化控制是控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物。随着计算机技术和网络通信技术的不断发展，工业控制系统也发生了巨大的技术变革，网络化控制（Networked Control System，NCS）是在控制系统中引入了计算机网络，从而使得众多的传感器、执行器、控制器等主要功能部件能够通过网络相连接，相关的信号和数据通过通信网络进行传输和交换，避免了点对点专线的铺设，而且可以实现资源共享、远程操作和控制，增加了系统的灵活性和可靠性。网络化集成控制技术把现场总线、工业以太网、工业无线网、企业局域网、互联网同现代控制设备（包括工业PC、可编程序控制器PLC、人机界面HMI、输入输出模块、交换机、网关、通信接口、伺服控制电机等）结合，形成基于通信与控制紧密融合、多种网络协议合理组合、有线与无线相互衔接、管理与控制一体化的控制系统。

网络能耗控制。德国倍福自动化有限公司的EtherCAT实时工业以太网技术，通过非常经济有效的标准以太网卡（NIC）进行管理；EL3403测量模块具备完整的电网分析和能源管理功能，通过测量电网中所有相关的电气数据及计算每相的有功功率和能量消耗、视在功率S、无功功率Q、频率F等数据，对生产过程能耗进行优化，降低能耗，从而降低了生产成本，也使得整个生产过程更为环保。

网络服务系统。网络服务系统为用户提供快速全方位的网络服务，是提高设备利用率的重要组成部分。基于3G通讯技术，集数据收发、海量存储、智能传感、智能分析、智能控制、多媒体通讯等功能于一体，实现运行生产全过程的智能化监管，为设备终端用户与机械制造商之间提供方便、快捷、直接的沟通桥梁，以及信息化、智能化、网络化。促进了企业由传统的经营模式到信息化、网络化的转变，优化了企业管理，降低了运作成本。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。美国MOOG公司且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。

5 结语

绿色化是可持续发展的永恒课题。多层共挤吹膜设备绿色化技术的内涵与外延在不断地动态变化和发展。特别是由于人们对环境的价值观不断进步，而以之为价值基础的绿色技术也随之而变。EuP指令生效后， CE认证必然会引入绿色化生态环境的相关内容。积极主动地科学发展多层共挤吹膜设备的绿色化技术，实现设备向更高层次、更大范围的绿色化的深度和广度发展。

创新是绿色化可持续发展科的永恒理念。开拓和创新控制技术是国内多层共挤吹膜设备绿色化科学发展的核心。多层共挤吹膜设备的绿色化技术，控制技术是持续发展绿色化的核心。国内在控制技术方面，无论是硬件，还是软件，显著落后于国际同行，所以在绿色化发展进程中，没有话语权。

习近平总书记在中国科学院第十七次院士大会、中国工程院第十二次院士大会开幕会上发表重要讲话强调：广大科技工作者要敢于担当、勇于超越、找准方向、扭住不放，牢固树立敢为天下先的志向和信心，敢于走别人没有走过的路，在攻坚克难中追求卓越，勇于创造引领世界潮流的科技成果。沿着习近平总书记指出的“创新、创新、再创新”的方向发展，一定能创新出多层共挤吹膜机绿色化的“强国梦”。

[1] 关文强，蒋中成.五层共挤PE吹膜技术[J].PT现代塑料，2012，10：22～24

[2] 王和国. 电磁感应加热器在吹膜机组上的应用[J].上海节能，2011，5：43～45.

[3] 张友根. Cinaplas®2011塑料成型加工绿色技术浅析[J].橡塑技术与装备，2011，37(12)：25～32

[4] 姜传庚. 多层共挤吹膜生产设备技术特点[J]. 今日科苑, 2007，12：67.

[5] 李振军.第二十八届中国国际橡塑展纵横[J].塑料机械，2014, 3:1～13.

[6] 高正洪，黄强.共挤膜机组中新一代内冷控制技术[J]. 橡塑技术与装备，2010,36(2)：39～40.

[7] 孙丽娟. 我国机械制造的智能化技术发展及趋势[J]. 中国科技纵横，2012，15：71.

(XS-05)

TQ320.66

：1009-797X(2015)04-0007-13

BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.04.002

张友根，男，教授级高级工程师，终生享受国务院政府特殊津贴，现主要从事塑料机械的科学发展工作。

2014-09-04