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計算機控制技術在輪胎硫化系統中的應用


  目前,我國橡膠行業所用的生產設備與國外相比,處于比較落后的狀態,特別是在設備的自動控制方面,差距更大。輪胎外胎硫化機作為輪胎行業的主要生產設備,其控制系統的好壞、自動化水平的高低,將直接影響輪胎硫化的質量。在日益激烈的市場競爭環境下,如何提高輪胎硫化機自動控制水平以及工藝參數控制精度,已成為提高輪胎產品質量的一個至關重要的環節。 

  1 傳統輪胎硫化控制系統存在的主要問題 

  硫化機控制系統在硫化過程中受外界因素影響較多。在實際生產中,總是按照條件較差的一個因素來確定硫化時間。通常實際硫化時間采用比理想的硫化時間增加 20 %,工程輪胎則增加 30 %,以確保輪胎完全硫化。采用這種傳統的方式控制輪胎硫化既浪費了能源、降低了生產效率,也影響輪胎的質量。同時,在控制系統和控制元器件方面存在以下幾個問題: 
  (1) 目前,國內硫化機普遍采用只有數字邏輯控制功能的 PLC ,通過 DO 模塊驅動接觸器控制電動機實現硫化機的啟、合模動作,并對 PLC 內部的計時器、計數器及輔助繼電器等控件進行邏輯編程,實現對硫化機硫化工藝過程 ( 步序 ) 的控制。同時,通過輸出單元控制集成式電控氣閥組的開啟與關閉,控制硫化機的進汽、進水及排水,實現硫化過程 ( 步序 ) 的自動控制。但無法采集、處理、記錄過程控制數據,不具備生產過程中的工藝參數統計功能,各硫化工藝參數的調整比較麻煩,現場工作量很大。 
  (2) 目前,國內硫化機外壓溫度的控制普遍采用帶有比例調節功能的三針記錄儀,通過調節氣動薄膜調節閥的開啟量,控制進入硫化機蒸汽室的蒸汽流量,實現硫化過程中外壓溫度的控制。在硫化過程中產生的蒸汽冷凝水通過每臺硫化機的疏水閥排入冷凝水主管道中。 
    由于三針記錄調節儀為機械式結構,其溫度信號的變化量是通過毛細管內的液體根據熱膨脹的原理來采集,壓力信號的變化通過壓力彈簧管的受壓變形來采集,存在著測量誤差大、動作反應遲鈍、滯后等弊端。機械式三針記錄調節儀根據測量采集到的信號通過氣動比例放大器將控制氣源信號送至硫化機外壓氣動薄膜調節閥,調節其開啟量,實現對硫化過程外壓溫度的控制。由于其比例參數的調節及輸出氣源的放大比例均采用機械螺桿手工調節,沒有一個精確的參數值,各參數的設定要手工完成,調整比例參數十分復雜。由于每臺硫化機的設備狀況各不相同,每臺設備需要反復調整控制參數。另外它是機械式結構,在使用一段時間后,經常會出現螺桿位移,造成比例失調,又需重新調整。機械式三針記錄調節儀還存在調節精度較低,無反饋信號,執行動作遲滯等多種缺陷。由于硫化生產現場多為高溫多塵環境,經常出現記錄筆尖堵塞故障,造成原始記錄缺項,直接影響輪胎生產控制。 
  另外,在國外機械式三針記錄儀已屬于淘汰產品,國外記錄儀廠商專供中國市場,其價格昂貴,備件不易采購,維修困難,需要頻繁更換記錄墨水、記錄紙等消耗材料。 
  (3) 在輪胎的生產過程中,正在硫化的機臺數目并不固定,隨時需對一次水和二次水用量和壓力進行調節。當用水量較小時,傳統的控制方法是熱循環水通過泄壓調節閥直接短路回到除氧器,這就造成了相當大的能源浪費。由于輪胎硫化過程中用水量變化速度快,而氣動調節閥跟隨調節速度較慢,造成熱循環水壓力波動較大,影響產品質量。 
