超临界CO2发泡塑料挤出机组微机在线自动测控系统研制.docx

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超临界CO2发泡塑料挤出机组微机在线自动测控系统研制

摘要

通过了解超临界CO2发泡塑料的发泡原理与单、双螺杆挤出机的工作原理，从而确定影响挤出机生产发泡塑料制品质量的三个工艺参数（超临界CO2的流量、机筒内的温度和压力）。

为了实现在线自动测控，而了解并学习组态王软件，利用其所具有的功能完成模拟生产发泡塑料的工艺过程并实现相关参数变量数值变化的记录与曲线描绘。

本文介绍了超临界CO2发泡塑料的发泡原理与单、双螺杆挤出机的工作原理，在确定参数的同时也确定了所需测量元件，并利用图文并行的方式，记录了模拟生产发泡塑料的过程及参数变量的数值变化与曲线描绘。

事实证明，系统图形界面友好、数据采集准确可靠、操作方便、安全稳定。

关键词：

超临界CO2发泡塑料挤出机组态王在线测控

ABSTRACT

ByunderstandingtheprincipleoffoamingofSupercriticalCO2foamplasticandtheprincipleofoneortwin-screwextruderworking,thenIcameupwiththeimpactoftheextruderfoamplasticproducts,thequalityofthethreeprocessparameters（theflowofsupercriticalCO2,temperatureandpressureofthemachinebarrelmelt）.Inordertotakeanonlineautomaticmonitoringandcontroling,byunderstandingandlearningkingview,becauseofit'sfunctions,wehavecompletedtheprocesstosimulatetheproductionoffoamedplasticandtheparametervariablevaluechangesrecordedandcurvetracing.ThisarticledescribestheprincipleoffoamingSupercriticalCO2foamplasticandtheprincipleofsingleortwin-screwextruderworking,todefinetheparametersatthesametimealsodefinetherequiredmeasuringelementandgraphicsparalleltorecordanalogtheproductionoffoamplasticsprocessandthevalueoftheparametervariableschangeandcurvetracing.Itisfoundthatgraphicalandinterfaceofthesystemarefriendly,thedatacollectedisaccurateandreliable,easytooperate,safeandstable.

Keywords:

supercriticalCO2foamplasticextruderkingviewonlinemeasurementandcontrol

目录

摘要I

ABSTRACTII

第一章绪论1

1.1超临界CO2发泡塑料概况1

1.2本次的设计任务、设计思想、设计特点1

1.3本挤出系统的简单工艺流程和系统中各个装置的作用3

第二章超临界CO2发泡塑料挤出机微机在线系统设计4

2.1超临界CO2流体萃取4

2.1.1超临界流体技术简介4

2.1.2超临界流体萃取过程的主要设备7

2.1.3超临界CO2流体萃取工艺流程及装置8

2.2挤出机的选择及应用10

2.3测试系统设计12

2.3.1工艺参数的确定12

2.3.2测试元件的选择14

2.3.3微机在线测试系统方案15

第三章硬件系统配置16

3.1系统硬件部分器件的选择16

3.2数据采集系统16

3.2.1A/D转换器的选择原则：

17

3.2.2数据采集系统硬件设计的基本原则18

3.3现场总线19

第四章软件测试系统的在线测控设计21

4.1组态王软件的介绍：

21

4.1.1组态王概述21

4.1.2工程管理器21

4.1.3画面开发和运行22

4.2组态王监测系统简介23

4.2.1工程浏览及创建23

4.2.2主界面的设计25

4.2.3实时趋势曲线与历史趋势曲线27

4.2.4实时报表与历史报表29

结束语31

致谢32

参考文献33

科技外文翻译34

第一章绪论

1.1超临界CO2发泡塑料概况

微孔塑料一般是指泡孔直径为0.1～10μm、泡孔密度为109～1015个/cm3、材料密度相比发泡前可减少5%～95%的新型泡沫塑料。

其最先由美国麻省理工院的NPSuh教授领导的研究小组于20世纪80年代初研制成功,随后由美国Trexel公司于20世纪90年代实现市场化。

经过近30年的发展,现已开发出以聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚碳酸酯（PC）、聚己酸内酯（PCL）、聚全氟乙丙烯（FEP）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚乙烯醇缩丁醛（PVB）等树脂为基体的微孔塑料。

