橡膠硫化特殊過程監控系統研制

郭立宇 朱浩然（大連長豐實業總公司，遼寧大連116038）

0 引言

依據橡膠硫化相關制造要求，硫化過程應在規定的溫度、壓力及時間（以下簡稱參數）下進行。目前絕大部分設備僅具備參數的控制功能，而不具備參數控制準確性的監測功能，因此需要操作人員實施過程的監視和測量，在不滿足硫化條件時，由操作人員實施糾正。人員作為產品質量保證的重要因素，因此為了排除人為干預避免人為因素的影響，提升產品質量保證能力，必須通過現代化手段實施監視和控制。

通過運用工控技術，研制一套過程監控系統。將由系統控制參數的權限，傳感器適時監控并傳遞監控參數準確性，實現橡膠硫化過程的質量控制。

1 系統研制方案

針對橡膠件制造過程的參數控制要求及硫化過程，設計一套管控一體化系統。具備工藝文件、生產狀態、器材保管發放、模具管控等功能模塊，進一步完善橡膠硫化控制系統功能。

1.1 控制系統總體結構設計原理

系統由若干臺硫化機及控制系統、1個數據中心、1 個工程師站、1個出入庫管理站、1個大屏展示系統、若干臺現場控制終端、1 套環境采集系統、1 套2 次硫化溫度采集系統和能耗計量管理系統組成。

硫化機控制系統由PLC、智能溫控儀表、HMI及相關輔材組成。內部溫控儀表與HMI 采用RS485 通信，PLC 與HMI 采用TCP/IP通信。控制柜對外提供以太網通信接口，通過ModbusT?cp與數據中心連接，數據上傳最小周期可達200ms，時鐘誤差小于500ms。

1.2 硫化系統部分設計

硫化系統主要有硫化機和電控柜兩部組成。硫化機為平板加壓式硫化機，電控柜采用PLC 作為主流程控制器，主要負責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，同時集成電計量模塊采集硫化機的耗能情況，同時配有就地HMI，同時通過HMI 的網絡接口與服務器之間完成數據通訊等功能。

1.2.1 PLC部分

更換原硫化機控制柜，重新設計PLC軟硬件部分，利用PLC完成硫化機的自動化控制流程（包含合模、保壓、緩壓、硫化、開模、超壓保護等）采集壓力、溫度等信號，并提供精確的計時控制功能。采用AI人工智能和PID調節算法，實現對硫化溫度的精確調控，具有無超調、自整定等功能。

1.2.2 可視化HMI

可視化HMI采用國內知名品牌的擴展定制型HMI產品，性能穩定可靠，實時顯示硫化工序，操作信息等功能，并能夠通過觸摸屏實現人機交互功能，系統的運行狀態并由HMI發送到上位機服務器。

TPC7062Ti（定制型），是一套以先進的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產品設計采用了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）。同時還預裝了MCGS嵌入式組態軟件（運行版），具備強大的圖像顯示和數據處理功能。

1.2.3 溫控儀表

選用AI-518 型人工智能溫度控制器。輸入采用數字校正系統，內置常用熱電偶和熱電阻非線性校正表格，測量精確穩定。采用先進的AI 人工智能PID 調節算法，無超調，具備自整定（AT）功能。通過ISO9001質量認證和CE認證，在質量、抗干擾能力及安全標準方面達到國際水準。

1.3 管理系統設計方案

管理部分包括數據采集系統、設備管理、硫化記錄回溯、材料出入庫和模具管理、大屏展示等模塊。使用上位機管理軟件，按照相關管理規定，設計管理工作流程。建立相應的數據庫，制作網上流程，編排電子版控制文件。在管理過程中將相關信息與人員進行關聯，并將信息存儲在數據庫中，用于管理記錄的調用。

系統要采集的數據包括硫化設備、室內環境、能耗和二次硫化等多種類型的數據這些數據點較為分放，數據格式和接口不同，數據采集周期和存儲周期需求不同，方案采用現場HMI把各類型數據轉化為統一的網絡接口，通過車間局域網與服務器連接，實現數據的統一上傳，在服務器采集模塊中，最小采樣和存儲周期能夠達到1S。

1.3.1 數據中心

系統平臺：系統采用Windows Server 2012或以上，數據庫采用sql server 2012或以上。應用軟件開發平臺采用微軟.NET平臺,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。很多應用（特別是基于Web 的應用）一次編寫完成后就可以運行于多種平臺上。Microsoft.NET Framework 支持現代化語言，VB.Net和C#都是現代化的語言。它們完全是面向對象的，設計的時候消除了很多VB 和C++的矛盾。

