基于自動稱重系統(tǒng)的預(yù)發(fā)機(jī)密度矯正技術(shù)

摘? 要：EPS制品成型前，需要用預(yù)發(fā)機(jī)將EPS原料預(yù)發(fā)到制品需求密度，密度的穩(wěn)定性與精準(zhǔn)度對整個EPS制品的品質(zhì)優(yōu)劣起著決定性的作用。浙江阿萊西澳智能裝備科技有限公司研發(fā)的EPS預(yù)發(fā)機(jī)稱重反饋矯正系統(tǒng)，通過自動稱重反饋、矯正技術(shù)，減少預(yù)發(fā)過程中的人工干預(yù)，通過PLC控制系統(tǒng)，基于反饋值通過運算調(diào)整預(yù)發(fā)參數(shù)，使預(yù)發(fā)密度結(jié)果始終保持在指定值上。對該技術(shù)應(yīng)用后的連續(xù)測試及統(tǒng)計，原料堆積密度誤差保持在設(shè)定值的±1.5%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：預(yù)發(fā)機(jī);EPS;自動稱重;反饋

中圖分類號：TP271? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2020）22-0123-04

Pre-expander Density Correction Technology Based on Automatic Weighing System

LU Fuling

（Zhejiang Alaixiao Intelligent Equipment Technology Co.，Ltd.，Huzhou? 313219，China）

Abstract：Before EPS （expandable polystyrene） products are molded，it is necessary to use a pre-expander to process the EPS raw materials to the required density .The stability and accuracy of density play a decisive role in the quality of the entire EPS product. The EPS pre-expander weighing feedback correction system developed by Zhejiang Alaixiao Intelligent Equipment Technology Co.，Ltd. reduces manual intervention in the pre-expansion process through the application of automatic weighing feedback and correction technology. The pre-expansion parameters are adjusted through calculations via the PLC control system based on the feedback value to enable the pre-expansion density result is always maintained at the specified value. After continuous testing and statistics after the application of this technology，the raw material accumulation density error is kept within ±1.5% of the set value.

Keywords：pre-expander;EPS;automatic weighing;feedback

0? 引? 言

本文面向預(yù)發(fā)機(jī)設(shè)備制造商與聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene，EPS）制品生產(chǎn)經(jīng)營者。EPS制品的產(chǎn)出，一般要經(jīng)過原料購進(jìn)、預(yù)發(fā)泡、料倉熟化、成型、打包出庫等階段，作為EPS制品生產(chǎn)的第一步，EPS原料預(yù)發(fā)泡的質(zhì)量決定了成品的品質(zhì)。預(yù)發(fā)泡密度的均勻性越好，對EPS制品成型后的重量控制越精準(zhǔn)，其品質(zhì)越符合用戶要求，可杜絕制品過重、過輕造成的制品報廢，成本增加的后果，進(jìn)而從源頭上解決制品成型品質(zhì)問題。因此，制品生產(chǎn)廠在采購預(yù)發(fā)設(shè)備時，會把預(yù)發(fā)設(shè)備的預(yù)發(fā)精度作為重點技術(shù)指標(biāo)考慮。

傳統(tǒng)的預(yù)發(fā)機(jī)預(yù)發(fā)密度結(jié)果，一般采用人工檢測，用1 L的量杯不定時對預(yù)發(fā)結(jié)果取樣，電子秤上稱重，再根據(jù)結(jié)果填寫報表，發(fā)現(xiàn)與設(shè)定密度出現(xiàn)偏差時，再采用手工調(diào)整預(yù)發(fā)參數(shù)。由于人工取樣涉及取樣的頻次、取樣點選擇、取樣時的操作手法等因素，因此人工取樣稱重的密度值離散性很大，預(yù)發(fā)后的原料密度誤差也很大，據(jù)實際統(tǒng)計，采用人工稱重，人工矯正的預(yù)發(fā)機(jī)預(yù)發(fā)密度誤差值均在±3%左右，這樣的預(yù)發(fā)密度結(jié)果，對制品生產(chǎn)廠來說，是不能接受的。

