多層共擠吹膜設備綠色化科學發展的分析研究（下）

張友根

(寧波海達塑料機械有限公司，浙江 寧波 315200)

多層共擠吹膜設備綠色化科學發展的分析研究（下）

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

張友根

(寧波海達塑料機械有限公司，浙江 寧波 315200)

提出了多層共擠吹膜設備綠色化內涵，論述了多層共擠吹膜設備綠色化成型性能的科學發展，研究了多層共擠吹膜設備綠色化技術的科學發展，分析了多層共擠吹膜設備控制技術的科學發展，指出控制技術的創新是國內多層共擠吹膜設備綠色化科學發展的核心。堅定沿著習近平總書記指出的“創新、創新、再創新”的方向發展，一定能創新出多層共擠吹膜設備綠色化的“強國夢”。

吹膜設備；多層共擠；綠色化；科學發展

3.2 資源節約化成型加工技術的科學發展

多層共擠塑料吹膜設備是將多種功能性塑料共擠吹膜而形成無粘合劑的綠色化多功能薄膜的裝備，包含多組擠出、共擠機頭、吹膜、穩泡、冷卻、牽引、收卷等裝置。多層共擠塑料吹膜設備加工技術綠色化的主要標志是全方位實現多層共擠薄膜設備的資源節約化技術的加工。

3.2.1 精密計量喂料技術的科學發展

精密計量喂料減少原料的損耗及與之關聯的熔融能量的浪費，同時保證薄膜各層按照一定的比例進行復合。多層共擠要求多臺擠出機之間計量喂料不但精密計量而且互相之間精密協調，保證穩定工作。美國美奎公司的28組分自動稱重喂料系統，通過失重計量方式將信號傳送到各個重力料斗，精確確定各組分的給料速率；根據薄膜制品的寬度和各層厚度、材料密度和牽引速度在線控制擠出螺桿的轉速，實現精密喂料。

3.2.2 高產低能耗擠出螺桿的科學發展

包裝薄膜的擠出塑化同比普通塑料制品的成型加工塑化性能要求更為嚴苛。一些塑料包裝材料和制品的有害物質超標，并不是塑料原料所含的有害物質超標，而往往是塑料原料擠出熔融塑化工程中，由于設備熔融塑化性能不佳，剪切熱過高，造成塑料原料內含某些物質過度分解而超過衛生標準。綠色化塑化技術使塑料原料在塑化熔融過程中，有效控制剪切熱，達到低溫塑化，不產生對人體有害物質的分解，或將有害物質的分解控制在標準之內，達到成型后塑料制品符合安全健康標準。

多層共擠的擠出螺桿的科學發展主要特點：低熔融溫度塑化擠出，達到降低擠出能耗、降低冷卻膜泡的能耗、提高膜泡的強度；高速高產率，達到降低塑化單位能耗，為實現設備高產化打下基礎；高質量熔融混煉性，達到原料顆粒得到充分熔融混煉，實現把流率、壓力穩定的熔液送入模頭；適應性，達到必須更換擠出螺桿而實現多層薄膜組合位置之間的靈活變動及原料的變化。

高產低能耗主要是通過提高螺桿塑化轉速達到提高擠出產能。擠出機螺桿塑化高轉速化也帶來了一系列需要克服的難點：如物料在螺桿內停留時間減少會導致物料混煉塑化不均，物料經受過度剪切可能造成物料由于高剪切而急驟升溫和熱分解，擠出穩定性控制困難會造成擠出物幾何尺寸波動，相關的輔助裝置和控制系統的精度必須提高，螺桿與機筒的磨損加劇需要采用高耐磨及超高耐磨材質，減速器與軸承在高速運轉的情況下如何提高其壽命等問題都需要解決。

高產低能耗的分離型擠出螺桿。分離型螺桿的塑化是通過固體床的更有效的熱傳遞和強剪切進行塑化，熔體床的寬度和深度都是變化的，保證了熔體溫度不會繼續升高，具有優良的低溫熔融混煉性能；美國XALOY公司稱,他們的通用型螺桿除PVC外，可以加工大多數塑料。金明精機股份有限公司擠出螺桿采用分離、屏障、熔體等溫混煉等先進技術，并采用高效的強制送料結構以及抽氣式機筒冷卻結構，具有塑化良好、產量高、能耗低、噪音小、結構緊湊、易維護、安全等特點，適用于mLLDPE、LLDPE、LDPE、HDPE、EVA、PP、PA、EVOH等塑料的擠出加工。Battenfeld公司用于加工聚烯烴的直徑65 mm的分離型螺桿，加料段的螺槽深度12.62 mm，計量段的螺槽深度9.6 mm，由于加料段與計量段螺紋導程不同，加料段一個螺槽體積與計量段一個螺槽體積比為1.512 6。

塑料在螺桿內熔融過程太復雜，涉及的方程和變量太多，還沒有十全十美的分析軟件。完全符合塑料的熔融過程的螺桿設計是不可能的，螺桿設計在一定范圍內符合塑料的熔融過程, 那就是好螺桿。分離型螺桿設計主要考慮以下兩個方面：①副螺棱與機筒之間的間隙是變化的，如何設計能夠讓熔體一定速度通過到熔體床，這個速度不能太慢，太慢會使固體床還存有熔體，影響了固體料的塑化；②副螺陵的導程設計和固體床深度的變化，如何使實際固體料體積與固體床體積相一致，因為固體床體積縮小量超過了固體料體積的縮小量，容易卡料，大于實際固體料的體積，影響了塑化效率。

