膠管廠炭黑粉料自動(dòng)配料系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用

劉金一

(大連嘉展機(jī)械裝備制造有限公司，遼寧 大連 116000)

1 客戶狀況和出發(fā)點(diǎn)

2016年6月份山東鄒城一家膠管企業(yè)發(fā)出設(shè)備招標(biāo)請求，擬采購炭黑粉料自動(dòng)配料系統(tǒng)。經(jīng)我公司銷售和技術(shù)人員現(xiàn)場勘查和交流，對客戶的需求和狀況做了詳細(xì)分析調(diào)查，其生產(chǎn)現(xiàn)狀是：現(xiàn)有炭黑粉料的計(jì)量是人工配料方式，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、粉塵污染嚴(yán)重、人為不穩(wěn)定因素影響大，實(shí)際生產(chǎn)過程中，存在漏配、少配、多配、錯(cuò)用材料的情況，輕則導(dǎo)至材料報(bào)廢，重則出現(xiàn)嚴(yán)重質(zhì)量事故，給生產(chǎn)廠家和最終用戶帶來嚴(yán)重?fù)p失。

該企業(yè)煉膠段主要工藝參數(shù)狀況如下：配料方式為人工，配料區(qū)域占用面積297.6 m2，需要人工數(shù)2人/班次（1人搬運(yùn)原材料，1人配料），勞動(dòng)強(qiáng)度較高，原料的搬運(yùn)和人工取料稱量、裝袋等，單配方達(dá)35 kg，導(dǎo)致招工難；配料效率2.5～3.5 min/批，配料精度180 g，受人工因素影響，同一批次誤差波動(dòng)大；煉膠時(shí)間為最大6 min，混煉膠表面粗糙，炭黑粉料在膠料中分散不均勻；粉塵飛揚(yáng)嚴(yán)重，整個(gè)配料車間灰塵落滿，車間周邊泄漏多，工人佩戴防毒面具，吸入粉塵對人身健康有危害。

2 客戶設(shè)備需求

在原有廠房基礎(chǔ)上增加炭黑粉料自動(dòng)稱量投料系統(tǒng)，與現(xiàn)有密煉機(jī)對接。

為滿足生產(chǎn)及工藝要求，該系統(tǒng)應(yīng)具備四大功能：①炭黑計(jì)量配料管理，稱重?cái)?shù)據(jù)保存進(jìn)入數(shù)據(jù)庫；②自動(dòng)稱重計(jì)量，計(jì)量準(zhǔn)確；③提高生產(chǎn)效率，減少人員配置，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度；④減少環(huán)境污染，改善工作條件。

要求炭黑、粉料秤的最大稱量為50 kg，稱量精度為40～180 g，顯示精度1 g。

現(xiàn)有廠房高度9 m，采購費(fèi)用為50萬～100萬之間，工期6個(gè)月。

3 炭黑粉料自動(dòng)配料系統(tǒng)的研發(fā)

3.1 研發(fā)思路

炭黑粉料自動(dòng)稱量配料系統(tǒng)目前無國家標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過現(xiàn)場勘察、測繪以及與各環(huán)節(jié)詳細(xì)技術(shù)交流，提出負(fù)壓吸送式炭黑粉料自動(dòng)配料系統(tǒng)符合實(shí)際生產(chǎn)要求和場地空間匹配。

吸送式負(fù)壓輸送系統(tǒng)在氣力輸送技術(shù)中是一種較早發(fā)展起來的輸送方式，最早用于郵局信件的短距離傳輸，而后從早期的谷物、面粉迅速擴(kuò)展到水泥、砂料、化工原料、煤粉等物料。應(yīng)用的范圍遍及糧食、港口、化工、冶金、電力、鑄造、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。前期主要用于一定距離之外的物體搬運(yùn)和傳輸，后期慢慢發(fā)展為結(jié)合稱量等工藝的配料系統(tǒng)。因其投資少、效率高、占地面積小、減輕勞動(dòng)輕度、環(huán)保無污染、智能自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已在各個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用。吸送式氣力輸送裝置用低于大氣壓力的空氣作為輸送介質(zhì)，它是靠氣源機(jī)械的吸氣作用，在管系中形成一定的真空度，利用具有必要速度的運(yùn)動(dòng)空氣，將物料從某地通過管道輸送到一定距離的目的地的一種懸浮式氣流輸送裝置。

炭黑粉料自動(dòng)配料系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)信息管理與控制技術(shù)，通過對材料在線計(jì)量、在庫統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對材料配方及進(jìn)出料進(jìn)行數(shù)據(jù)管控；通過計(jì)算機(jī)軟件、數(shù)據(jù)庫、機(jī)械電控技術(shù)相結(jié)合，對混煉膠的配料過程進(jìn)行精確控制，嚴(yán)格杜絕人為因素影響，確保配料過程嚴(yán)格按照配方工藝的材料、用量實(shí)施生產(chǎn)。

