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称重技术在塑料挤出行业中的应用 |
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作者：广东金明塑胶设备有限公司 马镇鑫 |
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作为一项新兴的技术，称重计量控制技术能够精确有效地完成物料的称重计量，保证各物料组分充分混合，在生产中保持高度的灵活性，并显著降低生产成本，使塑料加工者能够生产出高质量的塑料制品，从容地应对市场竞争，这对塑料加工行业的发展具有广泛的现实意义。
概述
在塑料挤出成型过程中，挤出机的原料供给通常分为3个步骤：首先是对挤出机所需的每个组分进行称重，其次是将每台挤出机共需的组分进行混合，最后是将混合均匀的物料供给挤出机料斗，通过螺杆塑化熔融挤出。常规的做法是离线进行配重，即主料多少包（25kg装）配比辅料多少包，再通过人工搅拌装入挤出机料斗。这样会导致诸如称重不准确、混料不均匀，特别是多组分配料中添加剂分散不充分等问题，有时还会由于人工配料过多造成原料的浪费和人工成本的增加，从而导致无法提供挤出机实时挤出生产量，对品质缺乏监控。
另一方面，常规的挤出控制都需要操作人员设定挤出机的转速并进行手动调节，而这并不能保证挤出产量的恒定，并且随着时间的推移，由于温度和压力的波动、过滤网的状况及其他相关工艺的变化，挤出生产量往往会发生周期性的变化，同时由于螺杆和牵引机的速度相对恒定，导致生产的制品在米重上即产品的纵向发生厚薄偏差，严重影响产品的质量。图1所示为制品米重随挤出生产量的波动而变化的情况。
图1 制品米重随挤出生产量的波动的变化示意图
随着塑料工业的迅猛发展，塑料挤出过程中的原料供给单纯靠人工称重、混合加料这种方式很难保证其工作质量和工作效率，尤其是多层共挤技术的快速发展，塑料挤出过程的原料供给已经逐步演变为集原料的干燥、储存、输送、称重、混料和挤出控制于一体的自动化系统工程。面对塑料加工行业日趋激烈的竞争和持续不断的市场变化，如何在生产中保持高度的灵活性并不断降低产品的成本对确保产品的品质和市场的竞争地位具有十分重要的意义。称重计量控制技术正是为满足人们在塑料挤出行业日益增长的需求而迅速发展起来的一项新技术，尤其是在线连续称重混料工艺，能有效确保各组分按预定的重量百分比计量称重，达到混合均一的目的，具有十分广泛的应用前景。
自动称重计量装置在塑料挤出过程中的应用
引起产量变化的因素非常多，如挤出电机的波动、塑料物料的特性、机筒螺杆的结构和挤出过程中的工艺变化等。就物料的特性方面而言，在生产过程中，除了其他工艺参数外，若物料的流量不能够保持稳定的话，其结果必然对产品的质量产生很大的影响。一般加入到挤出机中的物料按照其尺寸与形状分为：粉料、粒料、边角料和回收料等。根据尺寸的不同，粉料（＜0.1mm）分为粉料、细粉料（10～100μm）、精粉料（1～10μm）和超细粉料（0.1～1μm）；粒料（0.5～5mm）分为颗粒（0.1～1mm）和丸粒（1～5mm）；边角料和回收料（＞5mm）的形状有片状、丝状或形状不规则的颗粒等。这些物料由于密度和松散度各不相同，当加入到挤出机中其流动性和加工性也不一样，这样在共挤出时往往会造成挤出不稳定而导致产品质量下降。因此，如何有效控制物料流量（即生产量）的稳定性、精确记录和检测产品的物料流量并做好相应的措施以控制产品的米重，即采用自动称重计量控制来确保生产线的经济效益和产品质量在挤出过程中非常重要。
称重计量喂料系统按其用途主要分为两个方面，即计量混合与挤出控制（米重控制）。计量混合的目的是确保各组分按正确的重量百分比计量，以达到混合均一的目的。挤出控制则是维持挤出机的速率一致，从而确保产品的厚度或每层的比例稳定不变。
评估称重计量喂料系统的因素有计量的准确性、混合的均匀性以及挤出控制的精确性。计量的准确性是指每种原料成分的重量百分比的实际值与设定值的差异程度；混合均匀性是指各种成分是否完全分散到混合物中；控制的精确性是指米重和共挤层间比例的控制精度。
1、计量混合设备
