油料罐溢流分析與改進(jìn)

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(北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100143)

橡膠工業(yè)中油料罐溢流是指油料儲(chǔ)罐在加注油料過程中，油料充滿罐體，并從罐體頂部的溢流口流出，流到地面的現(xiàn)象。由于油料系統(tǒng)存儲(chǔ)的是芳烴油和潤滑油，流到地面上會(huì)污染環(huán)境。若滲入地下或排入下水道會(huì)污染土壤和水體，造成環(huán)境污染。油料溢流會(huì)損失一部分油料，有的會(huì)造成大的經(jīng)濟(jì)損失。清理污染的地面、土壤和水體，同樣費(fèi)工費(fèi)時(shí)。甚至個(gè)別極端情況會(huì)造成安全事故。油料罐溢流同時(shí)會(huì)對(duì)生產(chǎn)油料系統(tǒng)設(shè)備廠家的口碑造成影響。所以從各個(gè)方面考慮，我們希望盡量減少油料儲(chǔ)罐溢流發(fā)生的可能。

1 油料罐油位控制原理

橡膠工業(yè)設(shè)備中，油料罐溢流多發(fā)生于存在較小容量中間干燥罐的系統(tǒng)。橡膠工業(yè)生產(chǎn)過程中，工藝油（芳烴油）和潤滑油使用量非常大，一般存儲(chǔ)在室外油料儲(chǔ)罐中。有的油料系統(tǒng)的油料儲(chǔ)存罐和干燥罐，由同一個(gè)罐充當(dāng)。有的是油料儲(chǔ)存罐和干燥罐分開，由不同的罐體構(gòu)成。而在生產(chǎn)實(shí)踐中溢流現(xiàn)象多發(fā)于充當(dāng)干燥罐的中間罐體。一般油料儲(chǔ)存罐體積大，容量大，可根據(jù)運(yùn)油車載油量估算需要加注時(shí)間或油位位置。且加注過程中有工人值守，能夠進(jìn)行觀察。而一般中間干燥罐罐體較小，容量有限，需要頻繁的注油和抽油。且加注過程多為自動(dòng)控制，若發(fā)生故障不易及時(shí)察覺。

為直觀顯示油位，可在油料罐側(cè)面加裝玻璃管液位計(jì)或磁翻板液位計(jì)。但由于工藝油（芳烴油），在較低的氣溫下變得黏稠，不易流動(dòng)，玻璃管液位計(jì)及磁翻板液位計(jì)的顯示效果并不理想。在人工加注油料過程中，通過觀察玻璃管或磁翻板計(jì)進(jìn)行判斷時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤判。若觀察油料罐溢流口是否有溢流，則時(shí)間滯后，不理想。故油料罐在設(shè)計(jì)過程中，一般會(huì)在上部和底部添加兩個(gè)液位傳感器（開關(guān)量的）用以檢測油料位置。見圖1。當(dāng)?shù)撞康牡土衔稽c(diǎn)液位傳感器動(dòng)作，說明油位低于油料罐底部的液位傳感器，油料罐缺油，自動(dòng)開啟油泵進(jìn)行補(bǔ)油。當(dāng)上部的高料位點(diǎn)液位傳感器動(dòng)作時(shí)，油位高于油料罐上部的液位傳感器，油位達(dá)到設(shè)定的滿罐狀態(tài)，油泵停止工作。若底部的低料位點(diǎn)液位傳感器和上部的高料位點(diǎn)液位傳感器皆未動(dòng)作，則證明油料罐內(nèi)有油，但油料罐未滿，處于中間狀態(tài)?？扇斯みM(jìn)行補(bǔ)油操作。這種設(shè)計(jì)安全性較高，自動(dòng)化程度較高，是常用的設(shè)計(jì)方案。見圖2。但由于某些原因，仍會(huì)發(fā)生油料罐溢流故障。

2 油料罐溢流的原因分析

油料罐溢流的本質(zhì)是油位達(dá)到設(shè)定位置，而油泵注油工作未停止。可能原因是：

（1）油料罐上部的高料位點(diǎn)液位傳感器未動(dòng)作或故障產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。液位傳感器信號(hào)故障是較常發(fā)生的事情，概率較高。國內(nèi)各個(gè)廠家的液位傳感器質(zhì)量參差不齊，即使同一廠家的不同批次產(chǎn)品之間質(zhì)量亦有差異，對(duì)質(zhì)量管理還存在一定的不足。加上露天現(xiàn)場工作環(huán)境較為惡劣，冷、熱、震動(dòng)、電磁等因素影響，個(gè)別液位傳感器可能感應(yīng)元件不靈敏，損壞或傳感器輸出模塊損壞，從而產(chǎn)生誤動(dòng)作、無動(dòng)作等故障，導(dǎo)致正確信號(hào)無法發(fā)出。本人曾遇到一次中間干燥罐發(fā)生的油料罐溢流故障。長距離輸油管道的伴熱管道，無溫度控制，直接將輸油管道中的油料加熱到極高的溫度，回流中間干燥罐后引起超溫。而油料罐超溫導(dǎo)致液位傳感器故障。

