冰箱柜生產(chǎn)用高壓發(fā)泡機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)改造

葉小三

（長虹美菱股份有限公司，安徽合肥 230601）

0 引言

高壓發(fā)泡機(jī)作為冰箱柜的核心生產(chǎn)設(shè)備，在出現(xiàn)故障后將直接影響冰箱柜的正常生產(chǎn)。但由于工作環(huán)境、使用壽命等多種因素的共同影響，高壓發(fā)泡機(jī)在運(yùn)行中不可避免地會(huì)出現(xiàn)各類故障問題，為能夠及時(shí)恢復(fù)冰箱柜生產(chǎn)，應(yīng)利用先進(jìn)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)高壓發(fā)泡機(jī)故障的遠(yuǎn)程診斷和快速排除。常用的故障診斷及預(yù)警處理方式是采用智能監(jiān)測技術(shù)，對高壓發(fā)泡機(jī)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測性預(yù)警、工藝參數(shù)智能監(jiān)控等。以高壓發(fā)泡機(jī)為例，分析智能監(jiān)測系統(tǒng)改造思路和監(jiān)測改造內(nèi)容，以期能夠?yàn)楹罄m(xù)高壓發(fā)泡機(jī)及類似設(shè)備的智能監(jiān)測系統(tǒng)改造升級(jí)提供參考。

1 高壓發(fā)泡機(jī)工作原理及工藝參數(shù)

1.1 高壓發(fā)泡機(jī)工作原理

冰箱柜生產(chǎn)用高壓發(fā)泡機(jī)主要由兩個(gè)原料罐、兩組流量計(jì)量單元、混合頭、高低壓切換閥、液壓系統(tǒng)、料路管道系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。其工作流程如圖1 所示。

圖1 高壓發(fā)泡機(jī)運(yùn)行流程

在高壓發(fā)泡機(jī)運(yùn)行中，兩個(gè)相互獨(dú)立的原料罐會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)工藝參數(shù)控制原料溫度，兩組不同的流量計(jì)量單元?jiǎng)t按照設(shè)定的流量持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，高低壓切換閥則在電控系統(tǒng)的控制下執(zhí)行投切動(dòng)作，進(jìn)而在高壓發(fā)泡機(jī)原料管路中形成13～15 MPa 的壓力。液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)混合頭的大、小活塞進(jìn)行順序動(dòng)作，在一定的壓力下，兩種不同的原料按照預(yù)設(shè)比例和注料質(zhì)量在混合頭內(nèi)部穿過噴嘴，在混合頭混合腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)相互高速碰撞，完成原料的充分混合，混合后的原料快速注入到冰箱柜箱體或者門體中，形成聚氨酯泡沫保溫層。

1.2 高壓發(fā)泡機(jī)工藝參數(shù)

高壓發(fā)泡機(jī)涉及的工藝參數(shù)主要包括混合比例、注料質(zhì)量、原料溫度、注料壓力等（表1）。

表1 高壓發(fā)泡機(jī)主要工藝參數(shù)

2 高壓發(fā)泡機(jī)常見故障及影響

2.1 機(jī)械故障

高壓發(fā)泡機(jī)常見的機(jī)械故障及其影響如下：

（1）原料罐故障：原料罐攪拌機(jī)構(gòu)不運(yùn)行，將導(dǎo)致原料罐內(nèi)部原料溫度分布不均，無法滿足原料溫度要求。原料罐進(jìn)料電磁閥故障，將導(dǎo)致原料罐出現(xiàn)缺料、溢料等情況。

（2）計(jì)量泵和電機(jī)故障：流量計(jì)量泵泵體在長時(shí)間使用后容易出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致計(jì)量泵輸出的原料流量忽大忽小，輸出的原料壓力也忽高忽低，無法滿足注料壓力和注料量要求。

（3）高低壓換向閥故障：經(jīng)過長時(shí)間使用后，高低壓換向閥的閥體可能出現(xiàn)關(guān)閉不嚴(yán)等故障。

（4）混合頭故障：當(dāng)混合頭的大、小活塞動(dòng)作故障時(shí)，高壓發(fā)泡機(jī)的原料注料質(zhì)量精準(zhǔn)性將會(huì)受到影響。

