PE管材生產(chǎn)中的數字重力計量控制
原油價(jià)格不斷上漲，導致PE管材行業(yè)的原料成本飛速提高。近年來(lái)，PE管業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩，競爭日趨激烈，價(jià)格不漲反跌。隨著(zhù)用工荒的出現，工人工資也不斷提高。多種因素導致利潤日趨微薄，對PE管業(yè)來(lái)說(shuō)，探索降低生產(chǎn)成本、提升企業(yè)利潤的道路，已經(jīng)迫在眉睫。
通過(guò)對PE管業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的考察發(fā)現，生產(chǎn)企業(yè)加強內部質(zhì)量控制，可以極大地降低生產(chǎn)成本。由于PE管業(yè)在“塑料擠出”、“吹膜擠出”、“電纜擠出”等環(huán)節普遍都是采用開(kāi)環(huán)控制，其主機和牽引速度均為PLC事先設定的固定信號輸出，一般而言，從螺桿到牽引后面的切割其距離有50m左右的長(cháng)度，導致生產(chǎn)出來(lái)的管材厚度只能經(jīng)過(guò)這50m擠出后才能用卡尺測量來(lái)判斷管材厚薄，然后手動(dòng)對主機或牽引進(jìn)行調整。盡管大PE管材可以通過(guò)在真空箱后面鉆孔來(lái)測量其壁厚，但是，最終仍然是通過(guò)手動(dòng)對機器進(jìn)行調整，極大的影響生產(chǎn)效率。
在生產(chǎn)過(guò)程中，還需要面對來(lái)自每班次或每批次生產(chǎn)的原料密度、熔溫、流動(dòng)性、電壓波動(dòng)，有的還加上回收料和破碎料等方面的不確定性因素，造成生產(chǎn)過(guò)程的高廢品率。在居高不下的生產(chǎn)成本壓力下，借助數控軟件，加強PE管材的質(zhì)量控制和節能控制過(guò)程，能夠極大地提高企業(yè)生產(chǎn)效率，顯著(zhù)地減少廢品率，降低生產(chǎn)成本。
數字重力計量控制原理應用
解決企業(yè)堆積如山的廢管
圖1是某PE管材企業(yè)廠(chǎng)房里堆積的不合格管材，圖2為不合格管材的破碎回收作業(yè)。這種場(chǎng)面對絕大多數的PE管材生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)都十分常見(jiàn)，其主要的原因就是沒(méi)有安裝米重控制設備。如果在生產(chǎn)過(guò)程中崁入米重控制設備，只要一開(kāi)主機和牽引就可得知管材是否達標，不達標就不可能再進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)出來(lái)的就是達標的產(chǎn)品，不用等到這四五十米的牽引線(xiàn)走完才知道。對于250,315,450,630,800，1200這類(lèi)管材，只要開(kāi)機生產(chǎn)出一個(gè)廢品，就是幾十米的廢管，企業(yè)的損失就非常巨大。而借助米重控制器，降低生產(chǎn)過(guò)程中的廢品率就可以節省人工、電費、時(shí)間，從而，在多個(gè)方面給企業(yè)節省成本，創(chuàng )造利潤。
解決開(kāi)機和生產(chǎn)過(guò)程中米重偏差的浪費難題
操作工人擔心做出廢管而受懲罰，開(kāi)機的時(shí)候往往先把主機開(kāi)好，然后把牽引的都開(kāi)慢些，管材肯定不會(huì )變薄但此時(shí)管材往往偏厚，等管材牽引出來(lái)后再把牽引開(kāi)快些來(lái)調節，有時(shí)調多兩次，有時(shí)又會(huì )調過(guò)頭了，管材偏厚當然是合格了，可是這是以犧牲原料成本為代價(jià)。操作工人遞交給老板的數據一般全部都是合格，但實(shí)際上存在很大偏差，比如9米630的管材上下波動(dòng)有的達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這類(lèi)原材料無(wú)謂消耗的難題。
