PE管材生产中的数字重力计量控制

作者：广州海狮软件科技有限公司 罗锡阳

欢迎访问e展厅 展厅 2 塑料挤出机展厅 片材生产线, 单螺杆挤出机, 双螺杆挤出机, 板材生产线, 木塑挤出机, ... 原油价格不断上涨，导致PE管材行业的原料成本飞速提高。近年来，PE管业产能过剩，竞争日趋激烈，价格不涨反跌。随着用工荒的出现，工人工资也不断提高。多种因素导致利润日趋微薄，对PE管业来说，探索降低生产成本、提升企业利润的道路，已经迫在眉睫。 通过对PE管业生产过程的考察发现，生产企业加强内部质量控制，可以极大地降低生产成本。由于PE管业在“塑料挤出”、“吹膜挤出”、“电缆挤出”等环节普遍都是采用开环控制，其主机和牵引速度均为PLC事先设定的固定信号输出，一般而言，从螺杆到牵引后面的切割其距离有50m左右的长度，导致生产出来的管材厚度只能经过这50m挤出后才能用卡尺测量来判断管材厚薄，然后手动对主机或牵引进行调整。尽管大PE管材可以通过在真空箱后面钻孔来测量其壁厚，但是，最终仍然是通过手动对机器进行调整，极大的影响生产效率。 在生产过程中，还需要面对来自每班次或每批次生产的原料密度、熔温、流动性、电压波动，有的还加上回收料和破碎料等方面的不确定性因素，造成生产过程的高废品率。在居高不下的生产成本压力下，借助数控软件，加强PE管材的质量控制和节能控制过程，能够极大地提高企业生产效率，显著地减少废品率，降低生产成本。 数字重力计量控制原理应用 解决企业堆积如山的废管 图1是某PE管材企业厂房里堆积的不合格管材，图2为不合格管材的破碎回收作业。这种场面对绝大多数的PE管材生产企业来说都十分常见，其主要的原因就是没有安装米重控制设备。如果在生产过程中崁入米重控制设备，只要一开主机和牵引就可得知管材是否达标，不达标就不可能再进行生产，生产出来的就是达标的产品，不用等到这四五十米的牵引线走完才知道。对于250,315,450,630,800，1200这类管材，只要开机生产出一个废品，就是几十米的废管，企业的损失就非常巨大。而借助米重控制器，降低生产过程中的废品率就可以节省人工、电费、时间，从而，在多个方面给企业节省成本，创造利润。 解决开机和生产过程中米重偏差的浪费难题 操作工人担心做出废管而受惩罚，开机的时候往往先把主机开好，然后把牵引的都开慢些，管材肯定不会变薄但此时管材往往偏厚，等管材牵引出来后再把牵引开快些来调节，有时调多两次，有时又会调过头了，管材偏厚当然是合格了，可是这是以牺牲原料成本为代价。操作工人递交给老板的数据一般全部都是合格，但实际上存在很大偏差，比如9米630的管材上下波动有的达50Kg，如有米重控制偏差不到1到2Kg。米重控制器可以完美地避免这类原材料无谓消耗的难题。 解决开机和生产过程中主机电流波动而无法及时调整过来的问题 单靠操作工人观察主机电流的变化是很难时刻调得好，因为原料密度、熔温、流动性、电压波动、回收料和破碎料均匀度都是变化的，不规则的，有时当主机电流变大时操作工人把主机速度调小，可是管材还没出来时下一周期电流会更小，那么管材就更薄了，这就是“调反了”，像这种情况只有米重控制才会及时调整过来，因为系统本身就是时刻测量和运算。 解决新原料、再生料密度的变化或破碎料大小、比例的变化等问题 理想的原料堆积如图3所示，但实际上生产过程中其堆积方式就千变万化了，如果是有再生料或破碎料就更是变化大了，如图4所示。 这样的变化对管材的品质影响极大，从图5、图6、图7可以看出再生料的流动性不均匀，再生料的密度不匀且经常变化，有些再生料的干燥度不一样，还有再生料的比例也变化，这些因素任何技术再好的操作工人都无法把握。 