印制板工厂集尘系统的设计思路及实施方案
2021-03-11王志军范永振
王志军 范永振
(无锡深南电路有限公司,江苏 无锡 214000)
随着5G时代的到来,印制电路板(PCB)行业迎来了新的发展机遇,开始了新一轮的建设高潮。随着国家在安全、环保等方面的要求不断提高,以及人工成本的不断增加,安全、环保、智能的集尘系统将成为企业发展的重要组成部分。
目前PCB工厂集尘系统多采用一机一桶的收尘方式,现场粉尘污染大,环境恶劣,设备运转部件容易损坏,且存在较大的安全隐患。过滤单元是集尘系统的核心,它决定了粉尘的排放浓度,大部分PCB工厂的集尘系统采用布袋作为过滤单元,其主要问题是布袋容易破损,粉尘排放浓度高,且需要人工定期更换,导致生产的停机损失很高。PCB工厂每一台集尘设备的开关操作全部由人工完成,风机与主机以及备用风机之间的阀门为普通蝶阀,切换工作全部由人工现场完成。这种切换方式对操作人员的技能有较高的要求,且切换的效率低,容易出错,经常给生产带来较大的停机损失。
以上这些是PCB工厂集尘系统长期存在的问题,原因除了成本外,集尘设备生产企业也缺乏为用户更高要求的研发动力,为此提出集尘系统改进必要性和改进思路与方案。
2 实现安全、环保、智能的集尘系统的必要性分析
2.1 集尘系统安全的必要性
安全涉及了设备安全和人身安全,设备安全是指设备能够安全稳定地运行,避免计划外停机造成的额外损失,保障公司和客户的利益。人身安全是尽量降低员工在设备操作、维护和使用过程中来自设备和环境的伤害,在任何企业中安全都是至关重要的。集尘系统作为PCB生产中不可或缺的辅助设备,出现安全事故将会对企业经营产生重大影响并造成很大的损失。
2.2 集尘系统环保的必要性
环保已经成为企业可持续发展的重要且关键的因素之一,对于PCB工厂的集尘系统也是如此。集尘系统是PCB工厂粉尘处理的关键设备,它把生产过程中产生的大量粉尘吸附至指定区域进行收集。在集尘系统的设计中,除了保证颗粒物排放指标能够达成外,还要防止在粉尘收集和转运过程中所造成的二次污染,以及设备性能的下降和对工作人员身体健康造成的伤害。
2.3 PCB工厂集尘系统智能的必要性
智能化工厂是制造业的未来。目前市场上绝大部分的集尘设备依然停留在手工操作阶段,同时由于PCB行业集尘设备的介入门槛不高、生产水平参差不齐以及预算等原因,技术上的升级难以得到落实,在人工成本不断增加、企业对停机损失的重视程度不断提高的前提下,以及对设备智能化的要求越来越高的背景下,降低人工干预、提高集尘系统的智能化将是必然的趋势。
3 安全、环保、智能的集尘系统的实施方案
3.1 集尘系统的设计思路
PCB工厂主要的机械加工设备是数控钻机和数控铣床,由于设备数量多,绝大部分粉尘来自这两种生产设备。使用端对集尘系统的要求是高负压、无须人工干预、能够长期安全稳定地运行。集尘系统设计思路包括安全、环保、智能化三方面。在安全方面主要解决两个问题:一是设备存在的安全隐患;二是因异常停机导致的生产损失,即解决生产安全问题;环保方面主要是达到尽可能低的粉尘排放量,以及解决粉尘的二次污染问题;智能化方面主要是从简化操作着手,使得生产人员很快就可以操作和使用集尘设备,维修人员在维护保养时不再通过烦琐的切换、开停机等操作。
3.2 集尘系统安全性的实施方案
3.2.1 优化逆洗程序、设置堵料监测装置
集尘系统非正常停机的主要原因之一是主机堵料,尤其在加工厚铜板时更加明显,主机堵料有设备的原因也有产品的原因。通过对主机堵料现象的持续观察和分析,找出了主机堵料的设备原因,通过优化内部程序,调整逆洗阀的控制顺序、通断时间等参数,基本解决了设备原因造成的堵料问题。
主机堵料的产品原因主要来自厚铜板加工,加工厚铜板时的丝状物在管道内长距离运行最终聚集成团,最后在卸料阀位置出现堵料故障。产品原因导致的堵料故障难以彻底根除,只有通过减少管道长度、设置堵料监测装置来降低堵料风险,减少管道长度就是将管道最短的集尘系统上的数控钻机定为厚铜板加工专用设备。堵料监测装置可以及时发现堵料故障,此时系统将自动切换到备用主机系统,堵料设备将停止运行并发出故障警报,避免了生产的停机损失和集尘设备故障的扩大。
