基于绿色化原则的“十三·五”多层共挤吹膜设备的科学发展（四）

张友根

（宁波海达塑料机械有限公司）

基于绿色化原则的“十三·五”多层共挤吹膜设备的科学发展（四）

张友根

（宁波海达塑料机械有限公司）

（上接《塑料包装》2016年第2期）

4.5 风环的绿色化技术的科学发展

风环的主要功能是稳定膜泡外径、壁厚。稳定膜泡与薄膜的表面质量、厚度精度、生产率都有极大的影响。

4.5.1 内风环

内风环也叫膜泡内部冷却系统。冷却的空气进入膜泡内部，吸收薄膜内表面的热量，热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功能，还有两个功能：1)能提高薄膜的光学性能，内冷却使膜泡冷却速度加快，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。

4.5.2 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，因而可以使多层共挤吹膜设备的产量提高。单唇风环仅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，膜泡冷却效率大大的提高。据报道双唇风环比单唇风环，设备的产量提高25%左右。

4.5.3 双风环

下风口气流起到了预冷膜泡的作用，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。继双风口风环被广泛应用之后，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，要求吹胀比大的各种薄膜，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。

4.5.4 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200m／min，产量比只用风环外冷的传统吹膜法提高50%～70%。同时，由于膜泡被骤冷，薄膜的透明度的光学性能也有所提高。

4.5.5 膜泡冷却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。冷却介质是膜泡被冷却速率快慢的决定因素。

4.5.5.1 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的冷却不允许使用水冷，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。

4.5.5.2 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。

4.5.5.3 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%。

4.6 收卷机技术的科学发展

收卷速度直接影响到设备的生产速度。全自动收卷装置实现高速生产不可缺少的装置，具备多项自动功能：自动换卷、自动切膜、自动卸卷、自动控制张力等。

收卷机名义上分类有两种，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、自动卸卷等功能的模块，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。德国W＆H公司的FILMATIC TX/TC收卷机，最大收卷速度可达200米/分钟，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的情况，可以选择配备展宽辊、切膜辊的牵引装置，分切多幅料带。佛山捷勒塑料设备有限公司的全新设计的收卷机相比传统收卷机有重大改进，在结构上省却了传统收卷机必备的两侧壁板，采用两副重载直线导轨。在运动行程上省却了传统的液压油缸、油管等部件，全部采用电机和气缸驱动，彻底杜绝了漏油安全隐患，最大线速度可达200m/min。

型式及控制的多样化，适应功能化生产的需求。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。

4.7 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，从导向辊的内部向气孔吹气，能使膜与导向辊两者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。新型的展平辊的表面有螺旋形的凹槽，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。佛山捷勒塑料设备有限公司生产的一条三层共挤上吹薄膜吹膜设备旋转牵引机构，采用齿盘式回转支撑设计，不仅方便安装调校中心，同时减少了旋转牵引运行过程中的中心偏差问题。

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2800mm和3200mm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。

4.8 挤出塑化冷却技术的科学发展

新型的空气冷却技术与传统的相比有了极大的提高。传统的空气冷却是在机筒外安装鼓风机，产生强制空气冷却，加热器外表面或加热器间的垫圈常制成冷却筋。新型的空气冷却是利用负压法将室温空气(经紧固的屏蔽)导入到每个加热区的电加热片，受热的空气通过绕曲管向下到达气流控制缓冲器空气通过一个打开的缓冲器进入挤出机机座，在那里会经过压力通风打开一个单独的排气管道，三个挤出机共用一个风机将气体排出室外，带走热量。

新型的空气冷却技术采用大风机取代多个小鼓风机，投资并不大，因此除了具备原有的优点，还克服了噪音大、热空气影响加工环境的缺点。其冷却过程更趋缓和，更均匀，节能及清洁的效果更突出。

5 多层共挤吹膜设备现代控制技术的科学发展

控制技术的发展方向是控制技术科学发展为智能化、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。

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、稳泡器系统控制、牵引系统控制、薄膜线速度控制、自动收卷控制。

