炭黑及粉料智能稱量控制方法

葉峰，欒升國，章海龍

( 杭州中策清泉實業有限公司，浙江 杭州 311404)

現代橡膠輪胎工業領域中，密煉機上輔機自動控制系統在實際生產過程中的使用已經非常普遍。一般情況下，上輔機系統主要負責各種物料，如膠料、炭黑、粉料、油料、小料的稱量、準備，并控制密煉機進行自動密煉生產。

上輔機系統在進行炭黑、粉料稱量過程中，由于各種干預因素（如有炭黑輸送的日罐內殘余空氣的影響，秤斗呼吸濾袋堵塞，平臺振動，物料潮濕、結塊，稱量參數設置不合理等）的影響，經常會出現稱量超差、超時現象。

在有氣力輸送的上輔機系統中，如果日罐除塵器濾袋堵塞，或者正在進行氣力輸送，物料潮濕、結塊，在這些典型情況下進行炭黑、粉料稱量，更是極易出現炭黑、粉料稱量超差。

某些粉料比重很低（如木質素），下料速度慢，極易出現稱量超差或者超時。

傳統的炭黑、粉料稱量控制方法，稱量動作主要包括快稱、慢稱、點動等，如圖1 所示，現有技術中的上述控制方法在實際生產中經常會出現慢稱動作一停，就直接出現超差的情況。如果出現超差、超時等情況，需要人工不斷的調整各種稱量參數，如慢稱值、提前量、調整值、點動值，變頻高速值、變頻低速值等。這些比較專業的參數，好多工藝、設備、操作人員經常弄不清楚，造成稱量合格率低。

圖1 常規炭黑及粉料稱量控制工藝圖

此外，現有技術中常規的炭黑及粉料稱量控制方法的流程如圖2 所示，主要包以下步驟：在快稱階段以較快的速度控制稱量下料機構下料，然后進入慢稱階段以較慢的速度控制稱量下料機構下料，直至秤內物料的稱重重量達到預設的予關門值，控制稱量下料機構停止下料。若關門后當前稱重值未達到稱量下限值，則以點動稱量的方式控制補料。大量的實踐發現，點動值設定不合理，會經常出現超差，或者因為點動下來的料少，系統會頻繁進行點動- 判斷誤差再點動等反復動作，導致稱量超時。

圖2 常規炭黑及粉料稱量控制工藝流程圖

炭黑、粉料稱量合格率是保障密煉后膠料質量的一個關鍵指標。物料稱量合格率的高低，直接影響最終膠料的品質如何，是膠料品質的一大重要保證和前提。因此，如何在減少人工參與的情況下提高炭黑、粉料的稱量合格率及稱量效率，從而提高膠料質量，是密煉生產、工藝、設備人員的一大重要任務。

為了解決上述問題，我們在生產實踐中研發了一種新的炭黑及粉料智能稱量控制系統及方法，對現有的稱量控制方法進行改進，在減少人工介入的情況下可以充分提高炭黑及粉料稱量的合格率及稱量效率。

1 常規炭黑及粉料稱量控制工藝

上輔機系統炭黑及粉料的常規稱量控制工藝，可以參考圖1，常規炭黑及粉料稱量控制工藝圖所示。

常規炭黑及粉料稱量控制工藝動作，主要分高速稱量，低速稱量，予關門，點動等幾個環節。需要人工設置的參數類型比較多，如：慢稱值，提前量，點動值，調整值，變頻高速值，變頻低速值等。部分需要人工在上位機電腦畫面中設定的參數，如圖3 所示。