雖然國外也有帶自動矯正系統(tǒng)的預(yù)發(fā)機(jī)，但由于價格高昂，售后困難等問題，使得其應(yīng)用受到諸多限制，除大型制品企業(yè)外，很多中、小型制品企業(yè)無力采購使用，所以一款售價適中，控制精度高的預(yù)發(fā)機(jī)成為這些企業(yè)的迫切需求。鑒于此，浙江阿萊西澳智能裝備科技有限公司成立研發(fā)小組，旨在研發(fā)出成本低，預(yù)發(fā)精度高，并與國內(nèi)主要使用的EPS原料匹配的預(yù)發(fā)機(jī)，而且把預(yù)發(fā)密度精度控制作為研發(fā)的重點。因此依托自動稱重、密度矯正技術(shù)的自動稱重系統(tǒng)，作為預(yù)發(fā)機(jī)的一個重要的獨立單元，進(jìn)入了預(yù)發(fā)機(jī)研發(fā)的流程。筆者在該技術(shù)研發(fā)過程中，承擔(dān)該技術(shù)的工藝設(shè)計，控制程序編制及矯正技術(shù)算法規(guī)則擬定。

自動稱重反饋系統(tǒng)工藝路線為：抽取定容積的預(yù)發(fā)完成原料—放入定容積的稱重容器—稱重—輸出稱重結(jié)果進(jìn)入PLC和設(shè)置密度值進(jìn)行對比—根據(jù)對比結(jié)果進(jìn)行密度矯正計算—矯正原料投入料—稱重完成原料回入預(yù)發(fā)機(jī)送料系統(tǒng)。

采用該技術(shù)期望達(dá)到的密度誤差值±1.5%。

1? EPS預(yù)發(fā)技術(shù)介紹

1.1? EPS

EPS是一種加入了發(fā)泡劑的聚苯乙烯顆粒。外觀為無色透明珠狀顆粒，如圖1所示。當(dāng)其被加熱至軟化點（約90 ℃），發(fā)泡劑中所含的發(fā)泡氣體開始沸騰，EPS顆粒被拉伸擴(kuò)張，其堆積密度也隨之降低，如圖2所示。1952年EPS制品首次出現(xiàn)在德國塑料貿(mào)易交易會上。

1.2? 預(yù)發(fā)機(jī)

間歇式預(yù)發(fā)機(jī)（亦稱定量式預(yù)發(fā)機(jī)或加壓式預(yù)發(fā)機(jī)），主要是用來與全自動包裝成型機(jī)配套，通過提供密度均勻無結(jié)塊現(xiàn)象的EPS預(yù)發(fā)料，以滿足包裝制品生產(chǎn)過程的成型條件要求。

預(yù)發(fā)機(jī)主要包括上料稱重機(jī)構(gòu)，預(yù)發(fā)桶體，干燥機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)組成，通過上料機(jī)構(gòu)對預(yù)發(fā)原料稱重定量，在預(yù)發(fā)桶容積滿足條件的情況下投料進(jìn)入預(yù)發(fā)桶，預(yù)發(fā)桶引入通過帶定位器精準(zhǔn)控制閥門的蒸汽，將原料膨脹到指定料位傳感器后，釋放珠粒至干燥機(jī)構(gòu)進(jìn)行干燥，然后輸送機(jī)構(gòu)推送珠粒至料倉。

1.3? 影響密度的因素

原料的預(yù)發(fā)結(jié)果主要受到以下幾個因素的影響：

（1）原料投料量。在其他因素不變的情況下，投料量的多少決定著預(yù)發(fā)結(jié)果密度的大小，投料量越大，預(yù)發(fā)出的密度越大，反之亦然，在不超出原料膨脹倍數(shù)的情況下，改變投料量可以調(diào)節(jié)預(yù)發(fā)密度。目前的投料方式主要使用的有螺桿式上料和真空式上料兩種，兩種方式也各有優(yōu)缺點，出于加工精度方面考慮及國內(nèi)原料品質(zhì)的離散性，國內(nèi)目前使用真空上料較多。無論哪種方式，要保證秤料量與需求量相差0.1 kg以內(nèi)。