生产超临界CO2发泡塑料所用原料主要为：

超临界CO2和聚丙烯树脂。

聚丙烯树脂发泡材料更是以其独特而优越的性能成为泡沫塑料行业中的热点。

通常的聚苯乙烯泡沫最高使用温度约80℃,聚乙烯泡沫使用温度也很少超过100℃。

聚丙烯树脂发泡塑料制品具有良好的热稳定性（最高使用温度达130℃）和高温下制品尺寸良好稳定性,较高的韧性、拉伸强度和冲击强度,适宜和柔顺的表面,优异的微波适应性以及可降解性。

但是聚丙烯是一种结晶聚合物,其发泡只能在其结晶熔点附近进行,超过熔点,熔体粘度迅速下降,且普通聚丙烯树脂的熔体粘度很低,因此发泡成型非常困难。

1.2本次的设计任务、设计思想、设计特点

设计任务：

实时监控超临界CO2发泡塑料挤出机生产时机筒内的温度、机筒的压力和CO2输入的流量。

设计思想：

利用组态王软件系统，实时监控并记录温度传感器输入的温度、压力传感器输入的压力以及空气流量传感器输入的流量。

设计特点：

组态王软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。

而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。

它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

流程图：

倒料站—储料罐—主称—副称—热混—冷混—干料仓—主机料斗—剂出机—机头—定径套—喷淋箱—喷码机—牵引机—行星锯—加热炉—胀口机—翻管机—检测—入库。

简单工艺流程：

通过混料系统将所需各种原料经热混、冷混等步骤均匀混合后，吹入干料仓中待用。

罗茨风机将料吸入主机下料斗，通过各种不同的加料方式，如KMD-60螺杆采用计量加料，KMD-114采用重力加料等送入挤出机，物料在挤出机中通过螺杆的剪切和外热的作用，平均塑化后进入挤出机机头，物料在机头中被赋予一定的形状，并进一步塑化后离开挤出机。

系统中各个装置的作用：

塑料挤出机的主机是挤塑机，它由挤压系统、传动系统和加热冷却系统组成。

挤压系统:

挤压系统包括螺杆、机筒、料斗、机头、和模具，塑料通过挤压系统而塑化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立压力下，被螺杆连续的挤出机头。

螺杆：

是挤塑机的最主要部件，它直接关系到挤塑机的应用范围和生产率，由高强度耐腐蚀的合金钢制成。

机筒：

是一金属圆筒，一般用耐热、耐压强度较高、坚固耐磨、耐腐蚀的合金钢或内衬合金钢的复合钢管制成。

机筒与螺杆配合，实现对塑料的粉碎、软化、熔融、塑化、排气和压实，并向成型系统连续均匀输送胶料。

一般机筒的长度为其直径的15～30倍，以使塑料得到充分加热和充分塑化为原则。

料斗：

料斗底部装有截断装置，以便调整和切断料流，料斗的侧面装有视孔和标定计

量装置。

机头和模具：

机头由合金钢内套和碳素钢外套构成，机头内装有成型模具，机头的作用是将旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动，均匀平稳的导入模套中，并赋予塑料以必要的成型压力。

塑料在机筒里塑化压实，经过多孔滤板沿固定的流道通过机头脖颈流进机头的成型模具，模芯模套适当配合，形成了截面不断减小的环形的空隙，使塑料熔体在芯线周围形成了连续密实的管状的包覆层。

为了保证机头里塑料流道合理，消除积存的塑料死角，往往安置有分流套筒，为了消除塑料挤出时的压力波动，也有设置均压环。

机头上还装有模具校正与调整的装置，便于调整与校正模芯与模套的同心度。

挤塑机按照机头的料流方向与螺杆中心线夹角，将机头分成了斜角机头（夹角120度）和直角机头。

机头外壳是用螺栓固定在了机身上，机头内的模具有模芯座，并用螺帽固定在了机头进线端口，模芯座前面装有模芯，模芯和模芯座中心有孔，用于通过芯线，在机头的前部装有均压环，用以均衡压力，挤包的成型部分由模套座与模套组成，模套位置可由螺栓通过支撑来调节，用于调整模套对模芯的相对位置，以便调节挤包层的厚度的均匀性。

