擠出式乳膠絲關鍵生產參數監測系統設計

唐木森，劉桂雄，謝炎慶

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640；2.廣東國興乳膠絲有限公司，廣東揭陽522000）

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擠出式乳膠絲關鍵生產參數監測系統設計

唐木森1，劉桂雄1，謝炎慶2

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640；2.廣東國興乳膠絲有限公司，廣東揭陽522000）

摘要：針對目前人工監測難以滿足擠出式乳膠絲生產需要的問題，開發一套擠出式乳膠絲關鍵生產參數監測系統。基于擠出式乳膠絲生產工藝，提出制約產品質量的關鍵生產參數，建立以攪拌狀態、溫度、速度及酸堿度為監測量，Modbus為通信協議和MCGS為開發平臺的監測系統，提高擠出式乳膠絲生產可控性和穩定性。實驗結果表明：系統能準確監測乳膠絲生產狀態，有利于乳膠絲產品質量建模及性能提升。

關鍵詞：乳膠絲；監測系統；MCGS；Modbus

0　引言

乳膠絲因其彈性優良，絕緣性、拉伸強度高，耐磨性良好等特點，在服裝、家具、醫用及軍事等行業應用廣泛。伴隨應用領域發展，各行業對乳膠絲性能要求顯著提高，乳膠絲行業標準對性能要求卻無變化[1]，導致乳膠絲性能提升緩慢。采用擠出法制得的乳膠絲因表面光滑且性能較傳統生產工藝有所提升，故被乳膠絲生產企業廣泛采用，但其生產過程工藝復雜與控制參數多等又給乳膠絲產品穩定性帶來挑戰[2]。建立智能監測系統取代人工監測是解決復雜工業生產穩定性的有效措施，文獻[3-5]分別針對工業加工過程、冷卻塔熱力性能及大型石化工廠管架安全建立在線監測系統，解決生產應用中缺乏有效監測措施的問題。本文針對擠出式乳膠絲生產工藝，研究制約乳膠絲性能的關鍵生產參數，結合現代傳感技術、通信技術與工業組態技術建立擠出式乳膠絲關鍵生產參數監測系統，實現乳膠絲生產過程中溫度、速度及酸堿度等參數的有效監測，提高乳膠絲產品合格率，且為后期乳膠絲質量建模數據來源及性能提升奠定基礎。

1　參數選定與結構設計

監測參數選取是監測系統總體結構設計基礎，生產過程參數能否正確反映擠出式乳膠絲性能，監測參數是否能保證高效生產，很大程度上取決于參數選取的合理性。

1.1監測參數選定

生產工藝是監測參數選取的基礎，步驟包括配料、過濾、擠出、成型、清洗、烘干、拼帶、硫化、冷卻與落箱包裝，乳膠絲以膠乳為原料，配合其他化學料形成生產配方，在配料過程中需要通過攪拌裝置充分混合化學料及防止配料凝固。配料達到一定指標后經過濾、擠出進入酸槽成型，成型過程是利用一定溫度醋酸溶液中陽電荷中和膠乳粒子陰電荷，使得膠乳由流動狀態轉化為凝膠狀態[6]，該過程可控參數有膠凝酸堿度pH、膠凝時間tgel及膠凝溫度Tgel。膠凝完成后經4道水槽進行清洗，清洗時間tclean與清洗溫度Tclean是清洗工藝控制參數；清洗完畢后乳膠絲進入烘干爐去除水分，該工藝控制參數有烘干時間tdry及溫度Tdry。烘干完畢經拼帶進入硫化工藝，通過控制硫化時間tvul及溫度Tvul改變乳膠絲物理機械性能，硫化后經冷卻降溫完成最后落箱包裝。

