DE3687887T2

DE3687887T2 - Apparat und verfahren zur fortlaufenden verarbeitung von material unter kontrollierter kraft.

Info

Publication number: DE3687887T2
Application number: DE8686309099T
Authority: DE
Inventors: Gary T Markhart; David Valenzky
Original assignee: Farrel Corp
Current assignee: Farrel Corp
Priority date: 1985-11-22
Filing date: 1986-11-20
Publication date: 1993-09-23
Anticipated expiration: 2006-11-21
Also published as: JP2559110B2; EP0225134A3; CA1262481A; AU6450286A; EP0225134B1; BR8606072A; US4707139A; JPS62125832A; EP0225134A2; MX164093B; DE3687887D1; AU578406B2

Description

Die Erfindung bezieht sich im wesentlichen auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum kontinuierlichen Verarbeiten von Material unter kontrollierbarer Kraft, wobei diese Verarbeitung in einem kontinuierlichen Mischer durchgeführt wird, der eine Ausbringvorrichtung mit sich bewegender Oberfläche aufweist.
Kontinuierliche Mischer zum Mischen von Kunststoffmaterialien, welche ein Mischergehäuse mit getrennten Einbring- und Ausbringöffnungen aufweisen, sowie eine Mischeinrichtung, sind bekannt. Im allgemeinen ist die Mischzeit des Materials in dem Mischgehäuse von dem Materialvolumen in dem Gehäuse abhängig, welches andererseits teilweise von der Geschwindigkeit abhängig ist, mit welchem das Material in dem Gehäuse durch die Ausbringöffnungen herausgefördert wird. Indem die Größe der Ausbringöffnungen variiert wird, kann der Druck, der erforderlich ist, um das Material durch die Ausbringöffnungen zu drücken, und der Druck, der in dem Gehäuse auf das zu mischende Material ausgeübt wird, kontrolliert werden.
In manchen Situationen ist der Widerstand, der durch die Ausbringöffnung ausgeübt wird, nicht zufriedenstellend, um den gewünschten Druck auf das Material auszuüben, und zwar aufgrund der Materialeigenschaften beim Mischen. Versuche, eine sanftere Wirkung durch die Verwendung von Wänden zu erhalten, die polierte oder geschmierte Oberflächen haben, sind jedoch nicht vollständig zufriedenstellend verlaufen.
Eine sanftere Wirkung ist erhältlich, wenn der Widerstand gegen die Strömung des Materials, welches von dem kontinuierlichen Mischer ausgebracht wird, durch eine Ausbringvorrichtung erzielt wird, welche eine bewegende Oberfläche aufweist, in welche eine oder mehrere Oberflächen in Kontakt mit dem Material stehen und sich in der Richtung der Materialströmung mit kontrollierbaren Geschwindigkeiten bewegen. Eine Bewegung mit einer Geschwindigkeit, die anfänglich geringer ist als die unbeeinflußte Geschwindigkeit, behindert die Strömung und bewirkt einen Rückdruck auf die Strömung. Wenn dann die Geschwindigkeit so eingestellt wird, daß die Zuführgeschwindigkeit in und aus dem Mischer im wesentlichen die gleiche ist, bleibt dieser Rückdruck bestehen und wird zurück auf das Material, das in dem Mischer gemischt wird, reflektiert, während es sich durch den Mischer bewegt. Die Einstellung der sich bewegenden Geschwindigkeit der Oberfläche oder Oberflächen stellt den internen Mischerdruck ein, um den Druck zu ergeben und aufrechtzuerhalten, der für die Tätigkeit des Mischens gewünscht ist. Die Geschwindigkeit kann so gewählt werden, daß sie automatisch in Reaktion auf die Temperatur der Mischung oder des ausgebrachten Materials verändert wird, wobei diese Temperatur eine Funktion des Druckes auf das gemischte Material ist.
Ein Schraubenextruder oder eine zahnradartige Pumpe kann verwendet werden, um eine solche sich bewegende Oberfläche zu ergeben, vorausgesetzt daß die Drehgeschwindigkeit der Extruderschraube oder der Pumpenzahnräder gesteuert werden kann, wobei die Verwendung eines kontinuierlichen Mischers mit einem Schraubenextruder und einer Zahnradpumpe durch das US-Patent 4 310 251 beschrieben werden.
Wenn die Tätigkeit eines kontinuierlichen Mischers mit einer Ausbringvorrichtung, wie einer Extruderschraube oder Pumpenzahnrädern, gesteuert wird, ist es wichtig, daß der Betrieb der ansaugbeschickten kontinuierlichen Mischvorrichtung mit der eng angeschlossenen Ausbringvorrichtung synchronisiert werden kann, um einen stabilen Betrieb zu erreichen, und es ist weiterhin wünschenswert, Vorkehrungen für das Anfahren und Herunterfahren dieser beiden Ausrüstungsteile zu treffen.