计量混合设备分为体积式和重力式两种计量形式。体积式计量常用的方法为轮转式和螺杆式两种（如图2、图3所示）。采用体积式计量时，必须依靠时间来调整计量精度，设备数据需要专业人员进行设置，所需的配方和加工数据也需要进行转换和矫正，而且对原料颗粒的体积和密度的均匀度要求较高。由于这种方式对工艺过程的控制要求相当高，因此目前在塑料挤出过程中应用较为少见。
图2 轮转式计量
图3 螺杆式计量
重力式计量分为失重式和增重式两种计量方法。其中，失重式计量方式（如图4所示）适用于所有原料的称重，常用于连续生产过程中的重量计量。增重式计量方式（如图5所示）同样适用于所有原料的计量，并拥有自动校正功能，具有极高的准确率，可直接用拨轮设置或者直接在计算机上来设置各组分的百分比，具有机器操作简单的特点。不同于体积式计量，重力计量方式具有以下优点：
● 稳定的准确控制；
● 可使用各种不同的原料；
● 自动校准功能；
● 设置简单且仅需极短的时间；
● 采用重量计量，而不是用体积计量；
● 消除模糊作业；
● 快速的投资回报率。
图4 失重式计量
图5 增重式计量
2、挤出控制
挤出控制，即米重控制通常分为牵引米重控制方式、挤出机米重控制方式和牵引挤出机同步米重控制3种。牵引米重控制方式可预先设定产品的米重，通过调整牵引机的速度来消除在自动模式中发生在设定数值与实际数值之间的偏离（如图6所示）。挤出机米重控制方式同样可预先设定产品的米重，但它是通过调整挤出机的螺杆速度来消除设定数值与实际数值之间的偏离的（如图7所示）。若挤出机采用计量装置来喂料，该方法则是对该计量喂料装置的螺杆速度进行调整。牵引挤出机同步米重控制方式预先设定产品的产量后，可分别调整新的工作点，通过控制器同步调整挤出机螺杆速度和牵引机的速度，从而使产品的米重保持恒定，该法主要应用在回收料的生产过程中。
图6 牵引米重控制方式
图7 挤出机米重控制方式
称重计量喂料系统在控制的精度方面非常令人满意。对于设定值和特定所选用的工艺的不同控制形式来说，其精度可达<±0.5%。图8所示为挤出机从无米重控制到采用米重控制后制品精度的变化过程。
图8 挤出机从无米重控制到采用米重控制后制品精度的变化情况
几种典型的称重设备
德国塑控公司（PLAST- CONTROL）集成的连续称重定量上料系统为用户提供了使用Plast-control失重系统功能的高精度计量系统，如图9所示。该系统将原料通过真空传送装置输送到各个重力料斗，并采用Plast-control减重测量原理计算出由重力喂料到挤出机的主要原料的百分比，并由其自有的料斗测量出主要原料给料量的重量，确定各种原料组份的给料量。在自动模式下，系统通过比较给料量的测量值和工艺设定目标值来计算和控制挤出螺杆的转速。当挤出量由于生产目标或工艺改变时，系统会同步重新计算给料速度百分比，从而保证给料量。
图9 连续称重定量上料系统
与传统的称重计量系统相比，该系统具有以下优势：
● 定量给料组份没有限制；
● 可通过机械方法高度稳定定量给料；
● 不受材料密度的影响；
● 无需预混料装置，运行中无原料溢出现象；
● 系统分辨率约为最大螺杆给料量的0.1%，最小给料量为250g/h；
● 稳定性高，清理快速，改变产品时没有混合原料；
● 能够有效地控制制品的层间厚度比例，尽可能降低贵重原料的消耗。
根据设备的要求，Plast-control公司为用户提供了GT3、GDC 3X00和ACS 5X00/6X00挤出机称重喂料控制系统。GT3属最小配置的挤出机称重喂料控制系统，最多能控制3个挤出机的共挤系统和带2个添加剂喂料称重单元的单挤出机系统。GDC 3X00属适中的挤出机称重喂料控制系统，最多能控制1个主原料和最多6个添加剂喂料称重单元的单挤出生产线，也可控制最多5个挤出机和最多9个称重点（主料斗和添加剂）的组合共挤生产线。ACS 5X00/6X00属全面的挤出上料控制系统，能适用于1～10个挤出机和最多35个进料斗的生产线。
美国Process Control公司（以下简称PCC公司）的称重计量控制系统产品包括：X系列连续失重式重力混料系统、Guardian系列分批增重式重力混料系统和Gravitrol挤出控制系统。
图10 X系列连续失重式重力混料系统
1、 X系列连续失重式重力混料系统