（2）膨脹體積。在傳統(tǒng)預(yù)發(fā)機(jī)中，膨脹體積受安裝在預(yù)發(fā)桶體上的料位開關(guān)控制，當(dāng)料位開關(guān)檢測到原料后，在經(jīng)過防抖延遲時間后，結(jié)束膨脹過程。但膨脹的實際體積又受到原料膨脹過程的影響，不同的膨脹速度、攪拌桿速度，又會導(dǎo)致原料之間間隙的不同。料位開關(guān)多采用光電式、音叉式或震動棒式。光電式通過觀察窗對料位進(jìn)行探測，較為敏感，當(dāng)觀察窗粘料時容易誤感應(yīng);音叉式料位開關(guān)的音叉與被測介質(zhì)相接觸時，音叉的頻率和振幅將改變，將之轉(zhuǎn)換為一個開關(guān)信號，需要處理好料位的吹掃，沾料后易誤感應(yīng)。震動棒式料位開關(guān)使用的較多，其防誤感應(yīng)性能較好，但目前市面上可選的品牌不多，性能能夠滿足預(yù)發(fā)機(jī)的更少。

（3）膨脹均勻度。預(yù)發(fā)過程中如果不能保證原料膨脹均勻，會出現(xiàn)預(yù)發(fā)后的原料密度差異較大的情況，而膨脹時的桶內(nèi)蒸汽壓力與溫度，排氣口開度，降溫空氣的使用與否，決定了原料膨脹均勻度的好壞。

（4）采樣點。剛預(yù)發(fā)完成的原料珠粒，含有一定的水分，在經(jīng)過干燥機(jī)構(gòu)充分干燥后，可進(jìn)行采樣稱重。干燥機(jī)構(gòu)的溫度要適中，太高會造成原料二次發(fā)泡，太低則會產(chǎn)生冷凝水，都不利于準(zhǔn)確測量結(jié)果。因此，一般稱重的采樣點都設(shè)置在送料離風(fēng)機(jī)出口2.5～3.0 m的送料管道上。

2? 自動稱重反饋系統(tǒng)設(shè)計

密度矯正技術(shù)應(yīng)用在預(yù)發(fā)機(jī)自帶稱重反饋系統(tǒng)上，根據(jù)其工藝路線，確定以下技術(shù)方案：

（1）稱重原料的抽取采用預(yù)發(fā)機(jī)自帶的真空泵完成，在抽取原料的管路上，設(shè)置原料抽取閥門，在需要抽取稱重原料時，該閥門開啟，進(jìn)行抽料，抽料結(jié)束后該閥門關(guān)閉。

（2）考慮自動稱重和手工稱重取樣，抽取原料的儲料桶體積設(shè)置為15 L、筒體內(nèi)部安裝有檢測料位的傳感器和卸料氣缸。

（3）自動稱重桶底體積設(shè)置為10 L，稱重傳感器量程為0～6 kg，單點稱重，桶底部設(shè)置排料氣缸。

（4）設(shè)置有抽料管道和回料管道。

（5）設(shè)置有回料漏斗。

（6）密度矯正誤差為>±1.5%。

（7）矯正工藝為：首先對預(yù)發(fā)完成的原料進(jìn)行實際預(yù)發(fā)密度稱重檢測，再將實際稱重密度和設(shè)置的預(yù)發(fā)密度進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)實際密度和設(shè)置密度偏差>±1.5%，偏差值會送入PLC進(jìn)行密度比較計算，由于預(yù)發(fā)筒體體積是恒定的，計算結(jié)果會自動修改原料的投入量，來修正密度偏差，實現(xiàn)準(zhǔn)確的預(yù)發(fā)密度。

2.1? 工作原理

該裝置獨立于預(yù)發(fā)機(jī)，如圖3所示，只有兩條料管與之相連，分別為進(jìn)料管a和回料管b。當(dāng)預(yù)發(fā)好的原料在達(dá)到可取樣條件后，該裝置通過進(jìn)料管a，利用真空抽吸將原料抽入儲料斗c，儲料斗裝有探測傳感器，當(dāng)傳感器檢測到位后，中止取樣，并通過反吹機(jī)構(gòu)將進(jìn)料管內(nèi)的珠粒清空。

