密煉機注油工藝故障分析及防范

陳小霞，都虎林，郭建國，王日瓏，常 偉，孫學杰

（山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠 265400）

密煉機上輔機智能控制系統可編程邏輯控制器（PLC）采用計算機網絡控制，多臺計算機通過網絡進行連接。PLC的主要任務是完成炭黑和油料等物料輸送、自動稱量、自動投料，配方維護，密煉機控制（包括工藝條件控制等）以及報表存儲、打印等，具有動態在線監視和故障判斷報警等功能[1-2]。該系統可根據需要單獨操作其中一部分，也可在不停止整個系統和沒有上輔機的情況下進行現場手動、半自動、全自動等多種方式工作，其優點是一部分出現故障并不影響其他部分的工作[3-4]。PLC具備故障判斷報警功能，能夠使操作人員和設備維護人員迅速排除故障并恢復生產[5-6]。

油料自動稱量系統是PLC的重要組成部分，上位機將稱量配方傳給下位機，啟動油料稱量操作，備好油料后，密煉機接收PLC程序的注油命令進行自動注油。本文針對密煉機注油發生故障后，如何通過PLC程序進行故障判斷報警和防錯進行探討。

1 密煉機注油系統介紹

油料輸送、儲存主要由輸油泵和儲油罐完成。根據輸送距離長短，輸油泵可選擇齒輪泵（適于短距離）或螺桿泵（適于長距離）；儲油罐數量由工藝配方確定。

油料秤多由不銹鋼材料制成，可有效防止秤體腐蝕。油料秤通常采用斗式結構，秤斗下方安裝一個備料斗。備料斗進油口裝有氣動截止閥或氣動球閥。油料秤和備料斗均置于保溫室內。通過蛇形蒸汽管或電加熱板加熱保溫室，加熱溫度由熱電阻或其他溫度控制儀表控制。油料秤由一臺置于保溫室頂部的臺秤懸掛，也可采用3或4只拉力傳感器吊裝。進油管路采用粗細兩種規格，分別由其上的氣動截止閥或球閥控制進油速度。進油管路數量取決于油品種的數量。料位計安裝在油泵進口管路上，控制油泵注油。油泵出口裝有單向閥、排氣閥、空氣清掃管等。注油結束后，通過壓縮空氣清掃油管中的殘余油，以保證添加油料的質量準確。

注油系統（見圖1）通過PLC程序控制，按當前生產配方備好物料，密煉機開始進料，按照混煉工藝進行到注油步驟：加油開始→注油電動機動作→低料位確認（2～5 s）→注油電動機停止→吹油閥動作（吹油2～5 s）→注油完成。

圖1 注油系統示意

2 密煉機注油故障分析

生產過程中，密煉機發生注油壓力過低、管路堵塞、單向閥故障、料位計故障、注油電動機故障等問題時，會導致注油過程異常。某些故障還會導致密煉機持續執行工藝步驟中的加油動作，無法復位執行下一步混煉步驟，直至觸發PLC程序“超時排膠時間”命令（“超時排膠時間”是為了保護密煉機在生產過程中因異常導致混煉時間過長、膠料過煉甚至引起火災而設定的保護功能）后進行卸料，影響該車膠料質量。由于目前密煉機無監控防范功能，在工人不能及時發現的情況下，該注油故障會持續發生，最終導致產生批量膠料質量事故。

常見注油故障類型及對膠料質量的影響如表1所示。

表1 常見注油故障類型及對膠料質量的影響

2.1 注油壓力過低

在設備和工藝參數不變的情況下，注油壓力大小直接決定注油時間長短以及油料注入量。注油壓力過低和正常狀態下的注油時間如圖2所示。

由圖2可知，注油壓力過低時的注油時間在15～65 s之間波動，注油壓力正常時的注油時間在16～17 s之間波動。

圖2 注油壓力過低和正常狀態下的注油時間

通過跟蹤試驗，得到注油壓力過低和正常狀態下膠料的最小轉矩，如圖3所示。

由圖3可知：注油壓力正常狀態下，膠料最小轉矩在2.12～2.25 dN·m之間波動，均值為2.18 dN·m，變異系數僅為1.4%；注油壓力過低時，膠料最小轉矩在2.34～2.49 dN·m之間波動，均值為2.41 dN·m，變異系數為5.1%，說明注油壓力過低導致油量加入不足，注油時間延長，從而降低了膠料的加工性能。

