Brevet FR2601283A1 — publié le 19880115

Procédé pour faire fonctionner une extrudeuse à vis et extrudeuse à vis mettant en oeuvre ce procédé à vitesse de rotation variable." L'invention concerne un procédé pour faire fonctionner une extrudeuse à vis consistant à régler la vitesse de rotation du moteur entraînant l'extrudeuse à vis. L'invention concerne également une extrudeuse à vis pour la mise en oeuvre de ce procédé com10 portant une extrudeuse à vis avec au moins une vis logée dans un caisson, et qui est entraînée en continu à vitesse de rotation variable par un moteur, et des installations d'alimentation pour fournir des matières premières, des additifs ou analogues ainsi qu'une installation de réglage 15 pour réguler la vitesse de rotation de la vis. Une telle extrudeuse à vis est connue selon DE-AS 22 60 768. Ce document décrit une installation de commande pour un mélangeur fonctionnant en continu et dont le moteur entraînant la vis est réglé à la fois 20 en fonction de la température de la matière et en fonction du couple du mélangeur. Pour éviter les suroscillations, on a un filtre et seule la partie basse fréquence de la variation de couple est utilisée pour la régulation. Comme moyen de régulation, on utilise un moyen de régulation 25 proportionnel-intégral. Ce principe de régulation connu suppose une mesure exacte de la température pour pouvoir fonctionner correctement. Selon DE- 33 10 484, on connaît une extrudeuse à double vis dans laquelle on effectue une régulation de la vitesse de rotation pour augmenter la puissance jusqu'à la limite de puissance de l'extrudeuse. Il s'agit dans ce cas d'un système de régulation double utilisant un circuit de régulation "couple-débit" pour rendre le débit optimum, un autre circuit de régulation "température de la masse-vitesse de rotation" servant à régler la température d'éjection maximale possible. Ce 10 dernier circuit de régulation est en soi un circuit de régulation auxiliaire qui permet de régler une vitesse de rotation aussi élevée que possible pour utiliser des réserves de couple pour augmenter encore plus le débit. Comme les deux circuits de régulation ne peuvent s'in15 fluencer réciproquement, on a réalisé un découplage de façon à faire fonctionner en alternance les moyens de régulation au moins dans la phase de montée en vitesse. La présente invention a pour point de départ le fait que les caractéristiques du produit, qui résultent du procédé de fusion dans une extrudeuse à vis sont déterminées de manière très importante par l'énergie injectée. Pour arriver à des caractéristiques constantes du produit, il est souhaitable que l'énergie injectée soit maintenue constante. Sur le plan de l'éner25 gie d'origine thermique ainsi fournie, la régulation se fait par la régulation de la température du caisson. L'injection d'énergie mécanique par frottement est habituellement non réglée du fait que l'on a une vitesse de rotation fixe pour l'extrudeuse ou encore que l'on règle 30 la vitesse de rotation de l'extrudeuse - comme indiqué précédemment - suivant d'autres critères et non dans le but de maintenir constante l'énergie injectée. Or, précisément dans le cas d'extrudeuses à vis de grandes dimensions, la fraction d'énergie fournie d'origine mécanique 35 est prédominante. Partant de ces considérations, la présente invention a pour but de créer un moyen de régulation de l'énergie mécanique fournie pour la maintenir constante en vue d'avoir une qualité aussi régulière du produit. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type ci-dessus, caractérisé en ce qu'on règle la vitesse de rotation en fonction de l'énergie spécifique fournie en maintenant cette énergie pratiquement cons10 tante. Suivant une autre caractéristique, au réglage de l'énergie, on superpose un réglage en fonction de la température du produit sous la forme d'une régulation en cascade. L'invention concerne également une extrudeuse à vis du type ci-dessus. Cette extrudeuse à vis est caractérisée par une installation pour mesurer la puissance motrice du moteur, au moins une installation pour déterminer la quantité de produit fournie par unité 20 de temps (débit), l'entrée de l'installation de réglage recevant un signal correspondant au quotient de la puissance d'entraInement par le débit comme grandeur réelle et la sortie de l'installation de réglage étant reliée au moteur d'entraînement pour maintenir constante l'énergie 25 spécifique, engagée. Dans la réalisation,selon l'invention utilisant comme grandeur de réglage de j'énergie spécifique engagée, c'est-à-dire l'énergie motrice engagée, ou la puissance motrice par rapport au débit, on obtient un fonctionnement de l'extrudeuse à vis dépendant du débit. De