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基于物聯網的塑料片材擠出機關鍵技術及產業化

主要技術內容：（1）提出了基于神經網絡的多電平 SVPWM 控制技術，研發了基于 FPGA 技術的多電平 SVPWM 控制器，實現了塑料片材擠出裝備驅動電源的高效性。采用神經網絡技術，實現參考電壓矢量所在區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。將常規三段式螺桿設計成五段式，改變了傳統螺桿直徑對擠出產量的限制。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；在常規加熱瓦加熱的基礎上，通過電磁感應原理使螺桿產生熱量，使得螺桿及螺桿機筒同時加熱，縮短了機筒內聚合物塑化時間、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車間制造物聯感知技術，開發了成套裝備運行的全息感知系統。構建了 RFID-WSN 數據采集集成網絡，提出了 LZM - WKPSO 優化算法，在保證覆蓋率的前提下使干擾最小；借鑒昆蟲協作機理，提出了基于昆蟲協作機理的源節點選擇概率算法，最大化降低了網絡能量消耗。（4）提出了塑料片材擠出成套裝備多目標柔性資源優化調度模型，研發了塑料片材擠出裝備精益管控軟件平臺，實現了成套裝備的高效能運行。建立了多目標柔性資源優化調度模型，采用重力粒子群混合優化算法進行求解。按照 SOA 思想，設計了集成平臺；開發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新性成果，解決了我國塑料片材擠出裝備業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業技術上的跨越式發展，極大地推動了塑料擠出裝備產業結構的優化升級，實現了產業結構由高消耗向高效率的轉變。獲獎情況：2015 年獲中國商聯聯合會科學技術進步獎特等獎。成果的技術指標、創新性與先進性: 目前市場上還沒有完全一樣的同類產品出現，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塑膠擠出裝備產品，但是他們開發的還是將單一系統的簡單組合，無法從單機與成套裝備精益化管控兩方面集合提高系統的能效。由于本項目是從單機關鍵設備能效優化設計和成套裝備精益化管控能效優化設計兩個方面入手，開發料擠出成套裝備，產品具有能耗低、效率高等特點。綜上所述，本項目產品目前擁有先入的一定優勢，競爭對手在技術方面無法與本項目產品直接競爭。本項目產品具有如下技術和性能優勢：（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；（5）生產工藝數據自動數采率 95%以上；（6）生產效率提高 30%左右；優等品率提高 20%；產能提高 1.5 倍；（7）填補國內針對塑料擠出裝備生產過程的精益化生產軟件的空白；（8）本項目實現生產流程的閉環優化，現有的 ERP、MES 系統則為開環控制；（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: 相關技術已經形成產品，在廣東達誠機械有限公司及其下游企業進行了產業化。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 45 萬元。成果應用范圍：塑料包裝行業、包裝機械行業。應用案例及單位：成果在廣東達誠機械有限公司等行業龍頭企業進行了產業化，并在廣東、江浙等地區的 10 多家塑料企業進行了推廣應用。經濟和社會效益：項目成果能夠有效降低能耗 25%，提高生產效率 30%左右，使得企業投資效益大幅度提升。近 3 年來，據不完全統計，累計新增產值約 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業技術上的跨越式發展，極大地推動了塑料擠出裝備產業結構的優化升級，實現了產業結構由高消耗向高效率的轉變。

江南大學 2021-04-13

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