Im US-Patent 4 452 750 wird ein In-Line-Schmelz/Mischer- Zahnradpumpensystem für das Verarbeiten von synthetischen, thermoplastischen Materialien vorgesehen. Das System verwendet den Druck zwischen der Schmelz/Mischeinrichtung und der Zahnradpumpe als den zu steuernden Parameter, welcher, in proportionalem Verhältnis, die Geschwindigkeit der Zahnradpumpe, die Energie, welche dem Material zugeführt wird und die sich daraus ergebende Temperatur des Materials, welches durch die Schmelz/Mischeinrichtung geführt wird.
Ein derartiges Steuerverfahren hat sich aber nicht als praktikabel erwiesen, infolge der Schwierigkeit, Beziehungen zwischen dem Zahnradpumpeneinlaßdruck und dem Energieeingangsniveau des Mischers zu entwickeln. Tatsächlich kann das Verhältnis der Pumpgeschwindigkeit zu der Mischleistung, welches durch die US-A-4 452 750 gelehrt wird, unmöglich sein. Da die Zahnradpumpe eine volumetrische Verdrängungsvorrichtung ist, hat sie einen relativ konstanten Durchsatz pro Umdrehung. Es ist deshalb nicht möglich, eine Ausbringgeschwindigkeit von 900 lbs/h (408 kg/h) über einen Zahnradpumpen-Geschwindigkeitsbereich von 75 bis 93 Umdrehungen pro Minute zu erzielen. Entweder wird das Material am unteren Ende des Geschwindigkeitsbereiches in den Mischer zurückgedrückt oder die Zahnradpumpe läuft am oberen Ende des Geschwindigkeitsbereiches leer infolge fehlender Materialzuführung, was bedeutet, daß die Steuerung des Mischers nun teilweise zu einem Abriß in dem Raum zwischen dem Mischer und der Zahnradpumpe führt. Es hat weiterhin den Nachteil, daß der Druck, welcher am Mischerausgang herrscht, empirisch abgeleitet werden muß.
Es ist weiterhin aus der GB-A-1 104 827 bekannt, daß die Größe der Ausbringöffnung in einem Mischer in Reaktion auf den momentanen Wert der Leistungsaufnahme des Mischers variiert wird, um einen gewünschten Wert für die Konsistenz der granularen Feststoffe, welche mit Flüssigkeit oder thermoplastischen Bindern gemischt und durch die Auslaßöffnung des Mischers ausgebracht werden, aufrechtzuerhalten.
Eine Vorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zum kontinuierlichen Verarbeiten von thermoplastischem polymeren Material unter steuerbarer Leistung beinhaltet ein Rohr, das zumindest eine im wesentlichen zylindrische Materialarbeitskammer bildet, das eine Materialzuführöffnung aufweist, in der Nähe eines Endes und eine Materialausbringöffnung mit konstantem Querschnitt an dem anderen Ende, einen Mischrotor, der sich axial innerhalb dieser Kammer erstreckt, eine Einrichtung, um diesen Rotor zu drehen, wobei dieser Rotor sich im wesentlichen axial erstreckende Schaufelabschnitte aufweist, Einrichtungen an diesem Rotor zwischen dieser Einbringöffnung und diesen Schaufelabschnitten, um im wesentlichen kontinuierlich Material, welches dieser Kammer zugeführt wird, zu dieser Ausbringöffnung zu pressen, eine Ausbringkontrollvorrichtung, welche eine sich bewegende Oberfläche hat, um Material, welches in diese Ausbringkontrollvorrichtung durch einen Einlaß eintritt, der sie mit dieser Ausbringöffnung verbindet, zu fördern, und eine Einrichtung, um diese Ausbringkontrollvorrichtung mit einer variabel gesteuerten Geschwindigkeit zu steuern, um einen variablen Rückdruck auf das Material auszuüben, welches durch diese Ausbringöffnung geführt wird, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung aufweist, um eine Ausbringgeschwindigkeit von dieser Ausbringkontrollvorrichtung einzustellen und um die Geschwindigkeit, mit welcher sich diese bewegende Oberfläche dieser Ausbringkontrollvorrichtung in die Strömungsrichtung des Materials bewegt, zu steuern, um das Drehmoment, welches durch diese Einrichtung zum Drehen dieses Rotors erzeugt wird, auf einem vorgewählten Zielwert zu halten.