3.2.3 薄膜糾偏技術的科學發展

一般的薄膜糾偏技術是當薄膜糾偏裝置的導輥調整薄膜卷取方向時需改變塑料薄膜的張力，導致了薄膜在糾偏過程中產生“張力記憶”，也就使下游設備出現一些問題。如卷曲時塑料薄膜的張力無效，卷軸的邊緣將會根據其“張力記憶”產生不均勻現象。阻止“張力記憶”的產生是薄膜糾偏技術的科學發展的方向。

Macro公司的新型糾偏系統，包括兩個轉動軸桿和一個薄膜邊緣傳感器，邊傳感器在薄膜的一邊測量并發出一種對其位置進行量化調整的信號，轉動軸桿在塑料薄膜上不產生任何壓力的情況下以平行的方式進行調整使其回到正確的位置，實現塑料薄膜的導引和糾偏。轉動軸桿不可以如導輥一樣自由轉動，而是設計成薄膜可以以一種接近無摩擦的方式流過轉動軸桿以實現阻止“張力記憶”的產生。為消除塑料薄膜和轉動軸桿之間的摩擦，當處理一些高摩擦系數的薄膜如黏著性的薄膜或經過特殊涂層處理的順滑的薄膜（HDPE 或一些PPS）時，轉動軸桿可進行氣滑。

3.2.4 多層共擠機頭技術的科學發展

多層共擠機頭是設備提高產量的技術創新的重點。機頭的高科技含量表征了企業的核心競爭力。

3.2.4.1 錐形疊加機頭

機頭由錐形模塊單元疊加而成的，每個單元都由一對短錐形模塊組成。流道在錐形圓柱面上，承受的熔體的壓力更高，密封性更好。錐形疊加共擠機頭分為兩種，即上斜疊加型和下斜疊加型。上斜錐形疊加是加拿大Macro公司推出的，特點是機頭每層由下到上斜面疊加，每層之間相互吻合，從而不易溢料，熔體從每層機頭進料，一次分流，主要用于小型（直徑10～100 mm）共擠機頭。下斜錐形疊加機頭也是加拿大Macro公司的專利，特點是每層機頭由上到下斜面疊加，每層機頭之間相互吻合，從而不易溢料，熔體從機頭底部同一平面側進料并流到相應機頭層進行一次分流，減少熔體的停滯，并得到好的厚度分布，每層的熔體流道數量不受限制，視直徑不同，每層可以設計為16條及以上數量螺旋流道，機頭易于清洗，主要用于直徑中型共擠機頭。

在多層共擠吹膜工藝中，LDPE和PA的塑化溫度相差很大，只有能夠獨立加熱的機頭才可以生產，錐形疊加機頭表面上可以獨立加熱。但從結構上分析，它的圓柱部分是相對獨立的，但是其圓錐部分已經插入到另外一層的圓柱體中，理論上已經受到另外一層加熱溫度的影響了，況且，在長期生產過程中，金屬的熱傳導會使各層錐形疊片溫度互相干擾，趨于一致，必須增加隔熱層才能保證相鄰兩種材料的溫度差。

3.2.4.2 平面疊加機頭

平面疊加機頭按結構布置形式，分為兩種：一種是高度方向平面疊加；另一種是徑向方向平面疊加。由碟形片疊加而成的，每層碟形片有兩個進料口，可以擠出兩層薄膜，使每一層受熱均勻。碟與碟之間加有隔熱層，可以單獨控制每一層機頭的溫度，相鄰層之間溫度之差可高達80 ℃。根據不同的生產要求。可以撤走、增加或重新布置各層機頭，增減容易，節省費用。整個機頭全部采用38CrMoAIA材料制成，具有良好的熱穩定性。多層共擠膜強度高于同類復合膜30%，節省原料20%以上，產量可以提高50%。與錐形疊加機頭相比，在相同條件下，平面疊加式機頭結構緊湊，它的實際高度只有錐形疊加機頭的60%，提高了塔架的有效高度，在7層和9層共擠吹膜機組中，這種機頭就有了絕對的優勢。平面疊加式機頭采用側面進料，機頭內流道拐點少，沒有死點，頻繁停機和開機時絕不會有糊料現象，特別是吹制尼龍這種材料的時候，它的優越性是無與倫比的，這種機頭的設計理論已經超出了傳統思想觀念，是理論上的一種飛躍。

高度方向平面疊加共擠機頭，以加拿大BramptonEngineering公司為代表，一般采用側進料，熔體以中心軸線對稱，熔體在每層流道中流動層數的變化不會影響機頭內外徑的大小，機頭層數可以任意組合，且每層的溫度可以單獨控制，這樣可以根據不同的物料的需要單獨控制每層的溫度，也有效的防止物料的分解，適應于高阻隔多層共擠薄膜加工。

徑向方向疊加共擠機頭，以 Battenfeld Gloucester Engineer公司為代表，模頭的特點是低中心易于維護，模頭的高度不會隨著層數的增加而增大，優點是熔體的壓力是在流道圓周方向平衡掉，所以密封性能比高度方向平面疊加型機頭好，缺點是熔體各層的溫度不能單獨控制，特別是中間層的溫度，適用于多層共擠高強度薄膜的加工。

金明精機股份有限公司研發了5層共擠雙流平面疊加式機頭，它是由碟形片疊加而成的，每層碟形片有兩個進料口，可以擠出兩層薄膜，使每一層受熱均勻。碟與碟之間加有隔熱層，可以單獨控制每一層機頭的溫度，相鄰層之間溫度之差可高達80℃。根據不同的生產要求。可以撤走、增加或重新布置各層機頭，增減容易，節省費用。整個機頭全部采用38CrMoAIA材料制成，具有良好的熱穩定性。多層共擠膜強度高于同類復合膜30%，節省原料20%以上。