解決開(kāi)機和生產(chǎn)過(guò)程中主機電流波動(dòng)而無(wú)法及時(shí)調整過(guò)來(lái)的問(wèn)題
單靠操作工人觀(guān)察主機電流的變化是很難時(shí)刻調得好，因為原料密度、熔溫、流動(dòng)性、電壓波動(dòng)、回收料和破碎料均勻度都是變化的，不規則的，有時(shí)當主機電流變大時(shí)操作工人把主機速度調小，可是管材還沒(méi)出來(lái)時(shí)下一周期電流會(huì )更小，那么管材就更薄了，這就是“調反了”，像這種情況只有米重控制才會(huì )及時(shí)調整過(guò)來(lái)，因為系統本身就是時(shí)刻測量和運算。
解決新原料、再生料密度的變化或破碎料大小、比例的變化等問(wèn)題
理想的原料堆積如圖3所示，但實(shí)際上生產(chǎn)過(guò)程中其堆積方式就千變萬(wàn)化了，如果是有再生料或破碎料就更是變化大了，如圖4所示。
這樣的變化對管材的品質(zhì)影響極大，從圖5、圖6、圖7可以看出再生料的流動(dòng)性不均勻，再生料的密度不勻且經(jīng)常變化，有些再生料的干燥度不一樣，還有再生料的比例也變化，這些因素任何技術(shù)再好的操作工人都無(wú)法把握。
加入破碎料的比例對生產(chǎn)管材的質(zhì)量有很大影響，因為破碎料沒(méi)經(jīng)過(guò)造料，其大小不等，破碎料的流動(dòng)性比原料差，由自由下料時(shí)新料會(huì )先被喂，到最后的是破碎料，當有大塊的破碎料在螺桿口處沒(méi)被喂進(jìn)去時(shí)還會(huì )堵住，所以生產(chǎn)出來(lái)時(shí)會(huì )有一圈一圈的，這種情況有米重控制時(shí)都完全被克服。從圖8和圖9可以看出時(shí)刻調節主機轉速的意義就是為了應對以上生產(chǎn)過(guò)程中的種種生產(chǎn)工況的變化。
解決更換不同廠(chǎng)家的原料出現廢管的問(wèn)題
每個(gè)企業(yè)都有開(kāi)機工藝卡，當銷(xiāo)售部下達訂單時(shí)，操作工人都會(huì )對照這張開(kāi)機工藝卡來(lái)開(kāi)主機和牽引，比如主機開(kāi)80RPM 牽引開(kāi)50RPM 出來(lái)的管材就是工藝卡上的參數，如果所有的工況沒(méi)發(fā)生變化時(shí)這沒(méi)問(wèn)題，因為這張工藝卡上的參數實(shí)際上是生產(chǎn)配方，是原來(lái)生產(chǎn)過(guò)程中的工藝記錄，但更換了原料的話(huà)，用原來(lái)的配方生產(chǎn)就會(huì )產(chǎn)生變化了，最多也只能作為參考，但這種參考也要付出代價(jià)的，往往因為換了原料就產(chǎn)生了很多廢管。
解決大料罐不滿(mǎn)時(shí)管材越來(lái)越薄的問(wèn)題
小料斗的每批次的重力壓力是一致的，而大料罐喂料時(shí)其重力壓力和其料位成正比關(guān)系，料位越低時(shí)如果不加快主機轉速管材會(huì )越來(lái)越薄。
解決過(guò)濾網(wǎng)被堵造成廢管的問(wèn)題
過(guò)濾網(wǎng)被堵了，操作工人不能及時(shí)發(fā)現，管材也會(huì )越來(lái)越薄，米重控制會(huì )及時(shí)把主機轉速調整過(guò)來(lái)。
解決能在米重下公差范圍內進(jìn)行控制生產(chǎn)
沒(méi)有米重控制時(shí)由于管材厚度經(jīng)常變化，波動(dòng)大，所以都不敢把厚度往下調，總擔心不達標，但偏厚的這些也都沒(méi)其它辦法來(lái)解決，用了米重控制把波動(dòng)穩定下來(lái)就可以按下公差來(lái)生產(chǎn)了，如圖10所示。
米重結合超聲波在線(xiàn)測厚測偏儀是當今企業(yè)降低生產(chǎn)成本的重要手段
