基于自动称重系统的预发机密度矫正技术

摘  要：EPS制品成型前，需要用预发机将EPS原料预发到制品需求密度，密度的稳定性与精准度对整个EPS制品的品质优劣起着决定性的作用。浙江阿莱西澳智能装备科技有限公司研发的EPS预发机称重反馈矫正系统，通过自动称重反馈、矫正技术，减少预发过程中的人工干预，通过PLC控制系统，基于反馈值通过运算调整预发参数，使预发密度结果始终保持在指定值上。对该技术应用后的连续测试及统计，原料堆积密度误差保持在设定值的±1.5%以内。

关键词：预发机;EPS;自动称重;反馈

中图分类号：TP271  文献标识码：A    文章编号：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

本文面向预发机设备制造商与聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene，EPS）制品生产经营者。EPS制品的产出，一般要经过原料购进、预发泡、料仓熟化、成型、打包出库等阶段，作为EPS制品生产的第一步，EPS原料预发泡的质量决定了成品的品质。预发泡密度的均匀性越好，对EPS制品成型后的重量控制越精准，其品质越符合用户要求，可杜绝制品过重、过轻造成的制品报废，成本增加的后果，进而从源头上解决制品成型品质问题。因此，制品生产厂在采购预发设备时，会把预发设备的预发精度作为重点技术指标考虑。

传统的预发机预发密度结果，一般采用人工检测，用1 L的量杯不定时对预发结果取样，电子秤上称重，再根据结果填写报表，发现与设定密度出现偏差时，再采用手工调整预发参数。由于人工取样涉及取样的频次、取样点选择、取样时的操作手法等因素，因此人工取样称重的密度值离散性很大，预发后的原料密度误差也很大，据实际统计，采用人工称重，人工矫正的预发机预发密度误差值均在±3%左右，这样的预发密度结果，对制品生产厂来说，是不能接受的。

虽然国外也有带自动矫正系统的预发机，但由于价格高昂，售后困难等问题，使得其应用受到诸多限制，除大型制品企业外，很多中、小型制品企业无力采购使用，所以一款售价适中，控制精度高的预发机成为这些企业的迫切需求。鉴于此，浙江阿莱西澳智能装备科技有限公司成立研发小组，旨在研发出成本低，预发精度高，并与国内主要使用的EPS原料匹配的预发机，而且把预发密度精度控制作为研发的重点。因此依托自动称重、密度矫正技术的自动称重系统，作为预发机的一个重要的独立单元，进入了预发机研发的流程。笔者在该技术研发过程中，承担该技术的工艺设计，控制程序编制及矫正技术算法规则拟定。

自动称重反馈系统工艺路线为：抽取定容积的预发完成原料—放入定容积的称重容器—称重—输出称重结果进入PLC和设置密度值进行对比—根据对比结果进行密度矫正计算—矫正原料投入料—称重完成原料回入预发机送料系统。

采用该技术期望达到的密度误差值±1.5%。

1  EPS预发技术介绍

1.1  EPS

EPS是一种加入了发泡剂的聚苯乙烯颗粒。外观为无色透明珠状颗粒，如图1所示。当其被加热至软化点（约90 ℃），发泡剂中所含的发泡气体开始沸腾，EPS颗粒被拉伸扩张，其堆积密度也随之降低，如图2所示。1952年EPS制品首次出现在德國塑料贸易交易会上。

1.2  预发机

间歇式预发机（亦称定量式预发机或加压式预发机），主要是用来与全自动包装成型机配套，通过提供密度均匀无结块现象的EPS预发料，以满足包装制品生产过程的成型条件要求。

预发机主要包括上料称重机构，预发桶体，干燥机构和输送机构组成，通过上料机构对预发原料称重定量，在预发桶容积满足条件的情况下投料进入预发桶，预发桶引入通过带定位器精准控制阀门的蒸汽，将原料膨胀到指定料位传感器后，释放珠粒至干燥机构进行干燥，然后输送机构推送珠粒至料仓。

1.3  影响密度的因素

原料的预发结果主要受到以下几个因素的影响：

（1）原料投料量。在其他因素不变的情况下，投料量的多少决定着预发结果密度的大小，投料量越大，预发出的密度越大，反之亦然，在不超出原料膨胀倍数的情况下，改变投料量可以调节预发密度。目前的投料方式主要使用的有螺杆式上料和真空式上料两种，两种方式也各有优缺点，出于加工精度方面考虑及国内原料品质的离散性，国内目前使用真空上料较多。无论哪种方式，要保证秤料量与需求量相差0.1 kg以内。