由上述工藝分析，本文建立以膠凝時間tgel、膠凝酸堿度pH、膠凝溫度Tgel、清洗時間tclean、清洗溫度Tclean、烘干時間tdry、烘干溫度Tdry、硫化時間tvul及硫化溫度Tvul為對象的監測系統，并將監測數據存盤以便后期進行乳膠絲質量建模。同時，為保證高效生產及提高產品合格率，項目也對備料過程的攪拌動作進行監測，充分混合化學料并防止因配料凝固造成物料損失。

1.2系統總體結構

根據選定的監測參數，可將其分為4類（分別為時間t、溫度T、酸堿度pH及攪拌監測），時間在乳膠絲生產線上反映各電機帶動滾軸、傳送帶的速度，故所設計監測系統包括速度、溫度、酸堿度及攪拌狀態4類監測量，圖1為擠出式乳膠絲關鍵生產參數監測系統總體結構。

監測系統主要由數據采集現場、數據通信網絡及客戶端組成[7]。數據采集現場的溫度監測采集Tgel、Tclean、Tdry及Tvul，采用PT100配合溫控儀實現；速度監測采集電機速度，依照比例變換為tgel、tclean、tdry及Tvul；酸堿度監測利用pH電極配合電位計監測膠凝酸堿度pH；霍爾傳感器配合頻率變送器實現攪拌狀態監測；數據采集現場采集到的信號通過采用485接口及Modbus協議的數據通信網絡傳輸給客戶端；客戶端采用MCGS組態軟件實現監測數據查看及存盤，局域網中不同計算機也可同時查看監測狀態。

2　系統設計及實現

2.1硬件構成

圖2為數據采集現場溫度監測示意圖，溫控儀選用TAIE公司FY700-30100B溫控儀，其輸入選用PT100鉑熱電阻，溫控儀控制輸出4～20mA模擬信號，該信號可驅動電動比例調節閥，實現溫度控制；溫控儀還具備485通信接口，采用Modbus協議實現信息傳輸。

圖1　擠出式乳膠絲關鍵生產參數監測系統總體結構

圖2　數據采集現場溫度監測示意圖

圖3　數據采集現場攪拌狀態監測示意圖

圖3為數據采集現場攪拌狀態監測示意圖。磁性材料安置在轉動軸上，霍爾傳感器可判定磁性材料是否隨軸轉動，選用三線制NPN型霍爾傳感器，為保證其在額定輸出電流下工作，選用160Ω電阻作為負載，客戶端直接通過霍爾傳感器輸出信號判定攪拌狀態。為適應各種攪拌速度，會導致總線占用時間長，不利于系統總體采集效率，故將霍爾傳感器輸出接入宿州泰華儀表有限公司WS15281型頻率信號隔離器，可將霍爾傳感器輸出信號轉換為4～20 mA輸出，通過設置閾值實現攪拌狀態判定。

速度監測模塊根據電機轉速范圍選用廣州昆侖自動化設備有限公司XSM-BGT2A1B1V0轉速測控儀，可測量0～60r/min轉速范圍；考慮安裝簡易性，選用NPN型三線制霍爾傳感器作為轉速測控儀輸入傳感器，將磁性材料安裝于電機傳動輪上，使用固定架定位好霍爾傳感器即可測量電機轉速。轉速測量結果變送為4～20 mA電流信號，該信號可按照比例變換實現tgel、tclean、tdry及tvul測量，圖4為數據采集現場速度監測示意圖。

圖5為數據采集現場酸堿度監測示意圖，酸堿度監測主體電位計選用意大利匹磁pH7685，根據擠出式乳膠絲生產線酸槽采用的醋酸濃度（30%～40%）及溫度（30～35℃），可選用匹磁SZ173PH復合電極配合pH控制器及選用PT100鉑熱電阻傳感器，實現測量的溫度補償。匹磁pH7685控制器提供4～20mA模擬信號輸出，可反映測量值大小。