plus, on a l'avantage fondamental que par rapport aux commandes de vitesse de rotation et aux régulations de vitesse de rotation de type habituel, on a un engagement constant d'énergie spécifique et ainsi une qualité déter35 minée du produit. Comme la temperature du produit dans le cas d'extrudeuses à vis du type envisagé est en outre déterminée de façon très importante par l'énergie spécifique engagée, on applique avantageusement le principe de régulation selon l'invention à des systèmes dans les5 quels la mesure de la température du produit n'est pas possible ou ne l'est qu'avec des moyens importants. Il est en outre intéressant de remarquer qu'il est avantageux sur le plan du fonctionnement dépendant du débit qu'une énergie spécifique, fournie réagit comme grandeur de mesure, 10 plus rapidement à des variations de débit que par exemple la température du produit, de sorte que pour des variations de débit, on arrive à une régulation plus rapide sur le plan de la température du produit que si la correction de la vitesse de rotation était dérivée directement de la 15 mesure de la température de la masse. Pour avoir la régulation souhaitée, il est prévu que l'installation de régulation soit proportionnelle-intégrale-différentielle. Une telle installation de régulation proportionnelle-intégrale-différentielle 20 (PID) se caractérise en ce que la grandeur de réglage correspond à l'addition des grandeurs de sortie d'une installation de régulation proportionnelle (P), d'une installation de régulation intégrale (I) et d'une installation de régulation différentielle (D) (voir la norme DIN 19 226). 25 Une telle installation de régulation servant à mettre en oeuvre le principe de régulation selon l'invention peut toujours s'utiliser lorsque la plage de la mise en oeuvre correspond à une fonction pratiquement linéaire de la vitesse de rotation du moteur et de l'injection de l'énergie 30 spécifique. Grace au diviseur, on forme le quotient de la puissance motrice fournie par le moteur p-r le débit pour obtenir la grandeur de réglage S correspondant à l'énerqie spécifique engagée. L'installation de division est suivie en aval d'un filtre pour séparer la partie haute fréquence du signal. Suivant une autre caractéristique de l'invention, ce filtre a de préférence une constante de temps de l'ordre de 10 à 40 secondes. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'installation de réglage est suivie d'un filtre pour éliminer par filtrage les composantes de haute fréquence du signal; suivant une autre caractéristique de l'invention, le filtre en aval de l'installation de régulation a une constante de temps de l'ordre de 100 se10 condes, si bien que les grandeurs parasites de courte durée ne sont pas prises en compte pour la régulation; cela évite toute variation inutile du réglage. Par contre, les variations lentes de grandeurs parasites sont compensées par la régulation comme par exemple des variations 15 du produit de sortie. Grâce au dimensionnement prévu, on assure que même pour des variations de débit, on arrive suffisamment rapidement en fonction de la vitesse de rotation au nouveau point de fonctionnement fixe sans débordement du couple. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est prévu une installation de mesure de température de produit dans la zone de sortie (extrémité) de l'extrudeuse, installation qui est reliée à l'entrée d'une installation de réglage de température, la.sortie de cette dernière étant reliée à l'entrée de l'installation de réglage de la vitesse de rotation du moteur.Il est ainsi possible de combiner au circuit de régulation de l'énergie une température de produit par une régulation en cascade; la grandeur de consigne de l'énergie spécifique injectée est utilisée comme grandeur de réglage du circuit de régulation de la température de la masse. On a ainsi des avantages à la fois pour le fonctionnement et pour la mise en route, car on peut rendre optimum le circuit de réglage de l'énergie indépendamment du circuit de réglage de la température et le mettre en oeuvre séparément. Même en cas de défaillance d'un capteur de température, l'extrudeuse à vis peut continuer à fonctionner sans réduction notable de la qualité des produits. La régulation de température du produit, qui est superposée fonctionne alors de manière à commander par la grandeur de consigne de l'énergie spécifique engagée dans l'extrudeuse à vis, le point de fonctionnement au voisinage de la température souhaitée du produit, l'installation de régulation de température n'assurant alors plus qu'une correction dans une plage de 10 fonctionnement réduite du préréglage ainsi choisi. La présente invention sera décrite