膠管廠炭黑粉料自動配料系統的研發和應用

劉金一

(大連嘉展機械裝備制造有限公司，遼寧 大連 116000)

1 客戶狀況和出發點

2016年6月份山東鄒城一家膠管企業發出設備招標請求，擬采購炭黑粉料自動配料系統。經我公司銷售和技術人員現場勘查和交流，對客戶的需求和狀況做了詳細分析調查，其生產現狀是：現有炭黑粉料的計量是人工配料方式，效率低、勞動強度大、粉塵污染嚴重、人為不穩定因素影響大，實際生產過程中，存在漏配、少配、多配、錯用材料的情況，輕則導至材料報廢，重則出現嚴重質量事故，給生產廠家和最終用戶帶來嚴重損失。

該企業煉膠段主要工藝參數狀況如下：配料方式為人工，配料區域占用面積297.6 m2，需要人工數2人/班次（1人搬運原材料，1人配料），勞動強度較高，原料的搬運和人工取料稱量、裝袋等，單配方達35 kg，導致招工難；配料效率2.5～3.5 min/批，配料精度180 g，受人工因素影響，同一批次誤差波動大；煉膠時間為最大6 min，混煉膠表面粗糙，炭黑粉料在膠料中分散不均勻；粉塵飛揚嚴重，整個配料車間灰塵落滿，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 客戶設備需求

在原有廠房基礎上增加炭黑粉料自動稱量投料系統，與現有密煉機對接。

為滿足生產及工藝要求，該系統應具備四大功能：①炭黑計量配料管理，稱重數據保存進入數據庫；②自動稱重計量，計量準確；③提高生產效率，減少人員配置，減輕工人勞動強度；④減少環境污染，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。

現有廠房高度9 m，采購費用為50萬～100萬之間，工期6個月。

3 炭黑粉料自動配料系統的研發

3.1 研發思路

炭黑粉料自動稱量配料系統目前無國家標準，經過現場勘察、測繪以及與各環節詳細技術交流，提出負壓吸送式炭黑粉料自動配料系統符合實際生產要求和場地空間匹配。

吸送式負壓輸送系統在氣力輸送技術中是一種較早發展起來的輸送方式，最早用于郵局信件的短距離傳輸，而后從早期的谷物、面粉迅速擴展到水泥、砂料、化工原料、煤粉等物料。應用的范圍遍及糧食、港口、化工、冶金、電力、鑄造、食品、醫藥等領域。前期主要用于一定距離之外的物體搬運和傳輸，后期慢慢發展為結合稱量等工藝的配料系統。因其投資少、效率高、占地面積小、減輕勞動輕度、環保無污染、智能自動化程度高等優點，已在各個行業廣泛應用。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，它是靠氣源機械的吸氣作用，在管系中形成一定的真空度，利用具有必要速度的運動空氣，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。

炭黑粉料自動配料系統采用計算機信息管理與控制技術，通過對材料在線計量、在庫統計，實現對材料配方及進出料進行數據管控；通過計算機軟件、數據庫、機械電控技術相結合，對混煉膠的配料過程進行精確控制，嚴格杜絕人為因素影響，確保配料過程嚴格按照配方工藝的材料、用量實施生產。

3.2 項目目標和意義

（1）提供一臺配套90E密煉機的粉料配料系統（大料上輔機），實現由手動配料提升為自動配料，具備5種原料的補料、輸送、稱量和投料功能。

（2）保證基本的配料功能，實現5種物料全部上線運行，精度300 g， 配料效率50 kg/min, 匹配密煉機煉膠周期和效率。

（3）工期： 按期交貨，完成安裝調試驗收，質保期內售后服務、維護、保養。

（4）配備除塵系統，考慮環保和改善環境。

（5）實現軟件功能，體現智能化和人性化：數據、查詢和監控、自動化流程。

（6）滿足客戶需求，針對使用過程中的問題持續改進和完善。

（7）兼顧成本和利潤。

（8）質量第一，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）積累經驗和技術，培養團隊和人員，為后續拓展打好基礎。

3.3 設備生產工藝流程

粉料是炭黑N330、N660、白炭黑和碳酸鈣等。該系統實現物料的補料、儲存、輸送計量、投料等功能。主要分為機械部分、電控部分、軟件部分。

生產工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

根據配方設定的物料內容進行稱重防錯控制，系統自動選擇或提示炭黑品種，進行自動稱重。系統的在線模式是在密煉的過程中進行工作，即與密煉同時聯動工作。在線模式具有3種工作狀態：手動、本控和遠控。手動由人工操作完成：選擇炭黑種類、快加料、點動加料、停止加料和卸料；本控則是在通過人機界面設定炭黑種類、稱量次數和重量后由系統自動完成稱量過程，而最后的卸料動作需外加信號控制；遠控則是由計算機數據庫中的程序數據和外部信號決定該系統的所有操作，由集散式配料系統的數據庫任務自動下達，自動生產完成。選擇炭黑種類、快加料、點動加料、停止加料和卸料完全按生產計劃和配方自動控制。配完的炭黑按要求直接送到密煉機投料口，重量復核無誤后投料。