3.2.4.3 螺旋芯棒機頭

螺旋芯棒機頭沒有分流支架，物料在螺旋流道中流動的同時伴有軸向流，使物料得以很好地重合，消除了熔接線，達到材料各向同性，熔體溫度均勻，提高了薄膜的物理性能。設計螺旋芯棒機頭的時候應盡量使機頭內物料的軸向流在圓周方向分布加寬，以提高機頭的混合性能。影響機頭混合性能的主要參數：螺槽深度對機頭混合性能影響最大，隨后依次為螺旋升角、螺旋消退角和芯棒錐角。螺槽深度參數取大值，螺旋消退角和芯棒錐角兩個參數取小值。

佛山捷勒公司采用預分配式螺旋流道設計的低模體螺旋芯棒式模頭，使熔體料在進入匯合前分布均勻，保證了料流的流速和壓力分布，各層匯合后流動阻力相同，匯流流道短，熔體的滯留時間短，薄膜的阻隔層均勻，成型性能好。模頭背壓小，擠出量高。利用表面工程技術，使流道表面的鍍層無死角，鍍層硬度高、耐磨、耐蝕，不產生剝落和裂紋，并能長期保持表面光亮，以解決流道的腐蝕和磨損問題。

Alpine公司推出了一種新型X系列11層共擠阻透薄膜用側加料螺旋機頭，螺旋體中的熔體進料點被優化布局，可產生極高的熔體流動性和均勻性，消除了薄膜共擠過程中條紋線的產生。在更換料時，極短的流道降低了原料的損失和獲得最短的清料時間。模頭壓力低保證了高的產量。模頭直徑400～560 mm，薄膜上無出口流紋，因為螺旋形是在芯棒內切銑而成的，而非其外。出口是圓形的，不是半圓，使料流更具流線性，清洗和換色快達15 min。這種機頭對于容易留下出口流痕的窄分子量分布的物料來說優勢明顯。

3.2.4.4 多層共擠機頭科學發展方向

設計研究重點。機頭設計是比較復雜的，經驗加上理論計算分析后得出結果。物料的參數和產量作為初始條件，算出熔體在模頭內的壓力分布、停留時間、剪切速率，以及最重要的螺旋流道結束處的速度分布。根據計算的數據分析流道參數的合理性，根據經驗，修改參數，代入理論計算，以得到最好的分析結果。

結構科學發展的特征：①各層之間溫度控制精確并不受干擾；②機頭無死角無滯留無溢料；③熔體壓力平衡，流速穩定；④預熱時間短；⑤縮短流道長度，減少熔融料滯留時間；⑥多層組合靈活；⑦原料適應的廣泛性；⑧維護保養方便。

3.2.5 穩泡系統的綠色化技術的科學發展

穩定膜泡的外徑、壁厚，同時對于薄膜的表面質量、產量、厚度、薄膜均勻性都有極大的影響。

3.2.5.1 風環技術的科學發展

風環主要功能實現穩泡，同時對于薄膜的表面質量、產量、厚度、薄膜均勻性都有極大的影響。

3.2.5.1.1 內風環

內風環也叫膜泡內部冷卻系統（IBC）。冷卻的空氣進入膜泡內部，吸收薄膜內表面的熱量，熱的空氣和膜泡內冷卻而產生的揮發物通過內風環排出，如此循環從薄膜的內表面降低薄膜的溫度。現在國外的多層共擠吹塑設備都采用了IBC，IBC能使產量提高30%左右。內風環除了能提高產量，還有兩個作用：①能提高薄膜的光學性能。內冷卻使膜泡的冷卻速度加快，使結晶減少，同時通過空氣在內部的流通，帶走了膜泡內的揮發物。②膜泡的穩定性大大的提高。這也不僅僅是因為內冷使膜泡的冷卻速率加快，使冷凝線下的熔體溫度降低，提高了熔體強度，另外一個主要因素是當膜泡內冷時，可以在膜泡的內外形成對流的氣流，可以抵消彼此的沖力。而膜泡不用內冷時，膜泡內部氣體是靜止的，只有外部風環出來的氣體是流動的，所以不能抵消外部氣流帶來的沖力。

內風環和環型柱體結合的冷卻裝置。環型柱體使裝置使來自風環的氣流方向與膜泡的徑向幾乎平行，迫使冷卻空氣沿膜泡表面流動，增加了接觸面積。環型柱體導管越高，接觸面積越大，冷卻效果也越好，可達到提高20%的產量。

3.2.5.1.2 外風環外風環基本上都采用雙唇風環結構，相對于單唇風環，它的冷卻效率大大的提高，所以可以使多層共擠吹膜設備的產量提高。一般對于單唇風環來說，在膜泡外表面形成了一層氣層，靠近膜泡外表面的溫度高，而這個氣體層是平行于膜泡向上運動，所以氣層內側的溫度越來越高，膜泡的冷卻效率會越來越低。而對于雙唇風環,另一個風唇的氣體會沖亂第一個風唇的氣體層，使冷卻氣體層產生湍流，膜泡的冷卻效率大大的提高。據報道雙唇風環比單唇風環使設備的產量提高25%左右。