（2）液位傳感器與PLC信號(hào)采集端子之間的連線中斷，導(dǎo)致信號(hào)未能傳輸?shù)絇LC。液位傳感器與PLC信號(hào)采集端子之間的故障概率也較高。在實(shí)踐過程中，同樣由于惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，電線電纜與接線端子連接松動(dòng)而導(dǎo)致的接觸不良，也比比皆是。電線電纜本身質(zhì)量亦可能存在問題，導(dǎo)致在使用過程中電線斷線無法傳輸信號(hào)。本人曾在現(xiàn)場放線和接線過程中發(fā)現(xiàn)，因使用了假冒偽劣電線電纜而導(dǎo)致電線斷線，產(chǎn)生各種設(shè)備故障的情況屢有發(fā)生。這種設(shè)備故障，原因查找困難，電線電纜更換也是困難重重，需要將壞電線電纜從橋架槽盒和保護(hù)管中抽出并替換。因此強(qiáng)烈建議使用正規(guī)電纜廠家生產(chǎn)的正規(guī)電纜。

（3）PLC模塊發(fā)生故障。PLC是面向工業(yè)現(xiàn)場，耐寒耐熱抗電磁輻射的電氣設(shè)備，可靠性非常高。PLC模塊較少出現(xiàn)故障，且模塊具有自檢功能，即使損壞也多造成PLC停止運(yùn)性。本人從事橡膠工業(yè)設(shè)備維保多年，接觸過多種品牌的多種型號(hào)的PLC。在實(shí)際維保過程中，只發(fā)生過一次三菱PLC某個(gè)IO點(diǎn)燒毀引起的設(shè)備故障。 因此由PLC模塊故障引起油罐溢流的概率非常小。

（4） PLC程序本身存在問題。程序在一般情況下能夠正常運(yùn)行，但在某些特殊情況下可能會(huì)產(chǎn)生程序故障，導(dǎo)致不能及時(shí)切斷油泵電機(jī)運(yùn)行。油料系統(tǒng)的程序分為上位機(jī)程序和PLC程序。上位機(jī)程序由軟件工程師編寫，具有數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)功能，也存在對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的控制功能。PLC程序由電氣自動(dòng)化工程師編寫，直接采集現(xiàn)場高（低）料位點(diǎn)的液位傳感器信號(hào)，控制油泵電機(jī)的啟停。PLC程序經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，驗(yàn)證檢驗(yàn)合格后投入正常使用。因程序控制邏輯簡單明了，故障概率較小。由于近些年自動(dòng)化、智能化要求的提高，油料系統(tǒng)整合加入了由上位機(jī)程序控制的功能。上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的控制，通過與PLC通信，由PLC直接控制。上位機(jī)亦可以直接控制某些具有通訊功能的自動(dòng)化儀表和智能儀表，但在油料系統(tǒng)中基本不可見，故不予考慮。有些不成熟的上位機(jī)程序與PLC程序之間，存在通訊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址不完全對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象，可能會(huì)產(chǎn)生故障。若正確的控制信號(hào)寫入錯(cuò)誤的通訊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址，會(huì)引起PLC發(fā)出錯(cuò)誤指令，引發(fā)現(xiàn)場設(shè)備誤動(dòng)作。上位機(jī)本身的各種軟件之間亦可能存在沖突，軟件相互配合使用存在問題。軟件工程師與電氣自動(dòng)化工程師也可能存在配合交流方面的問題。但此現(xiàn)象多發(fā)生于設(shè)備調(diào)試過程中，能夠發(fā)現(xiàn)油料系統(tǒng)正常運(yùn)行存在的問題并及時(shí)解決。油罐溢流情況屬于極端、非正?，F(xiàn)象。在調(diào)試過程中可能無法發(fā)現(xiàn)，從而留下隱患。這種情況在實(shí)踐運(yùn)營過程中，發(fā)生概率很小。因?yàn)樯衔粰C(jī)多用于維數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、配方下傳、報(bào)表查詢，一般并不參與油料罐油位的直接控制。