（5）液壓系統(tǒng)故障：液壓系統(tǒng)的正常工作壓力為20 MPa，但在液壓泵故障時(shí)，液壓系統(tǒng)將無法通過驅(qū)動(dòng)混合頭的大、小活塞動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)注料動(dòng)作。

2.2 電氣故障

高壓發(fā)泡機(jī)常見的電氣故障及影響如下：

（1）變頻器故障：變頻器主要用于控制計(jì)量泵，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)變頻器故障時(shí)，高壓發(fā)泡機(jī)的流量計(jì)量單元將無法正常工作，使高壓發(fā)泡機(jī)整體工作性能受到影響。

（2）PLC 故障：PLC 用于實(shí)現(xiàn)高壓發(fā)泡機(jī)的運(yùn)行控制及參數(shù)管理。PLC 故障多出現(xiàn)于電源模塊和輸出模塊，兩類故障均會(huì)對設(shè)備的正常運(yùn)行造成負(fù)面影響。

3 高壓發(fā)泡機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)改造思路

高壓發(fā)泡機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)改造主要遵循以下兩種思路：

（1）在不改變高壓發(fā)泡機(jī)現(xiàn)有控制與操作方式情況下，單獨(dú)構(gòu)建一套高壓發(fā)泡機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高壓發(fā)泡機(jī)的預(yù)測性維護(hù)、故障預(yù)警、遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷、工業(yè)參數(shù)監(jiān)測等功能。

（2）以PC 機(jī)為上位機(jī)，結(jié)合通信板卡等硬件設(shè)備，共同構(gòu)建高壓發(fā)泡機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)。上位機(jī)通過組態(tài)王軟件與高壓發(fā)泡機(jī)的PLC 達(dá)成數(shù)據(jù)通信，采集高壓發(fā)泡機(jī)的振動(dòng)信號(hào)并讀取PLC 運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，對相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)施智能化分析，獲取狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果，根據(jù)結(jié)果確認(rèn)高壓發(fā)泡機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，上位機(jī)中配置有西門子博圖軟件，用于PLC 的遠(yuǎn)程監(jiān)控與程序修改。

4 高壓發(fā)泡機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測改造內(nèi)容

4.1 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計(jì)

4.1.1 電機(jī)及流量泵

采用振動(dòng)、溫度傳感器實(shí)現(xiàn)高壓發(fā)泡機(jī)關(guān)鍵設(shè)備的振動(dòng)、溫度參數(shù)監(jiān)測，結(jié)合預(yù)測性維護(hù)程序中的使用狀態(tài)監(jiān)測功能，在關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障前精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的故障隱患，并由此判斷相關(guān)設(shè)備何時(shí)需要進(jìn)行檢修、維護(hù)，提高設(shè)備生產(chǎn)效率，降低設(shè)備故障對生產(chǎn)造成的負(fù)面影響。

高壓發(fā)泡機(jī)電機(jī)振動(dòng)的主要原因?yàn)殡姌胁黄胶狻⑤S承磨損、轉(zhuǎn)軸彎曲、電機(jī)不良、負(fù)載機(jī)械軸心不對中、傾斜等。電機(jī)振動(dòng)涉及的主要參數(shù)為振幅、頻率、相位等。其中，電機(jī)振幅可通過位移、速度以及加速度等參數(shù)進(jìn)行表示。在實(shí)際測量中，針對高頻故障或者高速設(shè)備，如滾動(dòng)軸承、齒輪箱等，一般選擇加速度作為核心參考量；針對低頻故障或者低速設(shè)備，如軸心線不對中、電樞不平衡等，一般選用位移作為核心參考量；針對電機(jī)總體振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測時(shí)，則一般選擇速度作為核心參考量[1]。

在具體運(yùn)行監(jiān)測過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注電機(jī)主軸的振動(dòng)狀態(tài)。正常工況下，電機(jī)主軸運(yùn)行中的振動(dòng)速度及溫度均相對穩(wěn)定，如果發(fā)現(xiàn)在負(fù)載參數(shù)不變的情況下，電機(jī)主軸振動(dòng)速度及溫度突然變化，則說明電機(jī)主軸出現(xiàn)異常工況，需要進(jìn)行針對性的停機(jī)維護(hù)檢修。其他設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測過程與電機(jī)振動(dòng)監(jiān)測類似，在此不贅述說明。

