基于自動稱重系統的預發機密度矯正技術

摘? 要：EPS制品成型前，需要用預發機將EPS原料預發到制品需求密度，密度的穩定性與精準度對整個EPS制品的品質優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的EPS預發機稱重反饋矯正系統，通過自動稱重反饋、矯正技術，減少預發過程中的人工干預，通過PLC控制系統，基于反饋值通過運算調整預發參數，使預發密度結果始終保持在指定值上。對該技術應用后的連續測試及統計，原料堆積密度誤差保持在設定值的±1.5%以內。

關鍵詞：預發機;EPS;自動稱重;反饋

中圖分類號：TP271? 文獻標識碼：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

本文面向預發機設備制造商與聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene，EPS）制品生產經營者。EPS制品的產出，一般要經過原料購進、預發泡、料倉熟化、成型、打包出庫等階段，作為EPS制品生產的第一步，EPS原料預發泡的質量決定了成品的品質。預發泡密度的均勻性越好，對EPS制品成型后的重量控制越精準，其品質越符合用戶要求，可杜絕制品過重、過輕造成的制品報廢，成本增加的后果，進而從源頭上解決制品成型品質問題。因此，制品生產廠在采購預發設備時，會把預發設備的預發精度作為重點技術指標考慮。

傳統的預發機預發密度結果，一般采用人工檢測，用1 L的量杯不定時對預發結果取樣，電子秤上稱重，再根據結果填寫報表，發現與設定密度出現偏差時，再采用手工調整預發參數。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，預發后的原料密度誤差也很大，據實際統計，采用人工稱重，人工矯正的預發機預發密度誤差值均在±3%左右，這樣的預發密度結果，對制品生產廠來說，是不能接受的。

雖然國外也有帶自動矯正系統的預發機，但由于價格高昂，售后困難等問題，使得其應用受到諸多限制，除大型制品企業外，很多中、小型制品企業無力采購使用，所以一款售價適中，控制精度高的預發機成為這些企業的迫切需求。鑒于此，浙江阿萊西澳智能裝備科技有限公司成立研發小組，旨在研發出成本低，預發精度高，并與國內主要使用的EPS原料匹配的預發機，而且把預發密度精度控制作為研發的重點。因此依托自動稱重、密度矯正技術的自動稱重系統，作為預發機的一個重要的獨立單元，進入了預發機研發的流程。筆者在該技術研發過程中，承擔該技術的工藝設計，控制程序編制及矯正技術算法規則擬定。

自動稱重反饋系統工藝路線為：抽取定容積的預發完成原料—放入定容積的稱重容器—稱重—輸出稱重結果進入PLC和設置密度值進行對比—根據對比結果進行密度矯正計算—矯正原料投入料—稱重完成原料回入預發機送料系統。

采用該技術期望達到的密度誤差值±1.5%。

1? EPS預發技術介紹

1.1? EPS

EPS是一種加入了發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。當其被加熱至軟化點（約90 ℃），發泡劑中所含的發泡氣體開始沸騰，EPS顆粒被拉伸擴張，其堆積密度也隨之降低，如圖2所示。1952年EPS制品首次出現在德國塑料貿易交易會上。

1.2? 預發機

間歇式預發機（亦稱定量式預發機或加壓式預發機），主要是用來與全自動包裝成型機配套，通過提供密度均勻無結塊現象的EPS預發料，以滿足包裝制品生產過程的成型條件要求。

預發機主要包括上料稱重機構，預發桶體，干燥機構和輸送機構組成，通過上料機構對預發原料稱重定量，在預發桶容積滿足條件的情況下投料進入預發桶，預發桶引入通過帶定位器精準控制閥門的蒸汽，將原料膨脹到指定料位傳感器后，釋放珠粒至干燥機構進行干燥，然后輸送機構推送珠粒至料倉。

1.3? 影響密度的因素

原料的預發結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發結果密度的大小，投料量越大，預發出的密度越大，反之亦然，在不超出原料膨脹倍數的情況下，改變投料量可以調節預發密度。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，兩種方式也各有優缺點，出于加工精度方面考慮及國內原料品質的離散性，國內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。

