计算机控制技术在轮胎硫化系统中的应用

    目前，我国橡胶行业所用的生产设备与国外相比，处于比较落后的状态，特别是在设备的自动控制方面，差距更大。轮胎外胎硫化机作为轮胎行业的主要生产设备，其控制系统的好坏、自动化水平的高低，将直接影响轮胎硫化的质量。在日益激烈的市场竞争环境下，如何提高轮胎硫化机自动控制水平以及工艺参数控制精度，已成为提高轮胎产品质量的一个至关重要的环节。

　　1 传统轮胎硫化控制系统存在的主要问题

　　硫化机控制系统在硫化过程中受外界因素影响较多。在实际生产中，总是按照条件较差的一个因素来确定硫化时间。通常实际硫化时间采用比理想的硫化时间增加 20 ％，工程轮胎则增加 30 ％，以确保轮胎完全硫化。采用这种传统的方式控制轮胎硫化既浪费了能源、降低了生产效率，也影响轮胎的质量。同时，在控制系统和控制元器件方面存在以下几个问题： 　　(1) 目前，国内硫化机普遍采用只有数字逻辑控制功能的 PLC ，通过 DO 模块驱动接触器控制电动机实现硫化机的启、合模动作，并对 PLC 内部的计时器、计数器及辅助继电器等控件进行逻辑编程，实现对硫化机硫化工艺过程 ( 步序 ) 的控制。同时，通过输出单元控制集成式电控气阀组的开启与关闭，控制硫化机的进汽、进水及排水，实现硫化过程 ( 步序 ) 的自动控制。但无法采集、处理、记录过程控制数据，不具备生产过程中的工艺参数统计功能，各硫化工艺参数的调整比较麻烦，现场工作量很大。 　　(2) 目前，国内硫化机外压温度的控制普遍采用带有比例调节功能的三针记录仪，通过调节气动薄膜调节阀的开启量，控制进入硫化机蒸汽室的蒸汽流量，实现硫化过程中外压温度的控制。在硫化过程中产生的蒸汽冷凝水通过每台硫化机的疏水阀排入冷凝水主管道中。     由于三针记录调节仪为机械式结构，其温度信号的变化量是通过毛细管内的液体根据热膨胀的原理来采集，压力信号的变化通过压力弹簧管的受压变形来采集，存在着测量误差大、动作反应迟钝、滞后等弊端。机械式三针记录调节仪根据测量采集到的信号通过气动比例放大器将控制气源信号送至硫化机外压气动薄膜调节阀，调节其开启量，实现对硫化过程外压温度的控制。由于其比例参数的调节及输出气源的放大比例均采用机械螺杆手工调节，没有一个精确的参数值，各参数的设定要手工完成，调整比例参数十分复杂。由于每台硫化机的设备状况各不相同，每台设备需要反复调整控制参数。另外它是机械式结构，在使用一段时间后，经常会出现螺杆位移，造成比例失调，又需重新调整。机械式三针记录调节仪还存在调节精度较低，无反馈信号，执行动作迟滞等多种缺陷。由于硫化生产现场多为高温多尘环境，经常出现记录笔尖堵塞故障，造成原始记录缺项，直接影响轮胎生产控制。 　　另外，在国外机械式三针记录仪已属于淘汰产品，国外记录仪厂商专供中国市场，其价格昂贵，备件不易采购，维修困难，需要频繁更换记录墨水、记录纸等消耗材料。 　　(3) 在轮胎的生产过程中，正在硫化的机台数目并不固定，随时需对一次水和二次水用量和压力进行调节。当用水量较小时，传统的控制方法是热循环水通过泄压调节阀直接短路回到除氧器，这就造成了相当大的能源浪费。由于轮胎硫化过程中用水量变化速度快，而气动调节阀跟随调节速度较慢，造成热循环水压力波动较大，影响产品质量。 (4) 在轮胎硫化过程中硫化机蒸汽室内的冷凝水能否及时排放是影响硫化过程中外压温度产生波动的一个极为重要的原因。目前国内硫化机普遍采用疏水器控制冷凝水排放，但是由于多种原因造成疏水器经常堵塞，为保证工艺要求，现场绝大多数机台通过打开疏水器的旁通截止阀使蒸汽直排，造成能源的极大浪费。     2 计算机智能控制系统的原理与构成 　　针对以上轮胎硫化工艺过程中存在的问题进行了技术攻关。通过先进的计算机控制技术实现硫化机群集散控制，不仅能提高企业的自动化控制及管理水平，同时也能降低进入高维护期硫化机控制装置的维护成本，提高硫化过程中各工艺参数的控制精度，以保证严格控制硫化工艺条件，提高产品质量，降低能源消耗。 　　2 .1 系统概述 　　(1) 采用中控 PLC 、智能温控器及压力仪表替代原三针记录仪，实现外温闭环控制、记录等。 　　(2) 根据硫化所需内压的设定值，利用电动机变频调速技术确保给硫化机的供水压力恒定，并取消一次供水泵，节约电能消耗。 　　