夏雨， 冀國光， 郭岳， 季正軍

(1.山東省交通科學(xué)研究院， 山東 濟(jì)南 250001；2.天津?yàn)I海新區(qū)高速公路投資發(fā)展有限公司， 天津 300450)

隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的革新，基于互聯(lián)網(wǎng)的瀝青拌合站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這類系統(tǒng)大多以管理者為核心，通過對超出技術(shù)要求的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警，對瀝青拌合站進(jìn)行監(jiān)控管理。拌合站生產(chǎn)的核心是操作人員及生產(chǎn)設(shè)備，通過建立早期預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的異?，F(xiàn)象和緩慢變異，可實(shí)現(xiàn)有效的現(xiàn)場質(zhì)量預(yù)防和控制。統(tǒng)計(jì)過程控制(Statistical Process Control，SPC)強(qiáng)調(diào)全過程監(jiān)控、全系統(tǒng)參與，并強(qiáng)調(diào)用科學(xué)方法來保證全過程預(yù)防，在制造業(yè)得到非常廣泛的應(yīng)用，但在公路行業(yè)的應(yīng)用尚未成熟。該文通過對瀝青拌合站生產(chǎn)過程關(guān)鍵控制點(diǎn)和關(guān)鍵控制參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程控制，對其失控表現(xiàn)進(jìn)行判斷，做到事前預(yù)防和控制，使生產(chǎn)過程處于僅受隨機(jī)性因素影響的受控狀態(tài)，達(dá)到控制質(zhì)量、降低產(chǎn)能的目的。

1 SPC基本原理

SPC借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法直接分析數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，判斷工序是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。任何生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量總會存在一定程度波動，當(dāng)其僅受偶然因素影響時(shí)，根據(jù)中心極限定理，其服從正態(tài)分布N(μ，σ2)，在正態(tài)分布μ±3σ范圍產(chǎn)生的概率為99.73%，一般認(rèn)為不會超出該界限，若超出該界限，則生產(chǎn)過程可能失控或不穩(wěn)定。通過區(qū)分質(zhì)量波動是由偶然因素還是系統(tǒng)因素所引起，及時(shí)從“人、機(jī)、料、法、環(huán)”查找原因，判斷產(chǎn)品是否處于可控狀態(tài)，及時(shí)消除異常因素引起的質(zhì)量異常，從而提高質(zhì)量，降低成本。

圖1 控制圖示例

SPC應(yīng)用分為分析階段和監(jiān)控階段，這兩個(gè)階段的控制圖分別稱為分析用控制圖和控制用控制圖。分析階段通過對一段時(shí)間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析，判斷生產(chǎn)中有無異常情況，檢驗(yàn)生產(chǎn)過程是否處于統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定狀態(tài)及過程能力是否足夠。如果存在控制點(diǎn)越出UCL或LCL界限，則分析原因進(jìn)行改進(jìn)，并重新準(zhǔn)備生產(chǎn)及分析，直至滿足要求后方可進(jìn)入SPC監(jiān)控階段。監(jiān)控階段主要采用分析階段控制圖進(jìn)行監(jiān)控，將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)及時(shí)繪制到控制圖中，并密切關(guān)注控制圖中點(diǎn)的波動情況，通過分析數(shù)據(jù)異常情況或緩慢變異及時(shí)消除其影響。

2 瀝青拌合站關(guān)鍵指標(biāo)判異準(zhǔn)則及過程能力分析

瀝青拌合站是生產(chǎn)瀝青混合料的生產(chǎn)線，將瀝青拌合站每一盤混合料作為一個(gè)產(chǎn)品，以拌合站各傳感器采集的重量、溫度等數(shù)據(jù)作為SPC數(shù)據(jù)源，篩選影響混合料質(zhì)量的關(guān)鍵因素，主要包括瀝青用量、關(guān)鍵篩孔(0.075、2.36、4.75 mm等)通過率、集料加熱溫度、混合料出廠溫度等，將這些參數(shù)繪制控制圖進(jìn)行分析，滿足要求后進(jìn)行SPC監(jiān)控階段，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)進(jìn)行消除。

SPC分析階段主要判斷生產(chǎn)過程是否處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)或存在緩慢變異情況，基本判異準(zhǔn)則為：1) 有1點(diǎn)落在控制線之外[見圖2(a)]；2) 連續(xù)9點(diǎn)在中心線同一側(cè)[見圖2(b)]；3) 連續(xù)6點(diǎn)呈上升或下降趨勢[見圖2(c)]；4) 連續(xù)14個(gè)相鄰點(diǎn)上下交替[見圖2(d)]；5) 連續(xù)3點(diǎn)中有2點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的B區(qū)以外[見圖2(e)]；6) 連接5個(gè)點(diǎn)中有4點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的C區(qū)以外[見圖2(f)]；7) 連續(xù)15點(diǎn)在C區(qū)中心線上下[見圖2(g)]；8) 連續(xù)8點(diǎn)在中心線兩側(cè)且無一在C區(qū)內(nèi)[見圖2(h)]。若發(fā)生判異情況，及時(shí)進(jìn)行原因分析并予以消除。