加入破碎料的比例对生产管材的质量有很大影响，因为破碎料没经过造料，其大小不等，破碎料的流动性比原料差，由自由下料时新料会先被喂，到最后的是破碎料，当有大块的破碎料在螺杆口处没被喂进去时还会堵住，所以生产出来时会有一圈一圈的，这种情况有米重控制时都完全被克服。从图8和图9可以看出时刻调节主机转速的意义就是为了应对以上生产过程中的种种生产工况的变化。 解决更换不同厂家的原料出现废管的问题 每个企业都有开机工艺卡，当销售部下达订单时，操作工人都会对照这张开机工艺卡来开主机和牵引，比如主机开80RPM 牵引开50RPM 出来的管材就是工艺卡上的参数，如果所有的工况没发生变化时这没问题，因为这张工艺卡上的参数实际上是生产配方，是原来生产过程中的工艺记录，但更换了原料的话，用原来的配方生产就会产生变化了，最多也只能作为参考，但这种参考也要付出代价的，往往因为换了原料就产生了很多废管。 解决大料罐不满时管材越来越薄的问题 小料斗的每批次的重力压力是一致的，而大料罐喂料时其重力压力和其料位成正比关系，料位越低时如果不加快主机转速管材会越来越薄。 解决过滤网被堵造成废管的问题 过滤网被堵了，操作工人不能及时发现，管材也会越来越薄，米重控制会及时把主机转速调整过来。 解决能在米重下公差范围内进行控制生产 没有米重控制时由于管材厚度经常变化，波动大，所以都不敢把厚度往下调，总担心不达标，但偏厚的这些也都没其它办法来解决，用了米重控制把波动稳定下来就可以按下公差来生产了，如图10所示。 米重结合超声波在线测厚测偏仪是当今企业降低生产成本的重要手段 图11给出了超声波测厚测偏原理，设Dt 为两次回波的时间间隔，s 代表波在材料中传输的速度，则壁厚 = Dt * s。采用超声学的原理，运用精密的高频超声波传感器，加上高速数据采集和处理的高科技手段，能对生产线上运动的管材和线缆作非接触式的在线测量,高速采集和数据处理 , 通过彩色的现场监视器形象化地显示出管材四个（或六个、八个、十二个）方向的壁厚差别及偏心数据，提供给操作工或设备对壁厚及偏心作实时的调整控制，达到了快速准确，而且不损伤产品表面；仪器记录的历史数据又为产品的质量跟踪提供了可靠依据；在保证产品质量合格又节省原材料的前提下提高了生产效率和质量管理水平，排除了人工测量的低效率和不确定因素。软件界面参见图12和图13。 厚度测量准确了，而且不存在人为用卡尺的力度测量偏差，偏心也找准了并且及时的调整过来了，而不需要牵引管出来才发现，或者用打洞的方式，这样就可以及时按标准的下公差来生产了，品质保证了，原料节省了，经济效益立刻体现出来。 安装了米重控制和超声波在线测偏就可以节省操作工人 车间都上了这两种自动化设备，那么对工人的技术要求就不需要太高，只要经过简单的培训和操作就可以正常作业，由于管材的品质都是由仪器设备监控，多出来的工人就可以安排到时其它工作岗位，整个PE车间的操作工人就可以缩减。 数字重力计量控制的原理 重力计量结构 其中有关阀装置、支架、料斗托架、料斗、主框架、重力传感器、底座和冲击锥等组成，见图15。 重力计量安装位置 智能秤料装置安装在挤出机的喂料口处，见图16。 本智能秤料装置所起的作用就是小料斗不断地开阀下料，关阀下料，开阀下料循环控制，保证每批次的下料压力都为自由落体，压力都一致。 每一次的开阀和关阀再开阀都由微电脑严格按照以下流程控制： 第一步，料填充到料斗90%关阀装置动作，如图17。第二步，料往下自由落体向主螺杆喂料，如图18。第三步，当料下到料斗20%时开阀装置，如图19。打开重新填充料进行下一循环。 