(3) 取消硫化机系统冷凝水排放的疏水阀，采用热电阻测温，送至中控 PLC 处理后，实现温度和定时控制相结合的冷凝水自动排放方式，提高外温控制精度，降低蒸汽的消耗量。 　　(4) 每台硫化机加装一台轮胎胎号输入装置，实现轮胎硫化过程的历史查询功能，用以满足产品质量可追溯的要求。 　　(5) 在中央控制室内采用 2 台冗余热备计算机，实现硫化工艺过程参数的采集、处理、储存以及生产过程中有关数据的统计，并能以各种功能图表进行显示，提高企业管理水平。 　　2 .2 计算机智能控制原理 　　2 .2 .1 取消三针记录仪 　　为实现生产过程的数据采集、统计、超限报警、轮胎编号输入、硫化过程工艺参数的历史查询等功能，且为了节省改造时间，保留 C200H 的硬件及程控功能不变，将原三针记录仪的功能，即硫化外温的连续调节功能和硫化内压、内温、外温的运行参数连续记录功能，通过敷设线缆送至中央控制室的集散控制系统，同时传送到中央控制室的信息还包括反映硫化机运行状态的硫化开始、硫化结束、故障报警及复位等信号。采用该方案的优点是不需对原有的 PLC 系统编程改造，难度小、造价低，短时间内即可完成改造，基本不影响现有的生产。 　　2 .2 .2 冷凝水自动排放系统的优化 　　目前，国内绝大多数轮胎厂硫化机冷凝水的排放都采用疏水阀的排放方式。在轮胎硫化过程中，由于蒸汽热交换而产生的冷凝水通过疏水阀排入冷凝水主管道中，但疏水阀滤芯经常因水垢、杂物等原因而堵塞，使硫化机蒸汽室内的冷凝水无法及时排出。由于轮胎外胎硫化机外压温度的测温元件安装在硫化机下蒸汽室底部，过多的冷凝水将淹没测温元件，这时三针记录调节仪测量到的是低于硫化机蒸汽室内实际温度的虚假的温度，而此时硫化机蒸汽室内的实际温度是满足工艺条件的，这一点可以从安装在硫化机上模的温度计上证实。测温元件将虚假的温度信号传送至三针记录调节仪，由于低于工艺参数设定值，三针记录调节仪将对外温气动薄膜调节阀输出开启信号，硫化蒸汽继续进入硫化机蒸汽室，使硫化外压温度进一步升高，造成轮胎过硫。而不断增加的冷凝水又会淹没轮胎下模型，造成轮胎下模型温度低于工艺设定值，这将造成轮胎欠硫。由于以上问题的存在，直接造成硫化过程外压温度控制不稳，影响轮胎产品的质量。同时由于疏水器故障率高，维修较为困难，频繁更换疏水器势必影响正常生产。为保证硫化工艺条件，及时排除硫化过程产生的冷凝水，只好将冷凝水旁通截止阀打开，直接排出硫化蒸汽，造成能源的大量浪费。这样浪费的蒸汽约占硫化蒸汽总消耗量的 40 ％左右。 　　为此，通过采用热电阻测温、中央控制室控制，实现硫化过程蒸汽冷凝水的自动排放，取消了疏水阀，增设了冷凝水储水罐。 　　硫化过程开始后，外压蒸汽由于热交换而产生的冷凝水由硫化机蒸汽室流入冷凝水储水罐中，插入储水罐的铂热电阻将测量到的温度信号 ( 电阻信号 ) 通过信号电缆传送到中央控制室过程控制站 (GE 可编程控制器 ) 的 RTD 模块中，过程控制站通过计算将冷凝水温度信号送入上位监控机供监控、记录，同时通过预先编制好的控制程序进行处理、分析，当测量温度低于设定值时，过程控制站 PLC 输出 ON 的开关量信号，驱动二位三通先导电磁阀，控制气动切断阀开启，冷凝水自动排出。随着冷凝水的排出，冷凝水储水罐内的温度不断升高，当温度达到设定的上限值时，过程控制站输出 OFF 信号，控制气动切阀关闭，冷凝水排放系统自动关闭。 　　2 .2 .3 轮胎生产编号输入装置 RTU 终端 　　每台硫化机现场控制柜上安装一块 RTU 终端，硫化工通过操作 RTU 终端的按键，输入轮胎生产序列号，通过通讯传至中央控制室的监控站，存到硬盘，以便将来查询。轮胎号输入终端和监控站之间采用 RS  485 总线方式，采用标准 MODBUS 协议通讯，通讯距离长、可靠性高、速度快，保证轮胎号正确送至监控机，而且终端最多可带 255 个站。 　　2 .2 .4 计算机智能控制系统结构设计 　　2 .2 .4 .1 中心控制室监控计算机 　　2 .2 .4 .2 监控网络 　　2 .2 .4 .3 监控站的硬件、软件组成及主要功能 　　监控站由 2 台互为冗余热备的高性能工控机组成，其硬盘容量 20G ，能存储超过 7 年的硫化历史数据。监控站的主要功能是实时记录、监控轮胎硫化过程的各种技术参数及参数超标报警，实现各种统计报表、资料的自动统计工作，以及各种历史数据的查询统计，同时可实现对下位 PLC 的在线编程等功能。 　　