3.2.5.1.3 雙風環

下風口氣流起到了予冷膜泡的作用，上風口的高速氣流沖擊著下風口氣流，形成紊流混合，破壞了滯流邊界層，強化了傳熱過程，冷卻效果明顯提高，可在膜泡的周圍有關位置分別控制冷卻空氣量降低或者增加，可以準確地調節膜泡壁厚的變化。繼雙風口風環廣泛應用之后，為了在不增加風機功率和風量的前提下，有效提高膜泡的冷卻效率和薄膜產量，人們又開發了射流式雙風口風環，即在雙風口風環上增加射流環，產生射流效應，把環外的自然空氣通過射流環的進氣孔強行吸入環內，從而增大環內的氣流量，提高風環的冷卻能力，同時達到一定的節能效果。德國Octagon公司生產的雙風環的兩股冷卻氣流保證了最佳的冷卻，比單風口風環的產量提高30%，可以將吹塑薄膜的產量提高多達50%。Rerfenhauser公司還推出了一種高性能雙風環——REI 2 cool，其高度可調，有專用的IBC穩定器，不同于普通的雙風環，是兩個獨立的風環，一個安裝在機頭上，另一個安裝在人字板下面，高度可調，兩個風環之間產生的是一種圓形泡頸，而不是橢圓形的，穩定性更高，Rerfenhauser稱，吹脹比范圍大的各種薄膜都可以用該裝置把產量提高到最大。德國W&H公司的在冷卻環內部和膜泡上進行的創新空氣導向，提高了冷卻率，降低了壓力損耗，進一步提升了產能。

3.2.5.1.4 內外表面同步冷卻裝置

為了增加冷卻面積可采用膜泡內外表面同時進行冷卻的裝置。此裝置在機頭里有兩條通道，外層為進氣通道，里層為出氣通道。輸入的冷風經進氣通道的縫隙或小孔吹出對薄膜進行冷卻，而熱風經里層通道被抽走。由于熱風上升，其排氣通道延伸到膜管的較高位置。這種冷卻裝置其效果可提高 33%以上，吹膜線速度已達到200 m/min，產量比只用風環外冷的傳統吹膜法提高50%～70%。同時，由于膜泡驟冷，薄膜的光學性能也有所提高。

3.2.5.2 冷卻介質的綠色化技術的科學發展

泡膜內冷系統從無到有、從粗到精的幾代發展。通過感應泡膜直徑尺寸的變化，在冷卻膜泡的同時又能穩定膜泡外徑。冷卻介質從風環出口處以一定的角度，適當的風速吹向膜泡，沿著表面形成一堵“冷卻風墻”，與高溫膜泡表面接觸，進行熱交換，熱量由空氣帶走，膜泡溫度下降。冷卻介質是膜泡冷卻速度的快慢的決定因素。

3.2.5.2.1 水冷介質[4]

傳統的多層吹塑薄膜的配方不能直接適用于水冷技術。水冷方式有效抑制了PP、PA等材料的結晶現象的發生，生產出的薄膜接近無結晶分子結構，提升了薄膜成品的表面光澤度、透明度、耐刺穿度、柔軟度。賓頓工程公司9層共擠的水冷AquaFrost吹塑薄膜生產線，水冷使熔體在關鍵的結晶增長溫度區所花的時間縮到最短，薄膜具有更高的透明度及內應力的均衡取向，使薄膜縱橫向的收縮幾乎相同，同時產量同比氣冷的要高出1.5～2倍。水冷的效果是最好的，然而從衛生角度考慮，醫用膜和食品包裝膜不允許使用水冷，因為室內空氣與冷卻水的溫度差異，會使冷卻輥的表面凝結水汽，不符合衛生要求。

3.2.5.2.2 乙二醇冷卻介質

乙二醇制冷機組來替代冷水機組，可大幅度提高冷卻和結晶速度，薄膜達到更高的透明度、強度和韌性。

3.2.5.5 逆流冷卻裝置的科學發展

普通的風環冷卻裝置都為順流冷卻裝置，即加熱的空氣流與膜泡的牽引方向一致，匯集在膜泡上部，這在某種程度上，影響了薄膜的冷卻。逆流冷卻裝置，在一個標準的風環上，安裝一個圓形護罩。由護罩頂部引入的冷卻空氣流 （ 稱為逆流 ） 同底部風環吹出的空氣成逆流，冷卻膜泡，冷卻后的混合氣流收集在圓形護罩上部空腔內，然后通過排風口排出。圓形護罩可上下調節，以達到適當的位置。冷卻效率可提高20%～30%。

3.2.6 收卷機技術的科學發展

收卷機從名義上分類有兩種，一種是表面摩擦式收卷機（表面式），另外一種是轉位式收卷機（旋轉式）；針對不同的品種，又出現了帶中心輔助卷曲的表面摩擦式收卷機、間隙式表面摩擦收卷機以及帶有表面摩擦輔助的中心式收卷機、間隙式中心轉位收卷機等等。旋轉式收卷機在北美得到了大量的應用，而歐洲更偏重于表面式收卷機，旋轉式只用于特殊要求或結構復雜的薄膜，在共擠吹塑薄膜方面只占到了20%。

模塊綠色化。德國W&H公司的FILMATIC系列收卷機按功能分成多個工作模塊，根據客戶要求進行組合。FILMATIC N為滿足吹膜設備最高收卷要求的新型接觸式收卷機，分成中心驅動、間歇式收卷 、轉向（向右/向左旋轉）、無折邊初始收卷、直角切割、真空—切膜—接觸輥、自動化膜卷卷芯安裝和粘貼、手動卸卷、自動卸卷等功能模塊，可以配備各種縱向幅切切刀，兩個獨立工作的中心驅動裝置在初始收卷時就能確保精確的張力控制，帶有重量平衡裝置并可精確控制的上壓輥可以在間隙式收卷時自始至終保證側面平整的薄膜收卷，可以進行直角切割以及無折邊初始收卷，從而避免了廢品產生。其基本配置機型可以很好地滿足多種用途。如果添加中心驅動式和間歇式收卷功能以及轉向功能和無折邊初始收卷功能等選項，那么該收卷機可以滿足薄膜收卷技術的最高要求。其他選項配置如專利產品真空—切膜—接觸輥等，可以在任何時候后需添加，對機器進行升級。