5.1 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、电动稳泡系统、人字板角度控制系统、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。采用网上远程监测、诊断和控制，对生产线进行网络控制。这对保证工艺条件的稳定，提高产品的精度都极为有利。

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、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，而目前该技术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%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。

5.2 自动测厚技术的科学发展

自动测厚系统由检测、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。采用在线自动测厚系统，开机速度快，降低机头废料，同时，测量薄膜的厚度准确率更高，有效控制薄膜的预设值，组态监控软件系统软件更易于实现其对薄膜平整性的调整，只需把薄膜厚度输入到控制计算机，整个控制过程在计算机的控制下自动完成，排除了诸多的人为因素，控制精度明显 提高，使层厚尺寸公差控制在要求范围内，减少了原料消耗，节约了生产成本。

风环冷却的薄膜总体厚度的控制技术。通过自动测厚把薄膜厚薄信息反馈给电脑控制中心，然后控制中心通过冷却风环多个（48/64）风口大小控制进给风量，从而改变模口物料流动速度，以此循环来控制薄膜的总体厚度。适用于对阻隔无特殊要求的物料包装。

模头模口温度的薄膜各层厚度独立的控制技术。德国 W&H 公司的 VARE X三层共挤生产线自动测厚系统，把薄膜厚薄信息反馈给电脑控制中心，然后控制中心通过模头模口处加热元件的温度调整来改变模口的物流速度，达到控制各层的薄膜厚度。

挤出率的薄膜各层厚度独立的控制技术。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输出量，达到控制各层的薄膜厚度。用户可同时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。

Elektro Physik Dr.Steinggroever GmbH & Co.KG 公司的Elektro PhysikCTM-S在线厚度测量系统，基于磁感应原理，测量系统不受材料性能如湿度、密度和颜色的影响，不受环境中震动的影响，测量能力达到100m/min，测量厚度从6 μm～6mm，测量误差±1%。在网络技术新开发的完全兼容模式可以是该系统连接到内部/局域网上，便于对系统进行操作和监控。

5.3 自动称重喂料系统的科学发展

自动称重系统基本原理是通过实时监测原料的挤出量，控制挤出机螺杆转速，使挤出量保持恒定，从而保证薄膜厚度(米重)严格控制在工艺要求内。原料挤出量检测采用连续失重式称重原理，根据单位测量周期原料重量变化情况、牵引速度计算薄膜厚度(米重)。自动称重系统主要由主料斗、辅助料斗、称重传感器、放大器、挤出螺杆速度检测器、线速度检测器、运算单元、料斗阀门控制、螺杆速度控制等组成。由于原料密度变化、松散度变化、料粒形状及大小的不同以及原料流动性的差异，所引起物料挤出的变化都可以通过自动称重系统给予控制，同时还能够按照产品配方的要求在多层共挤原料不同成分的定量应用中提供自由可变换的系统配置，另外对纵向厚薄变化也有改善作用，从现场使用效果看，薄膜纵向厚薄均匀度提高1.5～2个百分点，自动称重作用和优势非常明显，在进口设备中已经大量使用，而在我国才刚刚起步。

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。

5.4 膜泡壁厚控制技术的科学发展

膜泡壁厚的控制系统，由测厚探头检测到薄膜厚薄信号传送到计算机，计算机把信号与当前设定平均厚度进行对比。根据厚薄偏差量及曲线变化趋势进行运算，控制冷却介质温度，调整各点冷却的速度，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已开发出了国产首台可自动调节薄膜厚度的吹膜机头。机头口模直径为φ250mm，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。德国Battenfeld Gloucester工程公司的多层共挤吹塑薄膜机组配置了Autoprofile自动风环，根据机头规格，风环由60～160个加热元件组成，精确地安装在风环圆周上通过在线厚度仪与微处理器组成一个完整的自动厚度变化控制系统。

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。

（未完待续：见本刊2016年第4期）