机头的外部装有加热装置与测温装置。

传动系统

传动系统的作用是驱动螺杆，供给螺杆在挤出过程中所需要的力矩和转速，通常由电动机、减速器和轴承等组成。

而在结构基本相同的前提下，减速机的制造成本大致与其外形尺寸及重量成正比。

因为减速机的外形和重量大，意味着制造时消耗的材料多，另所使用的轴承也比较大，使制造成本增加。

同样螺杆直径的挤出机，高速高效的挤出机比常规的挤出机所消耗的能量多，电机功率加大一倍，减速机的机座号相应加大是必须的。

但高的螺杆速度，意味着低的减速比。

同样大小的减速机，低减速比的与大减速比的相比，齿轮模数增大，减速机承受负荷的能力也增大。

因此减速机的体积重量的增大，不是与电机功率的增大成线性比例的。

如果用挤出量做分母，除以减速机重量，高速高效的挤出机得数小，普通挤出机得数大。

以单位产量计，高速高效挤出机的电机功率小及减速机重量小，意味着高速高效挤出机的单位产量机器制造成本比普通挤出机低。

加热冷却装置

加热与冷却是塑料挤出过程能够进行的必要条件。

现在挤塑机通常用的是电加热，分为电阻加热和感应加热，加热片装于机身、机脖、机头各部分。

加热装置由外部加热筒内的塑料，使之升温，以达到工艺操作所需要的温度。

冷却装置是为了保证塑料处于工艺要求的温度范围而设置的。

具体说是为了排除螺杆旋转的剪切摩擦产生的多余热量，以避免温度过高使塑料分解、焦烧或定型困难。

机筒冷却分为水冷与风冷两种，一般中小型挤塑机采用风冷比较合适，大型则多采用水冷或两种形式结合冷却；螺杆冷却主要采用中心水冷，目的是增加物料固体输送率，稳定出胶量，同时提高产品质量；但在料斗处的冷却，一是为了加强对固体物料的输送作用，防止因升温使塑料粒发粘堵塞料口，二是保证传动部分正常工作。

1.3本挤出系统的简单工艺流程和系统中各个装置的作用

工艺流程图：

主称—副称—热混—冷混—干料仓—主机料斗—剂出机—机头—定径套—喷淋箱—喷码机—牵引机—行星锯—加热炉—胀口机—翻管机—检测—入库

简单工艺流程：

通过混料系统将管材所需各种原料经热混、冷混等步骤均匀混合后，吹入干料仓中待用。

罗茨风机将料吸入主机下料斗，通过各种不同的加料方式，如KMD-60螺杆采用计量加料，KMD-114采用重力加料等送入挤出机，物料在挤出机中通过螺杆的剪切和外热的作用，平均塑化后进入挤出机机头，物料在机头中被赋予一定的形状，并进一步塑化后离开挤出机。

第二章超临界CO2发泡塑料挤出机微机在线系统设计

采用超临界流体作为发泡剂制备微孔塑料制品出现于上世纪90年代，其制备机理主要为超临界流体快速降压法，又被称为“solventfree”法，如果将超临界二氧化碳聚合物饱与溶液形成的均相聚合物/发泡剂的体系，在某个温度下恒温，迅速地降压，由于快速地改变压降使CO2在聚合物中的溶解度突然降低，聚合物溶液过于饱和，造成体系热力学的不稳定，从而发生了相的分离，在聚合物内形成大量细小的晶核，这些晶核持续生长，气泡达到了稳定以后，最终得到具有微泡结构的聚合物材料。