智能監(jiān)測系統(tǒng)改造項(xiàng)目中配置有6 套圖爾克振動(dòng)、溫度傳感器，分別用于實(shí)現(xiàn)兩套流量計(jì)量單元電機(jī)、流量泵，液壓系統(tǒng)電機(jī)、液壓泵的振動(dòng)監(jiān)測和溫度監(jiān)測。

4.1.2 原料罐

原料罐運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測主要包括攪拌監(jiān)測、溫度監(jiān)測以及液位監(jiān)測等。

（1）攪拌監(jiān)測：高壓發(fā)泡機(jī)的原料罐容量為330 L，在正常運(yùn)行工況下攪拌器持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使原料罐內(nèi)部原料溫度保持均勻一致。電機(jī)與攪拌器之間配置有磁性聯(lián)軸器，不采用直接連接方式，可以有效避免原料攪拌時(shí)出現(xiàn)攪拌效率低等問題，但同時(shí)也造成無法直接觀察原料罐內(nèi)部攪拌桿是否正常運(yùn)作。現(xiàn)有高壓發(fā)泡機(jī)運(yùn)行中就出現(xiàn)過攪拌電機(jī)正常運(yùn)行，但原料罐內(nèi)部攪拌桿不運(yùn)作情況。為有效檢測原料罐內(nèi)部攪拌桿的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，系統(tǒng)改造中在電機(jī)回路增設(shè)電流互感器，用于檢測攪拌電機(jī)運(yùn)行中的電流變化。正常工況下，由于原料罐中的液位處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，所以電機(jī)電流也會(huì)隨之持續(xù)變化。若是電流互感器采集的電機(jī)運(yùn)行電流在1 h 內(nèi)無變化，并且整體電流較低，則可以判定攪拌桿故障，自動(dòng)通知檢修人員對攪拌桿故障進(jìn)行處理。

（2）溫度監(jiān)測：通過高壓發(fā)泡機(jī)原料罐現(xiàn)有的溫度傳感器實(shí)時(shí)采集原料罐內(nèi)部溫度變化數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，由上位機(jī)原料罐溫度監(jiān)測頁面自動(dòng)繪制出原料溫度變化趨勢圖。如果原料罐內(nèi)原料溫度超過預(yù)設(shè)上限或者下限，系統(tǒng)將自動(dòng)控制高壓發(fā)泡機(jī)停止注料，待溫度恢復(fù)正常工作溫度范圍內(nèi)再開始注料運(yùn)行。

（3）液位監(jiān)測：原料罐內(nèi)部設(shè)置有四點(diǎn)式液位計(jì)，采集的液位數(shù)據(jù)可為系統(tǒng)提供液位監(jiān)測支持。系統(tǒng)可自動(dòng)記錄原料罐加料開始到停止時(shí)間，計(jì)算出平均加料時(shí)間。加料時(shí)間與保護(hù)時(shí)間相加，若是相加后的時(shí)間超過預(yù)設(shè)時(shí)間，并且停止液位有信號(hào)，則立刻發(fā)出溢料預(yù)警。當(dāng)加料閥動(dòng)作，而加料開始液位未檢測到信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出缺料預(yù)警。

4.1.3 計(jì)量泵

實(shí)時(shí)采集計(jì)量泵工作溫度、變頻器工作電流和頻率參數(shù)，如果某一參數(shù)變量出現(xiàn)波動(dòng)性變化，則自動(dòng)通知工作人員進(jìn)行檢修處理[2]。另外，計(jì)量泵電機(jī)機(jī)身和泵體上均配置有振動(dòng)傳感器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)和本體振動(dòng)偏移量監(jiān)測。系統(tǒng)還可以自動(dòng)記錄計(jì)量泵的累計(jì)工作時(shí)間，在工作時(shí)間達(dá)到預(yù)定時(shí)間后，自動(dòng)提示停機(jī)維保。

