郭立宇 朱浩然（大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司，遼寧大連116038）

0 引言

依據(jù)橡膠硫化相關(guān)制造要求，硫化過程應(yīng)在規(guī)定的溫度、壓力及時(shí)間（以下簡(jiǎn)稱參數(shù)）下進(jìn)行。目前絕大部分設(shè)備僅具備參數(shù)的控制功能，而不具備參數(shù)控制準(zhǔn)確性的監(jiān)測(cè)功能，因此需要操作人員實(shí)施過程的監(jiān)視和測(cè)量，在不滿足硫化條件時(shí)，由操作人員實(shí)施糾正。人員作為產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要因素，因此為了排除人為干預(yù)避免人為因素的影響，提升產(chǎn)品質(zhì)量保證能力，必須通過現(xiàn)代化手段實(shí)施監(jiān)視和控制。

通過運(yùn)用工控技術(shù)，研制一套過程監(jiān)控系統(tǒng)。將由系統(tǒng)控制參數(shù)的權(quán)限，傳感器適時(shí)監(jiān)控并傳遞監(jiān)控參數(shù)準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)橡膠硫化過程的質(zhì)量控制。

1 系統(tǒng)研制方案

針對(duì)橡膠件制造過程的參數(shù)控制要求及硫化過程，設(shè)計(jì)一套管控一體化系統(tǒng)。具備工藝文件、生產(chǎn)狀態(tài)、器材保管發(fā)放、模具管控等功能模塊，進(jìn)一步完善橡膠硫化控制系統(tǒng)功能。

1.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)由若干臺(tái)硫化機(jī)及控制系統(tǒng)、1個(gè)數(shù)據(jù)中心、1 個(gè)工程師站、1個(gè)出入庫(kù)管理站、1個(gè)大屏展示系統(tǒng)、若干臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制終端、1 套環(huán)境采集系統(tǒng)、1 套2 次硫化溫度采集系統(tǒng)和能耗計(jì)量管理系統(tǒng)組成。

硫化機(jī)控制系統(tǒng)由PLC、智能溫控儀表、HMI及相關(guān)輔材組成。內(nèi)部溫控儀表與HMI 采用RS485 通信，PLC 與HMI 采用TCP/IP通信?？刂乒駥?duì)外提供以太網(wǎng)通信接口，通過ModbusT?cp與數(shù)據(jù)中心連接，數(shù)據(jù)上傳最小周期可達(dá)200ms，時(shí)鐘誤差小于500ms。

1.2 硫化系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)

硫化系統(tǒng)主要有硫化機(jī)和電控柜兩部組成。硫化機(jī)為平板加壓式硫化機(jī)，電控柜采用PLC 作為主流程控制器，主要負(fù)責(zé)完成硫化流程控制和硫化壓力的控制，采用智能溫控儀表精確控制硫化溫度，同時(shí)集成電計(jì)量模塊采集硫化機(jī)的耗能情況，同時(shí)配有就地HMI，同時(shí)通過HMI 的網(wǎng)絡(luò)接口與服務(wù)器之間完成數(shù)據(jù)通訊等功能。

1.2.1 PLC部分

更換原硫化機(jī)控制柜，重新設(shè)計(jì)PLC軟硬件部分，利用PLC完成硫化機(jī)的自動(dòng)化控制流程（包含合模、保壓、緩壓、硫化、開模、超壓保護(hù)等）采集壓力、溫度等信號(hào)，并提供精確的計(jì)時(shí)控制功能。采用AI人工智能和PID調(diào)節(jié)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化溫度的精確調(diào)控，具有無超調(diào)、自整定等功能。

1.2.2 可視化HMI

可視化HMI采用國(guó)內(nèi)知名品牌的擴(kuò)展定制型HMI產(chǎn)品，性能穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)顯示硫化工序，操作信息等功能，并能夠通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并由HMI發(fā)送到上位機(jī)服務(wù)器。

TPC7062Ti（定制型），是一套以先進(jìn)的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096）。同時(shí)還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運(yùn)行版），具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

1.2.3 溫控儀表

選用AI-518 型人工智能溫度控制器。輸入采用數(shù)字校正系統(tǒng)，內(nèi)置常用熱電偶和熱電阻非線性校正表格，測(cè)量精確穩(wěn)定。采用先進(jìn)的AI 人工智能PID 調(diào)節(jié)算法，無超調(diào)，具備自整定（AT）功能。通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證和CE認(rèn)證，在質(zhì)量、抗干擾能力及安全標(biāo)準(zhǔn)方面達(dá)到國(guó)際水準(zhǔn)。

