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)泡機作為冰箱柜的核心生產(chǎn)設備，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)泡機在運行中不可避免地會出現(xiàn)各類故障問題，為能夠及時恢復冰箱柜生產(chǎn)，應利用先進技術手段實現(xiàn)高壓發(fā)泡機故障的遠程診斷和快速排除。常用的故障診斷及預警處理方式是采用智能監(jiān)測技術，對高壓發(fā)泡機進行運行狀態(tài)監(jiān)測、故障預測性預警、工藝參數(shù)智能監(jiān)控等。以高壓發(fā)泡機為例，分析智能監(jiān)測系統(tǒng)改造思路和監(jiān)測改造內(nèi)容，以期能夠為后續(xù)高壓發(fā)泡機及類似設備的智能監(jiān)測系統(tǒng)改造升級提供參考。

1 高壓發(fā)泡機工作原理及工藝參數(shù)

1.1 高壓發(fā)泡機工作原理

冰箱柜生產(chǎn)用高壓發(fā)泡機主要由兩個原料罐、兩組流量計量單元、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)泡機運行流程

在高壓發(fā)泡機運行中，兩個相互獨立的原料罐會根據(jù)預設工藝參數(shù)控制原料溫度，兩組不同的流量計量單元則按照設定的流量持續(xù)運轉(zhuǎn)，高低壓切換閥則在電控系統(tǒng)的控制下執(zhí)行投切動作，進而在高壓發(fā)泡機原料管路中形成13～15 MPa 的壓力。液壓系統(tǒng)驅(qū)動混合頭的大、小活塞進行順序動作，在一定的壓力下，兩種不同的原料按照預設比例和注料質(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)泡機工藝參數(shù)

高壓發(fā)泡機涉及的工藝參數(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)泡機主要工藝參數(shù)

2 高壓發(fā)泡機常見故障及影響

2.1 機械故障

高壓發(fā)泡機常見的機械故障及其影響如下：

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

（2）計量泵和電機故障：流量計量泵泵體在長時間使用后容易出現(xiàn)磨損，導致計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)過長時間使用后，高低壓換向閥的閥體可能出現(xiàn)關閉不嚴等故障。

（4）混合頭故障：當混合頭的大、小活塞動作故障時，高壓發(fā)泡機的原料注料質(zhì)量精準性將會受到影響。

（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，液壓系統(tǒng)將無法通過驅(qū)動混合頭的大、小活塞動作來實現(xiàn)注料動作。

2.2 電氣故障

高壓發(fā)泡機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量泵，實現(xiàn)精準化運轉(zhuǎn)。當變頻器故障時，高壓發(fā)泡機的流量計量單元將無法正常工作，使高壓發(fā)泡機整體工作性能受到影響。

（2）PLC 故障：PLC 用于實現(xiàn)高壓發(fā)泡機的運行控制及參數(shù)管理。PLC 故障多出現(xiàn)于電源模塊和輸出模塊，兩類故障均會對設備的正常運行造成負面影響。

3 高壓發(fā)泡機智能監(jiān)測系統(tǒng)改造思路

高壓發(fā)泡機智能監(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)泡機現(xiàn)有控制與操作方式情況下，單獨構(gòu)建一套高壓發(fā)泡機智能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)高壓發(fā)泡機的預測性維護、故障預警、遠程監(jiān)測與診斷、工業(yè)參數(shù)監(jiān)測等功能。

（2）以PC 機為上位機，結(jié)合通信板卡等硬件設備，共同構(gòu)建高壓發(fā)泡機智能監(jiān)測系統(tǒng)。上位機通過組態(tài)王軟件與高壓發(fā)泡機的PLC 達成數(shù)據(jù)通信，采集高壓發(fā)泡機的振動信號并讀取PLC 運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，對相關數(shù)據(jù)實施智能化分析，獲取狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果，根據(jù)結(jié)果確認高壓發(fā)泡機的運行狀態(tài)。同時，上位機中配置有西門子博圖軟件，用于PLC 的遠程監(jiān)控與程序修改。

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

4.1 運行狀態(tài)監(jiān)測設計

4.1.1 電機及流量泵

采用振動、溫度傳感器實現(xiàn)高壓發(fā)泡機關鍵設備的振動、溫度參數(shù)監(jiān)測，結(jié)合預測性維護程序中的使用狀態(tài)監(jiān)測功能，在關鍵設備發(fā)生嚴重故障前精準發(fā)現(xiàn)設備潛在的故障隱患，并由此判斷相關設備何時需要進行檢修、維護，提高設備生產(chǎn)效率，降低設備故障對生產(chǎn)造成的負面影響。

高壓發(fā)泡機電機振動的主要原因為電樞不平衡、軸承磨損、轉(zhuǎn)軸彎曲、電機不良、負載機械軸心不對中、傾斜等。電機振動涉及的主要參數(shù)為振幅、頻率、相位等。其中，電機振幅可通過位移、速度以及加速度等參數(shù)進行表示。在實際測量中，針對高頻故障或者高速設備，如滾動軸承、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；針對電機總體振動狀態(tài)監(jiān)測時，則一般選擇速度作為核心參考量[1]。