（2）膨脹體積。在傳統預發機中，膨脹體積受安裝在預發桶體上的料位開關控制，當料位開關檢測到原料后，在經過防抖延遲時間后，結束膨脹過程。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，又會導致原料之間間隙的不同。料位開關多采用光電式、音叉式或震動棒式。光電式通過觀察窗對料位進行探測，較為敏感，當觀察窗粘料時容易誤感應;音叉式料位開關的音叉與被測介質相接觸時，音叉的頻率和振幅將改變，將之轉換為一個開關信號，需要處理好料位的吹掃，沾料后易誤感應。震動棒式料位開關使用的較多，其防誤感應性能較好，但目前市面上可選的品牌不多，性能能夠滿足預發機的更少。

（3）膨脹均勻度。預發過程中如果不能保證原料膨脹均勻，會出現預發后的原料密度差異較大的情況，而膨脹時的桶內蒸汽壓力與溫度，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。剛預發完成的原料珠粒，含有一定的水分，在經過干燥機構充分干燥后，可進行采樣稱重。干燥機構的溫度要適中，太高會造成原料二次發泡，太低則會產生冷凝水，都不利于準確測量結果。因此，一般稱重的采樣點都設置在送料離風機出口2.5～3.0 m的送料管道上。

2? 自動稱重反饋系統設計

密度矯正技術應用在預發機自帶稱重反饋系統上，根據其工藝路線，確定以下技術方案：

（1）稱重原料的抽取采用預發機自帶的真空泵完成，在抽取原料的管路上，設置原料抽取閥門，在需要抽取稱重原料時，該閥門開啟，進行抽料，抽料結束后該閥門關閉。

（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置為15 L、筒體內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置為10 L，稱重傳感器量程為0～6 kg，單點稱重，桶底部設置排料氣缸。

（4）設置有抽料管道和回料管道。

（5）設置有回料漏斗。

（6）密度矯正誤差為>±1.5%。

（7）矯正工藝為：首先對預發完成的原料進行實際預發密度稱重檢測，再將實際稱重密度和設置的預發密度進行比較，當出現實際密度和設置密度偏差>±1.5%，偏差值會送入PLC進行密度比較計算，由于預發筒體體積是恒定的，計算結果會自動修改原料的投入量，來修正密度偏差，實現準確的預發密度。

2.1? 工作原理

該裝置獨立于預發機，如圖3所示，只有兩條料管與之相連，分別為進料管a和回料管b。當預發好的原料在達到可取樣條件后，該裝置通過進料管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，當傳感器檢測到位后，中止取樣，并通過反吹機構將進料管內的珠粒清空。

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。當檢測重量穩定下來后，稱重傳感器對樣品重量讀取，并傳送至PLC中。PLC對其結果運算，再與設定密度進行對比，后通過算法，自動完成預發參數校正，校正條件部分PLC代碼為：

IF "密度矯正計算開始" THEN

IF "數據塊_1".密度測重相關.本次密度 < "數據塊_1".全局參數.設置密度 *（1 - "數據塊_1".密度測重相關.密度不矯正下范圍/100）? ?OR

"數據塊_1".密度測重相關.本次密度 > "數據塊_1".全局參數.設置密度 *（1+ "數據塊_1".密度測重相關.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 "數據塊_1".發泡相關."高/低料位選擇" = 0? THEN

"數據塊_1".稱重相關.目標重量 ：= "數據塊_1".稱重相關.目標重量 + （（"數據塊_1".全局參數.設置密度 - "數據塊_1".密度測重相關.本次密度） *

"數據塊_1".全局參數.設置桶體體積_高 * "數據塊_1".密度測重相關.矯正量百分比 / 100）;

"密度矯正計算開始" ：= 0;

// 當低料位時的計算

END_IF;