（5）油泵電機(jī)交流接觸器的觸頭金屬片融化黏連，導(dǎo)致交流接觸器無法分?jǐn)?，使得油泵電機(jī)一直處于工作狀態(tài)。多數(shù)控制系統(tǒng)由PLC控制中間繼電器，中間繼電器控制交流接觸器。若中間繼電器觸頭金屬片黏連也會(huì)產(chǎn)生同樣的問題。交流接觸器觸頭金屬片或中間繼電器觸頭金屬片黏連現(xiàn)象有時(shí)也會(huì)發(fā)生，概率低于液位傳感器信號(hào)故障。產(chǎn)生的原因多為使用的交流接觸器或中間繼電器，為假冒偽劣產(chǎn)品，質(zhì)量不符合要求。正規(guī)設(shè)備生產(chǎn)廠家，亦有可能被假冒偽劣產(chǎn)品所欺騙。其次交流接觸器或中間繼電器的額定工作電流電壓等參數(shù)的選擇不當(dāng)，也是造成交流接觸器或中間繼電器觸頭金屬片黏連的原因。選型工作電流過小、電壓低，導(dǎo)致實(shí)際電流超過額定工作電流，使得交流接觸器或中間繼電器觸頭金屬片，在工作過程中產(chǎn)生電火花。在極端情況下，觸頭金屬片因電火花產(chǎn)生高溫而融化結(jié)合在一起，無法分?jǐn)嚯娏?。交流接觸器或中間繼電器的老化亦可能是其中原因。由于輸油泵功能單一，油泵電機(jī)一般不由變頻器控制，故變頻器故障引起油料罐溢流的概率非常低。

（6）溢流口的位置低于油罐上部的液位傳感器。油罐溢流口位置設(shè)置低于油罐高料位點(diǎn)液位傳感器，油位始終不能滿足觸發(fā)高料位點(diǎn)傳感器動(dòng)作的條件，因此無法控制油泵停止工作。此故障現(xiàn)場實(shí)際發(fā)生概率極小，但不排除存在的可能。

油料罐溢流故障的發(fā)生具有隨機(jī)性，多種原因皆可能。在社會(huì)實(shí)踐中，要根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行分析。

3 避免油料罐溢流的改進(jìn)措施

油料罐溢流問題的解決方案，應(yīng)從兩方面入手。

（1）增加管道分流、引流。若是油料系統(tǒng)本身存在倒罐所用的管道，可設(shè)計(jì)添加一些管道閥門和控制程序。使油料罐油料溢出時(shí)，油料可以通過相應(yīng)的管道流到其他備用罐或中間罐中。若無相應(yīng)的引流管道，則需設(shè)計(jì)增加輸油管道，及伴熱管道，成本費(fèi)用高昂。且管道走向復(fù)雜，需要避讓其他現(xiàn)有管道，會(huì)使油料系統(tǒng)管道顯得雜亂無章，后期管理成本增加。通過為油料系統(tǒng)增加冗余管道和罐體來解決油料罐溢流，成本高，并不是第一選擇和最優(yōu)選擇。

（2）增加電氣控制的可靠性。增加電氣控制的可靠性，是相比較好的改進(jìn)方式。

a.選擇品牌可靠質(zhì)量優(yōu)質(zhì)的液位傳感器、電線電纜交流接觸器、中間繼電器。減少因產(chǎn)品本身質(zhì)量問題而產(chǎn)生的故障。

b.采用具有震動(dòng)緩沖功能的元器件或采取減振措施，減少因震動(dòng)而造成元器件損壞。選用工作溫度上下限滿足要求的元器件或采取防寒隔熱措施，減少氣溫惡劣造成的元器件損壞。選擇具有電磁屏蔽功能的元器件或做好接地措施，減少電磁輻射的干擾。

c.定時(shí)檢修，維護(hù)保養(yǎng)，緊固更換電氣元器件的電線電纜接頭。可以減少因震動(dòng)等原因引起的電線電纜接頭松動(dòng)等故障。定時(shí)檢修，維護(hù)保養(yǎng)可減少設(shè)備95%以上的故障，對(duì)所有的橡膠機(jī)械設(shè)備也都通用。

d.采用玻璃管液位計(jì)或磁翻板液位計(jì)裝置進(jìn)行油位觀察，可通過增加溫度可控的伴熱帶，維持油料溫度處于相對(duì)較高的溫度，增強(qiáng)油料流動(dòng)性。使玻璃管液位計(jì)或磁翻板液位計(jì)能及時(shí)準(zhǔn)確反映油位位置。