(4) 在輪胎硫化過程中硫化機蒸汽室內的冷凝水能否及時排放是影響硫化過程中外壓溫度產生波動的一個極為重要的原因。目前國內硫化機普遍采用疏水器控制冷凝水排放,但是由于多種原因造成疏水器經常堵塞,為保證工藝要求,現場絕大多數機臺通過打開疏水器的旁通截止閥使蒸汽直排,造成能源的極大浪費。 

    2 計算機智能控制系統的原理與構成 
  針對以上輪胎硫化工藝過程中存在的問題進行了技術攻關。通過先進的計算機控制技術實現硫化機群集散控制,不僅能提高企業的自動化控制及管理水平,同時也能降低進入高維護期硫化機控制裝置的維護成本,提高硫化過程中各工藝參數的控制精度,以保證嚴格控制硫化工藝條件,提高產品質量,降低能源消耗。 
  2 .1 系統概述 
  (1) 采用中控 PLC 、智能溫控器及壓力儀表替代原三針記錄儀,實現外溫閉環控制、記錄等。 
  (2) 根據硫化所需內壓的設定值,利用電動機變頻調速技術確保給硫化機的供水壓力恒定,并取消一次供水泵,節約電能消耗。 
  (3) 取消硫化機系統冷凝水排放的疏水閥,采用熱電阻測溫,送至中控 PLC 處理后,實現溫度和定時控制相結合的冷凝水自動排放方式,提高外溫控制精度,降低蒸汽的消耗量。 
  (4) 每臺硫化機加裝一臺輪胎胎號輸入裝置,實現輪胎硫化過程的歷史查詢功能,用以滿足產品質量可追溯的要求。 
  (5) 在中央控制室內采用 2 臺冗余熱備計算機,實現硫化工藝過程參數的采集、處理、儲存以及生產過程中有關數據的統計,并能以各種功能圖表進行顯示,提高企業管理水平。 
  2 .2 計算機智能控制原理 
  2 .2 .1 取消三針記錄儀 
  為實現生產過程的數據采集、統計、超限報警、輪胎編號輸入、硫化過程工藝參數的歷史查詢等功能,且為了節省改造時間,保留 C200H 的硬件及程控功能不變,將原三針記錄儀的功能,即硫化外溫的連續調節功能和硫化內壓、內溫、外溫的運行參數連續記錄功能,通過敷設線纜送至中央控制室的集散控制系統,同時傳送到中央控制室的信息還包括反映硫化機運行狀態的硫化開始、硫化結束、故障報警及復位等信號。采用該方案的優點是不需對原有的 PLC 系統編程改造,難度小、造價低,短時間內即可完成改造,基本不影響現有的生產。 
  2 .2 .2 冷凝水自動排放系統的優化 
  目前,國內絕大多數輪胎廠硫化機冷凝水的排放都采用疏水閥的排放方式。在輪胎硫化過程中,由于蒸汽熱交換而產生的冷凝水通過疏水閥排入冷凝水主管道中,但疏水閥濾芯經常因水垢、雜物等原因而堵塞,使硫化機蒸汽室內的冷凝水無法及時排出。由于輪胎外胎硫化機外壓溫度的測溫元件安裝在硫化機下蒸汽室底部,過多的冷凝水將淹沒測溫元件,這時三針記錄調節儀測量到的是低于硫化機蒸汽室內實際溫度的虛假的溫度,而此時硫化機蒸汽室內的實際溫度是滿足工藝條件的,這一點可以從安裝在硫化機上模的溫度計上證實。測溫元件將虛假的溫度信號傳送至三針記錄調節儀,由于低于工藝參數設定值,三針記錄調節儀將對外溫氣動薄膜調節閥輸出開啟信號,硫化蒸汽繼續進入硫化機蒸汽室,使硫化外壓溫度進一步升高,造成輪胎過硫。而不斷增加的冷凝水又會淹沒輪胎下模型,造成輪胎下模型溫度低于工藝設定值,這將造成輪胎欠硫。由于以上問題的存在,直接造成硫化過程外壓溫度控制不穩,影響輪胎產品的質量。同時由于疏水器故障率高,維修較為困難,頻繁更換疏水器勢必影響正常生產。為保證硫化工藝條件,及時排除硫化過程產生的冷凝水,只好將冷凝水旁通截止閥打開,直接排出硫化蒸汽,造成能源的大量浪費。這樣浪費的蒸汽約占硫化蒸汽總消耗量的 40 %左右。 