高速化。收卷速度直接影響到設備的生產速度。德國W&H公司的FILMATIC TX/TC收卷機，最大收卷速度可達200 m/min，具有內置式或外置式，以適應根據場地大小以及公司內部的膜卷物流情況，可以選擇配備展寬輥和切膜輥牽引裝置進行多幅料帶分切。

型式多樣化。德國W&H公司的FILMATIC S薄膜收卷機，提供兩種型式供選擇：一種可以放置在地面上以方便操作人員的操作，另一種可以放置在高臺上以節省空間；具有兩種收卷工位：內置式，外置式。全自動的卷芯安裝及膜卷拆卸。允許在同一收卷軸上同時收卷不同寬度的膜卷，達到前所未有的規格靈活性。

3.2.7 牽引技術的科學發展

廣東金明精機股份有限公司的水平式旋轉牽引系統擁有三項專利技術:ZL01243077“一種吹塑機的氣墊輥”、ZL01243076.5“一種吹塑機的新型展平輥”、ZL01243079.x“一種吹塑機的旋轉牽引裝置”。氣墊輥在導向輥與膜承接的面上開有若干個氣孔，從導向輥內部向氣孔吹氣，能使膜與導向輥之間的磨擦降到最低，既減小了因磨擦引起的牽引阻力，同時使膜面不易受磨損。新型展平輥是在橡膠輥上面刻有螺旋形的凹槽，其凹入方向均向輥的端部傾斜，使薄膜的展平效果更出色。水平式薄膜旋轉牽引系統通過扇形齒輪運動副以±360?的轉角緩慢地把薄膜的微量厚薄點呈左、右螺旋線均勻地分布在膜卷上的各個部位，使所生產的薄膜表面平整，薄膜卷的圓柱精度高、外觀質量良好，為薄膜的后加工工序（如印刷等）提供更高質量的薄膜材料。

立式旋轉牽引裝置具有剛性強度好，方便維護等特點，可以有效降低機器的整體高度，特別適于生產大寬幅薄膜。金明精機股份有限公司開發的輥寬達2 800 mm和3 200 mm的兩臺立式旋轉牽引裝置，分別在安徽及泰國客戶工廠投入使用。

4 多層共擠吹膜設備控制技術的科學發展

控制軟件和系統的落后嚴重阻礙了多層共擠吹膜設備綠色化的進程。控制軟件和系統的技術水平已成為設備技術水平的標志。國內塑料多層共擠吹膜設備制造企業絕大多數其控制系統都為成套外包，基本上沒有軟件開發能力。出口的多層共擠吹膜設備，控制系統的軟硬件基本上都是國外的。

多層共擠吹膜設備控制系統包括自動配料計量控制、實時溫度控制、擠出計量控制、風環風速控制、人字板和護板角度控制、穩泡器控制、牽引系統控制、薄膜線速度控制、自動收卷控制。

控制技術的發展方向是控制技術科學發展方向為智能化、網絡化與虛擬化。智能化控制，即控制系統具備對外界的感知、分析、預防、決策的自適應的“人腦”功能，通過數字化通訊網絡排除對整機的加工溫度、螺桿轉速、熔體壓力、熔體溫度、內外冷卻系統、穩泡系統、牽引系統、收卷系統等干擾因素，進行全方位的閉環控制，穩定地實現預定目標。

4.1 系統控制技術的科學發展[5]

數字化通訊網絡對整機的加工溫度、螺桿轉速、熔體壓力、熔體溫度、內外冷卻系統、電動穩泡裝置、人字板角度、薄膜旋轉牽引系統、薄膜線速度、光電糾偏裝置、收卷裝置等進行全方位的集中控制,具有自動報警和自診斷等功能。實施現場智能化的精確控制、監測以及遠程參數化，儲存制品加工工藝參數,提高了操作的精確度和方便性。

廣東金明精機機械有限公司聯手西安交大研發“高性能智能化多層共擠吹塑裝備”，項目將采用基于進化計算與模糊控制等智能算法，結合吹膜裝備控制的特點，實現系統位置、速度、溫度、壓力等物理量的閉環精確控制，通過并行化、實時化與最小資源化等處理，采用片上化等技術，將算法硬化到專用芯片上，最終獲得專用的、自主研發的、實現吹膜裝備工藝的系統芯片。基于SOC系統芯片的控制系統，是現階段塑機行業的核心技術之一，而目前這一技術還只掌握在少數發達國家手中。該產品研發成功后，將打破外國公司對高檔吹膜機的壟斷，改變行業“機強電弱”的局面，提升國產設備的利潤空間。廣東金明精機機械有限公司9層共擠阻隔薄膜設備的智能化控制系統，實現智能化的精確控制、監測以及遠程參數化，具有配料計量、溫度、螺桿轉速、風環風速、穩泡器、人字板和護膜板角度、牽引速度、薄膜線等成型的各環節的自動控制及收卷機的自動控制，顯示及監控溫度、電流、頻率、壓力、長度、張力、速度等各項參數，自動報警和自診斷功能，實現快速的實時響應和精確的薄膜厚度控制，厚度基本偏差降低50%，可節省約5%的原料。

智能功能的預測控制技術的應用及開發。預測控制（Model Algorithm Control-MAC）近年來發展起來的一類新型的計算機控制算法。預測控制由于它采用多步測試、滾動優化和反饋校正等控制策略，具有很強的抗干擾能力和魯棒性，是對傳統的PID控制的革命，也是實現工程塑料制品高精度化的革命。預測控制根據設定的成型加工的工藝曲線（速度、壓力、溫度、位移等成型工藝參數），預測環境的變化規律并自我調整，實現智能控制，其穩態精度和動態品質明顯優于傳統PID控制；可以有效地消除和減小由于機械的因素和外部擾動對于運動控制的不利影響，大幅度提高成型加工的重復精度；成型曲線的重現性，基本處于無能量損耗的成型加工，提高制品成品率及質量一致性。