IF "數據塊_1".發泡相關."高/低料位選擇" = 1 THEN

"數據塊_1".稱重相關.目標重量 ：= "數據塊_1".稱重相關.目標重量 + （（"數據塊_1".全局參數.設置密度 - "數據塊_1".密度測重相關.本次密度） *

"數據塊_1".全局參數.設置桶體體積_低 * "數據塊_1".密度測重相關.矯正量百分比 / 100）;

"密度矯正計算開始" ：= 0;

//當高料位時的計算

END_IF;

ELSE

"密度矯正計算開始" ：= 0;

//若不符合計算條件 復位條件

END_IF;

END_IF;

2.2? 應用中面對的問題及解決方案

2.2.1? 稱重傳感器的穩定性

稱重傳感器的穩定以及可靠，是該裝置能夠正常運作的基礎，實際應用中會面臨稱重傳感器受外界（風吹、抽吸、震動等）影響，導致稱重值浮動。

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

2.2.2? 定量斗體積誤差

根據公式ρ=M/V，當實際體積出現誤差時，會影響到計算的結果。

該裝置通過機械結構的設計，將樣品刮平確保理論體積，并在新原料預發前，進行人工對比，可對實際體積進行修正，確保正常使用中樣品計算體積與實際體積一致。

2.2.3? 連續校正對預發的影響

當預發機處于連續作業模式時，預發部分與干燥稱重部分是兩個小循環系統，即預發桶出料結束后，本循環干燥稱重系統開始工作，同時預發桶會進入下一個預發循環。稱重系統稱重結束，會對預發參數進行校正，但此時下個循環已經完成投料并處于預發中。理論上這一個循環和上一個循環發出的原料是相同的，但稱重系統在下次工作時，會在已經調整過的參數的基礎上，再一次調整，從而出現越調節誤差越大的情況。針對此問題，應該至少設置為每循環稱重一次，兩次稱重矯正一次，或兩次循環稱重一次，每次稱重矯正一次。都可有效避免此問題。

3? 實際應用

本次測試采用1.36 m3預發機，興達原料，聚苯乙烯92%～95%，戊烷4%～7%，預發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，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、送料風機、扇形閥（送料機構）。工控機作為上位機。

預發蒸汽壓力為0.25 bar，排氣開度32%，無降溫空氣。不使用自動矯正的10循環數據如表1所示。

使用自動矯正的10循環數據如表2所示。

從圖4曲線圖可以看出，預發較為穩定的生產狀況下，預發密度逐漸降低，后期偏差較大，當密度反饋參與矯正后，檢測密度超出設置范圍（0.5%），對投料量自動做出調整，使預發密度及時得到糾正。

圖4? 有無矯正密度對比曲線

4? 結? 論

通過密度矯正技術在自動稱重反饋系統上的應用，解決了人工取樣存在的稱重精度不高，調整預發參數不準的弊端，把預發精度由人工稱重的±3.0%提高到±1.5%。精度的提高，對中、小型EPS制品企業來說，帶來的經濟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的，自主研制的自動密度反饋系統預發機投入市場，得到了用戶的肯定。

當然，后期還可以進一步對自動稱重反饋系統的采樣，計算及工藝參數調整進行進一步研究，對發泡全過程監控并適時調整，解決延后反饋的問題，把預發精度提高到±1.0%以內。

參考文獻：

[1] 裴丹丹，游曉紅，王錄才，等.EPS消失模模樣發泡工藝與密度的控制 [J].鑄造設備與工藝，2012（6）：33-35.

[2] ?UKASIK M，EMIRSAJ?OW Z.Identyfikacja modelu dynamiki procesu spieniania polistyrenu [J].Pomiary Automatyka Kontrola，2011，57（3）：257-260.

[3] 趙磊.發泡機控制系統的研究與設計 [J/OL].中國科技期刊數據庫 工業C，2016（3）：165-166（2016-04-29）.http：//www.cqvip.com/QK/72040X/201603/epub1000000181054.html.

[4] 孟兆鵬.西門子PLC技術在現代冶金工業上的應用 [J].電子技術與軟件工程，2018（13）：105.

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