此外，由計算機存儲每一批次的自動配料數據及煉膠數據，可隨時查詢任意批次、任意班組、任意一種配方的工藝報表及監控曲線圖等。

物料通過解包補料口進入儲倉暫存，一般是一個工作日的用量，通過給料器輸送到下方的發送器上，羅茨風機啟動產生負壓吸力，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，自動卸料到密煉機中。物料在解包補料和給料輸送過程中均有除塵罩來收集飛揚粉塵，經除塵器過濾后排到室外，保證操作區域潔凈。物料進入料斗稱后多余的空氣進過兩級過濾后排出。整個生產過程無需人工操作。

電控系統以PLC為核心，接受來自軟件系統的指令，控制各執行元件工作，并將執行情況反饋回來。

軟件系統以工控機為硬件，數據庫軟件為操作界面，實現生產管理和人機交互。同時在生產現場配置HMI（觸摸屏）實現班組直接下達生產任務和操作。

各部分的結構和特點如下：

（1）解包補料，在大型連續化工業生產中均采用大劑量包裝。本系統采用500 kg太空包（噸包）包裝，電動天車調運到各個工位補料口。太空包的使用可減少補料次數，節省物料采購成本，電動葫蘆助力搬運，減小工人工作強度。

（2）無塵化儲料罐，用于物料的暫時存儲。在補料口有補料蓋，太空包到位打開，可以防止物料投錯。解包過程中飛揚物料由直聯除塵器吸走。上部內置振動篩網，可加速物料下落并過濾雜質。下部為錐形儲倉，根據不同物料性質配置不同的破拱、破橋、防黏料措施。主要方式有：氣流噴吹，氣振敲擊等。在儲料罐的底部連接螺旋給料機，通過無級變頻技術來控制給料量的大小，真正實現起始端控制。結構見圖2

圖2 無塵化儲料裝置

（3）負壓輸送管路，采用衛生級不銹鋼拋光管，減少物料黏附和輸送阻力；采用管道修補連接器，密封無泄漏，在主管處伴補氣輔管，彎頭處重點破拱處理，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，高強度塑料、PVC、聚氨酯軟管連接，減少振動，提高穩定性和精度，能夠有效消除靜電積累。末端羅茨風機處壓力檢測和報警保護，及時提示物料輸送狀態和堵管

（4）稱量投料裝置，用于物料的自動計量和投料到密煉機，是整個系統的核心部件。如圖3所示。

圖3 自動計量和投料

（5）電控/軟件系統，是整個系統的中樞控制大腦。下位機是設備控制級，運行于PLC上，根據用戶在上位管理計算機上所給的配方進行稱量，稱量都是以快/慢速方式完成的，以達到最高的精確度。本系統采用西門子PLC，具有較強功能，兼具兼容性和可擴展性。為達到充分的人性化操作和人機交互，所有系統參數均可在窗口進行修改，此步驟可在工控機和觸摸屏上操作。

上位機是生產管理級（軟件功能），運行于計算機上，自動控制原料稱量、輸送及數據收集匯總分析，并有配方管理、報表打印等功能。本系統基于SQL server數據庫軟件開發而來。其主要功能包括：配方管理、運行監視、曲線監視、數據管理。

以報表形式對各類數據進行管理，這些報表均可以在上位機上查閱或在打印機上打印出來，這些報表自動在計算機上保存。這些報表包括：班報表、班運行記錄報表、配方報表、報警記錄、曲線報表、物料消耗統計。

其主監控畫面如圖4，監控正在生產時的實時生產數據和設備狀態。實現可視化管理。

3.5 該系統主要功能和優勢

（1）炭黑粉料自動稱量配料，完成補料、儲存、輸送、稱量、投料，計量準確殘留少；

（2）粉塵收集、過濾、凈化，除塵功能，減少環境污染，改善工作條件；

（3）與現有密煉機信號對接，實現互聯、互鎖，實時通訊管控；

（4）全過程計算機管理：過程數據保存，查詢、監控、報警、報表、分析等，軟件功能；

（5）提高生產效率，減少人員配置，減輕工人勞動強度；

（6）占地面積小，廠房高度低，節省投資成本。

圖4 軟件主監控界面

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 結論

橡膠制品廠受企業規模、利潤、廠房空間和投資成本限制，對采購設備的要求具有特殊性，必須針對不同的客戶進行非標、專業化和訂制設計。高度自動化、智能化的設備是未來發展趨勢，本系統實現機械替代了人工，兼顧投資成本和客戶實際需求，體現了較高的經濟和環保效益，具有借鑒和示范意義。