感測技術的應用及研發。感測（sensing）技術是智能化控制系統的重要組成部分。如果沒有先進的感測技術，一切準確的測試與控制都將無法實現，即使最現代化的電子計算機，沒有準確的信息（或轉換可靠的數據），不失真的輸入，也將無法充分發揮其應有的作用。感測系統包括傳感器、變送器。傳感器對被測的原始信息進行準確可靠的捕獲和轉換。變送器把傳感器的直接輸出進行放大及電平搬移以得到所需的電壓輸出范圍，以供給二次儀表進行測量、指示和過程調節。

4.2 單層厚度控制技術的科學發展

單層厚度調整裝置。系統由檢測、執行及中央處理器等三部份組成。中央處理器根據單層厚度測量系統檢測層厚發出的信號，控制與層厚有關的技術參數，使層厚尺寸公差控制在要求范圍內。采用自動模頭系統可以自動檢測、調節、控制層的厚度，提高了單層厚度均勻度和質量，在保證薄膜品質不變的條件下減少了原料消耗，降低了生產成本，同時減輕了操作人員的勞動強度。

德國ScenEx CB共擠吹塑膜專用高精度層厚控制器，每個擠出機有一個WLS重力測定式生產量測定感應器，牽引上有卷筒速度感應器，通過局域網總線系統，MAC-CB電腦與感應器相聯，一個重力測試生產量控制系統與一個牽引控制器協同作業，確保與各個預定層厚的精確符合。在操作者輸入了目標產量（ 每米重量）之后，系統將以線速度為基礎計算出每個擠出機所需的生產量，并通過螺桿轉速來控制各層厚度。用戶可同調整每組擠出量和總重。為了進一步提高層厚控制精度，ScenEx CB可以與Octagon的寬度測量和控制器結合起來。只要操作者確定了目標值，系統將自動地控制每個膜層的平均厚度，公差范圍在1%內。生產變化可以迅速、輕松的實現，材料輸入也最小。

意大利Luigi Bandera公司吹膜生產線的厚度調整裝置配置的電容式傳感器采用無線數據傳送協議，可實現層度數據的快速讀取，從而省去了更換旋轉方向而消耗的時間，并使薄膜層更均勻。

美國美奎公司的28組分自動稱重喂料系統，通過失重計量方式將信號傳送到各個重力料斗，精密確定各組分的給料速率；根據薄膜制品的寬度和各層厚度、材料密度和牽引速度在線控制擠出螺桿的轉速。

4.3 膜泡厚度控制技術的科學發展

膜泡厚度控制系統，由測厚探頭檢測到薄膜厚薄信號傳送到計算機，計算機把厚薄信號與當前設定平均厚度進行對比，根據厚薄偏差量以及曲線變化趨勢進行運算，控制冷卻介質溫度，調整各點冷卻速度，使薄膜厚度偏差控制在目標的范圍。

金明精機股份有限公司開發出了國產首臺可自動調節薄膜厚度的吹膜機頭。機頭口模直徑Φ250 mm，周圍均布56個加熱元件（加熱元件數量視口模直徑和控制點精度要求增減），通過電加熱方式調整控制風環出風口溫度，與薄膜在線測厚儀和控制單元共同組成了一套薄膜厚度在線檢測、調節的閉環系統，提高薄膜的厚度均勻度30%～40%。

美國David Standard公司的風環自動控制系統，在風環的圓周方向上有48個控制點，在線測量薄膜的厚度，并同時將數據反饋給控制系統，根據薄膜厚度沿圓周變化的情況，自動調節冷卻風量，實現薄膜厚度的調節和控制。

薄膜厚度變化是高度非線性、強耦合、時變性和控制不確定性系統，與伺服（變頻）電機控制量之間的精確數學模型幾乎無法建立。常規的PID控制，其抗干擾和抗參數攝動的魯棒性不夠理想，難以得到滿意的調速和定位性能，對于高度非線性，不確定性，復雜反饋信息控制效果很差甚至無能為力。針對系統給定與反饋之間的誤差，開發提高系統動態響應速度和控制精度的各種專業控制算法的應用。將現代可拓、變結構等非線性控制方法引入電機磁場定向控制算法，以消除磁阻電機參數的非線性影響，且對電機與控制器進行一體優化設計，實現永磁—磁阻伺服電機輸出力矩的精確控制，使系統快速響應并且超調小；開發給定非線性信號校正算法，有效解決設備的低速控制特性問題。

4.4 張力控制技術的科學發展

如果張力過大，會使塑料薄膜被拉斷，張力過小，則會出現跑膜現象，即使不會出現上面的情況，如果張力頻繁波動變化的話，也會導致塑料薄膜厚度不均，影響制品質量，塑料薄膜卷材在一定的張力控制下被輸送到機器，而且在一定的張力控制下被卷取。張力控制是提高薄膜卷材質量的關鍵技術。傳感器直接測定卷料的張力，根據實測張力及設定的目標張力的變化經PID運算后自動改變離合器或制動器的激磁電流，從而獲得恒定的張力。交流伺服電機動力驅動，提高了設備的速度調節性能，而且節能效果顯著。