X系列连续失重式重力混料系统能快速补偿物料因容积密度改变而产生的变化，通过称重生产出精确、均匀的混料。该系统每种物料的称重料斗都配有完整的进料螺杆，输入期望的混合比例后，系统计算机会实时监控每种成分的实际进料速度，并通过周期性调节每种成分的进料速度来维持事先设定的混料重量比例，所有物料均流入瀑布式的混合室进行充分混合。该系统使用最新的微处理技术，配方的输入、储存及打印，物料控制及过程控制全部实现自动控制，具有卓越的稳定性和易用性。同时，该系统能精确地控制塑料挤出过程中物料混合的均一性和精度，其高精度的重力计量系统可极大地减少添加剂的用量，能适应不同应用的需要。
自1985年开发出全世界第一个连续式重力混料系统——第一代MWB至今，该公司已成功开发出第4代XL/XD混料系统，共有XDG4、XDC4、XLG4、XLC4、XLG6、XLC6这6大系列产品，其中XDG和XLG可直接与挤出机安装，XDC和XLC为离线或平台安装。
图11 Guardian系列分批式重力混料系统
2、Guardian系列分批式重力混料系统
Guardian系列分批式重力混料系统是专门为那些希望操作简单、计量精度高、混合均匀、低成本的塑料加工者设计的，其原理是通过重力计量来实现原料的精确混合，从而确保塑料加工的物料喂料更加高效和节约成本，并以低成本生产高质量的产品。该混料机可按比例称重每一组分，并通过重力计量和控制使每种物料按批次进入一个主要的称重料斗，每批次的精度可达±0.02%。称重完毕后，该系统将全部物料运送至混合物料室，通过搅动使物料在进行塑料加工前能够充分混合。
该系统具有先进的计量和称重系统，可根据预设的数量精确地控制每批次每个组份的投放量，而不是像其他分批式混料系统那样通过平均多次投料达到设定值，并按混料系统最高的精度设置, 每个组份以±0.02% 的精确度来计量。混料不均易导致产品性能的不一致, 如颜色发生变化或带来其他缺陷，美国PCC公司为该系统配备了目前混料最完全均匀的混料室，并为其混料系统同时配有内置的清料系统。该清洁系统包括一个活动式的排料槽和独立的手动控制阀，使混料系统可在换料时快速、简易地完成清料工作。用户还使用可选的PCCWeb?软件在标配PC上通过网络浏览器远程监控Guardian?混料系统。通过每个微型操作控制面板后部的以太网接口，每台混料系统能被接入到一个局域网中，同时网内的每台计算机都可以访问到相关数据。
图12 体积式计量混合系统
目前，Guardian系列分批式重力混料系统共有4种规格：1.25kg、2.5kg、5kg和12kg分批式重力混料系统。其中，12kg分批式重力混料系统可同时称量2～12个组分，其最大产量范围为：2组分时可达1134～2694kg/h；3组分为1051～2053kg/h；4组分为770～1685kg/h；5组分为607～1391kg/h；6组分为501～1197kg/h。
3、Gravitrol挤出控制系统
Gravitrol挤出控制系统可通过实时监控挤出机的生产量和调节挤出机的螺杆转速来保持挤出产量的恒定，并把操作人员从那些单考估算的工作中解脱出来。Gravitrol标准的挤出控制系统包括中央计算机及操作平台、每台挤出机上的称重料斗和用于每台挤出机的驱动控制模块。中央计算机可计算出实际的挤出机用料量，正确地调整挤出机螺杆转速，并保持每台挤出机的产量维持在±0.5之内。对于那些要求控制米重（每单位长度上产品的重量）的应用，则需要增加一个线速度驱动模块和一个脉冲生成器及编码器分别用以控制牵引机的牵引速度和精确地测量生产线速度从而实现闭环控制。在共挤生产线中，该系统可调节每台挤出机的产量，从而对最终产品每层的比例实现高精度的控制。
该系统可维持产品的公差，减少物料的消耗量，并可缩短开机和产品更换时间，从而提高产品的品质和生产的重复性，减少废品率，并能够最终生成精确的物料管理报告，是塑料挤出行业最佳的原料节省方案之一，能同时满足客户对产品质量和原材料节省的双重需求，可广泛应用于吹膜、流涎、片材、管材、型材、电线/电缆、护套及挤出涂覆生产线中。
上海松耐（Sonner）机械制造有限公司是国内较早从事制造计量混合产品的生产商，其产品范围包括体积式计量混合系统、重力式（增重式和失重式）计量混合系统以及挤出控制系统。
1、体积式计量混合系统
目前，Sonner公司的体积式计量混合系统分为3种规格产品，即VDEX-II、VDS和VDMI体积式计量混合系统。该系统采用同步数字式技术，通过使用正确尺寸的计量转盘、特殊的DC马达及精确的控制软件，能够精确地计量原料添加到塑料成型主机，如注射设备，挤出设备，吹塑成型设备等的添加量，并将按预设定的配方计量的添加剂与主原料在混合腔中同步均匀混合，而无须采用传统的搅拌装置。该系统通过预设产量使之与成型主机产量保持一致，一旦成型主机与系统设定的产量不一致，料位传感器会将信号传送给计算机，并关闭整个装置。