3.2.2 设置压力平衡装置
PCB工厂集尘系统由于负压高,因此多采用双段卸料装置;双段卸料为双阀门结构,其中上端阀门的阀板与主机灰斗连通,下端阀门的阀板与环境连通,两个阀板之间为粉尘中转区。当含尘气体进入主机内,由于重力的作用落入灰斗并沉积在上端阀板的上端;当上端阀板打开,粉尘落入中转区,随后上端阀板关闭,下端阀板打开,粉尘落入外部收集装置内,这样就实现了集尘机免停机的自动卸料功能。
但是,这种形式的卸料存在一个明显的缺陷,那就是每个阀板都是带压动作的,阀板两端的压差在24000 Pa以上,而阀板的开启和关闭全部由气缸完成,由于打开阀板时需要的力很大,打开时产生了很大的震动及异响,阀板、密封圈以及卸料阀受力和运转部件使用寿命也大为减少,同时,由于粉尘的冲击,经常出现阀板边缘磨穿而损坏的故障,进而造成了负压不稳及堵料故障,影响了设备的安全性。为此,我们对卸料系统进行了改进,增加了一套压力平衡装置(见图1),通过程序控制两个阀门的开启和关闭,确保任意一个阀板在动作之前两端受压均等,从而实现卸料阀阀板在两侧压差一致的情况下动作,极大提高了设备的使用寿命和安全性。
图1 压力平衡装置
3.2.3 设置风机自动注油装置
风机在工作过程中由于叶轮的高速旋转,风机腔体内产生的大量热量传导致机壳和轴承,使得这些部位的温度很高,尤其是出风端更加明显,轴承油脂的及时补充显得极为重要。为此,我们设置了自动注油装置,通过风机运行时间这个参数自动控制注油时间和注入量,解决了人工注油的不确定性。
3.2.4 设置轴承温度监测装置
设置风机轴承温度检测装置,一旦轴承温度超出设定值就会发出持续的报警,当温度和时间均超出设定值上限时则自动切断风机电源,同时系统设置了防错措施,防止未经检修直接运行风机。
3.2.5 阀门采用自动切换
为避免计划外的宕机损失,PCB工厂集尘设备多采用备用风机或备用主机系统,当出现故障需要切换风机或主机时,都是由人工完成的,这不仅影响了生产,而且由于操作的失误,常出现因风机空转导致的轴承损坏甚至风机损毁后果。为此我们把所有手动阀门全部改为气动阀门,所有切换工作全部由系统自动完成,避免了生产的停机损失和人工误操作的风险,提高了设备的安全性。
3.2.6 设定粉尘输送设备间歇运行
螺旋粉尘输送设备连续长期的运行会导致减速箱的发热,而且运转部件也会因疲劳而断裂,腔体内壁为尼龙材料并与运转的螺旋体接触,其使用寿命与运转时间成反比。
为此,我们通过程序控制螺旋粉尘输送设备每间隔一段时间运行一次的工作方式,大大提高了设备的稳定性和使用寿命。另外为降低启动时马达对轴所施加的扭力,粉尘输送设备还采用了变频控制。
3.2.7 其它安全措施
为避免机械运转部件对人身带来的伤害,我们对设备运转部件进行了封闭处理,尤其是皮带和皮带轮等高速运转部件。
在用电安全方面,集尘房内除了电机以外,全部采用低压供电。粉尘收集房除了照明以外,不设任何配电和用电设施。
3.3 集尘系统环保性的实施方案
3.3.1 过滤材料的选择
PCB工厂集尘系统的过滤单元通常采用布袋、滤芯或PE烧结板,目前布袋仍为市场的主流。PE烧结板虽然成本高,但其他所有性能都优于布袋和滤芯,在粉尘排放方面,可以一直保持极低的排放量(见图2),采用PE烧结板作为过滤单元,是集尘系统环保性能的重要保障。
图2 检测报告数据
3.3.2 粉尘排放的过程监控
在每台风机的出口设置了传感器用于监测气体的粉尘排放浓度,并持续记录排放值;在系统中设置一个远低于国家标准的上限值,一旦数据超出上限,则系统发出报警。监测装置可以及时发现粉尘的泄漏问题,并及时采用措施,避免粉尘对环境影响的扩大。
3.3.3 避免粉尘的二次污染
通常采用一机一桶的方式收集粉尘,这种方式不可避免地导致了粉尘的二次污染以及多点扩散的问题,致使集尘房的环境极为恶劣,这不仅存在着较大的安全隐患,而且也导致了设备运转部件的频繁损坏,影响了设备的安全性,同时也对现场工作人员的健康造成了很大影响。