在微孔聚合物制备中，采用了超临界技术，具有以下的优点：

⑴在相同的温度下，使用超临界二氧化碳可以达到更高的平衡浓度，故可得到更高的泡孔密度与更小的泡孔直径。

根据经典成核的理论，平衡浓度增大与饱和压力提高，可以使成核速度显著增加，从而使得泡孔密度增高，泡孔的直径减小；⑵传质系数高，可以在较短的时间内，达到平衡浓度，从而缩短了加工时间，使得微孔聚合物制备工业化成为可能。

2.1超临界CO2流体萃取

2.1.1超临界流体技术简介

图2-1纯流体的典型压力-温度关系图

当流体的温度与压力处于它的临界温度与临界压力以上的时候，称该流体处在超临界状态。

图2-1所示就是纯流体的典型压力-温度的关系，图中线AT表示了气-固平衡的升华曲线，线BT表示了液-固平衡的熔融曲线，线CT表示了气-液平衡的饱与液体的蒸汽压曲线，T点就是气-液-固三相共存的三相点。

根据相律，当纯物质以气-液-固三相共存的时候，确定了系统的状态自由度是零，也就是各个纯物质都有自己的确定三相点。

把纯物质沿着气-液饱着线升高温，当达到了图中的C点的时候，气-液分界面就会消失，体系的性质就会变为均一，不再是气体与液体，因此C点称为了临界点。

与该点相对应的是温度与压力，分别称为临界温度与临界压力。

图中高于临界温度与临界压力的区域就是属于超临界流体状态。

此时，向这个状态气体稍微加压，气体就不会液化，只不过超临界流体密度会显著地增大，几乎可以与液体相比拟。

具有类似液体的性质，与此同时还能够保留气体的性能，但是表现出若干特殊的性质。

气体、液体与超临界流体的性质见表2-1。

表2-1气体、液体和超临界流体的性质

从表2-1中的数据就可以看出，超临界流体的密度比气体的密度要大几百倍，具体数值与液体相差不多；其黏度仍然是接近气体，但是与液体相比，要小了两个数量级；扩散系数介于气体与液体之间，大约是气体的1/100，比液体的要大几百倍。

故，超临界流体不仅仅具有液体对溶质有比较大的溶解度的特点，还具有气体易于扩散与运动的特性，其传质速率大大高于液相过程，也就是说超临界流体兼具气体和液体的性质。

更重要是，在临界点左右，压力与温度的微小变化都可以引起流体密度较大的变化，并对应地表现为溶解度的变化，由此可利用压力、温度的变化来实现萃取与分离的过程。

由于超临界流体具有以上优越性，故超临界流体的萃取效率应当液-液萃取。

超临界流体萃取与液-液萃取的比较见表2-2。

表2-2超临界流体萃取与液-液萃取的比较

由表2-3中数据知，多数烃类临界压力在4MPa附近，同系物的临界温度随着摩尔质量增大而提高。

在表2-3中所列各种物质中以CO2最受注意，是超临界流体技术中极为常用的溶剂。

CO2的临界温度为31.06℃，可以在室温附近实现超临界流体的技术操作，以节省能耗；临界的温度不算高，对设备要去相对较低；超临界CO2流体密度较大，对大多数的溶质具有较强的溶解能力，传质的速率较高，而水在二氧化碳相中溶解度却很小，这性质有利于用近临界或者超临界二氧化碳来萃取分离有机水溶液；CO2还具有不可燃、便宜易得、化学安定性好以及易从萃取产物中分离出来等一系列的优点。

另外，轻质烷烃与水用作超临界溶剂也各具特色。

表2-3一些常用作萃取溶剂流体的临界性质

2.1.2超临界流体萃取过程的主要设备

超临界CO2流体萃取装置研究现状

超临界CO2液体萃取技术在我国经过近二十年的研究和发展，已经具有了我国学术界与各研究机构独自的特点，从数学建模到萃取应用技术工艺流程的优化，使我国超临界流体萃取技术有了相当规模的发展。