瑞士CMGZ600數字式張力控制器。CMGZ600張力控制器將眾多的功能集成在一個緊湊的外殼內，支持三種張力控制模式——“收卷控制”、“放卷控制”、“中間段控制”。單臺張力控制器最多提供兩個獨立的PID控制回路，可控制兩個獨立的張力測量點。CMGZ600用戶界面友好，張力給定值、儀表的參數均可通過菜單方式進行設置，也可通過計算機通訊口和總線來設置。控制器內置設置，也可通過計算機通訊口和總線來設置。控制器內置“斜坡啟動”等功能，加之其他張力控制功能，使得CMGZ600張力控制器功能強大，使用簡單。CMGZ600數字式張力控制器的信號處理速度達到2 ms，非常適合對動態響應性要求較高的張力控制應用。如果采用“速度疊加”功能則可進一步提高控制器的動態響應速度。此外，CMGZ600控制器還內置“導航控制”功能，控制器可以根據材料實際卷徑大小而動態調整內部PID控制參數，優化張力控制性能。單通道或雙通道可選，最多提供兩個獨立張力閉環控制。可選擇“收卷”、“放卷”、“中間段”控制模式； 可選配總線通訊接口，方便遠程連接和系統集成； 內置其他特殊張力控制功能，功能強大，操作簡單。

4.5 控制模塊化技術的科學發展

德國W&H公司多層共擠薄膜控制系統采用模塊式結構，實現了快速更換、易于維修、降低維護成本的綠色化要求。Easy Change模塊用于自動程序轉換，Easy Wind模塊用于對收卷工藝進行目標校準而實現最優薄膜收卷，Profile Booster模塊用于在產品切換后加速形成新的產品斷面，Energy Monitoring模塊用于判斷并形成關于所有相關組件的獨立能耗的圖像。

4.6 風環自動控制技術的科學發展

風環自動控制是一種在線實時控制系統，目的是穩定膜泡直徑，也是薄膜厚度自動控制系統的重要組成部分。不用自動風環，國外的設備的薄膜厚薄均勻性也只能作到誤差7%左右,加了自動風環后，薄膜厚薄均勻性可以做到誤差4%以內。

美 國 David Standard公 司的風環Smart RingWesJet自動風環，全自動風量控制調節系統，在圓周方向上有48個控制點，在線測量薄膜的厚度，并同時將數據反饋給控制系統，根據薄膜厚度沿圓周變化的情況，進而調節冷卻風量，最后實現薄膜厚度的調節和控制。加拿大Future Design公司Saturn Genie系列風環能夠記錄吹塑薄膜生產線運行最佳時的有關數據，并將數據儲存下來，在提高生產線的速度時取出儲存的數據，使生產線達到生產—質量工藝狀態。該風環配備了5臺線性電機，分別調節下唇、泡錐、上唇、泡錐風口和升降器（將風環升至機頭上）。這種風環設計用于頻繁更換產品的吹塑薄膜生產線，可以減少產品更換產生的廢料。

加拿大Future Design 公司Saturn Genie系列風環自動控制系統，能夠記錄吹塑薄膜生產線運行最佳時的有關數據，并將數據儲存下來，在提高生產線的速度時取出儲存的數據，使生產線達到生產—質量最優工藝狀態。該風環配備了5臺線性伺服電機，分別調節下唇、泡錐、上唇、泡錐風口和升降器（將風環升至機頭上）。

4.7 機頭自動控制技術的科學發展

金明公司研發出國內首套自動調節薄膜厚度的多層共擠吹膜自動機頭，機頭口模直徑Φ250 mm，周圍均布56個加熱元件（加熱元件數量視口模直徑和控制點精度要求增減），通過電加熱方式調整控制口模內管坯料流的溫度，與薄膜在線測厚儀和控制單元共同組成了一套薄膜厚度在線檢測、調節的閉環系統，自動檢測、調節、控制吹塑薄膜的厚度，提高了薄膜厚度均勻度和質量，在保證薄膜品質不變的條件下減少了企業的原料消耗，降低了生產成本，同時減輕了操作人員的勞動強度。

4.8 IBC控制技術的科學發展

IBC（內冷）系統具有提高產量、透明度、穩定膜泡直徑、力學性能以及凈化膜泡內氣體的綠色化作用。IBC（內冷）控制系統主要由內冷微電腦控制器、風機、自動溫控的空氣冷卻器、超聲波傳感器、氣流控制閥以及自動調節穩泡器等組成。多組超聲波傳感器對膜泡的徑向直徑進行監控和檢測，IBC控制器根據超聲波傳感器的傳感信號進行處理，確定膜泡內冷的空氣交換量，處理器發出信號給執行機構，精確地控制膜泡進、排風機的風量，使膜泡內部容氣量達到穩定狀態，從而在冷卻膜泡的同時又能穩定膜泡的外徑。風機系統的動態反映性能是實現快速達到生產所需的膜泡外徑及穩定膜泡外徑的主要技術參數，高性能氣體比例控制閥、伺服交流電機驅動風機系統等現代技術的應用，提高了穩定膜泡直徑的動態性能。新一代IBC控制系統[6]，帶有溫度補償的超聲波傳感器，得到更精確的控制原始信號；對膜泡突然出現孔洞等引起的過度膨脹或收縮，能及時恢復到正常狀態；高精度的氣流控制閥，改善了因膜泡不穩引起的膜皺問題和厚薄均勻度問題，提高了因折徑變化引起的收卷端面不齊的問題；采用雙冷卻進風系統，大大提高了冷卻效率，機臺產量大幅提高；采用了頂部冷卻，可以有效防止薄膜分片困難。

德國W&H公司Varex II內冷系統，集成電子、中央供氣和創新的高度調整，在冷卻環內部和膜泡上進行的創新空氣導向，提高了冷卻率、降低了壓力損耗，從而進一步提升了產能。冷卻環外罩以復合材料制造，具有優良的隔熱性，因此即便在低冷卻空氣溫度下，也可避免冷卻環外殼的冷凝，從而進一步拓寬了產量的提升空間。

