橡胶硫化特殊过程监控系统研制

2020-01-13郭立宇朱浩然大连长丰实业总公司辽宁大连116038

化工管理 2020年14期

郭立宇朱浩然（大连长丰实业总公司，辽宁大连116038）

0 引言

依据橡胶硫化相关制造要求，硫化过程应在规定的温度、压力及时间（以下简称参数）下进行。目前绝大部分设备仅具备参数的控制功能，而不具备参数控制准确性的监测功能，因此需要操作人员实施过程的监视和测量，在不满足硫化条件时，由操作人员实施纠正。人员作为产品质量保证的重要因素，因此为了排除人为干预避免人为因素的影响，提升产品质量保证能力，必须通过现代化手段实施监视和控制。

通过运用工控技术，研制一套过程监控系统。将由系统控制参数的权限，传感器适时监控并传递监控参数准确性，实现橡胶硫化过程的质量控制。

1 系统研制方案

针对橡胶件制造过程的参数控制要求及硫化过程，设计一套管控一体化系统。具备工艺文件、生产状态、器材保管发放、模具管控等功能模块，进一步完善橡胶硫化控制系统功能。

1.1 控制系统总体结构设计原理

系统由若干台硫化机及控制系统、1个数据中心、1 个工程师站、1个出入库管理站、1个大屏展示系统、若干台现场控制终端、1 套环境采集系统、1 套2 次硫化温度采集系统和能耗计量管理系统组成。

硫化机控制系统由PLC、智能温控仪表、HMI及相关辅材组成。内部温控仪表与HMI 采用RS485 通信，PLC 与HMI 采用TCP/IP通信。控制柜对外提供以太网通信接口，通过ModbusT⁃cp与数据中心连接，数据上传最小周期可达200ms，时钟误差小于500ms。

1.2 硫化系统部分设计

硫化系统主要有硫化机和电控柜两部组成。硫化机为平板加压式硫化机，电控柜采用PLC 作为主流程控制器，主要负责完成硫化流程控制和硫化压力的控制，采用智能温控仪表精确控制硫化温度，同时集成电计量模块采集硫化机的耗能情况，同时配有就地HMI，同时通过HMI 的网络接口与服务器之间完成数据通讯等功能。

1.2.1 PLC部分

更换原硫化机控制柜，重新设计PLC软硬件部分，利用PLC完成硫化机的自动化控制流程（包含合模、保压、缓压、硫化、开模、超压保护等）采集压力、温度等信号，并提供精确的计时控制功能。采用AI人工智能和PID调节算法，实现对硫化温度的精确调控，具有无超调、自整定等功能。

1.2.2 可视化HMI

可视化HMI采用国内知名品牌的扩展定制型HMI产品，性能稳定可靠，实时显示硫化工序，操作信息等功能，并能够通过触摸屏实现人机交互功能，系统的运行状态并由HMI发送到上位机服务器。

TPC7062Ti（定制型），是一套以先进的Cortex-A8 CPU为核心（主频600MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。该产品设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480），四线电阻式触摸屏（分辨率4096×4096）。同时还预装了MCGS嵌入式组态软件（运行版），具备强大的图像显示和数据处理功能。

1.2.3 温控仪表

选用AI-518 型人工智能温度控制器。输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精确稳定。采用先进的AI 人工智能PID 调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。通过ISO9001质量认证和CE认证，在质量、抗干扰能力及安全标准方面达到国际水准。

1.3 管理系统设计方案

管理部分包括数据采集系统、设备管理、硫化记录回溯、材料出入库和模具管理、大屏展示等模块。使用上位机管理软件，按照相关管理规定，设计管理工作流程。建立相应的数据库，制作网上流程，编排电子版控制文件。在管理过程中将相关信息与人员进行关联，并将信息存储在数据库中，用于管理记录的调用。

系统要采集的数据包括硫化设备、室内环境、能耗和二次硫化等多种类型的数据这些数据点较为分放，数据格式和接口不同，数据采集周期和存储周期需求不同，方案采用现场HMI把各类型数据转化为统一的网络接口，通过车间局域网与服务器连接，实现数据的统一上传，在服务器采集模块中，最小采样和存储周期能够达到1S。

1.3.1 数据中心

系统平台：系统采用Windows Server 2012或以上，数据库采用sql server 2012或以上。应用软件开发平台采用微软.NET平台,Microsoft.NET Framework是用于Windows的新托管代码编程模型。目前最新版本为Microsoft. NET Framework 4.5 或以上。很多应用（特别是基于Web 的应用）一次编写完成后就可以运行于多种平台上。Microsoft.NET Framework 支持现代化语言，VB.Net和C#都是现代化的语言。它们完全是面向对象的，设计的时候消除了很多VB 和C++的矛盾。