4.1.4 高低壓壓力

在高壓發(fā)泡機(jī)高壓循環(huán)時(shí)段中，系統(tǒng)自動(dòng)記錄流量泵高壓循環(huán)壓力，在上位機(jī)中繪制壓力變化曲線，并在壓力超限后提出檢修。液壓系統(tǒng)中液壓泵也采用同樣的檢測方法。系統(tǒng)根據(jù)低壓壓力表在低壓循環(huán)和高壓循環(huán)時(shí)的壓力差變化自動(dòng)預(yù)警，提示檢修人員清洗或更換過濾網(wǎng)。

4.1.5 混合頭和高低壓換向閥

系統(tǒng)自動(dòng)記錄混合頭注料持續(xù)，在注料持續(xù)達(dá)到預(yù)設(shè)壽命次數(shù)時(shí)，自動(dòng)提示檢修人員進(jìn)行維護(hù)或者更換。同時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)PLC 輸出的混合頭大、小活塞動(dòng)作信號(hào)計(jì)算活塞動(dòng)作時(shí)間，如果發(fā)現(xiàn)活塞動(dòng)作時(shí)間有減緩趨勢，則提示檢修人員對混合頭進(jìn)行維保。高低壓換向閥監(jiān)測內(nèi)容與混合頭基本一致。

4.1.6 PLC 系統(tǒng)

在PLC 電源模塊中增設(shè)電流互感器，用于記錄電源模塊的工作電流。如果發(fā)現(xiàn)工作電流值出現(xiàn)異常波動(dòng)，則發(fā)出電源模塊檢修預(yù)警。同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測PLC 每個(gè)輸出點(diǎn)的動(dòng)作次數(shù)，在動(dòng)作次數(shù)達(dá)到預(yù)期壽命前，提示檢修人員進(jìn)行維護(hù)或更換處理。

4.1.7 遠(yuǎn)程診斷功能

高壓發(fā)泡機(jī)現(xiàn)場工作人員和檢修人員一般僅能夠解決簡單的故障問題，當(dāng)發(fā)泡機(jī)出現(xiàn)復(fù)雜故障時(shí)，往往需要相關(guān)專家?guī)椭拍苡行Ы鉀Q。為有效提高故障處理效率，需要在監(jiān)測系統(tǒng)中配置遠(yuǎn)程專家協(xié)作診斷功能。在發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，生產(chǎn)廠家及相關(guān)專家可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問監(jiān)測計(jì)算機(jī)，調(diào)取高壓發(fā)泡機(jī)的近期報(bào)警歷史記錄與運(yùn)行參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行故障診斷，給出故障排除方法，實(shí)現(xiàn)故障的遠(yuǎn)程診斷和快速處理。

4.1.8 故障預(yù)警

系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測和分析每個(gè)班次的故障報(bào)警記錄，統(tǒng)計(jì)出發(fā)生頻率較高的故障報(bào)警，并推送給檢修人員和管理人員，實(shí)現(xiàn)故障的精準(zhǔn)定位與快速處理，減少因故障導(dǎo)致的生產(chǎn)停滯和設(shè)備維護(hù)成本。另外，故障預(yù)警系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也可作為后續(xù)高壓發(fā)泡機(jī)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化的參考依據(jù)，以此有效提高發(fā)泡機(jī)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力。

4.2 工藝參數(shù)監(jiān)測方案

針對高壓發(fā)泡機(jī)四項(xiàng)關(guān)鍵工藝參數(shù)分別設(shè)置波動(dòng)范圍閾值，系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄每次注料中的實(shí)時(shí)參數(shù)，在上位機(jī)中繪制趨勢變化圖，并在超出限值時(shí)自動(dòng)發(fā)出緊急預(yù)警。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合冰箱柜生產(chǎn)用高壓發(fā)泡機(jī)工作原理，設(shè)計(jì)了一種智能監(jiān)測系統(tǒng)改造方案。此方案可實(shí)現(xiàn)高壓發(fā)泡機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測分析，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測性報(bào)警，實(shí)現(xiàn)故障問題的提前發(fā)現(xiàn)和處理，降低故障對設(shè)備運(yùn)行的影響，保證高壓發(fā)泡機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，提高冰箱柜生產(chǎn)質(zhì)量。