Ein Verfahren gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung zum kontinuierlichen Verarbeiten von thermoplastischem polymeren Material unter steuerbarer Leistung beinhaltet ein Rohr, das zumindest eine im wesentlichen zylindrische Materialarbeitskammer bildet, das eine Materialzuführöffnung aufweist, in der Nähe eines Endes und eine Materialausbringöffnung mit konstantem Querschnitt an dem anderen Ende, einen Mischrotor, der sich axial innerhalb dieser Kammer erstreckt, eine Einrichtung, um diesen Rotor zu drehen, wobei dieser Rotor sich im wesentlichen axial erstreckende Schaufelabschnitte aufweist, Einrichtungen an diesem Rotor zwischen dieser Einbringöffnung und diesen Schaufelabschnitten, um im wesentlichen kontinuierlich Material, welches dieser Kammer zugeführt wird, zu dieser Ausbringöffnung zu pressen, eine Ausbringkontrollvorrichtung, welche eine sich bewegende Oberfläche hat, um Material, welches in diese Ausbringkontrollvorrichtung durch einen Einlaß eintritt, der sie mit dieser Ausbringöffnung verbindet, zu fördern, und eine Einrichtung, um diese Ausbringkontrollvorrichtung mit einer variabel gesteuerten Geschwindigkeit zu steuern, um einen variablen Rückdruck auf das Material auszuüben, welches durch diese Ausbringöffnung geführt wird, ist gekennzeichnet durch den Schritt des Einstellens einer Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringkontrollvorrichtung durch Einstellen der Geschwindigkeit, mit welcher sich diese bewegende Oberfläche dieser Ausbringkontrollvorrichtung in Richtung des Materialflusses bewegt, um das Drehmoment, das durch diese Einrichtung zum Drehen dieses Rotors erzeugt wird, auf einem gewünschten Zielwert zu halten.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Erfindung die Geschwindigkeit der Ausbringkontrollvorrichtung zuverlässig steuern kann, und damit auch die Energie, die auf das Material wirkt und die sich daraus ergebende Temperatur des Materials, das durch die Vorrichtung geführt wird, einfach eingestellt werden kann, um unterschiedliche Drücke auf das zu mischende Material auszuüben, wobei ein einwandfreier Betrieb sowohl während des Hochfahrens, als auch während des Betriebes mit der gewünschten Kapazität, erzielt wird.
Diese Einrichtung zum Einstellen einer Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringsteuervorrichtung beinhaltet vorzugsweise: eine Einrichtung zum Messen des Drehmomentes, welches durch diese Einrichtung zum Drehen dieses Rotors erzeugt wird; eine Einrichtung zum Vergleichen dieses gemessenen Drehmomentes mit einem Zieldrehmoment und zum Erzeugen eines Einstellsignales, welches die Differenz zwischen diesem gemessenen Drehmoment und diesem Zieldrehmoment anzeigt; und eine Einrichtung zum Zurücksetzen einer Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringkontrollvorrichtung in Reaktion auf dieses Einstellsignal. Vorzugsweise ist diese Einrichtung zum Drehen dieses Rotors ein Rotorantriebsmotor, und diese Einrichtung zum Messen des Drehmomentes ist eine Einrichtung, um den Strom zu messen, welcher durch diesen Rotorantriebsmotor aufgenommen wird.
In anderen Worten, beinhaltet die Einrichtung zum Rotieren dieses Rotors vorzugsweise einen Rotorantriebsmotor, und diese Einrichtung zum Einstellen einer Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringkontrollvorrichtung beinhaltet eine Einrichtung zum Messen des aktuellen Stromes, welcher durch den Rotorantriebsmotor aufgenommen wird; eine Einrichtung, um diesen aktuellen Strom, welcher von diesem Motor aufgenommen wird, mit einem Zielstrom, welcher von dem Motor aufgenommen werden soll, zu vergleichen, eine Einrichtung, welche in Reaktion auf diese Vergleichseinrichtung tätig wird, um ein Kontrollsignal zu erzeugen, welches die Differenz zwischen dem aktuellen Strom und diesem Zielstrom anzeigt; und eine Einrichtung, um dieses Kontrollsignal zu einer Einrichtung zuzuführen, um eine Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringkontrollvorrichtung zurückzusetzen, um diese Zurücksetzeinrichtung einzustellen in Reaktion auf dieses Kontrollsignal, um diesen Strom, welcher von diesem Rotorantriebsmotor aufgenommen wird, auf einem vorgewählten Niveau zu halten.
In einer besonders bevorzugten Anordnung beinhaltet diese Einrichtung zum Einstellen einer Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringkontrollvorrichtung: eine Einrichtung zum Wählen einer Produktionsgeschwindigkeit sowie einer spezifischen Energie, welche dem Material zugeführt wird und eine Betriebsgeschwindigkeit für diesen Rotor; sowie eine Prozessoreinrichtung, um ein Signal aufzunehmen, welches das Drehmoment repräsentiert, das diese Einrichtung zum Rotieren dieses Rotors erzeugt, wobei die Prozessoreinrichtung das Zieldrehmoment in Abhängigkeit von der ausgewählten Produktionsgeschwindigkeit, der spezifischen Energie und der Geschwindigkeit berechnet, und wobei diese Prozessoreinrichtung weiterhin dieses Zieldrehmoment mit dem Drehmoment, welches durch diese Einrichtung zum Drehen dieses Rotors erzeugt wird, vergleicht, um ein Signal zu ergeben, um die Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringkontrollvorrichtung einzustellen. Vorzugsweise berechnet diese Prozessoreinrichtung einen Leistungswert von der Produktionsgeschwindigkeit und der spezifischen Energie, und berechnet dann dieses Zieldrehmoment von der Rotorgeschwindigkeit und dem berechneten Leistungswert; wobei diese Prozessoreinrichtung dieses Zieldrehmoment mit einem Rückflußsignal vergleicht, das das aktuelle Drehmoment anzeigt, welches durch diese Einrichtung zum Drehen dieses Rotors erzeugt wird, und dann ein Korrektursignal erzeugt, welches die Differenz zwischen diesem Zieldrehmoment und diesem aktuellen Drehmoment anzeigt, wobei diese Prozessoreinrichtung dieses Korrektursignal einer proportionalen, integralen und differenzierenden Kontrollschleife zuführt, um ein Einstellsignal zu erzeugen, welches dieser Ausbringkontrollvorrichtung zugeführt wird, so daß eine Ausbringgeschwindigkeit von dieser eingestellt werden kann und dadurch das aktuelle Drehmoment gleich diesem Zieldrehmoment gehalten werden kann.