圖2 判異準(zhǔn)則示意圖

瀝青拌合站關(guān)鍵指標(biāo)過程能力是指工序在一定時(shí)間里處于控制狀態(tài)下的實(shí)際加工能力。通常用Cp表示過程加工的一致性即質(zhì)量能力，常用客戶滿意的偏差范圍除以6倍西格瑪?shù)慕Y(jié)果來表示，Cp越大則質(zhì)量能力越強(qiáng)；用Cpk反映過程中心與公差中心的偏移情況，常用客戶滿意的上限偏差值減去平均值和平均值減去下限偏差值中數(shù)值小的一個(gè)再除以3倍西格瑪?shù)慕Y(jié)果來表示，Cpk越大則兩者的偏離越小，是過程的質(zhì)量能力與管理能力的綜合結(jié)果。Cpk的評級標(biāo)準(zhǔn)：1)Cpk≥1.67時(shí)，表明能力過高，允許較大的外來波動，以提高效率，降低成本；2) 1.67>Cpk≥1.33時(shí)，表明能力充分，允許一定程度的外來波動，應(yīng)繼續(xù)保持；3) 1.33>Cpk≥1.0時(shí)，表明能力尚可，應(yīng)防止外來波動，注意產(chǎn)品檢驗(yàn)；4) 1.0>Cpk≥0.67時(shí)，表明能力不足，應(yīng)分析極差過大的原因并采取措施；5)Cpk<0.67時(shí)，表明能力嚴(yán)重不足，應(yīng)追查各方面原因并對工藝進(jìn)行改革。

3 瀝青用量過程控制分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

瀝青用量是瀝青混合料的最關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，在拌合站生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)設(shè)定的瀝青用量，通過計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行稱重。以瀝青拌合站采集125盤AC-25逐盤打印記錄為數(shù)據(jù)源，設(shè)計(jì)瀝青用量為4.1%，樣本大小n為5，共收集25組數(shù)據(jù)，計(jì)算每組數(shù)據(jù)的均值和極差。

3.2 SPC控制圖繪制

圖3 瀝青用量控制圖

3.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)過程能力分析圖(見圖4)，生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)瀝青用量為4.1%，過程能力指數(shù)Cp與Cpk分別為1.47、1.05，參照Cpk評級標(biāo)準(zhǔn)，能力尚可，均值與目標(biāo)值仍存在差異。其原因是瀝青拌合站生產(chǎn)過程處于穩(wěn)態(tài)，但計(jì)量系統(tǒng)存在偏差尚未修正，應(yīng)將設(shè)計(jì)值與平均值之差的0.09%作為偏差對計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行修正。

圖4 瀝青用量過程能力分析圖

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求逐盤在線檢測瀝青用量控制在±0.3%范圍內(nèi)。通過拌合站數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)瀝青用量極差為0.27%、上下限控制線之差為0.18%，按逐盤在線檢測范圍差0.6%進(jìn)行控制顯得太過寬泛，試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)瀝青用量的波動對混合料空隙率、礦料間隙率、飽和度等影響極其敏感，故建立更嚴(yán)苛的控制標(biāo)準(zhǔn)可行。在進(jìn)行SPC質(zhì)量控制時(shí)，瀝青用量技術(shù)指標(biāo)可按±0.15%進(jìn)行控制，并將該圖轉(zhuǎn)換為控制用控制圖，將生產(chǎn)過程瀝青用量及時(shí)繪制到控制圖中，發(fā)現(xiàn)異常波動及時(shí)進(jìn)行消除。

4 關(guān)鍵篩孔過程控制分析

4.1 數(shù)據(jù)采集

骨料級配是影響瀝青混合料質(zhì)量的主要因素之一，瀝青拌合站生產(chǎn)時(shí)，骨料經(jīng)熱料倉篩分后按設(shè)定生產(chǎn)比例進(jìn)行稱重，與瀝青拌合后生產(chǎn)出成品混合料。主要監(jiān)控0.075、2.36、4.75 mm及公稱最大粒徑、中間粒徑5個(gè)篩孔通過率。以瀝青拌合站采集125盤AC-25逐盤打印記錄為數(shù)據(jù)源，以2.36 mm通過率為例，生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)2.36 mm通過率為23.2%，樣本大小n為5，共收集25組，計(jì)算每組數(shù)據(jù)的均值、極差。

4.2 SPC控制圖繪制

圖5 2.36 mm通過率控制圖

4.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)過程能力分析圖(見圖6)，Cp與Cpk分別為8.84、8.38，參照Cpk評級標(biāo)準(zhǔn)，能力過于充足，但拌合站生產(chǎn)中冷料的變異及除塵過程中變異極大，該指標(biāo)僅能說明在原材料無變異狀態(tài)下生產(chǎn)的瀝青混合料是穩(wěn)定的。

