冰箱柜生产用高压发泡机智能监测系统改造

2023-08-27叶小三

设备管理与维修 2023年14期

叶小三

（长虹美菱股份有限公司，安徽合肥 230601）

0 引言

高压发泡机作为冰箱柜的核心生产设备，在出现故障后将直接影响冰箱柜的正常生产。但由于工作环境、使用寿命等多种因素的共同影响，高压发泡机在运行中不可避免地会出现各类故障问题，为能够及时恢复冰箱柜生产，应利用先进技术手段实现高压发泡机故障的远程诊断和快速排除。常用的故障诊断及预警处理方式是采用智能监测技术，对高压发泡机进行运行状态监测、故障预测性预警、工艺参数智能监控等。以高压发泡机为例，分析智能监测系统改造思路和监测改造内容，以期能够为后续高压发泡机及类似设备的智能监测系统改造升级提供参考。

1 高压发泡机工作原理及工艺参数

1.1 高压发泡机工作原理

冰箱柜生产用高压发泡机主要由两个原料罐、两组流量计量单元、混合头、高低压切换阀、液压系统、料路管道系统、电控系统等组成。其工作流程如图1 所示。

图1 高压发泡机运行流程

在高压发泡机运行中，两个相互独立的原料罐会根据预设工艺参数控制原料温度，两组不同的流量计量单元则按照设定的流量持续运转，高低压切换阀则在电控系统的控制下执行投切动作，进而在高压发泡机原料管路中形成13～15 MPa 的压力。液压系统驱动混合头的大、小活塞进行顺序动作，在一定的压力下，两种不同的原料按照预设比例和注料质量在混合头内部穿过喷嘴，在混合头混合腔内实现相互高速碰撞，完成原料的充分混合，混合后的原料快速注入到冰箱柜箱体或者门体中，形成聚氨酯泡沫保温层。

1.2 高压发泡机工艺参数

高压发泡机涉及的工艺参数主要包括混合比例、注料质量、原料温度、注料压力等（表1）。

表1 高压发泡机主要工艺参数

2 高压发泡机常见故障及影响

2.1 机械故障

高压发泡机常见的机械故障及其影响如下：

（1）原料罐故障：原料罐搅拌机构不运行，将导致原料罐内部原料温度分布不均，无法满足原料温度要求。原料罐进料电磁阀故障，将导致原料罐出现缺料、溢料等情况。

（2）计量泵和电机故障：流量计量泵泵体在长时间使用后容易出现磨损，导致计量泵输出的原料流量忽大忽小，输出的原料压力也忽高忽低，无法满足注料压力和注料量要求。

（3）高低压换向阀故障：经过长时间使用后，高低压换向阀的阀体可能出现关闭不严等故障。

（4）混合头故障：当混合头的大、小活塞动作故障时，高压发泡机的原料注料质量精准性将会受到影响。

（5）液压系统故障：液压系统的正常工作压力为20 MPa，但在液压泵故障时，液压系统将无法通过驱动混合头的大、小活塞动作来实现注料动作。

2.2 电气故障

高压发泡机常见的电气故障及影响如下：

（1）变频器故障：变频器主要用于控制计量泵，实现精准化运转。当变频器故障时，高压发泡机的流量计量单元将无法正常工作，使高压发泡机整体工作性能受到影响。

（2）PLC 故障：PLC 用于实现高压发泡机的运行控制及参数管理。PLC 故障多出现于电源模块和输出模块，两类故障均会对设备的正常运行造成负面影响。

3 高压发泡机智能监测系统改造思路

高压发泡机智能监测系统改造主要遵循以下两种思路：

（1）在不改变高压发泡机现有控制与操作方式情况下，单独构建一套高压发泡机智能监测系统，实现高压发泡机的预测性维护、故障预警、远程监测与诊断、工业参数监测等功能。

（2）以PC 机为上位机，结合通信板卡等硬件设备，共同构建高压发泡机智能监测系统。上位机通过组态王软件与高压发泡机的PLC 达成数据通信，采集高压发泡机的振动信号并读取PLC 运行状态数据，对相关数据实施智能化分析，获取状态监测结果，根据结果确认高压发泡机的运行状态。同时，上位机中配置有西门子博图软件，用于PLC 的远程监控与程序修改。

4 高压发泡机智能监测系统监测改造内容

4.1 运行状态监测设计

4.1.1 电机及流量泵

采用振动、温度传感器实现高压发泡机关键设备的振动、温度参数监测，结合预测性维护程序中的使用状态监测功能，在关键设备发生严重故障前精准发现设备潜在的故障隐患，并由此判断相关设备何时需要进行检修、维护，提高设备生产效率，降低设备故障对生产造成的负面影响。

高压发泡机电机振动的主要原因为电枢不平衡、轴承磨损、转轴弯曲、电机不良、负载机械轴心不对中、倾斜等。电机振动涉及的主要参数为振幅、频率、相位等。其中，电机振幅可通过位移、速度以及加速度等参数进行表示。在实际测量中，针对高频故障或者高速设备，如滚动轴承、齿轮箱等，一般选择加速度作为核心参考量；针对低频故障或者低速设备，如轴心线不对中、电枢不平衡等，一般选用位移作为核心参考量；针对电机总体振动状态监测时，则一般选择速度作为核心参考量[1]。