圖3 常規稱量方式，上位機電腦畫面中部分參數設置

常規的稱量控制方法，存在如下的問題：

（1）快稱直接變為慢稱，導致容易出現稱量超差現象。

（2）每種物料設定的提前量值，當日罐內物料狀態不同、配方稱量誤差要求不同時，需要經常人工調整提前量。

（3）提前量值的自動調整效果不理想，極易超差。

（4）頻繁點動稱量容易導致稱量超時、超差。

（5）參數設置專業性較高，不利于普通用戶理解，使用。

2 炭黑及粉料智能稱量控制工藝

炭黑及粉料智能稱量控制工藝，可以參考圖4，炭黑及粉料智能稱量控制工藝圖所示。

圖4 炭黑及粉料智能稱量控制工藝圖

炭黑及粉料智能稱量控制工藝動作，較常規稱量，增加了一級慢稱作為快稱的緩沖，避免沖料現象。系統稱量動作主要分高速稱量，低速1 稱量，低速2 稱量，新的予關門，物料補足等幾個動作。

系統在稱量過程中，會自動計算低速1 和低速2稱量階段的稱量下料速度，在低速2 階段，智能估算螺旋電機停止后1 s 時間內，稱量系統在慣性作用下落到秤斗內的物料重量，并據此1 s 落料估算值控制螺旋電機何時停止低速2 稱量。這是本智能稱量控制工藝的重點及核心。

低速2 稱量動作結束后，經過1 s 的慣性落料，系統判斷此時的稱量物料重量是否達到稱量誤差允許的范圍之內，如果未達到稱量范圍的下限值，則啟動物料補足動作，以圖7 所示變頻低速2 所設定的頻率，低速稱量物料到稱量下限值。

新的炭黑及粉料稱量控制方法的流程圖，可以參考圖5，炭黑及粉料智能稱量控制流程圖。

圖5 炭黑及粉料智能稱量控制流程圖

系統需要人工設置的參數有：慢稱值1，慢稱值2（新增參數），變頻高速值，變頻低速值1（新增參數），變頻低速值2 等。系統對稱量參數的設置進行了優化，這些參數簡單，易理解，不需要在上位機中設定，僅需結合物料特性，在圖7 畫面中設定即可。系統具有參數的智能調節功能，一種物料稱量結束后，會自動調整每一種物料的參數值為最佳參數。

3 炭黑及粉料智能稱量系統參數設置

在觸摸屏的起始畫面中，點擊“ 參數設置1” 按鈕即可選擇進入炭黑及粉料稱量稱量參數設置畫面。如圖6，登錄畫面所示。

圖6 登錄畫面

在打開的最新稱量參數設定畫面中，可以進行炭黑及粉料稱量參數設置的設置，如圖7 所示。

圖7 最新稱量參數設定畫面

3.1 炭黑稱量參數設定

如圖7 中所示，在此畫面的上部區域，可以設置炭黑稱量系統的各項參數，如炭黑慢稱值1，慢稱值2（新增參數），變頻高速值，變頻低速值1（新增參數），變頻低速值2 等。需要注意的是系統對每一項參數均預先設定好了有效設定值范圍，超過此有效范圍的參數，自動取參數有效范圍的最大值或者最小值，設置過程中需要注意。

具體可以參考圖7。

為了避免無關人員誤操作，對這些稱量參數的設定增加了操作權限保護，需要以管理員身份進行用戶登錄后才能進行參數設置。

3.2 粉料稱量參數設置

如圖7 中所示，在此畫面的下部區域，可以設置粉料稱量系統的各項參數，如粉料慢稱值1，慢稱值2（新增參數），變頻高速值，變頻低速值1（新增參數），變頻低速值2 等。設置過程中需要注意各個參數的有效設置范圍。

同樣需要注意的是這些參數也有權限保護。

4 炭黑及粉料智能稱量控制系統的特點

對比常規稱量控制方法，本智能稱量控制系統具有如下特點：

（1）增加了一級慢稱作為快稱的緩沖，避免高速直接變為慢速，可以有效避免稱量過程中的沖料現象；

（2）在慢稱1，慢稱2 稱量過程中實時計算稱量落料速度，在慢稱2 階段智能估算1S 時間內的炭黑或者粉料的稱量落料值，估算的結果作為新的予關門值取值的重要依據，取消了常規稱量控制方式提前量的值取方法，可以有效的避免稱量超差現象；