4.9 現場總線控制技術的科學發展

數控系統大量模擬量交換，常規的分散控制系統中，往往出現相互干擾，運行不穩定，需要在現場采取大量的屏蔽手段，以實現運行的穩定性，但由于使用環境的變化，屏蔽措施達不到十分可靠。現場總線控制系統將工業現場具有通信特點的智能化儀器儀表、PLC控制器、執行機構等現場設備和通信設備連接成網絡系統，通過網絡實現現場設備之間由模擬量交換變為可靠的數據交換。整個過程都由1臺計算機完成，控制器與控制器、控制器與上位機（操作員站或工程師站）之間建立了計算機控制網絡，使得操作員在上位機中能夠對被控系統的實時運行狀態進行監控，某個控制回路的控制策略的設計也可以在上位機中組態完成，通過控制網絡下載到對應的控制器中實時運行，大大提高了控制系統的可靠性，并實現了集中管理和分散控制。

4.10 網絡化控制技術的科學發展[7]

網絡化技術設計是數字控制系統設計的發展方向。網絡化控制是控制技術、計算機技術和通信技術相結合的產物。隨著計算機技術和網絡通信技術的不斷發展，工業控制系統也發生了巨大的技術變革，網絡化控制（Networked Control System，NCS）是在控制系統中引入了計算機網絡，從而使得眾多的傳感器、執行器、控制器等主要功能部件能夠通過網絡相連接，相關的信號和數據通過通信網絡進行傳輸和交換，避免了點對點專線的鋪設，而且可以實現資源共享、遠程操作和控制，增加了系統的靈活性和可靠性。網絡化集成控制技術把現場總線、工業以太網、工業無線網、企業局域網、互聯網同現代控制設備（包括工業PC、可編程序控制器PLC、人機界面HMI、輸入輸出模塊、交換機、網關、通信接口、伺服控制電機等）結合，形成基于通信與控制緊密融合、多種網絡協議合理組合、有線與無線相互銜接、管理與控制一體化的控制系統。

網絡能耗控制。德國倍福自動化有限公司的EtherCAT實時工業以太網技術，通過非常經濟有效的標準以太網卡（NIC）進行管理；EL3403測量模塊具備完整的電網分析和能源管理功能，通過測量電網中所有相關的電氣數據及計算每相的有功功率和能量消耗、視在功率S、無功功率Q、頻率F等數據，對生產過程能耗進行優化，降低能耗，從而降低了生產成本，也使得整個生產過程更為環保。

網絡服務系統。網絡服務系統為用戶提供快速全方位的網絡服務，是提高設備利用率的重要組成部分。基于3G通訊技術，集數據收發、海量存儲、智能傳感、智能分析、智能控制、多媒體通訊等功能于一體，實現運行生產全過程的智能化監管，為設備終端用戶與機械制造商之間提供方便、快捷、直接的溝通橋梁，以及信息化、智能化、網絡化。促進了企業由傳統的經營模式到信息化、網絡化的轉變，優化了企業管理，降低了運作成本。實現維修遠程化，不但減少了維修投入，更可簡化故障檢查流程、方便故障研究、實現故障快速排除。美國MOOG公司且具有遠程診斷功能的模塊化的多軸伺服整機控制器TMC-4，基于PC的人機界面以及兼容IEC61131-3的開發環境，不但實現更高的閉環控制精度，而且客戶可根據自己設備的特點及要求編寫程序。

5 結語

綠色化是可持續發展的永恒課題。多層共擠吹膜設備綠色化技術的內涵與外延在不斷地動態變化和發展。特別是由于人們對環境的價值觀不斷進步，而以之為價值基礎的綠色技術也隨之而變。EuP指令生效后， CE認證必然會引入綠色化生態環境的相關內容。積極主動地科學發展多層共擠吹膜設備的綠色化技術，實現設備向更高層次、更大范圍的綠色化的深度和廣度發展。

創新是綠色化可持續發展科的永恒理念。開拓和創新控制技術是國內多層共擠吹膜設備綠色化科學發展的核心。多層共擠吹膜設備的綠色化技術，控制技術是持續發展綠色化的核心。國內在控制技術方面，無論是硬件，還是軟件，顯著落后于國際同行，所以在綠色化發展進程中，沒有話語權。

習近平總書記在中國科學院第十七次院士大會、中國工程院第十二次院士大會開幕會上發表重要講話強調：廣大科技工作者要敢于擔當、勇于超越、找準方向、扭住不放，牢固樹立敢為天下先的志向和信心，敢于走別人沒有走過的路，在攻堅克難中追求卓越，勇于創造引領世界潮流的科技成果。沿著習近平總書記指出的“創新、創新、再創新”的方向發展，一定能創新出多層共擠吹膜機綠色化的“強國夢”。

[1] 關文強，蔣中成.五層共擠PE吹膜技術[J].PT現代塑料，2012，10：22～24

[2] 王和國. 電磁感應加熱器在吹膜機組上的應用[J].上海節能，2011，5：43～45.

[3] 張友根. Cinaplas?2011塑料成型加工綠色技術淺析[J].橡塑技術與裝備，2011，37(12)：25～32

[4] 姜傳庚. 多層共擠吹膜生產設備技術特點[J]. 今日科苑, 2007，12：67.

[5] 李振軍.第二十八屆中國國際橡塑展縱橫[J].塑料機械，2014, 3:1～13.

[6] 高正洪，黃強.共擠膜機組中新一代內冷控制技術[J]. 橡塑技術與裝備，2010,36(2)：39～40.

[7] 孫麗娟. 我國機械制造的智能化技術發展及趨勢[J]. 中國科技縱橫，2012，15：71.

(XS-05)

TQ320.66

：1009-797X(2015)04-0007-13

BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.04.002

張友根，男，教授級高級工程師，終生享受國務院政府特殊津貼，現主要從事塑料機械的科學發展工作。

2014-09-04