（2）膨胀体积。在传统预发机中，膨胀体积受安装在预发桶体上的料位开关控制，当料位开关检测到原料后，在经过防抖延迟时间后，结束膨胀过程。但膨胀的实际体积又受到原料膨胀过程的影响，不同的膨胀速度、搅拌杆速度，又会导致原料之间间隙的不同。料位开关多采用光电式、音叉式或震动棒式。光电式通过观察窗对料位进行探测，较为敏感，当观察窗粘料时容易误感应;音叉式料位开关的音叉与被测介质相接触时，音叉的频率和振幅将改变，将之转换为一个开关信号，需要处理好料位的吹扫，沾料后易误感应。震动棒式料位开关使用的较多，其防误感应性能较好，但目前市面上可选的品牌不多，性能能够满足预发机的更少。

（3）膨胀均匀度。预发过程中如果不能保证原料膨胀均匀，会出现预发后的原料密度差异较大的情况，而膨胀时的桶内蒸汽压力与温度，排气口开度，降温空气的使用与否，决定了原料膨胀均匀度的好坏。

（4）采样点。刚预发完成的原料珠粒，含有一定的水分，在经过干燥机构充分干燥后，可进行采样称重。干燥机构的温度要适中，太高会造成原料二次发泡，太低则会产生冷凝水，都不利于准确测量结果。因此，一般称重的采样点都设置在送料离风机出口2.5～3.0 m的送料管道上。

2  自动称重反馈系统设计

密度矫正技术应用在预发机自带称重反馈系统上，根据其工艺路线，确定以下技术方案：

（1）称重原料的抽取采用预发机自带的真空泵完成，在抽取原料的管路上，设置原料抽取阀门，在需要抽取称重原料时，该阀门开启，进行抽料，抽料结束后该阀门关闭。

（2）考虑自动称重和手工称重取样，抽取原料的储料桶体积设置为15 L、筒体内部安装有检测料位的传感器和卸料气缸。

（3）自动称重桶底体积设置为10 L，称重传感器量程为0～6 kg，单点称重，桶底部设置排料气缸。

（4）设置有抽料管道和回料管道。

（5）设置有回料漏斗。

（6）密度矫正误差为>±1.5%。

（7）矫正工艺为：首先对预发完成的原料进行实际预发密度称重检测，再将实际称重密度和设置的预发密度进行比较，当出现实际密度和设置密度偏差>±1.5%，偏差值会送入PLC进行密度比较计算，由于预发筒体体积是恒定的，计算结果会自动修改原料的投入量，来修正密度偏差，实现准确的预发密度。

2.1  工作原理

该装置独立于预发机，如图3所示，只有两条料管与之相连，分别为进料管a和回料管b。当预发好的原料在达到可取样条件后，该装置通过进料管a，利用真空抽吸将原料抽入储料斗c，储料斗装有探测传感器，当传感器检测到位后，中止取样，并通过反吹机构将进料管内的珠粒清空。

再将样品送入定量称重装置d，储料斗容积大于定量装置的容积，储料斗放空后，位于定量装置上方的刮平器e将多余的样品刮去，保证样品的定量体积。当检测重量稳定下来后，称重传感器对样品重量读取，并传送至PLC中。PLC对其结果运算，再与设定密度进行对比，后通过算法，自动完成预发参数校正，校正条件部分PLC代码为：

IF "密度矫正计算开始" THEN

IF "数据块_1".密度测重相关.本次密度 < "数据块_1".全局参数.设置密度 *（1 - "数据块_1".密度测重相关.密度不矫正下范围/100）   OR

"数据块_1".密度测重相关.本次密度 > "數据块_1".全局参数.设置密度 *（1+ "数据块_1".密度测重相关.密度不矫正上范围/100）  THEN

// 所测密度与所需密度误差超出范围为真

IF "数据块_1".发泡相关."高/低料位选择" = 0  THEN

"数据块_1".称重相关.目标重量 ：= "数据块_1".称重相关.目标重量 + （（"数据块_1".全局参数.设置密度 - "数据块_1".密度测重相关.本次密度） *