e.改變高料位點(diǎn)液位計(jì)的接線方式，低于高料位點(diǎn)液位傳感器位置時(shí)產(chǎn)生接通信號(hào)，高于高料位點(diǎn)液位傳感器位置時(shí)接通信號(hào)斷開。這種接線方式，當(dāng)發(fā)生接線端子松動(dòng)而造成接觸不良故障，或液位傳感器與PLC信號(hào)采集端子之間斷線故障，無法產(chǎn)生接通信號(hào)，油泵電機(jī)工作條件不滿足，停止運(yùn)轉(zhuǎn)?？杀苊饨佑|不良或斷線故障引起的油料罐溢流事故。

f.增加一些額外的電氣控制。當(dāng)交流接觸器或中間繼電器，因觸頭金屬片黏連而無法斷開時(shí)，可從交流接觸器或中間繼電器的輔助觸點(diǎn)，采集信號(hào)并返回PLC。若PLC發(fā)出關(guān)閉油泵電機(jī)控制回路動(dòng)作，而輔助觸點(diǎn)的信號(hào)無變化，可判斷為發(fā)生交流接觸器或中間繼電器觸頭金屬片黏連故障，則關(guān)閉油泵電機(jī)的上級(jí)電源。

g.在溢流口處，或其他高于油罐高料位點(diǎn)液位傳感器而低于溢流口的位置，增加溢流檢測裝置。溢流檢測裝置使用的傳感器，可采取電磁式或機(jī)械式，此兩者各有利弊。若采用機(jī)械的浮球液位傳感器，裝置簡單可靠，耐高低溫，成本低。但個(gè)別極端情況下，浮球可能會(huì)被物理卡死。若采用電磁式的液位傳感器，動(dòng)作靈敏可靠。但電磁元件本身較易損壞，對(duì)極端高溫、低溫、強(qiáng)電磁輻射抗性差，且成本相比較高。當(dāng)檢測到油料溢流裝置的動(dòng)作信號(hào)，PLC斷開控制油泵電機(jī)工作的輸出信號(hào)。通常高料位、低料位和溢流位的檢測傳感器多采購為同一廠家的同一批次產(chǎn)品，而工作現(xiàn)場遭受的惡劣環(huán)境影響也相同。故可能存在極大概率，高料位處與溢流位處的傳感器同時(shí)發(fā)生故障，因此最好采用不同品牌傳感器。不同品牌的兩個(gè)油位傳感器同時(shí)發(fā)生故障的概率將會(huì)是一個(gè)極小的值。也可混用機(jī)械式傳感器和電磁式傳感器，同樣增加了設(shè)備的防溢流的可靠性。見圖3。

h.添加連續(xù)液位傳感器來輔助控制油料罐油位。連續(xù)液位傳感器可以檢測罐內(nèi)油位的實(shí)際位置，它能顯示油料位置的連續(xù)變化，增強(qiáng)了油料系統(tǒng)設(shè)備的功能。連續(xù)液位傳感器與高低料位點(diǎn)液位傳感器配合使用。當(dāng)油料位置高于油罐頂部的高料位點(diǎn)液位傳感器，PLC停止油泵電機(jī)工作。若發(fā)生故障，仍有油料注入油罐，連續(xù)液位傳感器可檢測到油料液位異常。當(dāng)達(dá)到PLC設(shè)定油料位置高度，PLC停止油泵電機(jī)工作。

i. PLC程序中設(shè)置每次油泵電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間，對(duì)油罐的注油量予以控制。通過手動(dòng)分多次進(jìn)行注油，同時(shí)觀察是否有油罐溢流情況發(fā)生。但是此種方法并不自動(dòng)化，也不精確，只作為手動(dòng)工作模式的保護(hù)控制。

電磁式液位傳感器，成本高，且有明確的工作溫度范圍?，F(xiàn)場油罐超溫屢有發(fā)生，電磁式液位傳感器超過工作溫度上限，極易損壞。應(yīng)采用工作溫度上限高于極端溫度的液位傳感器，或?qū)τ凸逌囟仍黾宇~外溫度控制。對(duì)輸油管道的伴熱管溫度進(jìn)行控制，可采用根據(jù)油罐溫度進(jìn)行控制，并不要求精確的溫度控制。

4 結(jié)語

油料系統(tǒng)設(shè)備在長期工作中，總會(huì)出現(xiàn)各種問題。作為電氣（機(jī)械）工程師，我們不斷的摸索改進(jìn)，提高設(shè)備質(zhì)量，避免下次出現(xiàn)同樣的問題。而設(shè)備的設(shè)計(jì)人員，應(yīng)考慮各種極端的工作環(huán)境，預(yù)判各種問題出現(xiàn)。本文關(guān)于油料罐溢流問題的分析和改進(jìn)，希望帶給工程師們一點(diǎn)啟發(fā)。