米重系统就是其于“失重”的原理，进行趋势测量，在很短的时间内测算出来其下料的流量，也就是我们所说的挤出量(Kg/h)，同时通过把牵引速度也测量出来进行运算就得出“米重”，每米的重量(kg/m)： 米重=挤出量/牵引速度 这就是米重控制器的由来，实际上就是数字重力计量测控原理。通过这套装置就可以做到只要一开机，把主机和牵引开起来就可以得知管材的“米重”，其实也就是其管材的厚度： 重量=体积x密度， 体积=3.14 x 高 x(外圆半径的平方-内圆半径的平方), 内圆半径=外圆半径-管材厚度 假设：外圆半径为R ，内圆半径为r ，管材厚度为D，高为h，米重为W,，体积为V，那么： W=V x β V=π x h x {R2-(R-D)2} W=π x h x {R2-(R-D)2}xβ D=R-{ R2-W/π x h x β}平方根, 从以上公式可知R、h、β都为常量，管材壁厚只与米重有关，所有只要把米重控制好，壁厚就能控制好。正因为一开机就可以测量出米重，每次生产不同规格的管材就很方便的和国家标准进行对比是否达标，是否合格，就不再需要完全等管材走完了牵引管再卡其壁厚来判断了。 控制原理 由连续挤出原理决定，要控制管材的厚度，就得要控制管材的米重。要控制管材的米重有两种方式实现：第一，牵引速度恒定，调节主机螺杆转速来调节喂料量（挤出量）；第二，主机转速恒定，调节牵引的快慢来调节管材的厚度。下面我们以第一种方式来调节主机的转速，只要把主机的变频器设定输入进行调节，其调节的量由微电脑固化的软件来调节，其输出调节原理为PID-比例积分微分调节： Δu(t) = q0e(t) + q1e(t-1) + q2e(t-2) q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T) q1 = -Kp(1+2Td/T) q2 = Kp Td /T 其中，Δu(t)为控制输出值，e(t)为米重测量与设定值之间的误差，Kp为比例系数，Ti是积分时间常数，Td为微分时间常数，T是调节周期。 案例 江苏某塑业有限公司早期将一台进口米重安装在PE500挤出线，也于2011年3月份购入一台海狮米重安装在金纬PE500单螺杆挤出机上，经过各方面对比，再购入一台海狮米重安装在金纬PE630单螺杆挤出机上，正常运行一个月后，经过对安装米重控制前后各方面对比，效益明显，随即管理层决定把其它五台金纬PE250单螺杆的挤出线全部安装了海狮米重，至此，企业总共安装了8台米重控制设备，安装一年来，一直稳定可靠的运行。 下表为2011年4月10日PE630挤出机生产线上生产设定27.80Kg/m ，切割长度为6.03米，米重控制前后质量记录数据见表1。 图20为正常开机稳定后米重控制前后的对比曲线图，显然，在安装米重控制器之后，产品质量稳定程度大增。没有安装米重开机时会产生废管，产生废管的多少每个企业或每个操作工都不一样，但当每产生1吨废管时再需要以下成本才能进行二次生产，各项成本测算见表2。 经过了二次塑化再做出来的管材品质也比初次的差，那么这1吨原料要减去212元利润了，由于每个企业的管理制度、责罚制度、操作工人的素质参差不齐，还有每个企业采购原料、设备新旧、电压波动等等因素决定了每个企业的废品率及每根管材的厚度偏差都不一致，那么我们用最低效益率2.5%来计算一下这8台米重控制去年一年下来所创造的效益。 结论 传统的PE管材生产过程采用开环控制原理，企业不可避免地要面临高废品率，在成本控制压力之下，企业选择米重控制器降低废品率，减少原材料消耗和人工成本，提高产品质量，是企业应对成本飞速上升压力的一个重要策略。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/23/2012)