統計過程控制在瀝青拌合站生產中的應用分析

夏雨， 冀國光， 郭岳， 季正軍

(1.山東省交通科學研究院， 山東 濟南 250001；2.天津濱海新區高速公路投資發展有限公司， 天津 300450)

隨著科技的發展和技術的革新，基于互聯網的瀝青拌合站監控系統應運而生。這類系統大多以管理者為核心，通過對超出技術要求的技術指標進行預警，對瀝青拌合站進行監控管理。拌合站生產的核心是操作人員及生產設備，通過建立早期預警系統及時發現生產過程中的異常現象和緩慢變異，可實現有效的現場質量預防和控制。統計過程控制(Statistical Process Control，SPC)強調全過程監控、全系統參與，并強調用科學方法來保證全過程預防，在制造業得到非常廣泛的應用，但在公路行業的應用尚未成熟。該文通過對瀝青拌合站生產過程關鍵控制點和關鍵控制參數進行統計過程控制，對其失控表現進行判斷，做到事前預防和控制，使生產過程處于僅受隨機性因素影響的受控狀態，達到控制質量、降低產能的目的。

1 SPC基本原理

SPC借助數理統計方法直接分析數據隨時間變化的規律，判斷工序是否處于穩定狀態。任何生產的產品質量總會存在一定程度波動，當其僅受偶然因素影響時，根據中心極限定理，其服從正態分布N(μ，σ2)，在正態分布μ±3σ范圍產生的概率為99.73%，一般認為不會超出該界限，若超出該界限，則生產過程可能失控或不穩定。通過區分質量波動是由偶然因素還是系統因素所引起，及時從“人、機、料、法、環”查找原因，判斷產品是否處于可控狀態，及時消除異常因素引起的質量異常，從而提高質量，降低成本。

圖1 控制圖示例

SPC應用分為分析階段和監控階段，這兩個階段的控制圖分別稱為分析用控制圖和控制用控制圖。分析階段通過對一段時間生產數據的分析，判斷生產中有無異常情況，檢驗生產過程是否處于統計穩定狀態及過程能力是否足夠。如果存在控制點越出UCL或LCL界限，則分析原因進行改進，并重新準備生產及分析，直至滿足要求后方可進入SPC監控階段。監控階段主要采用分析階段控制圖進行監控，將生產過程數據及時繪制到控制圖中，并密切關注控制圖中點的波動情況，通過分析數據異常情況或緩慢變異及時消除其影響。

2 瀝青拌合站關鍵指標判異準則及過程能力分析

瀝青拌合站是生產瀝青混合料的生產線，將瀝青拌合站每一盤混合料作為一個產品，以拌合站各傳感器采集的重量、溫度等數據作為SPC數據源，篩選影響混合料質量的關鍵因素，主要包括瀝青用量、關鍵篩孔(0.075、2.36、4.75 mm等)通過率、集料加熱溫度、混合料出廠溫度等，將這些參數繪制控制圖進行分析，滿足要求后進行SPC監控階段，發現異常及時進行消除。

SPC分析階段主要判斷生產過程是否處于統計控制狀態或存在緩慢變異情況，基本判異準則為：1) 有1點落在控制線之外[見圖2(a)]；2) 連續9點在中心線同一側[見圖2(b)]；3) 連續6點呈上升或下降趨勢[見圖2(c)]；4) 連續14個相鄰點上下交替[見圖2(d)]；5) 連續3點中有2點落在中心線同一側的B區以外[見圖2(e)]；6) 連接5個點中有4點落在中心線同一側的C區以外[見圖2(f)]；7) 連續15點在C區中心線上下[見圖2(g)]；8) 連續8點在中心線兩側且無一在C區內[見圖2(h)]。若發生判異情況，及時進行原因分析并予以消除。

圖2 判異準則示意圖

瀝青拌合站關鍵指標過程能力是指工序在一定時間里處于控制狀態下的實際加工能力。通常用Cp表示過程加工的一致性即質量能力，常用客戶滿意的偏差范圍除以6倍西格瑪的結果來表示，Cp越大則質量能力越強；用Cpk反映過程中心與公差中心的偏移情況，常用客戶滿意的上限偏差值減去平均值和平均值減去下限偏差值中數值小的一個再除以3倍西格瑪的結果來表示，Cpk越大則兩者的偏離越小，是過程的質量能力與管理能力的綜合結果。Cpk的評級標準：1)Cpk≥1.67時，表明能力過高，允許較大的外來波動，以提高效率，降低成本；2) 1.67>Cpk≥1.33時，表明能力充分，允許一定程度的外來波動，應繼續保持；3) 1.33>Cpk≥1.0時，表明能力尚可，應防止外來波動，注意產品檢驗；4) 1.0>Cpk≥0.67時，表明能力不足，應分析極差過大的原因并采取措施；5)Cpk<0.67時，表明能力嚴重不足，應追查各方面原因并對工藝進行改革。

3 瀝青用量過程控制分析

3.1 數據采集

瀝青用量是瀝青混合料的最關鍵技術指標，在拌合站生產時，根據設定的瀝青用量，通過計量系統進行稱重。以瀝青拌合站采集125盤AC-25逐盤打印記錄為數據源，設計瀝青用量為4.1%，樣本大小n為5，共收集25組數據，計算每組數據的均值和極差。

3.2 SPC控制圖繪制

圖3 瀝青用量控制圖

3.3 數據分析

根據過程能力分析圖(見圖4)，生產配合比設計瀝青用量為4.1%，過程能力指數Cp與Cpk分別為1.47、1.05，參照Cpk評級標準，能力尚可，均值與目標值仍存在差異。其原因是瀝青拌合站生產過程處于穩態，但計量系統存在偏差尚未修正，應將設計值與平均值之差的0.09%作為偏差對計量系統進行修正。