  為此,通過采用熱電阻測溫、中央控制室控制,實現硫化過程蒸汽冷凝水的自動排放,取消了疏水閥,增設了冷凝水儲水罐。 
  硫化過程開始后,外壓蒸汽由于熱交換而產生的冷凝水由硫化機蒸汽室流入冷凝水儲水罐中,插入儲水罐的鉑熱電阻將測量到的溫度信號 ( 電阻信號 ) 通過信號電纜傳送到中央控制室過程控制站 (GE 可編程控制器 ) 的 RTD 模塊中,過程控制站通過計算將冷凝水溫度信號送入上位監控機供監控、記錄,同時通過預先編制好的控制程序進行處理、分析,當測量溫度低于設定值時,過程控制站 PLC 輸出 ON 的開關量信號,驅動二位三通先導電磁閥,控制氣動切斷閥開啟,冷凝水自動排出。隨著冷凝水的排出,冷凝水儲水罐內的溫度不斷升高,當溫度達到設定的上限值時,過程控制站輸出 OFF 信號,控制氣動切閥關閉,冷凝水排放系統自動關閉。 
  2 .2 .3 輪胎生產編號輸入裝置 RTU 終端 
  每臺硫化機現場控制柜上安裝一塊 RTU 終端,硫化工通過操作 RTU 終端的按鍵,輸入輪胎生產序列號,通過通訊傳至中央控制室的監控站,存到硬盤,以便將來查詢。輪胎號輸入終端和監控站之間采用 RS  485 總線方式,采用標準 MODBUS 協議通訊,通訊距離長、可靠性高、速度快,保證輪胎號正確送至監控機,而且終端最多可帶 255 個站。 
  2 .2 .4 計算機智能控制系統結構設計 
  2 .2 .4 .1 中心控制室監控計算機 
  2 .2 .4 .2 監控網絡 
  2 .2 .4 .3 監控站的硬件、軟件組成及主要功能 
  監控站由 2 臺互為冗余熱備的高性能工控機組成,其硬盤容量 20G ,能存儲超過 7 年的硫化歷史數據。監控站的主要功能是實時記錄、監控輪胎硫化過程的各種技術參數及參數超標報警,實現各種統計報表、資料的自動統計工作,以及各種歷史數據的查詢統計,同時可實現對下位 PLC 的在線編程等功能。 
  監控站的主要功能: 
  ①主要參數的顯示;②曲線顯示;③產量報表;④參數整定;⑤參數修改;⑥報警顯示; ⑦歷史曲線查詢;⑧打印功能;⑨系統的安全性。 
  2 .2 .4 .4 控制站 
  控制站響應速度快,功能強,能支持浮點運算。 
    控制站主要功能: (1) 數據采集; (2) 報警; (3) 外溫控制; (4) 冷凝水溫度控制。 
  2 .2 .5 應用軟件編程及功能 
  本系統采用中文 Microsoft Workstation4.0 作為操作平臺, 對整個硫化機群集散控制系統進行編程,主要的功能及特點如下: 
  (1) 檢測處理功能。 (2) 閉環控制功能。 (3) 圖形報表功能。 (4) 記錄功能。 (5) 在線調整功能。 (6) 打印功能 。 (7) 報警管理 。 (8) 統計分析功能。 (9) 歷史檔案功能。 (10) 系統安全性。 (11) 聯網特性 (12) 良好的人機接口。 
  2 .3 輪胎硫化內壓熱循環水系統優化 
  目前,國內大多數輪胎行業,硫化機用熱循環水系統采用一次充水、二次水硫化工藝。通過安裝在供水泵出口處的 2 個泄壓調節閥控制泄水量,進而控制供水壓力。在實際硫化生產過程中存在以下問題。 