2、增重式计量混合系统
UM200增重式计量混合系统是目前Sonner公司最先进的重量式批次计量混合装置，可用于颗粒状、粉状塑料原料或添加剂的计量混合，适合注射、挤出和吹塑等工艺。UM200直接安装在成型主机入料口上，并且配备各种尺寸规格的连接装置，可与任何一种结构入料口成型主机连接。整个系统紧凑模块化式设计可确保维修保养或原料的更换毫不费力，其搅拌器经过优化设计能够保证搅拌均匀和计量原料的充分混合，而且原料料仓可以简单快速地拆卸并移出，清洁设备里的原料只需花费数分钟，可使待工时间减少至最低，安全可靠。
UM200利用数字式技术，通过重量式传感器能够精确控制每一组分计量阀的流量，保证每批次混料配方的准确性，其精度可达0.1%，同时可节约原料成本以提高产品的质量，所获得的最大产量可达200kg/h。
图13 失重式计量混合系统
3、失重式计量混合系统
Sonner公司共有5种规格的失重式计量混合系统，分别为GBL-Compact、GBL-Flex、GBL-SS20、GBL-ST22和Gravi L失重式计量混合系统。GBL(Graviblending L)-Compact连续失重式计量混合系统适用于球状、圆柱状和颗粒塑料粒子的比例混合计量。该系统的每款产品通过Sonner M250工业控制电脑监视和不断校准原料的流量，保证计量混合生产工艺过程的连续性，并在每条挤出生产线上配置1～6个精密单螺杆输送系统，其计量精度可达±0.25%。该系统可适用于连续生产的挤出生产线上，产量范围为0.5～2500kg/h。
GGBL-Flex失重式计量混合系统是为混配造粒工艺专业设计制造的，适用于颗粒状、易流动及不易流动的粉状原料的计量。GBL-Flex采用优化模块化设计以解决复杂的混配造粒工艺方案，使用户可最大限度地更换工艺配方，尤其是在处理高粘度且不易流动的粉状原料时，GBL-Flex采用先进的防架桥技术——“自动揉动系统”来提高喂料输送的效率。通过采用先进的整合技术，在同一台Flex里，用户可轻松实现单螺杆喂料器和双螺杆的互换，有效降低投资成本。GBL-Flex即可作为体积式喂料计量使用，亦可作为失重式计量，其计量精度可达±0.25%。
图14 Gravihopper挤出控制系统
GBL(Graviblending L)-SS20是连续失重式计量混合系统，适用于球状、颗粒塑料粒子和再生原料的微量比例混合计量。每一款GBL-SS20都可以与其他计量系统任意组合，其计量精度可达±0.25%，该系统的产量范围为0.25～25kg/h。
Gravi L(Gravidosing L) 是连续失重式定量给料系统，适用于各种粘度液体状原料的精确计量，可广泛应用于挤出成型工艺和造粒工艺中。Gravi L系统通过选取正确类型的计量泵、精密的高动态响应称重装置以及精确的控制软件，确保计量在生产工艺中的精确性，其控制精度范围可达±0.25%，其产量范围为0.2～100kg/h。
4、Gravihopper挤出控制系统
Gravihopper挤出控制系统是基于智能称重技术原理而建立起来的一种先进的工艺质量控制标准，通过工艺参数（如产量、厚度和引取速度等）的设定，依靠电子称重传感器和测速传感器对参数的测量，通过智能的软件分析计算，对实际的工艺参数进行自动调整，从而达到控制工艺质量。该系统可预先设定产品每一层的产量（kg/h或g/min），在自动模式中通过监测马达的实际速度，并根据实际产量与设定产量的偏差，自动同步地调整每一层马达的挤出速度，从而保证每一层挤出产量比例的一致。Gravihopper系统采用紧凑组合式结构设计，可与Sonner公司的吸料装置及增重式计量混合装置配合使用，最多可同时控制8个挤出系统。该系统的精度可控制在±0.5%以内，最大产量可达800kg/h。(end)
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(9/22/2009) |
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