3.2 項(xiàng)目目標(biāo)和意義

（1）提供一臺(tái)配套90E密煉機(jī)的粉料配料系統(tǒng)（大料上輔機(jī)），實(shí)現(xiàn)由手動(dòng)配料提升為自動(dòng)配料，具備5種原料的補(bǔ)料、輸送、稱量和投料功能。

（2）保證基本的配料功能，實(shí)現(xiàn)5種物料全部上線運(yùn)行，精度300 g， 配料效率50 kg/min, 匹配密煉機(jī)煉膠周期和效率。

（3）工期： 按期交貨，完成安裝調(diào)試驗(yàn)收，質(zhì)保期內(nèi)售后服務(wù)、維護(hù)、保養(yǎng)。

（4）配備除塵系統(tǒng)，考慮環(huán)保和改善環(huán)境。

（5）實(shí)現(xiàn)軟件功能，體現(xiàn)智能化和人性化：數(shù)據(jù)、查詢和監(jiān)控、自動(dòng)化流程。

（6）滿足客戶需求，針對使用過程中的問題持續(xù)改進(jìn)和完善。

（7）兼顧成本和利潤。

（8）質(zhì)量第一，打造精品樣板工程，全力做好第一套，為以后做展示和參觀。

（9）積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)和人員，為后續(xù)拓展打好基礎(chǔ)。

3.3 設(shè)備生產(chǎn)工藝流程

粉料是炭黑N330、N660、白炭黑和碳酸鈣等。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物料的補(bǔ)料、儲(chǔ)存、輸送計(jì)量、投料等功能。主要分為機(jī)械部分、電控部分、軟件部分。

生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

根據(jù)配方設(shè)定的物料內(nèi)容進(jìn)行稱重防錯(cuò)控制，系統(tǒng)自動(dòng)選擇或提示炭黑品種，進(jìn)行自動(dòng)稱重。系統(tǒng)的在線模式是在密煉的過程中進(jìn)行工作，即與密煉同時(shí)聯(lián)動(dòng)工作。在線模式具有3種工作狀態(tài)：手動(dòng)、本控和遠(yuǎn)控。手動(dòng)由人工操作完成：選擇炭黑種類、快加料、點(diǎn)動(dòng)加料、停止加料和卸料；本控則是在通過人機(jī)界面設(shè)定炭黑種類、稱量次數(shù)和重量后由系統(tǒng)自動(dòng)完成稱量過程，而最后的卸料動(dòng)作需外加信號(hào)控制；遠(yuǎn)控則是由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中的程序數(shù)據(jù)和外部信號(hào)決定該系統(tǒng)的所有操作，由集散式配料系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫任務(wù)自動(dòng)下達(dá)，自動(dòng)生產(chǎn)完成。選擇炭黑種類、快加料、點(diǎn)動(dòng)加料、停止加料和卸料完全按生產(chǎn)計(jì)劃和配方自動(dòng)控制。配完的炭黑按要求直接送到密煉機(jī)投料口，重量復(fù)核無誤后投料。

此外，由計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)每一批次的自動(dòng)配料數(shù)據(jù)及煉膠數(shù)據(jù)，可隨時(shí)查詢?nèi)我馀?、任意班組、任意一種配方的工藝報(bào)表及監(jiān)控曲線圖等。

物料通過解包補(bǔ)料口進(jìn)入儲(chǔ)倉暫存，一般是一個(gè)工作日的用量，通過給料器輸送到下方的發(fā)送器上，羅茨風(fēng)機(jī)啟動(dòng)產(chǎn)生負(fù)壓吸力，通過不銹鋼管道和閥門將物料輸送到電子料斗稱中，物料稱量合格完畢后，自動(dòng)卸料到密煉機(jī)中。物料在解包補(bǔ)料和給料輸送過程中均有除塵罩來收集飛揚(yáng)粉塵，經(jīng)除塵器過濾后排到室外，保證操作區(qū)域潔凈。物料進(jìn)入料斗稱后多余的空氣進(jìn)過兩級過濾后排出。整個(gè)生產(chǎn)過程無需人工操作。

電控系統(tǒng)以PLC為核心，接受來自軟件系統(tǒng)的指令，控制各執(zhí)行元件工作，并將執(zhí)行情況反饋回來。

軟件系統(tǒng)以工控機(jī)為硬件，數(shù)據(jù)庫軟件為操作界面，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理和人機(jī)交互。同時(shí)在生產(chǎn)現(xiàn)場配置HMI（觸摸屏）實(shí)現(xiàn)班組直接下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)和操作。

各部分的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)如下：

（1）解包補(bǔ)料，在大型連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)中均采用大劑量包裝。本系統(tǒng)采用500 kg太空包（噸包）包裝，電動(dòng)天車調(diào)運(yùn)到各個(gè)工位補(bǔ)料口。太空包的使用可減少補(bǔ)料次數(shù)，節(jié)省物料采購成本，電動(dòng)葫蘆助力搬運(yùn)，減小工人工作強(qiáng)度。