1.3.2 功能设计

数据采集：采集硫化设备、室内温湿度和其他轴辅助设备数据，采集周期最小能够达到1s/次。数据存储：能够定时存储硫化设备和其他辅助设备的数据，存储周期最小能够达到1s/次。回溯系统：硫化产品回溯。人员管理：建立操作人员档案，能够动态维护和管理操作人员信息。设备管理：建立设备档案，对设备信息进行维护和管理。材料、图号管理：新增、编辑和删除，查询和检索。能源监控：能够利用柱状体显示硫化设备和车间重要设备的消耗数据，分析能耗规律，查找能耗漏洞，优化运行模式，节能增效。车间环境监控：采集、记录和显示车间温湿度数据。模具管理：建立模具档案，对模具信息维护和管理。出入库管理：出入库记录查询。

1.3.3 现场控制终端

控制终端采用工业级平板电脑，windows 操作系统。软件与数据中心之间采用C/S 架构，通过TCP/IP 以太网进行通讯。软件系统提供友好的操作UI，操作人员可以通过控制终端便捷的下载硫化机的工艺参数，并同时将数据发送到数据中心服务器。WinApp 采用WPF（Windows Presentation Foundation）开发，提供了统一的编程模型、语言和框架，真正做到了分离界面设计人员与开发人员的工作；同时它提供了全新的多媒体交互用户图形界面。

2 控制系统设计应用

2.1 软件的设计应用

硫化参数数据库包括派工信息、橡胶材料、产品图号、操作人员、加工设备、参数记录的管理，可以实现所有数据的采集、保存以及提取，用于追溯产品硫化过程。主要包含以下功能模块：

一是工作卡片信息的管理：编辑派工号、件数、胶料批号、带料单号、设备编号、操作员信息与系统记录的硫化参数整合为《产品质量记录》，进行保存、查询、打印。二是材料的管理：添加、编辑、删除材料的编号、名称、规定温度、温度偏差、规定时间。三是图号的管理：添加、编辑、删除材料的编号、名称、规定温度、温度偏差、规定时间。四是操作员的管理：添加、编辑、删除操作人员的编号和姓名。五是设备的管理：添加、编辑、删除设备编号。

2.2 关键工艺的控制设计

对硫化机的控制操作主要涉及到两部分，分别为硫化机的温度控制和硫化过程控制两部分；在对硫化过程控制中主要涉及的控制参数有排气次数、排气压力、排气时间、硫化保压压力、加热时间、硫化时间等。在整个硫化过程当中需要传感器采集的数据有：三层加热板温度值；两块模具温度值；实时压力值。

2.2.1 硫化机温度控制

硫化机对模具加热采用的是三层加热板同时对两个模具进行加热方式，对硫化机的温度控制是整个硫化过程重要环节之一。温度的加热采用电加热方法，加热盘热容量大，因此热惯性较大大，采用常规的控制方法很难达到控制指标，因此对系统的温度控制采用的是宇电智能化温控专用仪表，该控制仪表具有无超调、自整定等功能，能够精确的把温度控制在工艺范围内，同时仪表可以通过工业以太网与服务器完成通讯，实现温度的远程设置与读取等功能。在对加热板的温度检测方面采用的也是该仪表，将PT100工业温度传感器与温度底座相连接放入加热板内，温控仪表实时采集加热板数据并显示回传至上位机。

2.2.2 硫化过程控制

一是硫化控制柜部分设计。硫化机的的硫化过程控制主要是使硫化机根据上位机或者人工操作完成相应的硫化步骤和相应的数据采集。橡胶在整个硫化过程当中需要完成的步骤有：排气合模、排气开模、硫化加压、硫化状态判定、硫化完成开模、声光报警、模具温度采集等。

对硫化机的控制采用一体化硫化机控制箱，控制箱内使用的是西门子S7-200SMART SR30 型号CPU 作为主控制器，EM AE04 型号4 通道模拟量输入模块作为扩展块完成对硫化机中模具温度采集和压力采集，采用连接针的方式与PLC相连接使用方便。SR30 标准型CPU，具备18 个24VDC 数字量输入和12个DO 2A数字量输出，电源采用47-63HZ的85-264V AC电源。该CPU的输出输入点数量满足硫化机要求，同时符合硫化间用电要求。

2.2.3 系统运行情况验证

根据GJB 9001C-2017《质量管理体系要求》、04XJ-001《橡胶模压件制造》、HG6-407-79《航空工业橡胶零件及型材用胶料》、QJB/SXS02.103-2000 《1140F 等防辐射航空橡胶胶料规范》。

对照橡胶材料标准，分别试加工丁晴橡胶5080（HG6-878-1976）、丁苯橡胶3383（HG6-448-1979）、氯丁橡胶4170（HG6-407-1979）、氟橡胶FX-17（Q/6S 1822-2002）四类橡胶制品。在系统的控制和监控下，硫化过程参数满足要求。进一步对产品进行性能试验，拉伸强度、伸长率（扯断）、永久变形（扯断）、硬度等试验，实验结果均在规定范围内，符合质量要求。