Obwohl diese Ausbringkontrollvorrichtung ein Schraubenextruder sein kann, ist es vorzugsweise eine Zahnradpumpe.
Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft in bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welcher:- Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung, welche gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert werden soll, ist;
Fig. 2 eine diagrammartige Darstellung der Beziehungen zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen ist, welche für die Steuerung des Betriebes der Ausbringkontrollvorrichtung des kontinuierlichen Mischers verwendet werden, der in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 3 ein Flußdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 4 eine Fortsetzung des Flußdiagramms gemäß Fig. 3 ist; und
Fig. 5 eine Fortsetzung des Flußdiagrammes gemäß Fig. 4 ist.
Anhang 1 ist ein Ausdruck eines Computerbefehlscodes für den Betrieb der Vorrichtung und für das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eng an das angelehnt, was im US-Patent 4 310 251 gelehrt wird, dessen Beschreibung hier durch die Bezugnahme eingegliedert wird.
Kurz besagt, beinhaltet die Vorrichtung, wie in Fig. 1 dargestellt, einen kontinuierlichen Mischer 10 und eine Ausbringkontrollvorrichtung-Zahnradpumpe 30, die eng miteinander verbunden sind, so daß der Betrieb der Zahnradpumpe 30 den Betrieb des kontinuierlichen Mischers 10 beeinflußt, wie dies nachstehend beschrieben wird.
Der Mischer 10 beinhaltet vorzugsweise ein Rohr 12, welches zumindest einen oder vorzugsweise zwei parallele, seitwärts miteinander verbundene zylindrische Materialarbeits- oder -mischkammern 14 bildet, die an einem Ende eine gemeinsame Ausbringöffnung 16 aufweisen. Mischrotoren 18 sind in den Kammern 14 angeordnet, und das Material, welches zu mischen ist, wird in die Kammern 14 an einer Eintrittsstelle eingebracht, welche im Abstand von der Ausbringöffnung 16 ist. Ein senkrechter Kanal 20 führt zu Förder- oder Zuführschraubenschaufeln 22, die an den Rotoren 18 ausgebildet sind, um das Material in Richtung auf die Ausbringöffnung 16 zu drücken oder zu fördern. Die Rotoren 18 sind mit Zahnrädern 24 gekoppelt, um sich entweder in entgegengesetzter oder in einer gemeinsamen Richtung zu drehen und werden mit einem Drehantriebssystem 26 angetrieben.
Die Austrittsöffnung oder Ausbringmündung 16 öffnet sich quer von den Kammern 14 und zumindest in der Hauptsache in einer überlappenden Beziehung in bezug auf die benachbarten Schaufelabschnitte 28 der Rotoren 18. Die Ausbringöffnung 16 ist direkt und positiv mit dem Einlaß 32 der Zahnradpumpe 30 verbunden. Die Zahnradpumpe beinhaltet ein Gehäuse 34, welches Kammern bildet, in welchen die Pumpenzahnräder 36 angeordnet sind. Die Zahnräder 36 werden durch einen (nicht dargestellten) Motor angetrieben. Die Pumpe hat einen Auslaß 38, der mit einer Extrusionsöffnung 40 verbunden ist.
Im Betrieb wird polymeres Material, welches zu mischen ist, kontinuierlich durch den vertikalen Kanal 20 in den Mischer 10 gefördert, wo die Rotoren 18 das Material in die Mischkammern 14 fördern. Für gewöhnlich ist der senkrechte Kanal 20 an dem unteren Ende eines Einfülltrichters angeordnet, zu welchem das polymere Material automatisch durch Zuführeinrichtungen zugeführt wird, wodurch es möglich ist, eine im wesentlichen kontinuierliche Zufuhr des polymeren Materials zu den Kammern 14 durch den senkrechten Kanal 20 mit einer steuerbaren Geschwindigkeit zu erhalten. Das Material wird in den Kammern 14 geschmolzen, bevor es durch die Ausbringöffnung austritt und in den eng daran angeschlossenen Zahnradpumpeneinlaß 32 eintritt. Dieses Material wird, wenn es durch die Ausbringöffnung 16 ausgebracht wird, durch die Zahnräder 36 ergriffen. Wenn die Zahnräder 36 nicht mit einer Antriebsleistung beaufschlagt sind, halten sie normalerweise das ausgebrachte Material aus dem Mischer 10 zurück, infolge der Reibung der rotierenden Teile. Sobald ein Druck in der Mischung bis zu einem bestimmten Wert aufgebaut ist, sollten die Zahnräder 36 gedreht werden, um das zu mischende Material von dem Mischer weg zu fördern, und zwar mit der gleichen Geschwindigkeit, mit welcher das zu mischende Material dem Mischer zugeführt wird.