"数据块_1".全局参数.设置桶体体积_高 * "数据块_1".密度测重相关.矫正量百分比 / 100）;

"密度矫正计算开始" ：= 0;

// 当低料位时的计算

END_IF;

IF "数据块_1".发泡相关."高/低料位选择" = 1 THEN

"数据块_1".称重相关.目标重量 ：= "数据块_1".称重相关.目标重量 + （（"数据块_1".全局参数.设置密度 - "数据块_1".密度测重相关.本次密度） *

"数据块_1".全局参数.设置桶体体积_低 * "数据块_1".密度测重相关.矫正量百分比 / 100）;

"密度矫正计算开始" ：= 0;

//当高料位时的计算

END_IF;

ELSE

"密度矫正计算开始" ：= 0;

//若不符合計算条件 复位条件

END_IF;

END_IF;

2.2  应用中面对的问题及解决方案

2.2.1  称重传感器的稳定性

称重传感器的稳定以及可靠，是该装置能够正常运作的基础，实际应用中会面临称重传感器受外界（风吹、抽吸、震动等）影响，导致称重值浮动。

该系统采用西门子WP231称重模块，对称重传感器精密校准，并对装置校平固定，并且在称重前对称重ADC值进行校验，确保称重的准确性。

2.2.2  定量斗体积误差

根据公式ρ=M/V，当实际体积出现误差时，会影响到计算的结果。

该装置通过机械结构的设计，将样品刮平确保理论体积，并在新原料预发前，进行人工对比，可对实际体积进行修正，确保正常使用中样品计算体积与实际体积一致。

2.2.3  连续校正对预发的影响

当预发机处于连续作业模式时，预发部分与干燥称重部分是两个小循环系统，即预发桶出料结束后，本循环干燥称重系统开始工作，同时预发桶会进入下一个预发循环。称重系统称重结束，会对预发参数进行校正，但此时下个循环已经完成投料并处于预发中。理论上这一个循环和上一个循环发出的原料是相同的，但称重系统在下次工作时，会在已经调整过的参数的基础上，再一次调整，从而出现越调节误差越大的情况。针对此问题，应该至少设置为每循环称重一次，两次称重矫正一次，或两次循环称重一次，每次称重矫正一次。都可有效避免此问题。

3  实际应用

本次测试采用1.36 m3预发机，兴达原料，聚苯乙烯92%～95%，戊烷4%～7%，预发18 g/L珠粒。蒸汽一次减压压力5.0 bar，二次减压压力1.5 bar，蒸汽用气时最大压降不超过0.2 bar;空气进口压力为6.5 bar，控制空气减压至6.0 bar，混合降温空气减压至1.5 bar。

以西门子1215C PLC为控制中心，震动棒式料位开关，双阀岛（可通信的电磁阀组）控制阀门动作，3个变频器分别控制主搅拌杆、送料风机、扇形阀（送料机构）。工控机作为上位机。

预发蒸汽压力为0.25 bar，排气开度32%，无降温空气。不使用自动矫正的10循环数据如表1所示。

使用自动矫正的10循环数据如表2所示。

从图4曲线图可以看出，预发较为稳定的生产状况下，预发密度逐渐降低，后期偏差较大，当密度反馈参与矫正后，检测密度超出设置范围（0.5%），对投料量自动做出调整，使预发密度及时得到纠正。

图4  有无矫正密度对比曲线

4  结  论

通过密度矫正技术在自动称重反馈系统上的应用，解决了人工取样存在的称重精度不高，调整预发参数不准的弊端，把预发精度由人工称重的±3.0%提高到±1.5%。精度的提高，对中、小型EPS制品企业来说，带来的经济效益提高是显而易见的。正因为如此，由浙江阿莱西澳智能装备科技有限公司研发的，自主研制的自动密度反馈系统预发机投入市场，得到了用户的肯定。

当然，后期还可以进一步对自动称重反馈系统的采样，计算及工艺参数调整进行进一步研究，对发泡全过程监控并适时调整，解决延后反馈的问题，把预发精度提高到±1.0%以内。

参考文献：

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作者简介：鹿辅领（1988-），男，汉族，河南商丘人，初级工程师，本科，研究方向：电气技术及其自动化。