圖11給出了超聲波測厚測偏原理，設Dt 為兩次回波的時(shí)間間隔，s 代表波在材料中傳輸的速度，則壁厚 = Dt * s。采用超聲學(xué)的原理，運用精密的高頻超聲波傳感器，加上高速數據采集和處理的高科技手段，能對生產(chǎn)線(xiàn)上運動(dòng)的管材和線(xiàn)纜作非接觸式的在線(xiàn)測量,高速采集和數據處理 , 通過(guò)彩色的現場(chǎng)監視器形象化地顯示出管材四個(gè)（或六個(gè)、八個(gè)、十二個(gè)）方向的壁厚差別及偏心數據，提供給操作工或設備對壁厚及偏心作實(shí)時(shí)的調整控制，達到了快速準確，而且不損傷產(chǎn)品表面；儀器記錄的歷史數據又為產(chǎn)品的質(zhì)量跟蹤提供了可靠依據；在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格又節省原材料的前提下提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量管理水平，排除了人工測量的低效率和不確定因素。軟件界面參見(jiàn)圖12和圖13。
厚度測量準確了，而且不存在人為用卡尺的力度測量偏差，偏心也找準了并且及時(shí)的調整過(guò)來(lái)了，而不需要牽引管出來(lái)才發(fā)現，或者用打洞的方式，這樣就可以及時(shí)按標準的下公差來(lái)生產(chǎn)了，品質(zhì)保證了，原料節省了，經(jīng)濟效益立刻體現出來(lái)。
安裝了米重控制和超聲波在線(xiàn)測偏就可以節省操作工人
車(chē)間都上了這兩種自動(dòng)化設備，那么對工人的技術(shù)要求就不需要太高，只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的培訓和操作就可以正常作業(yè)，由于管材的品質(zhì)都是由儀器設備監控，多出來(lái)的工人就可以安排到時(shí)其它工作崗位，整個(gè)PE車(chē)間的操作工人就可以縮減。
數字重力計量控制的原理
重力計量結構
其中有關(guān)閥裝置、支架、料斗托架、料斗、主框架、重力傳感器、底座和沖擊錐等組成，見(jiàn)圖15。
重力計量安裝位置
智能秤料裝置安裝在擠出機的喂料口處，見(jiàn)圖16。
本智能秤料裝置所起的作用就是小料斗不斷地開(kāi)閥下料，關(guān)閥下料，開(kāi)閥下料循環(huán)控制，保證每批次的下料壓力都為自由落體，壓力都一致。
每一次的開(kāi)閥和關(guān)閥再開(kāi)閥都由微電腦嚴格按照以下流程控制：
第一步，料填充到料斗90%關(guān)閥裝置動(dòng)作，如圖17。第二步，料往下自由落體向主螺桿喂料，如圖18。第三步，當料下到料斗20%時(shí)開(kāi)閥裝置，如圖19。打開(kāi)重新填充料進(jìn)行下一循環(huán)。
米重系統就是其于“失重”的原理，進(jìn)行趨勢測量，在很短的時(shí)間內測算出來(lái)其下料的流量，也就是我們所說(shuō)的擠出量(Kg/h)，同時(shí)通過(guò)把牽引速度也測量出來(lái)進(jìn)行運算就得出“米重”，每米的重量(kg/m)：
米重=擠出量/牽引速度
這就是米重控制器的由來(lái)，實(shí)際上就是數字重力計量測控原理。通過(guò)這套裝置就可以做到只要一開(kāi)機，把主機和牽引開(kāi)起來(lái)就可以得知管材的“米重”，其實(shí)也就是其管材的厚度：
重量=體積x密度，
體積=3.14 x 高 x(外圓半徑的平方-內圓半徑的平方),
內圓半徑=外圓半徑-管材厚度
假設：外圓半徑為R ，內圓半徑為r ，管材厚度為D，高為h，米重為W,，體積為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,
