碳纖維智能車間應用

王楊

摘 要：碳纖維智能制造車間，以生產主體設備和DCS/PLC控制系統設備為基礎，開發部署統一的生產過程控制系統、過程監測物聯網和精益生產管理系統，將各主體設備獨立DCS/PLC控制、實驗檢測設備、生產計劃管理等各自分散的系統，通過網絡、系統開發和集成，組合成一個集管理功能和過程控制為一體的智能生產車間，提高碳纖維制備和復合材料生產系統的柔性生產運行能力和維護管理的自動化水平，保障碳纖維生產的連續穩定運行，提高碳纖維及其復合材料產品質量。

關鍵詞：DCS PLC 原絲生產線 碳化生產線 智能車間

中圖分類號：TQ34 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（b）-0090-02

目前我國的碳纖維在生產規模、產品質量、產品種類上，與國外先進的碳纖維企業還存在巨大差距。國外成功企業單條生產線都是千噸級，產能大，產品穩定。國內的碳纖維產業化生產關鍵技術尚未完全突破，使得國產碳纖維性能的穩定較差，生產效率不高，能耗、材料消耗較大，導致國產碳纖維成本遠高于國外同等級產品。

江蘇恒神股份有限公司建立了碳纖維智能制造示范車間，一方面實現碳纖維及復合材料的智能化生產控制，減少人工干預，對產品質量進行在線監測、控制與調整，實現國產碳纖維產業化關鍵技術完全突破；另一方面，與國內設備廠商共同開發，以碳纖維生產工藝制程為指導，聯合具備壓力容器、化工和紡織機械、超高溫加熱裝置等特種設備研發生產能力的專業廠商和生產過程自動控制系統供應商，不斷改進優化，使生產設備更加適應生產工藝，打破國外對高性能碳纖維產品和制備技術的封鎖和壟斷。

1 智能車間簡介

1.1 智能裝備應用

碳纖維產業化智能車間包括原絲、碳化自動化生產線的智能化設備系統共28臺套（產線）數，車間設備37臺套，智能化設備系統占車間設備臺套（產線）數比例75.68%；車間內智能化、自動化設備26臺套，生產設備聯網21臺套，占比80.77%。

原絲生產線包括齒輪泵和噴絲板噴絲，紡絲機（凝固浴、水洗、上油、烘干）、蒸汽牽伸機、熱定型機、原絲整理機、收絲機等工藝主體設備。原絲生產線將高分子聚合物溶液利用其物化性能紡制成初生纖維，通過后道連續加工制成碳纖維原絲。該工序是生產高性能碳纖維的關鍵組成部分。碳纖維生產對原絲單絲直徑在8μm左右，所以它對絲束成形及后道處理設備、環境潔凈要求非常高。碳纖維原絲紡絲機對工藝控制的要求是加熱均勻，控制精準、工藝參數自動調節、自動快捷反饋給中控室。

碳化生產線，包括退絲機（沙架）、預氧化爐、低溫碳化爐、高溫碳化爐、水洗機、干燥爐、上漿機、卷繞機、熱力氧化機（廢氣焚燒）等工藝主體設備。其中，核心的高低溫碳化爐，7個控溫區，均需滿足高性能碳纖維碳化工藝溫度（≥1700℃）要求，爐內任意兩點溫控精度實現≤±2.5℃；控溫區兩端采用迷宮式密封箱，確保爐內高溫氮氣不外泄，爐外空氣不進入。針對高溫環境下的熱膨脹，可自動復位；為提高爐內加熱溫度均勻性，采用獨特的爐內360°加熱技術；氮氣加熱單元確保補充進爐內的氮氣溫度≥450℃；爐四周安裝特殊冷卻元件，對加熱空間直接冷卻，及時調整并消除局部過熱。

1.2 車間設備聯網

碳纖維智能車間包括聚合、紡絲、碳化3個工藝流程的主體生產設備，全部通過總線網絡連入計算機過程控制系統，包括DCS集散系統和PLC控制系統，系統具有可靠性、可操作性、可維護性、開放兼容性、可擴展性、安全性等特點。操作人員在中央控制室可實現工藝參數、設備狀態的集中監控。

1.3 生產過程實時調度

碳纖維車間系統分為3個部分：精益生產管理系統（ERP）、生產過程控制系統（聚合、紡絲、碳化、復合材料制品）和生產過程監測物聯網。

（1）精益生產管理系統（EPR）。精益生產系統包括生產計劃管理、生產操作監控管理、工藝組態管理、生產過程數據庫和追溯分析管理、以及設備運行管理，完成生產計劃下達、生產線調整、生產過程追溯分析和設備監控等功能，本系統還將根據公司生產運營需要進一步開發完善。

（2）生產工藝過程控制系統。生產工藝過程控制系統包括原絲生產過程控制系統、碳化生產過程控制系統。原絲生產過程采用了DCS+PLC的方案，DCS系統對聚合工藝和部分紡絲輔助設備進行現場控制管理，PLC系統對紡絲主體設備進行現場控制管理。碳化生產線由中控室、現場PLC控制單元、現場變頻控制器、遠程I/O站4個部分組成。中控室配置工程師站和操作員站，通過操作員站，可以直觀監視和控制生產過程，實現報警、變量趨勢查詢（實時趨勢和歷史曲線）、報表打印等諸多操作功能。

（3）生產過程檢測物聯網。DCS/PLC現場單元傳感器網絡可實現對聚合、紡絲、碳化連續生產過程控制參數的實時監控。以生產現場DCS和PLC為基礎，對生產過程的各項工藝數據實時采集，并通過有線和無線網絡發送到上位服務器的生產過程數據庫，供工藝優化分析使用；同時配合現場DCS和PLC進行自動調節，如果控制參數超出設定值，會自動報警，生產人員可做出相應的操作處理。物料流轉條碼采集網絡對聚合原料、原絲、碳絲、樹脂、預浸料、層壓板和制品等半成品和成品，利用身份條形碼進行標識，操作員通過手持智能終端掃描條碼，定時采集包括操作人員、時間、位置（如原絲、碳絲收絲位等精細化生產管理關鍵控制點）等信息，通過無線網絡上傳到生產過程數據庫，為生產過程追溯分析提供數據支撐。物料配送自動化系統采用了二維碼、條形碼、電子標簽、移動掃描終端等自動識別技術，原絲生產、碳化生產、碳纖維編織、樹脂及預浸料生產、復合材料生產的全過程進行數據采集。通過無線網絡上傳到生產過程數據庫，為生產過程追溯分析提供數據支撐。可形成從復合材料到原料的完整的產品追溯曲線，有助于不斷優化工藝，提升碳纖維及復合材料制品的產品質量。

2 結語

建立碳纖維產業化智能制造車間后，碳纖維產品質量顯著提高，生產效率大幅提高，勞動力工作強度及能耗物耗大幅度下降，使得國產碳纖維的成本也在不斷下降，效益非常顯著。智能車間采用多項創新技術和方式，統一管理復雜的碳纖維及復合材料的生產全流程，對引領國產碳纖維行業轉型升級具有非常好的示范作用。

參考文獻

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