在具体运行监测过程中，应重点关注电机主轴的振动状态。正常工况下，电机主轴运行中的振动速度及温度均相对稳定，如果发现在负载参数不变的情况下，电机主轴振动速度及温度突然变化，则说明电机主轴出现异常工况，需要进行针对性的停机维护检修。其他设备的状态监测过程与电机振动监测类似，在此不赘述说明。

智能监测系统改造项目中配置有6 套图尔克振动、温度传感器，分别用于实现两套流量计量单元电机、流量泵，液压系统电机、液压泵的振动监测和温度监测。

4.1.2 原料罐

原料罐运行状态监测主要包括搅拌监测、温度监测以及液位监测等。

（1）搅拌监测：高压发泡机的原料罐容量为330 L，在正常运行工况下搅拌器持续运转，使原料罐内部原料温度保持均匀一致。电机与搅拌器之间配置有磁性联轴器，不采用直接连接方式，可以有效避免原料搅拌时出现搅拌效率低等问题，但同时也造成无法直接观察原料罐内部搅拌杆是否正常运作。现有高压发泡机运行中就出现过搅拌电机正常运行，但原料罐内部搅拌杆不运作情况。为有效检测原料罐内部搅拌杆的运转情况，系统改造中在电机回路增设电流互感器，用于检测搅拌电机运行中的电流变化。正常工况下，由于原料罐中的液位处于动态变化状态，所以电机电流也会随之持续变化。若是电流互感器采集的电机运行电流在1 h 内无变化，并且整体电流较低，则可以判定搅拌杆故障，自动通知检修人员对搅拌杆故障进行处理。

（2）温度监测：通过高压发泡机原料罐现有的温度传感器实时采集原料罐内部温度变化数据。采集数据传输至上位机，由上位机原料罐温度监测页面自动绘制出原料温度变化趋势图。如果原料罐内原料温度超过预设上限或者下限，系统将自动控制高压发泡机停止注料，待温度恢复正常工作温度范围内再开始注料运行。

（3）液位监测：原料罐内部设置有四点式液位计，采集的液位数据可为系统提供液位监测支持。系统可自动记录原料罐加料开始到停止时间，计算出平均加料时间。加料时间与保护时间相加，若是相加后的时间超过预设时间，并且停止液位有信号，则立刻发出溢料预警。当加料阀动作，而加料开始液位未检测到信号时，系统发出缺料预警。

4.1.3 计量泵

实时采集计量泵工作温度、变频器工作电流和频率参数，如果某一参数变量出现波动性变化，则自动通知工作人员进行检修处理[2]。另外，计量泵电机机身和泵体上均配置有振动传感器，实现电机和本体振动偏移量监测。系统还可以自动记录计量泵的累计工作时间，在工作时间达到预定时间后，自动提示停机维保。

4.1.4 高低压压力

在高压发泡机高压循环时段中，系统自动记录流量泵高压循环压力，在上位机中绘制压力变化曲线，并在压力超限后提出检修。液压系统中液压泵也采用同样的检测方法。系统根据低压压力表在低压循环和高压循环时的压力差变化自动预警，提示检修人员清洗或更换过滤网。

4.1.5 混合头和高低压换向阀

系统自动记录混合头注料持续，在注料持续达到预设寿命次数时，自动提示检修人员进行维护或者更换。同时，系统可根据PLC 输出的混合头大、小活塞动作信号计算活塞动作时间，如果发现活塞动作时间有减缓趋势，则提示检修人员对混合头进行维保。高低压换向阀监测内容与混合头基本一致。

4.1.6 PLC 系统

在PLC 电源模块中增设电流互感器，用于记录电源模块的工作电流。如果发现工作电流值出现异常波动，则发出电源模块检修预警。同时，系统自动检测PLC 每个输出点的动作次数，在动作次数达到预期寿命前，提示检修人员进行维护或更换处理。

4.1.7 远程诊断功能

高压发泡机现场工作人员和检修人员一般仅能够解决简单的故障问题，当发泡机出现复杂故障时，往往需要相关专家帮助才能有效解决。为有效提高故障处理效率，需要在监测系统中配置远程专家协作诊断功能。在发生严重故障时，生产厂家及相关专家可通过互联网访问监测计算机，调取高压发泡机的近期报警历史记录与运行参数，并以此为基础进行故障诊断，给出故障排除方法，实现故障的远程诊断和快速处理。

4.1.8 故障预警

系统自动监测和分析每个班次的故障报警记录，统计出发生频率较高的故障报警，并推送给检修人员和管理人员，实现故障的精准定位与快速处理，减少因故障导致的生产停滞和设备维护成本。另外，故障预警系统的统计数据也可作为后续高压发泡机生产计划优化的参考依据，以此有效提高发泡机生产效率和生产能力。