de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation préférentiel représenté aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une extrudeuse à vis selon l'invention. - la figure 2 est un schéma-bloc d'une installation de réglage selon l'invention. - la figure 3 est une vue correspondant à celle de la fi20 gure 2 avec adjonction d'une régulation de la température du produit. Selon la figure 1, une extrudeuse à vis se compose d'un caisson 1 formé de plusieurs segments 2, 3, 4 juxtaposés axialement l'un derrière l'autre en étant reliés par des brides. Une vis non représentée aux dessins est logée dans le caisson I; cette vis est entrainée par un moteur 6 par l'intermédiaire d'une transmission 5. Le caisson 1 et la transmission 5 ainsi que le moteur 6 s'appuient sur le sol 8 par l'intermédiaire d'un 30 bâti 7. Dans le premier segment de caisson 2 servant de zone d'entrée, débouche une trémie d'alimentation 9 qJi reçoit la matière à travailler par exemple des granulés fournis par une installation d'alimentation 10 constituée par une balance à bande convoyeuse et/ou une installation 35 d'alimentation 10' en forme de vis de dosage par exemple dans le cas de poudre. Dans le dernier segment de caisson 4, un peu avant l'extrémité de sortie 11, on a une installation de mesure de température 12 (qui n'est représentée que schématiquement) et qui vient en saillie à l'intérieur du caisson. Des installations de mesure de débit 13, 14 sont associées aux installations d'alimentation 10, 10'. La figure 2 montre schématiquement une installation de réglage applicable à l'invention. Cette installation se compose d'un diviseur 15 dont les grandeurs 10 d'entrée sont la puissance d'entraînement N du moteur d'entraînement 6, grandeurs qui peuvent être saisies en mesurant l'intensité et la tension, de manière connue en soi à l'aide d'une installation de mesure (22) non représentée en détail ainsi que le débit G. Le débit G est déterminé 15 par les installations de mesure de débit 13, 14 qui sont associées aux installations d'alimentation 10, 10'; pour cela, on suppose qu'en fonctionnement la quantité de produit d'alimentation correspond à la quantité de produit en sortie c'est-à-dire au débit. Le débit se définit comme masse 20 de produit d'alimentation par unité de temps. Le diviseur 15 détermine le quotient de la puissance d'entraînement N par le débit G pour former la grandeur de réglage S; cette grandeur de réglage S est transmise par un filtre 16 au comparateur 17 d'une 25 installation de réglage 18. Le filtre 16 constitué par un filtre passe- bas assurecomme le filtre 19 en aval de l'installation de régulation 18, ce dernier filtre étant également un filtre passe-bas, à filtrer les composantes de signal de haute fréquence de manière à n'injecter dans la 30 régulation que des grandeurs parasites variant lentement comme par exemple des variations de produit de sortie. Le filtre 19 a une constante de temps d'environ 100 secondes et le filtre 16 a une constante de temps d'environ 20 secondes.(entre 10 et 40 secondes). 35 Le comparateur 17 qui fonctionne comme soustracteur reçoit en plus du signal de régulation Sm, filtré, également la grandeur de consigne Ssoll de la puissance spécifique, si bien que l'entrée de l'installation de réglage 18 reçoit un signal ES correspondant à 5 la différence entre la grandeur réelle et la grandeur de consigne (Ssoll = consigne théorique). Le signal de sortie de l'installation de réglage 18, signal filtré par le filtre 19, est pondéré par un coefficient K2; ce signal est appliqué à un autre 10 comparateur 20 réalisé sous forme d'additionneur. Ce comparateur 20 reçoit en outre un signal de vitesse de rotation de base nb pondéré par un coefficient K1; à partir de la somme de ces grandeur d'entrée selon l'équation ns = K1 x nb + K2 x X donne un signal de sortie n; ce - sS signal est appliqué au moteur 6 qui entraîne l'extrudeuse représentée à la figure 1 et portant globalement la référence 21. La grandeur ns forme ainsi la grandeur de consigne résultante de la vitesse de rotation de l'entraînement principal. Une régulation du type décrit ci-dessus s'utilise par exemple pour l'extrusion de matière synthétique comme par exemple du polyéthylène ou des polyamides. Une grandeur caractéristique de l'énergie fournie rapportée à la masse de produit est par exemple de 25 l'ordre de 0,1 à 0,3 KWh/kg. En fonction de la matière utilisée, la température maximale autorisée est comprise entre environ 200 et 280 C. Le maintien constant de l'énergie spécifique, fournie, maintient également constante la température déterminée principalement dans le 30 cas de tels dispositifs par cette énergie spécifique; cela signifie que l'on ne dépasse pas la