基于物聯(lián)網(wǎng)的塑料片材擠出機關鍵技術及產(chǎn)業(yè)化
主要技術內(nèi)容:
(1)提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡的多電平 SVPWM 控制技術,研發(fā)了基于 FPGA 技術的多電平 SVPWM 控制器,實現(xiàn)了塑料片材擠出裝備驅動電源的高效性。采用神經(jīng)網(wǎng)絡技術,實現(xiàn)參考電壓矢量所在區(qū)域判斷及矢量作用時間計算,降低了計算量;將多電平 SVPWM 控制器集成到一片 FPGA 芯片上,為擠出裝備用交流電機驅動控制提供高性能的專用 SVPWM 控制器,可以直接與通用變頻器對接。
(2)提出了分離型螺桿結合 CRD 分散混合器的高速螺桿技術,提升了擠出效率及效果;研發(fā)了塑料片材擠出螺桿高頻電磁感應加熱裝置,有效降低了擠出機運行能耗。將常規(guī)三段式螺桿設計成五段式,改變了傳統(tǒng)螺桿直徑對擠出產(chǎn)量的限制。在螺桿機筒外壁上纏繞電流線圈,線圈外再包覆隔熱層,線圈兩端連接控制線圈電流的高頻電源模塊;在常規(guī)加熱瓦加熱的基礎上,通過電磁感應原理使螺桿產(chǎn)生熱量,使得螺桿及螺桿機筒同時加熱,縮短了機筒內(nèi)聚合物塑化時間、降低了能耗。
(3)提出了面向塑料片材擠出成套裝備運行過程的全息生產(chǎn)車間制造物聯(lián)感知技術,開發(fā)了成套裝備運行的全息感知系統(tǒng)。構建了 RFID-WSN 數(shù)據(jù)采集集成網(wǎng)絡,提出了 LZM - WKPSO 優(yōu)化算法,在保證覆蓋率的前提下使干擾最小;借鑒昆蟲協(xié)作機理,提出了基于昆蟲協(xié)作機理的源節(jié)點選擇概率算法,最大化降低了網(wǎng)絡能量消耗。(4)提出了塑料片材擠出成套裝備多目標柔性資源優(yōu)化調(diào)度模型,研發(fā)了塑料片材擠出裝備精益管控軟件平臺,實現(xiàn)了成套裝備的高效能運行。建立了多目標柔性資源優(yōu)化調(diào)度模型,采用重力粒子群混合優(yōu)化算法進行求解。按照 SOA 思想,設計了集成平臺;開發(fā)了塑料擠出成套裝備運行功能模塊,并與底層全息車間無縫集成,形成塑料擠出成套裝備精益管控平臺。
行業(yè)意義:
本項目針對高效能塑料片材擠出裝備的關鍵技術取得了創(chuàng)新性成果,解決了我國塑料片材擠出裝備業(yè)目前普遍存在的高能耗、高污染、低附加值、低勞動效率等問題,提升了塑料片材擠出裝備的自動化與信息化水平,促進了塑料片材擠出裝備的自動化、信息化深度融合;完成了塑料擠出裝備產(chǎn)業(yè)技術上的跨越式發(fā)展,極大地推動了塑料擠出裝備產(chǎn)業(yè)結構的優(yōu)化升級,實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)結構由高消耗向高效率的轉變。
獲獎情況:2015 年獲中國商聯(lián)聯(lián)合會科學技術進步獎特等獎。
成果的技術指標、創(chuàng)新性與先進性:
目前市場上還沒有完全一樣的同類產(chǎn)品出現(xiàn),國外主要有德馬克、克虜伯、巴頓菲爾,日本的住友重工等公司在致力于開發(fā)塑膠擠出裝備產(chǎn)品,但是他們開發(fā)的還是將單一系統(tǒng)的簡單組合,無法從單機與成套裝備精益化管控兩方面集合提高系統(tǒng)的能效。由于本項目是從單機關鍵設備能效優(yōu)化設計和成套裝備精益化管控能效優(yōu)化設計兩個方面入手,開發(fā)料擠出成套裝備,產(chǎn)品具有能耗低、效率高等特點。綜上所述,本項目產(chǎn)品目前擁有先入的一定優(yōu)勢,競爭對手在技術方面無法與本項目產(chǎn)品直接競爭。
本項目產(chǎn)品具有如下技術和性能優(yōu)勢:
(1)螺桿的速度從同行的 100 轉/分鐘提高到 200 轉/分鐘,擠出量從類技術的 200kg/h 提升 400kg/h;擠出效率的提升導致能耗降低 10%左右;同類技術目前直徑 105mm 的螺桿需要配置 115KW 左右的電機,而本項目技術只需要配置90KW 左右的電機,降低了能耗。
(2)螺桿高頻感應加熱裝置使得加熱系統(tǒng)能耗降低 15%左右;
(4)克服了同類技術在高速混合擠出時混合效果差導致溫度不均衡、色差大等問題,提高了制品的品質(zhì);
(5)生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)自動數(shù)采率 95%以上;
(6)生產(chǎn)效率提高 30%左右;優(yōu)等品率提高 20%;產(chǎn)能提高 1.5 倍;
(7)填補國內(nèi)針對塑料擠出裝備生產(chǎn)過程的精益化生產(chǎn)軟件的空白;
(8)本項目實現(xiàn)生產(chǎn)流程的閉環(huán)優(yōu)化,現(xiàn)有的 ERP、MES 系統(tǒng)則為開環(huán)控制;
(9)本項目的軟件平臺有效提升了塑料擠出成套裝備的附加值。
技術的成熟度:
相關技術已經(jīng)形成產(chǎn)品,在廣東達誠機械有限公司及其下游企業(yè)進行了產(chǎn)業(yè)化。
項目成果轉化造價:130 萬元;
投資預算:硬件成本(不包含塑料片材擠出機本體部分)85 萬元;軟件開發(fā)45 萬元。
成果應用范圍:塑料包裝行業(yè)、包裝機械行業(yè)。
應用案例及單位:成果在廣東達誠機械有限公司等行業(yè)龍頭企業(yè)進行了產(chǎn)業(yè)化,并在廣東、江浙等地區(qū)的 10 多家塑料企業(yè)進行了推廣應用。
經(jīng)濟和社會效益:項目成果能夠有效降低能耗 25%,提高生產(chǎn)效率 30%左右,使得企業(yè)投資效益大幅度提升。近 3 年來,據(jù)不完全統(tǒng)計,累計新增產(chǎn)值約 67206 萬元,新增利潤 5040 萬元,新增稅收 2872 萬元。項目成果解決了我國塑料片材擠出裝備業(yè)目前普遍存在的高能耗、高污染、低附加值、低勞動效率等問題,提升了塑料片材擠出裝備的自動化與信息化水平,促進了塑料片材擠出裝備的自動化、信息化深度融合;完成了塑料擠出裝備產(chǎn)業(yè)技術上的跨越式發(fā)展,極大地推動了塑料擠出裝備產(chǎn)業(yè)結構的優(yōu)化升級,實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)結構由高消耗向高效率的轉變。
江南大學
2021-04-13