Während des Betriebes dient eine zeitweilige Verlangsamung der Zahnräder 36 dazu, den internen Druck im Mischer zu erhöhen, nach welchem sie zu einer Geschwindigkeit zurückgeführt werden sollten, welche der Zuführgeschwindigkeit des Mischers entspricht. Eine momentane Erhöhung der Geschwindigkeit der Zahnräder 36 erniedrigt den Druck in dem Mischer. Auf jeden Fall sollte das Material im wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit aus dem Mischer ausgebracht werden, in welcher der Mischer mit Material beaufschlagt wird, unabhängig von dem jeweils gewünschten internen Druck im Mischer.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der interne Druck des Mischers 10 gesteuert, indem die Drehzahl der Zahnradpumpe 30 durch eine Regelung gesteuert oder geregelt wird, die auf dem Drehmoment des Mischermotors 26 basiert. Der Strom des Mischermotors ist proportional zu dem aktuellen Drehmoment, welches von dem Motor erzeugt wird und dieses aktuelle Drehmomentsignal wird überwacht und mit einem Ziel- oder einem erforderlichen Drehmoment verglichen. Das erforderliche Drehmoment wird aus der folgenden Gleichung mit bekannten Variablen berechnet:
einzubringende Arbeit = HP.h/kg Produktionsgeschwindigkeit = kg/h Umdrehungszahl = Rev/min
Antriebsmoment = (Arbeitsleistung · Produktionsgeschwindigkeit)/RPM · Konstante
Beim normalen Betrieb sind die Mischkammern 14 des kontinuierlichen Mischers 10 nur teilweise gefüllt. Indem die Geschwindigkeit der Pumpenzahnräder 36 eingestellt wird, ändert sich der Füllungsgrad der Mischungskammern, was den Betriebs des Mischens beeinträchtigt. Eine Erhöhung oder eine Verminderung in der Menge des Materials in den Mischkammern führt zu einer entsprechenden Erhöhung oder Verminderung des Drehmoments innerhalb des kontinuierlichen Mischers bei einer konstanten Mischerdrehzahl und einer konstanten Zuführgeschwindigkeit. Dies führt ebenfalls zu einer Erhöhung oder einer Verminderung der Energie.
Um das Drehmoment zu überwachen und zu steuern, ist ein Mikroprozessor in bekannter Weise mit dem Motor verbunden. Wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, empfängt der Mikroprozessor drei Eingangssignale, welche durch eine Bedienungskraft eingegeben werden können oder welche in einem Speicher gespeichert und von dem Mikroprozessor ausgelesen werden können. Diese drei Eingangssignale sind die Produktionsgeschwindigkeit 24 in kg/h, die spezifische Energie 46 in HP.h/kg und die Mischerdrehzahl RPM 48. Ein Rückführsignal 58, welches zu dem aktuellen Drehmoment des Mischers proportional ist, ist ebenfalls erforderlich. Da das Drehmoment proportional zum Gleichstrom eines Gleichspannungsmotors ist, sowie zur Leistung des Hauptmotors an einer Motor-Kupplungsanordnung vom Wechselstromtyp, werden diese Signale als Rückführsignale verwendet. Das Prozessorausgangssignal 60 wird verwendet, um die Drehzahl der Pumpenzahnräder zu steuern.
Um das Prozeßausgangssignal 60 abzuleiten, multipliziert der Mikroprozessor die Produktionsgeschwindigkeit mal der spezifischen Energie, um ein Signal 50 zu erzielen, welches die Leistung darstellt. Der Mikroprozessor teilt diese Leistung durch die Mischerdrehzahl und erhält einen Wert für das Drehmoment. Dieser kalkulierte Wert für das Drehmoment ist das Drehmoment, welches der Mischer haben muß, um die drei Eingangsgrößenerfordernisse zu befriedigen, d. h. die Produktionsgeschwindigkeit, die spezifische Energie und die Mischerdrehzahl.
Das aktuelle Drehmoment, welches von dem Rückführsignal des Mischers erhalten wird, wird mit dem Zieldrehmoment (welches von den drei Eingangsgrößen berechnet wurde) im Mikroprozessor verglichen. Die Differenz zwischen diesen beiden Werten wird als Fehler angesehen, welcher in einer Standardgeschwindigkeitsform einem proportionalen, integralen und ableitenden Regelmodus-Algorithmus zugeführt wird. Der Ausgang der PID-Schleife minimiert den Fehler, indem die Geschwindigkeit oder Drehzahl der Zahnradpumpe angepaßt wird. Diese Drehzahländerung der Zahnradpumpe führt zu einer Änderung des aktuellen Drehmomentes des Mischers. Da das aktuelle Drehmoment durch den Mikroprozessor durch die Verwendung des Rückführsignales gemessen wird, werden kontinuierliche Anpassungen an die Zahnradpumpendrehzahl RPM gemacht, welche die Differenz zwischen dem tatsächlichen Drehmoment und dem Zieldrehmoment minimiert.