température maximale autorisée. La figure 3 montre un exemple de réalisation dans lequel le réglage de l'énergie, décrit 35 ci-dessus est combiné à un réglage de température à la manière d'une régulation en cascade. Pour simplifier le schéma, on a seulement représenté le comparateur 17, l'installation de réglage 18 et le moteur 6 pour le circuit de réglage de l'énergie selon la figure 3. La température 5 du produit à la sortie 11 de l'extrudeuse 21 est détectée par une installation de mesure 12 qui fournit le signal %Y. Ce signal est appliqué à un comparateur 23 en forme de soustracteur, en même temps que le signal de grandeur de consigne de température ns. Le signal formé dans le com10 parateur 23 est appliqué à l'entrée de l'installation de réglage de température 24. A la sortie de cette installation de réglage de température 24, on obtient un signal de correction Sk de l'injection spécifique d'énergie; ce signal est appliqué à un comparateur 25 en forme d'addi15 tionneur. Ce comparateur 25 reçoit en outre un signal Sb qui constitue la grandeur de consigne de base de l'énergie à injecter; à ce signal, on peut superposer le signal de correction Sk en formant le signal de grandeur de consigne résultant S qui est appliqué au comparateur 17 à la place s de la grandeur Ssoll du mode de réalisation de la figure 2. La grandeur du signal Sb est choisie pour que la masse de produit atteigne un point de fonctionnement correspondant à la température souhaitée pour la masse; dans ce cas, la régulation concerne uniquement une petite plage 25 de fonctionnement qui est balayée autour du signal Sb choisi par préréglage. R E V E N D I C A T I 0 N S ) Procédé de mise en oeuvre d'une extrudeuse à vis consistant à régler la vitesse de rotation du moteur entrainant l'extrudeuse à vis, procédé caractérisé en ce qu'on règle la vitesse de rotation en fonction de l'énergie spécifique engagée, en maintenant cette énergie pratiquement constante. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au réglage de l'énergie, on superpose 10 un réglage en fonction de la température du produit sous la forme d'une régulation en cascade. ) Extrudeuse à vis pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 comportant une extrudeuse à vis avec au moins une vis logée dans un caisson, et qui est entraînée en continu à vitesse de rotation variable par un moteur, et des installations d'alimentation pour fournir des matières premières, des additifs ou analogues ainsi qu'une installation de réglage pour réguler la vitesse de rotation de la vis, 20 extrudeuse caractérisée par une installation (22) pour mesurer la puissance motrice (N) du moteur (6), au moins une installation (13, 14) pour déterminer la quantité de produit fournie par unité de temps (débit), l'entrée de l'installation de réglage (18) recevant un signal corres25 pondant au quotient de la puissance d'entraînement (N) par le débit (G) comme grandeur réelle (S) et la sortie de l'installation de réglage (18) est reliée au moteur d'entraInement (6) pour maintenir constante l'énergie spécifique, introduite. 4 ) Extrudeuse à vis selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'installation de réglage est une installation de réglage PID (proportionnelle, intégrale, différentielle). ) Extrudeuse à vis selon la reven35 dication 3, caractérisée en ce que les installations déterminant la puissance d'entrainement (N) et le débit (G) comportent en aval un diviseur (15). ) Extrudeuse à vis selon la revendication 5, caractérisée en ce que le. diviseur (15) est suivi par un filtre (16) pour séparer par filtrage les composantes de signal de fréquence élevée. ) Extrudeuse à vis selon la revendication 6, caractérisée en ce que le filtre (16) a une constante de temps de l'ordre de 10 à 40 sec. 8 ) Extrudeuse à vis selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'installation de réglage (18) est suivie par un filtre (19) pour éliminer par filtrage les composantes de haute fréquence du signal. 9 ) Extrudeuse à vis selon la reven15 dication 8, caractérisée en ce que le filtre (19) a une constante de temps d'environ 100 sec. ) Extrudeuse à vis selon la revendication 3, caractérisée par une installation de mesure de température de produit (12) dans la zone de sortie (extrémité 11) de l'extrudeuse (21), installation qui est reliée à l'entrée d'une installation de réglage de température (24), la sortie de cette dernière étant reliée à l'entrée de l'installation de réglage (18) de la vitesse de rotation du moteur. 11 ) Extrudeuse à vis selon ia revendication 10, caractérisée en ce que l'installation de réglage de température (24) est une installation de réglage PID (proportionnelle, intégrale, différentielle).