在具體運行監(jiān)測過程中，應重點關注電機主軸的振動狀態(tài)。正常工況下，電機主軸運行中的振動速度及溫度均相對穩(wěn)定，如果發(fā)現(xiàn)在負載參數(shù)不變的情況下，電機主軸振動速度及溫度突然變化，則說明電機主軸出現(xiàn)異常工況，需要進行針對性的停機維護檢修。其他設備的狀態(tài)監(jiān)測過程與電機振動監(jiān)測類似，在此不贅述說明。

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

4.1.2 原料罐

原料罐運行狀態(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)泡機的原料罐容量為330 L，在正常運行工況下攪拌器持續(xù)運轉(zhuǎn)，使原料罐內(nèi)部原料溫度保持均勻一致。電機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出現(xiàn)攪拌效率低等問題，但同時也造成無法直接觀察原料罐內(nèi)部攪拌桿是否正常運作?，F(xiàn)有高壓發(fā)泡機運行中就出現(xiàn)過攪拌電機正常運行，但原料罐內(nèi)部攪拌桿不運作情況。為有效檢測原料罐內(nèi)部攪拌桿的運轉(zhuǎn)情況，系統(tǒng)改造中在電機回路增設電流互感器，用于檢測攪拌電機運行中的電流變化。正常工況下，由于原料罐中的液位處于動態(tài)變化狀態(tài)，所以電機電流也會隨之持續(xù)變化。若是電流互感器采集的電機運行電流在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，自動通知檢修人員對攪拌桿故障進行處理。

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

（3）液位監(jiān)測：原料罐內(nèi)部設置有四點式液位計，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)可自動記錄原料罐加料開始到停止時間，計算出平均加料時間。加料時間與保護時間相加，若是相加后的時間超過預設時間，并且停止液位有信號，則立刻發(fā)出溢料預警。當加料閥動作，而加料開始液位未檢測到信號時，系統(tǒng)發(fā)出缺料預警。

4.1.3 計量泵

實時采集計量泵工作溫度、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)波動性變化，則自動通知工作人員進行檢修處理[2]。另外，計量泵電機機身和泵體上均配置有振動傳感器，實現(xiàn)電機和本體振動偏移量監(jiān)測。系統(tǒng)還可以自動記錄計量泵的累計工作時間，在工作時間達到預定時間后，自動提示停機維保。

4.1.4 高低壓壓力

在高壓發(fā)泡機高壓循環(huán)時段中，系統(tǒng)自動記錄流量泵高壓循環(huán)壓力，在上位機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)時的壓力差變化自動預警，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)自動記錄混合頭注料持續(xù)，在注料持續(xù)達到預設壽命次數(shù)時，自動提示檢修人員進行維護或者更換。同時，系統(tǒng)可根據(jù)PLC 輸出的混合頭大、小活塞動作信號計算活塞動作時間，如果發(fā)現(xiàn)活塞動作時間有減緩趨勢，則提示檢修人員對混合頭進行維保。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，則發(fā)出電源模塊檢修預警。同時，系統(tǒng)自動檢測PLC 每個輸出點的動作次數(shù)，在動作次數(shù)達到預期壽命前，提示檢修人員進行維護或更換處理。

4.1.7 遠程診斷功能

高壓發(fā)泡機現(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，當發(fā)泡機出現(xiàn)復雜故障時，往往需要相關專家?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)中配置遠程專家協(xié)作診斷功能。在發(fā)生嚴重故障時，生產(chǎn)廠家及相關專家可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問監(jiān)測計算機，調(diào)取高壓發(fā)泡機的近期報警歷史記錄與運行參數(shù)，并以此為基礎進行故障診斷，給出故障排除方法，實現(xiàn)故障的遠程診斷和快速處理。

4.1.8 故障預警

系統(tǒng)自動監(jiān)測和分析每個班次的故障報警記錄，統(tǒng)計出發(fā)生頻率較高的故障報警，并推送給檢修人員和管理人員，實現(xiàn)故障的精準定位與快速處理，減少因故障導致的生產(chǎn)停滯和設備維護成本。另外，故障預警系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)也可作為后續(xù)高壓發(fā)泡機生產(chǎn)計劃優(yōu)化的參考依據(jù)，以此有效提高發(fā)泡機生產(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)泡機四項關鍵工藝參數(shù)分別設置波動范圍閾值，系統(tǒng)實時記錄每次注料中的實時參數(shù)，在上位機中繪制趨勢變化圖，并在超出限值時自動發(fā)出緊急預警。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合冰箱柜生產(chǎn)用高壓發(fā)泡機工作原理，設計了一種智能監(jiān)測系統(tǒng)改造方案。此方案可實現(xiàn)高壓發(fā)泡機運行狀態(tài)、工藝參數(shù)的實時監(jiān)測分析，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預測性報警，實現(xiàn)故障問題的提前發(fā)現(xiàn)和處理，降低故障對設備運行的影響，保證高壓發(fā)泡機運行穩(wěn)定性，提高冰箱柜生產(chǎn)質(zhì)量。