Diese Regelstrategie wird am meisten verwendet, um unterschiedliche spezifische Energieniveaus (die Menge der Energie, die dem Material zugeführt wird) auf rechtzuerhalten oder einzustellen. Da das Zieldrehmoment unter Verwendung der spezifischen Energie berechnet wird, führt eine Änderung dieser Eingangsgröße durch eine Bedienungskraft zu einer Änderung des Zieldrehmomentes. Dieser Wechsel im Zieldrehmoment bewirkt, daß der Mikroprozessor die Zahnradpumpengeschwindigkeit anpaßt, um das aktuelle und das Zieldrehmoment in Übereinstimmung zu bringen.
Eine spezifische Ausführungsform der zuvor beschriebenen Regelvorrichtung ist in den Fig. 3 bis 5 gezeigt. Die gewünschte Produktionsgeschwindigkeit, die spezifische Energie und die Mischerdrehzahl werden dem Prozessor zugeführt, und ein Signal, welches proportional zum aktuellen Drehmoment des Mischermotors ist, wird zu dem Prozessor in Schritt 72 geführt. Mittels einer Interrupt-Routine, welche alle 0,1 s ausgeführt wird, werden verschiedene Werte des Signals, das dem Drehmoment proportional ist, eingelesen und in geeigneter Weise skaliert. Im Schritt 74 wird das Drehmomentsignal überprüft, um zu sehen, ob das Signal eine elektrische Spitze darstellt, und falls dies so ist, wird die weitere Verarbeitung dieses Signals beendet. Das aktuelle Drehmomentsignal, das im Schritt 72 gelesen wird, wird während des Schrittes 76 zu einem akkumulierten Drehmoment hinzuaddiert, welches eine laufende Gesamtsumme der Drehmomentwerte darstellt, die über einem bestimmten Zeitintervall gemessen wurden. Ein Drehmomentsignalzähler ist im Schritt 78 vorgesehen und, falls die entsprechende Nummer von aktuellen Drehmomentwerten eingelesen worden ist, um eine zuverlässige Feststellung des aktuellen Drehmomentes zu ermöglichen, initiiert der Schritt 80 die Verarbeitung des Drehmomentsignals als Rückführsignal. Falls die erforderliche Nummer der Signale, welche das aktuelle Drehmoment repräsentieren, nicht eingelesen wurde, schaltet die Steuerung des Prozessors in die Hauptroutine zurück, welche Eingaben der Bedienungskraft abfragt.
Wenn die erforderliche Nummer der aktuellen Drehmomentwerte dem Mikroprozessor zugeführt sind, wird der Mittelwert der Eingangs-Drehmomentwerte im Schritt 82 berechnet. Um weitere Signale zu verarbeiten, werden in Schritten 84 und 86 sowohl das akkumulierte Drehmoment als auch der Zähler auf Null gesetzt.
Die proportionale, integrale und ableitende (PID) Regelschleife beginnt dann mit der Tätigkeit um das aktuelle Drehmoment mit dem Zieldrehmoment zu vergleichen. Im Schritt 88 wird das aktuelle Drehmoment von dem gespeicherten Zieldrehmoment abgezogen, und es wird dieser integrale Fehlerwert En gespeichert. Der vorangegangene Wert En, (En-1) wird von En in Stufe 94 abgezogen, um einen Wechsel in E zu erhalten, der den proportionalen Fehler darstellt. En-1 wird im Schritt 92 verdoppelt und wird dann von En im Schritt 94 abgezogen, um zu einer Zwischenrechnung zu gelangen, in welcher, im Schritt 96, der Wert zu En-2 addiert wird, um dann den abgeleiteten Fehler zu erhalten. Die proportionalen, integralen und ableitenden Korrekturfaktoren werden dann berechnet, in Abhängigkeit davon, ob der Drehmomentwert im Schritt 98 derjenige eines hochlaufenden Systems ist, oder eines Systems im stabilen Zustand. Wenn sich das System in einem Startmodus befindet, werden die proportionalen, die integralen und die abgeleiteten Fehler mit entsprechenden Konstanten für den Startmodus in den Schritten 100a, 102a, 104a multipliziert. In ähnlicher Weise werden, wenn das System in einem stabilen Betriebszustand ist, die geeigneten Konstanten mit den proportionalen, integralen und abgeleiteten Fehlern multipliziert, um die proportionalen, integralen und abgeleiteten Korrekturfaktoren in den Schritten 100b, 102b, 104b zu erhalten. Entsprechende Konstanten für den stationären Betriebszustand sind
Proportionalwert: -50
abgeleiteteter Wert: -5
integraler Wert: -10
Nachdem die Korrekturfaktoren einmal berechnet worden sind, werden sie im Schritt 106 summiert, um den geeigneten Drehzahlkorrekturfaktor zu erhalten. Dieser Drehzahlkorrekturfaktor wird zur aktuellen Drehzahl addiert, um die neue Zieldrehzahl im Schritt 108 zu erhalten. An diesem Punkt wird die neue Zieldrehzahl mit dem möglichen Minimum der Drehzahl und dem möglichen Maximum der Drehzahl verglichen und in geeigneter Weise angepaßt. Die Schritte 101 und 112 vergleichen die aktuelle Drehzahl mit minimalen und maximalen End-Drehzahlgrenzen und wenn eine dieser Grenzen erfaßt wird, wird eine entsprechende Beendigungsaktion unternommen.