为此,我们将集尘设备、粉尘收集、控制部分进行了分室设置,并率先采用无轴螺旋粉尘输送设备,将粉尘密闭输送到独立的房间内集中收集(见图3),大大降低了粉尘的二次污染,避免了粉尘的多点扩散,提供了一个良好的工作环境。
图3 分室设置方案
3.3.4 设备耗电量的动态监测
通过持续监测和记录集尘系统的耗电量,可以及时了解设备的运行状态。当耗电量偏离正常值时能及时发现,并据此分析异常的原因以及节能降耗的可能性,为以后在系统改善方面提供参考依据。
3.4 集尘系统智能化的实施方案
智能化是设备发展的趋势,集尘系统智能化的首要目标就是简化操作,除了开、关机以外,所有工作全部由系统完成,以减少人工的干预。
3.4.1 简化过程操作
在控制柜的操作面板上设置了操作区和维修区。操作区仅设置“启动”和“停止”两个按钮用于集尘设备的开、关机操作,开机时只需要按下“启动”按钮,随后风机的启动及系统的运行等所有工作全部由程序自动完成,生产过程也不需要人工的任何干预。为防止误操作,停机时操作人员只需要长按“停止”按钮,待灯光闪烁后,操作人员即可离开。
维修区仅用于维修人员在设备维修和保养时使用,维修区设置“维修”和“生产”状态的切换开关,只有开关在“维修”状态时才可以进行设备的维修和主机的保养工作,而当开关在“生产”状态时维修区所有操作全部不起作用。
3.4.2 设置中央控制单元
设置中央控制单元的目的是用于实时观察设备的运行状态,采集和传送运行数据和信息。中央控制单元采用触屏操作,界面为直观的图文显示,它除了具备控制柜操作面板的所有功能外,还能够进行内部参数的设置和调整,查询运行数据和信息,发出报警信号等。
3.4.3 风机的智能切换
风机的智能切换是集尘系统智能化的关键,系统默认所有的风机都可以互连互备,通过风机电流、温度等实时数据的监测和判断,系统将自动完成风机的免停机切换工作,当出现以下情况时系统将自动启动切换程序:
(1)故障切换,当系统检测到风机温度异常或变频器电流异常时,则启动风机故障切换程序,切换完成后关闭故障风机。故障切换优先采用备用风机或其他停用的风机,其切换程序为:启动备用风机→开启连通阀门→关闭故障风机端阀门→关闭风机。
(2)低负荷切换,当系统检测到某台风机处于低负荷状态时,系统自动将此台风机合并到其他有冗余的一套或多套系统,以减少不必要的开机数量,达到节能的目的。
(3)超负荷切换,当系统检测到带动多套系统的风机处于超负荷状态时,则自动解除备用风机状态并增开风机。
(4)保养切换,当系统检测到某台风机达到保养周期时,则自动启动风机的切换。
系统启动故障切换和保养切换程序时,将同时启动声光报警器,并在中央控制面板上显示报警信息,以提醒维修人员及时进行设备的维修或保养工作。
3.4.4 主机的智能切换
主机的智能切换是系统智能化的重要体现,备用主机主要用于其他主机故障或检修时的切换,当系统判定主机出现堵料故障时,则自动完成主机的免停机切换。检修切换则由维修人员在主机检修或维修时手动完成。主机智能切换时主机和风机需要同时切换,并优先使用备用主机系统上的风机。主机切换的程序为:启动备用风机→开启风机端阀门→开启备用主机与故障主机入口连通阀门→关闭故障主机入口阀门→关闭故障主机的风机→关闭故障主机与互联管道之间的阀门。
4 结论及展望
依照上述方案和思路建成的集尘系统已成功应用于华东某PCB工厂,目前系统运行稳定,操作简单,维护方便,减轻了作业人员的工作强度,保障了集尘系统的运行安全,为公司持续稳定的生产提供了有力的支持。下一步将进行集尘系统智能开机的可行性论证,由于生产设备开机数量的变化,经常需要隔一段时间才开启另外一台集尘设备。许多工厂集尘房与生产区相距较远,操作非常不便,智能化开机就是只需要启动一套集尘设备,后续的其它集尘设备的开机则全部由系统自动完成。目前的系统和真正意义上的智能化相比还有不小的差距,随着新技术新工艺的突破,集尘系统在智能化方面将会有更大的提升空间。