（3）取消了點動動作，改為補料動作。慢稱2 稱量動作結束后，經過1S 落料時間，系統自動判斷稱量的物料重量是否進入稱量誤差允許范圍之內。如果稱量的物料重量小于稱量下限值，則采用補料動作，以變頻低速值2 所示的速度進行低速稱量，一直到大于等于稱量物料的下限范圍，避免了常規稱量控制模式下，不斷點動所造成的稱量超差、超時現象；

（4）稱量參數設定后，在實際稱量中，對于低速值1，低速值2，變頻低速值1，變頻低速值2 這4 項參數，根據是否稱量超差，是否有超差趨勢以及及低速稱量時間是否過長，會智能進行稱量參數的正反向調整，既保證稱量精度，又保證稱量效率；

（5）稱量參數設定簡單，易于理解，一次設定后系統會自動進行參數修正，保持參數在一個最佳范圍內，減少用戶的參數維護工作量。

5 生產過程監控

系統稱量過程中的實時監控，可以參考圖8，炭黑及粉料稱量監控畫面。在這個畫面中，可以實時看到炭黑及粉料的稱量情況，如電機的高低速稱量切換過程，稱量過程中變頻器速度的變換，稱量是否有異常，切換手動操作等均可以在這個畫面中進行。

圖8 炭黑及粉料稱量監控畫面

6 稱量報表查詢

6.1 車報表查詢

在上位機軟件車報表中，可以查詢到每一車膠料所實際稱量的炭黑、粉料重量情況，如圖9，每車數據信息報表所示。

圖9 每車數據信息報表

6.2 批報表查詢

在上位機軟件批報表查詢中，可以查詢到每一批次膠料中各種物料的稱量情況，如圖10，批報表查詢所示。

7 采用不同方式稱量合格率查詢對比

7.1 采用常規方式稱量合格率查詢

下面查詢了從2022.2.1 到2022.2.28 期間，公司所有混煉機臺采用常規方式稱量炭黑及粉料的合格率情況，從表格中可以看到，炭黑及粉料的平均稱量合格率為86.71%。具體如圖11 所示。

圖11 采用常規方式炭黑及粉料平均稱量合格率情況

7.2 采用智能稱量方式的稱量合格率查詢

下面查詢了最新的從2023.2.1 到2023.2.28 期間，所有混煉機臺采用炭黑及粉料智能稱量控制方式稱量炭黑及粉料的平均合格率情況，從表格中可以看到，炭黑的平均稱量合格率達到了99.87%，粉料平均稱量合格率達到了99.51% ；炭黑平均稱量合格率提高了13.16%，粉料平均稱量合格率提高了12.80%，無論是炭黑的平均稱量合格率還是粉料的平均稱量合格率，均有了大幅度的提高。具體如圖12 所示。

圖12 采用智能稱量方式炭黑及粉料稱量平均合格率情況

8 經濟效益分析

炭黑及粉料稱量合格率分別提高了13.16% 和12.80%，對終煉膠質量的提升，按照1% 計算，按照終煉膠膠料合格率每提升1%，節省不合格膠料的加工成本260 元/t 計算（全公司共10 條混煉線），每條線日產能按照230 t 計算，日混煉膠產能為 230x10=2 300 t，折算為終煉膠產能為 2300÷2.5=920 t

每天可以創造效益 920×1%×260=2 392 元；

每月可以創造效益 2 392×30=71 760 元；

每年可以創造效益 71 760x12=861 120 元。

9 結語

綜上可以看出，在不需要設備硬件改造費用，不需要停產改造的情況下，僅需對原控制系統的控制工藝，控制程序進行升級，就可以極大的提高炭黑和粉料的稱量合格率水平和稱量效率，并且改造后的系統參數維護工作量極少，基本可以免維護，這對于膠料質量的提升，公司產品質量的穩定，管理人員勞動強度的降低均具有非常大的意義。