1.3 管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

管理部分包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、設(shè)備管理、硫化記錄回溯、材料出入庫(kù)和模具管理、大屏展示等模塊。使用上位機(jī)管理軟件，按照相關(guān)管理規(guī)定，設(shè)計(jì)管理工作流程。建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，制作網(wǎng)上流程，編排電子版控制文件。在管理過程中將相關(guān)信息與人員進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并將信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，用于管理記錄的調(diào)用。

系統(tǒng)要采集的數(shù)據(jù)包括硫化設(shè)備、室內(nèi)環(huán)境、能耗和二次硫化等多種類型的數(shù)據(jù)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)較為分放，數(shù)據(jù)格式和接口不同，數(shù)據(jù)采集周期和存儲(chǔ)周期需求不同，方案采用現(xiàn)場(chǎng)HMI把各類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)接口，通過車間局域網(wǎng)與服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一上傳，在服務(wù)器采集模塊中，最小采樣和存儲(chǔ)周期能夠達(dá)到1S。

1.3.1 數(shù)據(jù)中心

系統(tǒng)平臺(tái)：系統(tǒng)采用Windows Server 2012或以上，數(shù)據(jù)庫(kù)采用sql server 2012或以上。應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)采用微軟.NET平臺(tái),Microsoft.NET Framework是用于Windows的新托管代碼編程模型。目前最新版本為Microsoft. NET Framework 4.5 或以上。很多應(yīng)用（特別是基于Web 的應(yīng)用）一次編寫完成后就可以運(yùn)行于多種平臺(tái)上。Microsoft.NET Framework 支持現(xiàn)代化語言，VB.Net和C#都是現(xiàn)代化的語言。它們完全是面向?qū)ο蟮模O(shè)計(jì)的時(shí)候消除了很多VB 和C++的矛盾。

1.3.2 功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集：采集硫化設(shè)備、室內(nèi)溫濕度和其他軸輔助設(shè)備數(shù)據(jù)，采集周期最小能夠達(dá)到1s/次。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：能夠定時(shí)存儲(chǔ)硫化設(shè)備和其他輔助設(shè)備的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)周期最小能夠達(dá)到1s/次?；厮菹到y(tǒng)：硫化產(chǎn)品回溯。人員管理：建立操作人員檔案，能夠動(dòng)態(tài)維護(hù)和管理操作人員信息。設(shè)備管理：建立設(shè)備檔案，對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行維護(hù)和管理。材料、圖號(hào)管理：新增、編輯和刪除，查詢和檢索。能源監(jiān)控：能夠利用柱狀體顯示硫化設(shè)備和車間重要設(shè)備的消耗數(shù)據(jù)，分析能耗規(guī)律，查找能耗漏洞，優(yōu)化運(yùn)行模式，節(jié)能增效。車間環(huán)境監(jiān)控：采集、記錄和顯示車間溫濕度數(shù)據(jù)。模具管理：建立模具檔案，對(duì)模具信息維護(hù)和管理。出入庫(kù)管理：出入庫(kù)記錄查詢。

1.3.3 現(xiàn)場(chǎng)控制終端

控制終端采用工業(yè)級(jí)平板電腦，windows 操作系統(tǒng)。軟件與數(shù)據(jù)中心之間采用C/S 架構(gòu)，通過TCP/IP 以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。軟件系統(tǒng)提供友好的操作UI，操作人員可以通過控制終端便捷的下載硫化機(jī)的工藝參數(shù)，并同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。WinApp 采用WPF（Windows Presentation Foundation）開發(fā)，提供了統(tǒng)一的編程模型、語言和框架，真正做到了分離界面設(shè)計(jì)人員與開發(fā)人員的工作；同時(shí)它提供了全新的多媒體交互用戶圖形界面。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)用

硫化參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)包括派工信息、橡膠材料、產(chǎn)品圖號(hào)、操作人員、加工設(shè)備、參數(shù)記錄的管理，可以實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的采集、保存以及提取，用于追溯產(chǎn)品硫化過程。主要包含以下功能模塊：

一是工作卡片信息的管理：編輯派工號(hào)、件數(shù)、膠料批號(hào)、帶料單號(hào)、設(shè)備編號(hào)、操作員信息與系統(tǒng)記錄的硫化參數(shù)整合為《產(chǎn)品質(zhì)量記錄》，進(jìn)行保存、查詢、打印。二是材料的管理：添加、編輯、刪除材料的編號(hào)、名稱、規(guī)定溫度、溫度偏差、規(guī)定時(shí)間。三是圖號(hào)的管理：添加、編輯、刪除材料的編號(hào)、名稱、規(guī)定溫度、溫度偏差、規(guī)定時(shí)間。四是操作員的管理：添加、編輯、刪除操作人員的編號(hào)和姓名。五是設(shè)備的管理：添加、編輯、刪除設(shè)備編號(hào)。