（2）無塵化儲(chǔ)料罐，用于物料的暫時(shí)存儲(chǔ)。在補(bǔ)料口有補(bǔ)料蓋，太空包到位打開，可以防止物料投錯(cuò)。解包過程中飛揚(yáng)物料由直聯(lián)除塵器吸走。上部內(nèi)置振動(dòng)篩網(wǎng)，可加速物料下落并過濾雜質(zhì)。下部為錐形儲(chǔ)倉，根據(jù)不同物料性質(zhì)配置不同的破拱、破橋、防黏料措施。主要方式有：氣流噴吹，氣振敲擊等。在儲(chǔ)料罐的底部連接螺旋給料機(jī)，通過無級變頻技術(shù)來控制給料量的大小，真正實(shí)現(xiàn)起始端控制。結(jié)構(gòu)見圖2

圖2 無塵化儲(chǔ)料裝置

（3）負(fù)壓輸送管路，采用衛(wèi)生級不銹鋼拋光管，減少物料黏附和輸送阻力；采用管道修補(bǔ)連接器，密封無泄漏，在主管處伴補(bǔ)氣輔管，彎頭處重點(diǎn)破拱處理，大跨度輕緩換向，減小阻力。在起始端螺桿變頻給料，精度高，管道無殘留，高強(qiáng)度塑料、PVC、聚氨酯軟管連接，減少振動(dòng)，提高穩(wěn)定性和精度，能夠有效消除靜電積累。末端羅茨風(fēng)機(jī)處壓力檢測和報(bào)警保護(hù)，及時(shí)提示物料輸送狀態(tài)和堵管

（4）稱量投料裝置，用于物料的自動(dòng)計(jì)量和投料到密煉機(jī)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件。如圖3所示。

圖3 自動(dòng)計(jì)量和投料

（5）電控/軟件系統(tǒng)，是整個(gè)系統(tǒng)的中樞控制大腦。下位機(jī)是設(shè)備控制級，運(yùn)行于PLC上，根據(jù)用戶在上位管理計(jì)算機(jī)上所給的配方進(jìn)行稱量，稱量都是以快/慢速方式完成的，以達(dá)到最高的精確度。本系統(tǒng)采用西門子PLC，具有較強(qiáng)功能，兼具兼容性和可擴(kuò)展性。為達(dá)到充分的人性化操作和人機(jī)交互，所有系統(tǒng)參數(shù)均可在窗口進(jìn)行修改，此步驟可在工控機(jī)和觸摸屏上操作。

上位機(jī)是生產(chǎn)管理級（軟件功能），運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上，自動(dòng)控制原料稱量、輸送及數(shù)據(jù)收集匯總分析，并有配方管理、報(bào)表打印等功能。本系統(tǒng)基于SQL server數(shù)據(jù)庫軟件開發(fā)而來。其主要功能包括：配方管理、運(yùn)行監(jiān)視、曲線監(jiān)視、數(shù)據(jù)管理。

以報(bào)表形式對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，這些報(bào)表均可以在上位機(jī)上查閱或在打印機(jī)上打印出來，這些報(bào)表自動(dòng)在計(jì)算機(jī)上保存。這些報(bào)表包括：班報(bào)表、班運(yùn)行記錄報(bào)表、配方報(bào)表、報(bào)警記錄、曲線報(bào)表、物料消耗統(tǒng)計(jì)。

其主監(jiān)控畫面如圖4，監(jiān)控正在生產(chǎn)時(shí)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)可視化管理。

3.5 該系統(tǒng)主要功能和優(yōu)勢

（1）炭黑粉料自動(dòng)稱量配料，完成補(bǔ)料、儲(chǔ)存、輸送、稱量、投料，計(jì)量準(zhǔn)確殘留少；

（2）粉塵收集、過濾、凈化，除塵功能，減少環(huán)境污染，改善工作條件；

（3）與現(xiàn)有密煉機(jī)信號(hào)對接，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互鎖，實(shí)時(shí)通訊管控；

（4）全過程計(jì)算機(jī)管理：過程數(shù)據(jù)保存，查詢、監(jiān)控、報(bào)警、報(bào)表、分析等，軟件功能；

（5）提高生產(chǎn)效率，減少人員配置，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度；

（6）占地面積小，廠房高度低，節(jié)省投資成本。

圖4 軟件主監(jiān)控界面

4 改造效果對比

改造前后效果對比見表1所示。

表1 改造效果對照表

5 結(jié)論

橡膠制品廠受企業(yè)規(guī)模、利潤、廠房空間和投資成本限制，對采購設(shè)備的要求具有特殊性，必須針對不同的客戶進(jìn)行非標(biāo)、專業(yè)化和訂制設(shè)計(jì)。高度自動(dòng)化、智能化的設(shè)備是未來發(fā)展趨勢，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械替代了人工，兼顧投資成本和客戶實(shí)際需求，體現(xiàn)了較高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益，具有借鑒和示范意義。