再將樣品送入定量稱重裝置d，儲料斗容積大于定量裝置的容積，儲料斗放空后，位于定量裝置上方的刮平器e將多余的樣品刮去，保證樣品的定量體積。當(dāng)檢測重量穩(wěn)定下來后，稱重傳感器對樣品重量讀取，并傳送至PLC中。PLC對其結(jié)果運算，再與設(shè)定密度進(jìn)行對比，后通過算法，自動完成預(yù)發(fā)參數(shù)校正，校正條件部分PLC代碼為：

IF "密度矯正計算開始" THEN

IF "數(shù)據(jù)塊_1".密度測重相關(guān).本次密度 < "數(shù)據(jù)塊_1".全局參數(shù).設(shè)置密度 *（1 - "數(shù)據(jù)塊_1".密度測重相關(guān).密度不矯正下范圍/100）? ?OR

"數(shù)據(jù)塊_1".密度測重相關(guān).本次密度 > "數(shù)據(jù)塊_1".全局參數(shù).設(shè)置密度 *（1+ "數(shù)據(jù)塊_1".密度測重相關(guān).密度不矯正上范圍/100）? THEN

// 所測密度與所需密度誤差超出范圍為真

IF "數(shù)據(jù)塊_1".發(fā)泡相關(guān)."高/低料位選擇" = 0? THEN

"數(shù)據(jù)塊_1".稱重相關(guān).目標(biāo)重量 ：= "數(shù)據(jù)塊_1".稱重相關(guān).目標(biāo)重量 + （（"數(shù)據(jù)塊_1".全局參數(shù).設(shè)置密度 - "數(shù)據(jù)塊_1".密度測重相關(guān).本次密度） *

"數(shù)據(jù)塊_1".全局參數(shù).設(shè)置桶體體積_高 * "數(shù)據(jù)塊_1".密度測重相關(guān).矯正量百分比 / 100）;

"密度矯正計算開始" ：= 0;

// 當(dāng)?shù)土衔粫r的計算

END_IF;

IF "數(shù)據(jù)塊_1".發(fā)泡相關(guān)."高/低料位選擇" = 1 THEN

"數(shù)據(jù)塊_1".稱重相關(guān).目標(biāo)重量 ：= "數(shù)據(jù)塊_1".稱重相關(guān).目標(biāo)重量 + （（"數(shù)據(jù)塊_1".全局參數(shù).設(shè)置密度 - "數(shù)據(jù)塊_1".密度測重相關(guān).本次密度） *

"數(shù)據(jù)塊_1".全局參數(shù).設(shè)置桶體體積_低 * "數(shù)據(jù)塊_1".密度測重相關(guān).矯正量百分比 / 100）;

"密度矯正計算開始" ：= 0;

//當(dāng)高料位時的計算

END_IF;

ELSE

"密度矯正計算開始" ：= 0;

//若不符合計算條件 復(fù)位條件

END_IF;

END_IF;

2.2? 應(yīng)用中面對的問題及解決方案

2.2.1? 稱重傳感器的穩(wěn)定性

稱重傳感器的穩(wěn)定以及可靠，是該裝置能夠正常運作的基礎(chǔ)，實際應(yīng)用中會面臨稱重傳感器受外界（風(fēng)吹、抽吸、震動等）影響，導(dǎo)致稱重值浮動。

該系統(tǒng)采用西門子WP231稱重模塊，對稱重傳感器精密校準(zhǔn)，并對裝置校平固定，并且在稱重前對稱重ADC值進(jìn)行校驗，確保稱重的準(zhǔn)確性。

2.2.2? 定量斗體積誤差

根據(jù)公式ρ=M/V，當(dāng)實際體積出現(xiàn)誤差時，會影響到計算的結(jié)果。

該裝置通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，將樣品刮平確保理論體積，并在新原料預(yù)發(fā)前，進(jìn)行人工對比，可對實際體積進(jìn)行修正，確保正常使用中樣品計算體積與實際體積一致。