  (1) 生產中正在硫化的機臺數目并不固定,因此對一次水和二次水用量的需求也不相同。當用水量較小時,一部分熱循環水通過泄壓調節閥直接短路送往除氧器而不能用于硫化,造成了相當大的能源浪費。 
  (2) 生產中用水量變化較大,而泄壓調節閥跟隨壓力調節速度較慢,造成熱循環水壓力波動較大,從而影響了產品質量。 
  (3) 供水泵電機為鼠籠式電機,傳統控制系統電機啟動方式為直接工頻啟動,電機啟動時對電網沖擊較大,影響供電質量。 
  2 .3 .1 系統設計 
  (1) 根據以往硫化車間實際用水量的統計分析,我們選擇其中 2 臺泵作為自控泵參與自動調壓控制。在自控系統的構成中,采用壓力傳感器、壓力控制器、 PLC 、變頻器內部 PID 和軟起動器等組成的閉環控制系統,來實現恒壓控制。 
  (2) 硫化供應系統結構中,過熱水循環泵由原來的 2 臺工頻運行、 2 臺備用改為 1 臺變頻運行、 1 臺軟起動備用。 
  2 .3 .2 系統控制過程 
  首先選擇運行泵和備用泵,將轉換開關轉到“自動”位置,然后啟動系統運行。通過可編程控制器 (PLC) 發出指令使變頻器驅動電動機工作,壓力傳感器從供水主管道上檢測來的壓力信號一路送至變頻調速器,變頻器根據輸入信號與內部設定值進行分析比較后,調節變頻器控制水泵轉速以保持供水壓力恒定;另一路送至壓力控制器與設定的 2 個壓力信號進行比較,以決定備用泵的投入、退出及壓力報警。當變頻器控制電動機達到設定最高頻率時,變頻器發出信號給 PLC 。如果此時供水壓力不低于最低設定值,將認為是正常壓力波動,只有變頻器輸出最高頻率持續 40s 以上才啟動軟啟動器投入另一臺泵。如果此時供水壓力信號低于最低設定壓力, PLC 將控制軟啟動器立即啟動另一臺泵,以確保供水壓力恒定,滿足工藝要求。

  3 應用效果 
  (1) 成本大大降低,而且維護量很小。 
  (2) 能夠起到明顯的節電效果。 
  (3) 由于硫化機冷凝水排放控制系統取消疏水閥,采用定溫控制排放,實現硫化冷凝水的自動排放,使硫化機消耗蒸汽量大大降低 。 
  (4) 雖然該硫化機控制系統應用非常成功,但不能排除人為失誤而給整個控制系統帶來的危害。另外,整個控制系統的核心只采用一套 PLC 作為控制器,盡管采用高性能的 PLC ,可靠性也非常高,但由于多臺硫化機共用一臺 PLC ,一旦控制器出現問題,勢必對生產造成較大影響。針對以上的問題,可以采取以下兩種解決辦法,雖然價格提高較多,但可靠性得到大大提高。 
  ①采用冗余的控制器,一旦主控制器出現問題,處于備份的控制器馬上接管工作,不會影響正常的生產,而且仍然是集中控制,價格不會太高。 
  ②采用分散控制,每臺硫化機采用單獨的 PLC 控制,去掉原來實現步序功能的 PLC ,所有的信號采集、步序控制、外溫控制都采用一個控制器完成。采用工業以太網把每個 PLC 連接起來,這是最好的方案,但價格也是最高的。由于每臺硫化機的控制系統都是獨立的,互不影響,而且輪胎號輸入裝置也可以通過 PLC 來實現,所以可靠性極高,一臺控制系統出現問題不會影響其他機臺的正常工作。 
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