近20多年来国内的各高科技企业研究了小规模、中试等具有一定自动化程度的超临界流体萃取装置。

但是，目前我国的超临界萃取装置的发展状况还远远赶不上国际领先水平，特别是大规模、工业化生产所需的超临界流体萃取装置的研制。

国内的大部分研究集中在超临界试验装置和中试装置上，针对如何解决超临界流体相平衡的理论与萃取装置相关的压力平衡、流体运动的控制、物料装填连续萃取等相关的问题而研发出适合工业化规模生产的超临界萃取装置显得尤为重要。

同时，为保证超临界流体技术的工艺手段，设备是关键的一个环节，如何保证萃取装置的先进性、可靠性，其工艺过程的控制精度是各研究机构与应用人员及使用单位关注的焦点。

目前从国外引进的萃取装置与国内一些一流的装置均采用工业计算机监控系统，利用变频技术与各种变送器、压力调节阀和带有RS232、RS485接口的智能仪表，通过计算机绘制的动画流程图，编程软件对压力、流量、温度进行监控，以此保证萃取装置的可靠性与数据的精确性。

为了使我国的研究试验装置与工业化装置缩小与国外装置的差距，发展我国在这一领域的工业技术，中国航天科工集团乌江机电设备公司近年来在国家经贸委、贵州省经贸委、贵州省科技厅的扶持下，以中科院地球化学研究所、山西煤炭化学研究所为技术支持，消化吸收国内外先进技术经验，根据国内需求在超临界CO2萃取装置研制方面设计出具有快开装置的工业化装置，并采用目前国际最先进的PLC（可编程序控制器）工业计算机控制技术，在试验装置与工业化装置中研究应用，取得了一定的技术经验，为发展我国自己的高新技术工业化萃取装置走出了一条道路。

超临界萃取装置从功能上大体可分为八部分:

萃取剂供应系统，低温系统、高压系统、分离系统、萃取系统、改性剂供应系统、计算机控制系统和循环系统。

具体包括CO2注入泵、萃取器、压缩机、分离器、二氧化碳储罐、冷水机等等设备。

由于萃取的过程在高压下进行，所以对设备和整个管路系统的耐压的性能要求较高，生产的过程实现微机自动监控，可大大提高系统安全可靠性，并且降低运行成本。

2.1.3超临界CO2流体萃取工艺流程及装置

超临界流体萃取的主要工艺流程

超临界CO2体萃取基本流程包括萃取与分离两个阶段。

萃取阶段是指溶质由药材转移到二氧化碳流体中的过程。

当压力、温度调节到超过二氧化碳临界状态以上的时候，其对药材中某些特定的溶质具有足够高的溶解度而发生溶解；分离阶段是指溶质与二氧化碳分以及不同溶质间的分离。

溶解有溶质的CO2流体进行节流减压，然后在热交换器里面通过调节温度变为气体，对溶质溶解度降低，使溶质析出。

当析出的溶质与气体一同进入分离釜后，溶质和气体分离而沉降到分离釜底部，气体进入冷凝器里面冷凝液化，然后经高压泵升压（使其压力超过临界压力），在流过换热器时被加热（使其温度超过临界度），重新达到了超临界状态，进入萃取釜中再一次进行提取。

萃取工艺流程示意如1。

图2-2萃取工艺流程图

根据文献归纳超临界流体萃取工艺主要可以分为3种基本工艺方法———等温法、等压法与吸附法，

如图2所示。

图2-3等温法、等压法和吸附法示意图

等温法萃取过程的特点就是萃取釜和分离釜等温，萃取釜的压力高于分离釜的压力。

利用高压下CO2对溶质的溶解度远远高于低压的溶解度这个特性，将萃取釜中二氧化碳选择性溶解的目标组份在分离釜中析出并成为产品。

降压的过程采用减压阀，降压后CO2流体通过制冷称为液态，压缩机或者高压泵将其打回到了萃取釜中循环利用。

等压法萃取过程的特点就是萃取釜和分离釜处于相同压力，利用二者的温度不同时二氧化碳流体对物质溶解度差别来达到分离的目的。

吸附法一般都是在超临界萃取中很少应用，它在萃取釜压力和分离釜压力相同、萃取釜与分离釜等温状态下，利用分离釜中填充进去特定的吸附剂将CO2流体中分离目标组份选择性地吸附除去，然后定期再生吸附剂就可以达到了分离目的。