2.2 關(guān)鍵工藝的控制設(shè)計(jì)

對(duì)硫化機(jī)的控制操作主要涉及到兩部分，分別為硫化機(jī)的溫度控制和硫化過程控制兩部分；在對(duì)硫化過程控制中主要涉及的控制參數(shù)有排氣次數(shù)、排氣壓力、排氣時(shí)間、硫化保壓壓力、加熱時(shí)間、硫化時(shí)間等。在整個(gè)硫化過程當(dāng)中需要傳感器采集的數(shù)據(jù)有：三層加熱板溫度值；兩塊模具溫度值；實(shí)時(shí)壓力值。

2.2.1 硫化機(jī)溫度控制

硫化機(jī)對(duì)模具加熱采用的是三層加熱板同時(shí)對(duì)兩個(gè)模具進(jìn)行加熱方式，對(duì)硫化機(jī)的溫度控制是整個(gè)硫化過程重要環(huán)節(jié)之一。溫度的加熱采用電加熱方法，加熱盤熱容量大，因此熱慣性較大大，采用常規(guī)的控制方法很難達(dá)到控制指標(biāo)，因此對(duì)系統(tǒng)的溫度控制采用的是宇電智能化溫控專用儀表，該控制儀表具有無超調(diào)、自整定等功能，能夠精確的把溫度控制在工藝范圍內(nèi)，同時(shí)儀表可以通過工業(yè)以太網(wǎng)與服務(wù)器完成通訊，實(shí)現(xiàn)溫度的遠(yuǎn)程設(shè)置與讀取等功能。在對(duì)加熱板的溫度檢測(cè)方面采用的也是該儀表，將PT100工業(yè)溫度傳感器與溫度底座相連接放入加熱板內(nèi)，溫控儀表實(shí)時(shí)采集加熱板數(shù)據(jù)并顯示回傳至上位機(jī)。

2.2.2 硫化過程控制

一是硫化控制柜部分設(shè)計(jì)。硫化機(jī)的的硫化過程控制主要是使硫化機(jī)根據(jù)上位機(jī)或者人工操作完成相應(yīng)的硫化步驟和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集。橡膠在整個(gè)硫化過程當(dāng)中需要完成的步驟有：排氣合模、排氣開模、硫化加壓、硫化狀態(tài)判定、硫化完成開模、聲光報(bào)警、模具溫度采集等。

對(duì)硫化機(jī)的控制采用一體化硫化機(jī)控制箱，控制箱內(nèi)使用的是西門子S7-200SMART SR30 型號(hào)CPU 作為主控制器，EM AE04 型號(hào)4 通道模擬量輸入模塊作為擴(kuò)展塊完成對(duì)硫化機(jī)中模具溫度采集和壓力采集，采用連接針的方式與PLC相連接使用方便。SR30 標(biāo)準(zhǔn)型CPU，具備18 個(gè)24VDC 數(shù)字量輸入和12個(gè)DO 2A數(shù)字量輸出，電源采用47-63HZ的85-264V AC電源。該CPU的輸出輸入點(diǎn)數(shù)量滿足硫化機(jī)要求，同時(shí)符合硫化間用電要求。

2.2.3 系統(tǒng)運(yùn)行情況驗(yàn)證

根據(jù)GJB 9001C-2017《質(zhì)量管理體系要求》、04XJ-001《橡膠模壓件制造》、HG6-407-79《航空工業(yè)橡膠零件及型材用膠料》、QJB/SXS02.103-2000 《1140F 等防輻射航空橡膠膠料規(guī)范》。

對(duì)照橡膠材料標(biāo)準(zhǔn)，分別試加工丁晴橡膠5080（HG6-878-1976）、丁苯橡膠3383（HG6-448-1979）、氯丁橡膠4170（HG6-407-1979）、氟橡膠FX-17（Q/6S 1822-2002）四類橡膠制品。在系統(tǒng)的控制和監(jiān)控下，硫化過程參數(shù)滿足要求。進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能試驗(yàn)，拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率（扯斷）、永久變形（扯斷）、硬度等試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均在規(guī)定范圍內(nèi)，符合質(zhì)量要求。

3 結(jié)語

本監(jiān)控系統(tǒng)，一方面能夠精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)硫化參數(shù)的控制，并適時(shí)監(jiān)控控制過程是否符合要求。實(shí)現(xiàn)了橡膠制品的數(shù)字化管控手段，杜絕了人為差錯(cuò)導(dǎo)致的不合格產(chǎn)品，提升了工藝的可執(zhí)行性和可操作性，降低了人工成本及質(zhì)量成本，提高了橡膠制品的質(zhì)量。