监控站的主要功能： 　　①主要参数的显示；②曲线显示；③产量报表；④参数整定；⑤参数修改；⑥报警显示； ⑦历史曲线查询；⑧打印功能；⑨系统的安全性。 　　2 .2 .4 .4 控制站 　　控制站响应速度快，功能强，能支持浮点运算。     控制站主要功能： (1) 数据采集； (2) 报警； (3) 外温控制； (4) 冷凝水温度控制。 　　2 .2 .5 应用软件编程及功能 　　本系统采用中文 Microsoft Workstation4.0 作为操作平台， 对整个硫化机群集散控制系统进行编程，主要的功能及特点如下： 　　(1) 检测处理功能。 (2) 闭环控制功能。 (3) 图形报表功能。 (4) 记录功能。 (5) 在线调整功能。 (6) 打印功能 。 (7) 报警管理 。 (8) 统计分析功能。 (9) 历史档案功能。 (10) 系统安全性。 (11) 联网特性 (12) 良好的人机接口。 　　2 .3 轮胎硫化内压热循环水系统优化 　　目前，国内大多数轮胎行业，硫化机用热循环水系统采用一次充水、二次水硫化工艺。通过安装在供水泵出口处的 2 个泄压调节阀控制泄水量，进而控制供水压力。在实际硫化生产过程中存在以下问题。 　　(1) 生产中正在硫化的机台数目并不固定，因此对一次水和二次水用量的需求也不相同。当用水量较小时，一部分热循环水通过泄压调节阀直接短路送往除氧器而不能用于硫化，造成了相当大的能源浪费。 　　(2) 生产中用水量变化较大，而泄压调节阀跟随压力调节速度较慢，造成热循环水压力波动较大，从而影响了产品质量。 　　(3) 供水泵电机为鼠笼式电机，传统控制系统电机启动方式为直接工频启动，电机启动时对电网冲击较大，影响供电质量。 　　2 .3 .1 系统设计 　　(1) 根据以往硫化车间实际用水量的统计分析，我们选择其中 2 台泵作为自控泵参与自动调压控制。在自控系统的构成中，采用压力传感器、压力控制器、 PLC 、变频器内部 PID 和软起动器等组成的闭环控制系统，来实现恒压控制。 　　(2) 硫化供应系统结构中，过热水循环泵由原来的 2 台工频运行、 2 台备用改为 1 台变频运行、 1 台软起动备用。 　　2 .3 .2 系统控制过程 　　首先选择运行泵和备用泵，将转换开关转到“自动”位置，然后启动系统运行。通过可编程控制器 (PLC) 发出指令使变频器驱动电动机工作，压力传感器从供水主管道上检测来的压力信号一路送至变频调速器，变频器根据输入信号与内部设定值进行分析比较后，调节变频器控制水泵转速以保持供水压力恒定；另一路送至压力控制器与设定的 2 个压力信号进行比较，以决定备用泵的投入、退出及压力报警。当变频器控制电动机达到设定最高频率时，变频器发出信号给 PLC 。如果此时供水压力不低于最低设定值，将认为是正常压力波动，只有变频器输出最高频率持续 40s 以上才启动软启动器投入另一台泵。如果此时供水压力信号低于最低设定压力， PLC 将控制软启动器立即启动另一台泵，以确保供水压力恒定，满足工艺要求。 　　3 应用效果 　　(1) 成本大大降低，而且维护量很小。 　　(2) 能够起到明显的节电效果。 　　(3) 由于硫化机冷凝水排放控制系统取消疏水阀，采用定温控制排放，实现硫化冷凝水的自动排放，使硫化机消耗蒸汽量大大降低 。 　　(4) 虽然该硫化机控制系统应用非常成功，但不能排除人为失误而给整个控制系统带来的危害。另外，整个控制系统的核心只采用一套 PLC 作为控制器，尽管采用高性能的 PLC ，可靠性也非常高，但由于多台硫化机共用一台 PLC ，一旦控制器出现问题，势必对生产造成较大影响。针对以上的问题，可以采取以下两种解决办法，虽然价格提高较多，但可靠性得到大大提高。 　　①采用冗余的控制器，一旦主控制器出现问题，处于备份的控制器马上接管工作，不会影响正常的生产，而且仍然是集中控制，价格不会太高。 　　②采用分散控制，每台硫化机采用单独的 PLC 控制，去掉原来实现步序功能的 PLC ，所有的信号采集、步序控制、外温控制都采用一个控制器完成。采用工业以太网把每个 PLC 连接起来，这是最好的方案，但价格也是最高的。由于每台硫化机的控制系统都是独立的，互不影响，而且轮胎号输入装置也可以通过 PLC 来实现，所以可靠性极高，一台控制系统出现问题不会影响其他机台的正常工作。