圖4 瀝青用量過程能力分析圖

《公路瀝青路面施工技術規范》要求逐盤在線檢測瀝青用量控制在±0.3%范圍內。通過拌合站數據分析，發現瀝青用量極差為0.27%、上下限控制線之差為0.18%，按逐盤在線檢測范圍差0.6%進行控制顯得太過寬泛，試驗過程中也發現瀝青用量的波動對混合料空隙率、礦料間隙率、飽和度等影響極其敏感，故建立更嚴苛的控制標準可行。在進行SPC質量控制時，瀝青用量技術指標可按±0.15%進行控制，并將該圖轉換為控制用控制圖，將生產過程瀝青用量及時繪制到控制圖中，發現異常波動及時進行消除。

4 關鍵篩孔過程控制分析

4.1 數據采集

骨料級配是影響瀝青混合料質量的主要因素之一，瀝青拌合站生產時，骨料經熱料倉篩分后按設定生產比例進行稱重，與瀝青拌合后生產出成品混合料。主要監控0.075、2.36、4.75 mm及公稱最大粒徑、中間粒徑5個篩孔通過率。以瀝青拌合站采集125盤AC-25逐盤打印記錄為數據源，以2.36 mm通過率為例，生產配合比設計2.36 mm通過率為23.2%，樣本大小n為5，共收集25組，計算每組數據的均值、極差。

4.2 SPC控制圖繪制

圖5 2.36 mm通過率控制圖

4.3 數據分析

根據過程能力分析圖(見圖6)，Cp與Cpk分別為8.84、8.38，參照Cpk評級標準，能力過于充足，但拌合站生產中冷料的變異及除塵過程中變異極大，該指標僅能說明在原材料無變異狀態下生產的瀝青混合料是穩定的。

圖6 2.36 mm通過率過程能力分析圖

規范要求逐盤在線檢測2.36 mm通過率為±5%，通過拌合站數據分析，發現2.36 mm通過率極差為1.15%，上下控制線之差為0.5%，在熱料倉穩定的情況下，規范指標顯得太過寬泛。因此，在進行SPC質量控制時，2.36 mm通過率的技術指標可按±2%進行控制，并將該圖轉為控制用控制圖，將生產過程通過率數據及時繪制到控制圖中，發現異常波動及時進行消除。

5 成品混合料溫度過程控制分析

5.1 數據采集

溫度是瀝青混合料成品生產過程中關鍵一環，溫度過高將導致拌合站產能浪費，混合料過度老化；溫度過低將影響混合料攤鋪質量，降低路面品質。而溫度指標受人為因素干擾最大。以瀝青拌合站采集125盤AC-25逐盤打印記錄為數據源，以成品料溫度檢測為例，瀝青混合料成品溫度宜控制在150～160 ℃，樣本大小n為5，共收集25組，計算每組數據的均值、極差。

5.2 控制圖繪制

圖7 成品混合料溫度控制圖

5.3 數據分析

根據過程能力分析圖(見圖8)，Cp與Cpk分別為0.59、-0.03，參照過Cpk評級標準，能力嚴重不足。其原因主要為拌合站開機后，前期生產階段溫度尚

圖8 成品混合料溫度過程能力分析圖

未穩定，拌合站操作人員仍處于對設備的磨合階段，對拌合站溫度變化不能作出預判。后期溫度慢慢穩定，變化趨勢并不明顯。

采用SPC對溫度的過程質量控制往往需要拌合站穩定后的25組以上樣本數據，溫度變化受集料含水量、粉塵含量等不確定因素影響較大，往往需多次調整，該方法對拌合站指導性不強，需采用一種即時反饋溫度變化的控制圖表。將拌合站監控的料溫與溜槽溫度按時間進度繪制單點值及5點移動平均值曲線(見圖9)，發現單值的變化呈鋸齒狀，表現溫度即時波動變化，而移動平均值曲線總體變化平緩，可通過其判斷偏離目標程度及時預測溫度變化趨勢；溜槽溫度與料溫總體走勢相同，拌合站操作人員可通過其共同走勢預測溫度變化趨勢及時進行修正。采用單點-移動平均值控制圖對溫度進行過程控制方便、簡潔，更實用。

圖9 單點-移動平均值溫度控制圖

6 結論

(1) SPC過程控制對瀝青用量指標的過程控制效果最佳；對于篩孔通過率，因原材料存在變異，僅能表明生產過程是否處于穩態；對于溫度，則因變化趨勢浮動較大，采用SPC方法指導意義不大，采用單點-移動平均值控制圖方法更實用。

(2) 對于拌合站的瀝青用量和關鍵篩孔通過率，規范給出的逐盤在線檢測技術指標太過寬泛。伴隨新技術的革新，拌合站越來越穩定，在進行SPC過程控制時，瀝青用量可按±0.15%進行控制，關鍵篩孔通過率可按±2%進行控制。

(3) 瀝青拌合站溫度指標的波動大，需要較長的周期才能穩定，采用SPC方法指導意義不大，建議采用單點-移動平均值方法按時間進度繪制成圖，對溫度偏離目標范圍程度進行分析，并及時預測溫度變化趨勢，實現對溫度的過程質量控制。

(4) 瀝青混合料拌合站生產過程中集料變異一直存在，很難從單一途徑解決，在對篩孔通過率進行在線SPC過程控制的基礎上，還需加強對熱料倉變異情況的監測，確保瀝青混合料成品質量。