在超临界萃取中一般采用等温法，因为温度变化对二氧化碳流体的溶解度影响远远小于压力变化的影响。

而通过改变温度等压法工艺过程，虽然可以节省压缩能耗，但实际分离性能受到很多的限制，使用价值较低。

故通常超临界二氧化碳萃取过程往往采用改变压力的等温法。

超临界CO2流体萃取工艺参数主要包括：

萃取压力、萃取温度、二氧化碳流量、萃取时间、药材粉碎度、夹带剂种类及用量等。

萃取工艺是以充分利用二氧化碳流体溶解度的差别为主要的控制指标。

萃取釜的压力提高，有利于溶解度增加，但是压力过高将增加设备的投入与增加能耗，从经济指标考虑，工业化应用的萃取过程往往都选低于32MPa压力。

分离釜是产品分离与CO2流体循环的组成部分。

分离的压力越低，萃取与分离解析的溶解度差值越大，就越有利于分离过程的效率的提高。

这对普通的中、小型装置较为适用。

对于工业化装置来说，由于工业化装置的二氧化碳流体需冷却液化后循环利用，不能选用过低的压。

在大型装置中，分离压力一般都在5.5～6.0MPa，个别装置的分离压力在10MPa左右。

2.2挤出机的选择及应用

塑料挤出机的类型

塑料挤出机按其螺杆数量可以分为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多螺杆挤出机。

目前以单螺杆挤出机应用最为广泛，适宜于一般材料的挤出加工。

双螺杆挤出机由于具有由摩擦产生的热量较少、物料所受到的剪切比较均匀、螺杆的输送能力较大、挤出量比较稳定、物料在机筒内停留长，混合均匀。

单螺杆挤出机无论作为塑化造粒机械还是成型加工机械都占有重要地位，近几年业，单螺杆挤出机有了很大的发展。

双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的不同之处在于挤出机的机筒内有两根螺杆配合工作，工作时两根螺杆同速旋转，协作完成对树脂的强制向前推进和塑化工作，这种在机筒内有两根螺杆同时工作的挤出机，称双螺杆挤出机。

双螺杆挤出机喂料特性好，适用于粉料加工，且比单螺杆挤出机有更好的混炼、排气、反应和自洁功能，特点是加工热稳定性差的塑料和共混料时更显示出其优越性。

在双螺杆挤出机的基础上，为了更容易加工热稳定性差的共混料，现在又开发出多螺杆挤出机，如光华塑料挤出机等。

双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的区别：

1.双螺杆挤出机对树脂挤塑熔融过程中产生的摩擦热量少

2.树脂在双螺杆挤出机的机筒内塑化所受双螺杆啮合剪切作用稳定均匀，原料被混炼塑化的质量较好。

3.原料在机筒内熔融塑化时间较短（即原料在机筒内停留时间比在单螺杆机筒内停留的时间短），生产效率比单螺杆挤出机高。

4.可直接用粉料在双螺杆挤出机内挤出、混炼塑化树脂，产品质量也较稳定，节省了聚氯乙烯等树脂用单螺杆挤出机成型制品时要先混炼造粒的工序。

5.双螺杆啮齿旋转工作，机筒内残料可以自动清理。

表2-4单螺杆挤出机和双螺杆挤出机工作特点比较

通过以上分析可得，应选用双螺杆挤出机。

双螺杆挤出机的类型比较多，常用的分类方法是以挤出机的机筒内两根螺杆的旋转方向分，或按两根螺杆装配后的轴心线是否平行来分类。

（1）双螺杆挤出机按机筒内两根螺杆工作时的旋转方向分，可分为同向旋转双螺杆挤出机和异向旋转双螺杆挤出机。

（2）按双螺杆装配在机筒内两轴心线是否平行，可分为轴心线平行的啮合异向旋转双螺杆挤出机和轴心线相交的啮合异向旋转锥形双螺杆挤出机。

挤出机的选择条