從以上公式可知R、h、β都為常量，管材壁厚只與米重有關(guān)，所有只要把米重控制好，壁厚就能控制好。正因為一開(kāi)機就可以測量出米重，每次生產(chǎn)不同規格的管材就很方便的和國家標準進(jìn)行對比是否達標，是否合格，就不再需要完全等管材走完了牽引管再卡其壁厚來(lái)判斷了。
控制原理
由連續擠出原理決定，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兩種方式實(shí)現：第一，牽引速度恒定，調節主機螺桿轉速來(lái)調節喂料量（擠出量）；第二，主機轉速恒定，調節牽引的快慢來(lái)調節管材的厚度。下面我們以第一種方式來(lái)調節主機的轉速，只要把主機的變頻器設定輸入進(jìn)行調節，其調節的量由微電腦固化的軟件來(lái)調節，其輸出調節原理為PID-比例積分微分調節：
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)為控制輸出值，e(t)為米重測量與設定值之間的誤差，Kp為比例系數，Ti是積分時(shí)間常數，Td為微分時(shí)間常數，T是調節周期。
案例
江蘇某塑業(yè)有限公司早期將一臺進(jìn)口米重安裝在PE500擠出線(xiàn)，也于2011年3月份購入一臺米重安裝在閔氏塑料設備集團PE500單螺桿擠出機上，經(jīng)過(guò)各方面對比，再購入一臺米重安裝在閔氏塑料設備集團PE630單螺桿擠出機上，正常運行一個(gè)月后，經(jīng)過(guò)對安裝米重控制前后各方面對比，效益明顯，隨即管理層決定把其它五臺閔氏塑料設備集團PE250單螺桿的擠出線(xiàn)全部安裝了米重，至此，企業(yè)總共安裝了8臺米重控制設備，安裝一年來(lái)，一直穩定可靠的運行。
下表為2011年4月10日PE630擠出機生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)設定27.80Kg/m ，切割長(cháng)度為6.03米，米重控制前后質(zhì)量記錄數據見(jiàn)表1。
圖20為正常開(kāi)機穩定后米重控制前后的對比曲線(xiàn)圖，顯然，在安裝米重控制器之后，產(chǎn)品質(zhì)量穩定程度大增。沒(méi)有安裝米重開(kāi)機時(shí)會(huì )產(chǎn)生廢管，產(chǎn)生廢管的多少每個(gè)企業(yè)或每個(gè)操作工都不一樣，但當每產(chǎn)生1噸廢管時(shí)再需要以下成本才能進(jìn)行二次生產(chǎn)，各項成本測算見(jiàn)表2。
經(jīng)過(guò)了二次塑化再做出來(lái)的管材品質(zhì)也比初次的差，那么這1噸原料要減去212元利潤了，由于每個(gè)企業(yè)的管理制度、責罰制度、操作工人的素質(zhì)參差不齊，還有每個(gè)企業(yè)采購原料、設備新舊、電壓波動(dòng)等等因素決定了每個(gè)企業(yè)的廢品率及每根管材的厚度偏差都不一致，那么我們用最低效益率2.5%來(lái)計算一下這8臺米重控制去年一年下來(lái)所創(chuàng )造的效益。
結論
傳統的PE管材生產(chǎn)過(guò)程采用開(kāi)環(huán)控制原理，企業(yè)不可避免地要面臨高廢品率，在成本控制壓力之下，企業(yè)選擇米重控制器降低廢品率，減少原材料消耗和人工成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，是企業(yè)應對成本飛速上升壓力的一個(gè)重要策略。
相關(guān)管材米重控制系統信息請瀏覽http://www.minshigroup.cn/cnproduct/PipeAuxiliary/PipeMeterWeight/或致電13864210210垂詢(xún)。
相關(guān)管材擠出設備信息請瀏覽http://www.minshigroup.cn/cnproduct/Pipeline/ 或致電13864210210垂詢(xún)。
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