In einem repräsentativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein kontinuierlicher Mischer von Farrel der Größe 4 mit einer Maag 70/70 Therminox-Zahnradpumpe verbunden. Ein Reliance Automate 36 Mikroprozessor kann verwendet werden, um das aktuelle Drehmoment (Gleichstrom eines Gleichspannungsmotors) zu erfassen und um die Geschwindigkeit der Zahnradpumpe zu regeln.
Die vorliegende Erfindung wurde beschrieben unter Hinweis auf die Verwendung des Motorstroms zum Messen des Rotordrehmomentes. Während der Motorstrom eine bequeme Einrichtung zum Messen des Motordrehmomentes ist, welches zudem eine zufriedenstellende Genauigkeit aufweist, können andere Mittel zum Messen des Motordrehmomentes als Ersatz in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es kann z. B. ein im Handel erhältlicher Drehmomentmesser (z. B. eine Welle mit den Dehnmeßstreifen) zwischen dem Motor und dem Mischer angeordnet werden, und eine solche Vorrichtung wird tatsächlich eine noch genauere Drehmomentmessung ermöglichen.

Claims

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Verarbeiten von thermoplastischem polymeren Material unter steuerbarer Leistung, beinhaltend ein Rohr (12), das zumindest eine im wesentlichen zylindrische Materialarbeitskammer (14) bildet, das eine Materialeinbringöffnung (20) aufweist, in der Nähe eines Endes und eine Materialausbringöffnung (16) mit konstantem Querschnitt an dem anderen Ende, einen Mischrotor (18), der sich axial innerhalb dieser Kammer (14) erstreckt, eine Einrichtung, um diesen Rotor (18) zu drehen, wobei dieser Rotor (18) sich im wesentlichen axial erstreckende Schaufelabschnitte (28) aufweist, Einrichtungen (22) an diesem Rotor (18) zwischen dieser Einbringöffnung (20) und diesen Schaufelabschnitten (28), um im wesentlichen kontinuierlich Material, welches dieser Kammer (14) zugeführt wird, zu dieser Ausbringöffnung (16) zu pressen, eine Ausbringkontrollvorrichtung (30), welche eine sich bewegende Oberfläche hat, um Material, welches in diese Ausbringkontrollvorrichtung (30) durch einen Einlaß (32) eintritt, der sich mit dieser Ausbringöffnung verbindet, zu fördern, und eine Einrichtung (36), um diese Ausbringkontrollvorrichtung (30) mit einer variabel gesteuerten Geschwindigkeit zu steuern, um einen variablen Rückdruck auf das Material auszuüben, welches durch diese Ausbringöffnung (16) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung aufweist, um eine Ausbringgeschwindigkeit von dieser Ausbringkontrollvorrichtung (30) einzustellen und um die Geschwindigkeit, mit welcher sich diese bewegende Oberfläche dieser Ausbringkontrollvorrichtung (30) in die Strömungsrichtung des Materials bewegt, zu steuern, um das Drehmoment, welches durch diese Einrichtung zum Drehen dieses Rotors erzeugt wird, auf einem vorgewählten Zielwert zu halten.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtung zum Einstellen einer Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringkontrollvorrichtung (30) beinhaltet: eine Einrichtung, um das Drehmoment zu messen, welches durch diese Einrichtung (26) zum Drehen dieses Rotors (18) erzeugt wird; eine Einrichtung, um dieses gemessene Drehmoment mit einem Zieldrehmoment zu vergleichen und um ein Einstellsignal (60) zu erzeugen, welches die Differenz zwischen diesem gemessenen Drehmoment und diesem Zieldrehmoment anzeigt; und eine Einrichtung, um eine Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringkontrollvorrichtung (30) in Reaktion auf dieses Einstellsignal zurückzusetzen.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtung (26) zum Drehen des Rotors (18) ein Rotorantriebsmotor ist und daß diese Einrichtung zum Messen des Drehmomentes eine Einrichtung zum Messen des Stromes ist, welcher durch diesen Rotorantriebsmotor aufgenommen wird.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtung (26) zum Drehen dieses Rotors (18) einen Rotorantriebsmotor aufweist und daß diese Einrichtung zum Einstellen einer Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringkontrollvorrichtung (30) beinhaltet: eine Einrichtung (72) zum Messen von dem tatsächlichen Strom, welcher durch diesen Rotorantriebsmotor (26) aufgenommen wird; eine Einrichtung (88), um diesen aktuellen Strom, welcher durch diesen Motor (26) aufgenommen wird, mit einem Zielstrom, welcher von diesem Motor (26) aufgenommen wird, zu vergleichen; eine Einrichtung (90-106), welche in Reaktion auf diese Einrichtung zum Vergleichen ein Kontrollsignal (30) erzeugt, das die Differenz zwischen diesem tatsächlichen Strom und diesem Zielstrom anzeigt; und eine Einrichtung, um dieses Kontrollsignal zu einer Einrichtung (36) zum Zurücksetzen einer Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringkontrollvorrichtung (30) zu übertragen, um diese Rücksetzeinrichtung (36) in Reaktion auf dieses Steuersignal einzustellen, um den Strom, welcher von diesem Rotorantriebsmotor (26) aufgenommen wird, auf einem vorgewählten Niveau zu halten.

5. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtung zum Einstellen einer Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringkontrollvorrichtung (30) beinhaltet: eine Einrichtung (44, 46, 48), um eine Produktionsgeschwindigkeit, eine spezifische Energie, welche dem Material zugeführt werden soll und eine Betriebsgeschwindigkeit für diesen Rotor (18) zu wählen, sowie eine Prozessoreinrichtung, um ein Signal aufzunehmen, welches das Drehmoment repräsentiert, das durch diese Einrichtung (26) zum Drehen dieses Rotors erzeugt wird, wobei diese Prozessoreinrichtung dieses Zieldrehmoment von diesen gewählten Werten für die Produktionsgeschwindigkeit, die spezifische Energie und die Geschwindigkeit berechnet, und daß diese Prozessoreinrichtung weiterhin dieses Zieldrehmoment mit diesem Drehmoment vergleicht, welches durch diese Einrichtung (26) zum Rotieren dieses Rotors (18) erzeugt wird, um ein Signal (60) zu ergeben, um eine Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringkontrollvorrichtung (30) einzustellen.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese Prozessoreinrichtung einen Leistungswert (50) aus der Produktionsgeschwindigkeit und der spezifischen Energie berechnet, und dann dieses Zieldrehmoment aus der Rotorgeschwindigkeit und diesem kalkulierten Leistungswert berechnet; daß diese Prozessoreinrichtung dieses Zieldrehmoment mit einem Rückführsignal vergleicht, welches das aktuelle Drehmoment, das durch diese Einrichtung (26) zum Drehen dieses Rotors (18) erzeugt wird, repräsentiert, und ein Korrektursignal erzeugt, welches die Differenz zwischen diesem Zieldrehmoment und diesem aktuellen Drehmoment anzeigt, und daß diese Prozessoreinrichtung dieses Korrektursignal einer proportionalen, integralen und ableitenden Regelschleife zuführt, um ein Einstellsignal zu erzeugen, welches dieser Ausbringkontrollvorrichtung (30) zugeführt wird, um deren Ausbringgeschwindigkeit einzustellen, und um dadurch dieses aktuelle Drehmoment gleich dem Zieldrehmoment zu halten.

7. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Ausbringkontrollvorrichtung (30) vom Zahnradpumpentyp ist.

8. Verfahren zum kontinuierlichen Verarbeiten von thermoplastischem polymeren Material unter steuerbarer Leistung in einer Vorrichtung, beinhaltend ein Rohr (12), das zumindest eine im wesentlichen zylindrische Materialarbeitskammer (14) bildet, das eine Materialeinbringöffnung (20) aufweist, in der Nähe eines Endes und eine Materialausbringöffnung (16) mit konstantem Querschnitt an dem anderen Ende, einen Mischrotor (18), der sich axial innerhalb dieser Kammer (14) erstreckt, eine Einrichtung, um diesen Rotor (18) zu drehen, wobei dieser Rotor (18) sich im wesentlichen axial erstreckende Schaufelabschnitte (28) aufweist, Einrichtungen (22) an diesem Rotor (18) zwischen dieser Einbringöffnung (20) und diesen Schaufelabschnitten (28), um im wesentlichen kontinuierlich Material, welches dieser Kammer (14) zugeführt wird, zu dieser Ausbringöffnung (16) zu pressen, eine Ausbringkontrollvorrichtung (30), welche eine sich bewegende Oberfläche hat, um Material, welches in diese Ausbringkontrollvorrichtung (30) durch einen Einlaß (32) eintritt, der sich mit dieser Ausbringöffnung verbindet, zu fördern, und eine Einrichtung (36), um diese Ausbringkontrollvorrichtung (30) mit einer variabel gesteuerten Geschwindigkeit zu steuern, um einen variablen Rückdruck auf das Material auszuüben, welches durch diese Ausbringöffnung (16) gefördert wird, gekennzeichnet durch den Schritt des Einstellens einer Ausbringgeschwindigkeit dieser Ausbringkontrollvorrichtung (30) durch Einstellen der Geschwindigkeit, mit welcher sich diese sich bewegende Fläche dieser Ausbringkontrollvorrichtung (30) in die Richtung der Strömung des Material bewegt, um das Drehmoment, welches durch diese Einrichtung (26) zum Drehen dieses Rotors (18) erzeugt wird, auf einem vorgewählten Zielwert zu halten.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es in einer Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 7 ausgeführt wird.