2.2.3? 連續(xù)校正對預(yù)發(fā)的影響

當(dāng)預(yù)發(fā)機(jī)處于連續(xù)作業(yè)模式時，預(yù)發(fā)部分與干燥稱重部分是兩個小循環(huán)系統(tǒng)，即預(yù)發(fā)桶出料結(jié)束后，本循環(huán)干燥稱重系統(tǒng)開始工作，同時預(yù)發(fā)桶會進(jìn)入下一個預(yù)發(fā)循環(huán)。稱重系統(tǒng)稱重結(jié)束，會對預(yù)發(fā)參數(shù)進(jìn)行校正，但此時下個循環(huán)已經(jīng)完成投料并處于預(yù)發(fā)中。理論上這一個循環(huán)和上一個循環(huán)發(fā)出的原料是相同的，但稱重系統(tǒng)在下次工作時，會在已經(jīng)調(diào)整過的參數(shù)的基礎(chǔ)上，再一次調(diào)整，從而出現(xiàn)越調(diào)節(jié)誤差越大的情況。針對此問題，應(yīng)該至少設(shè)置為每循環(huán)稱重一次，兩次稱重矯正一次，或兩次循環(huán)稱重一次，每次稱重矯正一次。都可有效避免此問題。

3? 實際應(yīng)用

本次測試采用1.36 m3預(yù)發(fā)機(jī)，興達(dá)原料，聚苯乙烯92%～95%，戊烷4%～7%，預(yù)發(fā)18 g/L珠粒。蒸汽一次減壓壓力5.0 bar，二次減壓壓力1.5 bar，蒸汽用氣時最大壓降不超過0.2 bar;空氣進(jìn)口壓力為6.5 bar，控制空氣減壓至6.0 bar，混合降溫空氣減壓至1.5 bar。

以西門子1215C PLC為控制中心，震動棒式料位開關(guān)，雙閥島（可通信的電磁閥組）控制閥門動作，3個變頻器分別控制主攪拌桿、送料風(fēng)機(jī)、扇形閥（送料機(jī)構(gòu)）。工控機(jī)作為上位機(jī)。

預(yù)發(fā)蒸汽壓力為0.25 bar，排氣開度32%，無降溫空氣。不使用自動矯正的10循環(huán)數(shù)據(jù)如表1所示。

使用自動矯正的10循環(huán)數(shù)據(jù)如表2所示。

從圖4曲線圖可以看出，預(yù)發(fā)較為穩(wěn)定的生產(chǎn)狀況下，預(yù)發(fā)密度逐漸降低，后期偏差較大，當(dāng)密度反饋參與矯正后，檢測密度超出設(shè)置范圍（0.5%），對投料量自動做出調(diào)整，使預(yù)發(fā)密度及時得到糾正。

圖4? 有無矯正密度對比曲線

4? 結(jié)? 論

通過密度矯正技術(shù)在自動稱重反饋系統(tǒng)上的應(yīng)用，解決了人工取樣存在的稱重精度不高，調(diào)整預(yù)發(fā)參數(shù)不準(zhǔn)的弊端，把預(yù)發(fā)精度由人工稱重的±3.0%提高到±1.5%。精度的提高，對中、小型EPS制品企業(yè)來說，帶來的經(jīng)濟(jì)效益提高是顯而易見的。正因為如此，由浙江阿萊西澳智能裝備科技有限公司研發(fā)的，自主研制的自動密度反饋系統(tǒng)預(yù)發(fā)機(jī)投入市場，得到了用戶的肯定。

當(dāng)然，后期還可以進(jìn)一步對自動稱重反饋系統(tǒng)的采樣，計算及工藝參數(shù)調(diào)整進(jìn)行進(jìn)一步研究，對發(fā)泡全過程監(jiān)控并適時調(diào)整，解決延后反饋的問題，把預(yù)發(fā)精度提高到±1.0%以內(nèi)。

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作者簡介：鹿輔領(lǐng)（1988-），男，漢族，河南商丘人，初級工程師，本科，研究方向：電氣技術(shù)及其自動化。