圖3 注油壓力過低和正常狀態下膠料的最小轉矩

2.2 料位計信號故障

生產過程中油料加完與否，通過管路中的料位計進行判斷，料位計感應不到油料，說明加油過程已完成。料位計信號故障和正常狀態下的注油時間如圖4所示。

圖4 料位計信號故障和正常狀態下的注油時間

由圖4可知：料位計信號正常時的注油時間在14～16 s之間波動；料位計信號故障時的注油時間在8～32 s之間波動。注油時間較短，說明管路中油料未加完，但料位計給出的信號為管路中油料已加完，造成管路中油料積壓，導致該車次少加油；注油時間過長，說明將前幾車次管路中積壓的油料全部加入該車次中，導致加油量過多。注油時間的長短可表征該車次加油量的多少，由此可知料位計信號故障會嚴重影響生產過程中的實際注油量。

料位計信號故障和正常狀態下膠料的門尼粘度如圖5所示。

由圖5可知，在同一機臺上（原材料、工藝等均不變），料位計信號正常狀態下膠料的門尼粘度在54～56之間波動，料位計信號故障時膠料的門尼粘度在43～61之間波動，說明料位計信號故障嚴重影響膠料的質量，這與上述分析料位計信號故障時影響實際注油量的結論相對應。

圖5 料位計信號故障和正常狀態下膠料的門尼粘度

2.3 注油電動機故障

注油電動機故障和正常狀態下的注油時間如圖6所示。

由圖6可知，注油電動機正常時的注油時間在10～13 s之間波動，注油電動機故障時的注油時間在19～130 s之間波動，當注油時間約為130 s時將觸發“超時排膠時間”命令。因該工藝設定為提壓砣注油，導致該車次膠料持續保持在提壓砣注油狀態下直至超時排膠（混煉曲線見圖7），嚴重影響膠料的質量。

圖6 注油電動機故障和正常狀態下的注油時間

圖7 注油電動機故障導致該車次膠料在提壓砣狀態下超時排膠的混煉曲線

不同類型的注油故障均有可能導致批量膠料質量隱患，必須對其進行監控防范，從而在生產管理上予以杜絕。但上述注油故障的發生具有偶然性，這就造成在生產管理上不能人工對其進行實時監控。因此，從電氣運行的角度上設計一套能夠對注油故障進行實時監控的防范方案，以杜絕批量膠料質量事故的發生。

3 PLC程序設計注油故障監控防范方案

3.1 設定“注油最長時間”復位功能

由于注油系統發生故障時，密煉機一直執行工藝步驟中的加油動作，直至觸發“超時排膠時間”命令，導致該車次膠料出現散料（提壓砣注油時）或過煉問題（壓壓砣注油時）。

鑒于此，我公司在PLC程序上設定“注油最長時間”復位功能對加油動作超時進行限定，從接收到密煉機注油命令開始計時，達到PLC程序設定的“注油最長時間”（例如50 s）后，默認加油動作完成，動作復位，繼續執行后續混煉步驟。執行“注油最長時間”復位功能后膠料的混煉曲線見圖8。該功能設定后，可以大大降低膠料散料或過煉超高溫的風險。

圖8 執行“注油最長時間”復位功能的混煉曲線

3.2 設定“注油超時阻料”功能

當注油系統發生故障時，設定PLC程序“注油最長時間”命令可以降低該車次膠料散料或過煉的風險，但不能提醒在線生產人員及時發現問題、排除故障。因此，我公司在PLC程序上增加了“注油超時阻料”命令，注油故障發生后，一旦觸發了“注油最長時間”命令，PLC將發出報警提示和接通報警鈴提示在線生產人員，并且執行“注油超時阻料”命令，直至維保人員完成故障排除。

4 結論

通過在PLC程序上設定“注油最長時間”復位功能和“注油超時阻料”功能，實現了對密煉機注油故障的實時監控與防范，從而降低了因注油故障導致膠料散料或膠料過煉超高溫的風險，并可預防故障延續、批量膠料質量事故的發生。