圖6 2.36 mm通過率過程能力分析圖

規(guī)范要求逐盤在線檢測2.36 mm通過率為±5%，通過拌合站數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)2.36 mm通過率極差為1.15%，上下控制線之差為0.5%，在熱料倉穩(wěn)定的情況下，規(guī)范指標(biāo)顯得太過寬泛。因此，在進(jìn)行SPC質(zhì)量控制時(shí)，2.36 mm通過率的技術(shù)指標(biāo)可按±2%進(jìn)行控制，并將該圖轉(zhuǎn)為控制用控制圖，將生產(chǎn)過程通過率數(shù)據(jù)及時(shí)繪制到控制圖中，發(fā)現(xiàn)異常波動及時(shí)進(jìn)行消除。

5 成品混合料溫度過程控制分析

5.1 數(shù)據(jù)采集

溫度是瀝青混合料成品生產(chǎn)過程中關(guān)鍵一環(huán)，溫度過高將導(dǎo)致拌合站產(chǎn)能浪費(fèi)，混合料過度老化；溫度過低將影響混合料攤鋪質(zhì)量，降低路面品質(zhì)。而溫度指標(biāo)受人為因素干擾最大。以瀝青拌合站采集125盤AC-25逐盤打印記錄為數(shù)據(jù)源，以成品料溫度檢測為例，瀝青混合料成品溫度宜控制在150～160 ℃，樣本大小n為5，共收集25組，計(jì)算每組數(shù)據(jù)的均值、極差。

5.2 控制圖繪制

圖7 成品混合料溫度控制圖

5.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)過程能力分析圖(見圖8)，Cp與Cpk分別為0.59、-0.03，參照過Cpk評級標(biāo)準(zhǔn)，能力嚴(yán)重不足。其原因主要為拌合站開機(jī)后，前期生產(chǎn)階段溫度尚

圖8 成品混合料溫度過程能力分析圖

未穩(wěn)定，拌合站操作人員仍處于對設(shè)備的磨合階段，對拌合站溫度變化不能作出預(yù)判。后期溫度慢慢穩(wěn)定，變化趨勢并不明顯。

采用SPC對溫度的過程質(zhì)量控制往往需要拌合站穩(wěn)定后的25組以上樣本數(shù)據(jù)，溫度變化受集料含水量、粉塵含量等不確定因素影響較大，往往需多次調(diào)整，該方法對拌合站指導(dǎo)性不強(qiáng)，需采用一種即時(shí)反饋溫度變化的控制圖表。將拌合站監(jiān)控的料溫與溜槽溫度按時(shí)間進(jìn)度繪制單點(diǎn)值及5點(diǎn)移動平均值曲線(見圖9)，發(fā)現(xiàn)單值的變化呈鋸齒狀，表現(xiàn)溫度即時(shí)波動變化，而移動平均值曲線總體變化平緩，可通過其判斷偏離目標(biāo)程度及時(shí)預(yù)測溫度變化趨勢；溜槽溫度與料溫總體走勢相同，拌合站操作人員可通過其共同走勢預(yù)測溫度變化趨勢及時(shí)進(jìn)行修正。采用單點(diǎn)-移動平均值控制圖對溫度進(jìn)行過程控制方便、簡潔，更實(shí)用。

圖9 單點(diǎn)-移動平均值溫度控制圖

6 結(jié)論

(1) SPC過程控制對瀝青用量指標(biāo)的過程控制效果最佳；對于篩孔通過率，因原材料存在變異，僅能表明生產(chǎn)過程是否處于穩(wěn)態(tài)；對于溫度，則因變化趨勢浮動較大，采用SPC方法指導(dǎo)意義不大，采用單點(diǎn)-移動平均值控制圖方法更實(shí)用。

(2) 對于拌合站的瀝青用量和關(guān)鍵篩孔通過率，規(guī)范給出的逐盤在線檢測技術(shù)指標(biāo)太過寬泛。伴隨新技術(shù)的革新，拌合站越來越穩(wěn)定，在進(jìn)行SPC過程控制時(shí)，瀝青用量可按±0.15%進(jìn)行控制，關(guān)鍵篩孔通過率可按±2%進(jìn)行控制。

(3) 瀝青拌合站溫度指標(biāo)的波動大，需要較長的周期才能穩(wěn)定，采用SPC方法指導(dǎo)意義不大，建議采用單點(diǎn)-移動平均值方法按時(shí)間進(jìn)度繪制成圖，對溫度偏離目標(biāo)范圍程度進(jìn)行分析，并及時(shí)預(yù)測溫度變化趨勢，實(shí)現(xiàn)對溫度的過程質(zhì)量控制。

(4) 瀝青混合料拌合站生產(chǎn)過程中集料變異一直存在，很難從單一途徑解決，在對篩孔通過率進(jìn)行在線SPC過程控制的基礎(chǔ)上，還需加強(qiáng)對熱料倉變異情況的監(jiān)測，確保瀝青混合料成品質(zhì)量。