1.3.2 功能設計

數據采集：采集硫化設備、室內溫濕度和其他軸輔助設備數據，采集周期最小能夠達到1s/次。數據存儲：能夠定時存儲硫化設備和其他輔助設備的數據，存儲周期最小能夠達到1s/次。回溯系統：硫化產品回溯。人員管理：建立操作人員檔案，能夠動態維護和管理操作人員信息。設備管理：建立設備檔案，對設備信息進行維護和管理。材料、圖號管理：新增、編輯和刪除，查詢和檢索。能源監控：能夠利用柱狀體顯示硫化設備和車間重要設備的消耗數據，分析能耗規律，查找能耗漏洞，優化運行模式，節能增效。車間環境監控：采集、記錄和顯示車間溫濕度數據。模具管理：建立模具檔案，對模具信息維護和管理。出入庫管理：出入庫記錄查詢。

1.3.3 現場控制終端

控制終端采用工業級平板電腦，windows 操作系統。軟件與數據中心之間采用C/S 架構，通過TCP/IP 以太網進行通訊。軟件系統提供友好的操作UI，操作人員可以通過控制終端便捷的下載硫化機的工藝參數，并同時將數據發送到數據中心服務器。WinApp 采用WPF（Windows Presentation Foundation）開發，提供了統一的編程模型、語言和框架，真正做到了分離界面設計人員與開發人員的工作；同時它提供了全新的多媒體交互用戶圖形界面。

2 控制系統設計應用

2.1 軟件的設計應用

硫化參數數據庫包括派工信息、橡膠材料、產品圖號、操作人員、加工設備、參數記錄的管理，可以實現所有數據的采集、保存以及提取，用于追溯產品硫化過程。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、件數、膠料批號、帶料單號、設備編號、操作員信息與系統記錄的硫化參數整合為《產品質量記錄》，進行保存、查詢、打印。二是材料的管理：添加、編輯、刪除材料的編號、名稱、規定溫度、溫度偏差、規定時間。三是圖號的管理：添加、編輯、刪除材料的編號、名稱、規定溫度、溫度偏差、規定時間。四是操作員的管理：添加、編輯、刪除操作人員的編號和姓名。五是設備的管理：添加、編輯、刪除設備編號。

2.2 關鍵工藝的控制設計

對硫化機的控制操作主要涉及到兩部分，分別為硫化機的溫度控制和硫化過程控制兩部分；在對硫化過程控制中主要涉及的控制參數有排氣次數、排氣壓力、排氣時間、硫化保壓壓力、加熱時間、硫化時間等。在整個硫化過程當中需要傳感器采集的數據有：三層加熱板溫度值；兩塊模具溫度值；實時壓力值。

2.2.1 硫化機溫度控制

硫化機對模具加熱采用的是三層加熱板同時對兩個模具進行加熱方式，對硫化機的溫度控制是整個硫化過程重要環節之一。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，采用常規的控制方法很難達到控制指標，因此對系統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、自整定等功能，能夠精確的把溫度控制在工藝范圍內，同時儀表可以通過工業以太網與服務器完成通訊，實現溫度的遠程設置與讀取等功能。在對加熱板的溫度檢測方面采用的也是該儀表，將PT100工業溫度傳感器與溫度底座相連接放入加熱板內，溫控儀表實時采集加熱板數據并顯示回傳至上位機。

2.2.2 硫化過程控制

一是硫化控制柜部分設計。硫化機的的硫化過程控制主要是使硫化機根據上位機或者人工操作完成相應的硫化步驟和相應的數據采集。橡膠在整個硫化過程當中需要完成的步驟有：排氣合模、排氣開模、硫化加壓、硫化狀態判定、硫化完成開模、聲光報警、模具溫度采集等。

對硫化機的控制采用一體化硫化機控制箱，控制箱內使用的是西門子S7-200SMART SR30 型號CPU 作為主控制器，EM AE04 型號4 通道模擬量輸入模塊作為擴展塊完成對硫化機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 標準型CPU，具備18 個24VDC 數字量輸入和12個DO 2A數字量輸出，電源采用47-63HZ的85-264V AC電源。該CPU的輸出輸入點數量滿足硫化機要求，同時符合硫化間用電要求。

2.2.3 系統運行情況驗證

根據GJB 9001C-2017《質量管理體系要求》、04XJ-001《橡膠模壓件制造》、HG6-407-79《航空工業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范》。

對照橡膠材料標準，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。在系統的控制和監控下，硫化過程參數滿足要求。進一步對產品進行性能試驗，拉伸強度、伸長率（扯斷）、永久變形（扯斷）、硬度等試驗，實驗結果均在規定范圍內，符合質量要求。

3 結語

本監控系統，一方面能夠精準實現硫化參數的控制，并適時監控控制過程是否符合要求。實現了橡膠制品的數字化管控手段，杜絕了人為差錯導致的不合格產品，提升了工藝的可執行性和可操作性，降低了人工成本及質量成本，提高了橡膠制品的質量。