轉速測控儀、pH控制器及頻率信號隔離器輸出均為4～20mA信號，由于數據采集現場各監測點與客戶端有一定距離[8]，為保證信號有序傳輸且不丟失，選用蘇州迅鵬儀器儀表有限公司DFM206輸入測量模塊，該模塊可采集6通道輸入信息，將數據采集現場4～20mA輸出信號接入485總線，并使用Modbus通信協議實現數據傳輸。

圖4　數據采集現場速度監測示意圖

圖5　數據采集現場酸堿度監測示意圖

2.2軟件設計

客戶端選用MCGS組態軟件作為系統軟件開發平臺[9]，系統數據通信基于Modbus通信協議[10]，數據采集現場除溫度采集設備是直接掛在總線上，其余監測信息均通過輸入測量模塊接入總線，通過添加并設置設備窗口通用串口父設備。串口通信波特率選用19200b/s、8位數據位、1位停止位、奇校驗模式。在通用串口父設備下添加標準ModbusRTU設備，將地址設置與數據采集現場溫控儀及輸入測量模塊對應上，并設置內部屬性。

其中輸入測量模塊添加6個通道，通道中寄存器類型為[4區]輸出寄存器，數據類型為32位浮點數，寄存器地址分別為4097，4353，4609，4865，5121，5377；溫控儀則只需添加1個通道，通道中寄存器類型為[4區]輸出寄存器，數據類型為16位無符號二進制，寄存器地址為139，以客戶端讀取地址為1的溫控儀溫度值為例，假設溫度值為100℃，表1、表2分別為客戶端發送數據與接收數據。

完成設備定義后通過用戶窗口設計用戶交互界面，同時在主控窗口設計系統菜單；其中，登錄設置菜單可完成登錄用戶、用戶管理、修改密碼及退出登錄的操作，實現不同用戶的操作權限設置、管理。窗口查看菜單中參數監測窗口是監測系統的啟動窗口，在該窗口可實時查看生產參數，報警閾值設置窗口可設置系統報警閾值，適應不同型號乳膠絲生產的報警設置；數據管理菜單可查看歷史報警數據及生產參數的存盤數據；退出系統菜單則完成系統的退出功能。圖6為擠出式乳膠絲關鍵生產參數監測系統實物。

3　系統測試

系統搭建完成后運行MCGS組態環境，通過實時數據庫定義數據對象以表示擠出式乳膠絲各監測量，在設備窗口將定義數據對象與標準ModbusRTU設備各通道連接到一起，最后在參數監測窗口顯示監測信息，圖7為擠出式乳膠絲關鍵生產參數監測系統界面。

圖6　擠出式乳膠絲關鍵生產參數監測系統實物

表3　2015年4月17日15時1～5min系統存盤數據

圖7　擠出式乳膠絲關鍵生產參數監測系統界面

完成系統搭建與監測信息顯示后，利用MCGS組態軟件實現監測數據定時存盤，本文數據存盤周期設置為1次/min，表3為2015年4月17日15時的系統存盤數據。利用擠出式乳膠絲關鍵生產參數監測系統歷史數據，通過建模得到擠出式乳膠絲質量模型，提高乳膠絲質量可控性。

4　結束語

本文結合現代傳感技術、通信技術與工業組態技術，實現復雜乳膠絲生產過程的參數監測，可推廣到其他多工序或復雜工藝工業生產過程監控中。以后工作將集中研究監測數據后期質量建模及數據挖掘方法，提高擠出式乳膠絲性能。

參考文獻

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（編輯：李剛）

Design of key parameters monitoring system for extruded latex thread

TANG Musen1，LIU Guixiong1，XIE Yanqing2
（1. School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2. Guangdong Guoxing Latex Thread Co.，Ltd.，Jieyang 522000，China）

Abstract:An online key parameter monitoring system has been designed to meet the demand of efficient and stable production for extruded latex thread. Key parameters that restrict product quality are proposed in accordance with the manufacturing process of extruded latex thread. The system consists of three parts: monitoring variables like stirring conditions，temperature，speed and pH value; a communication protocol Modbus; and a development platform MCGS. Experimental results indicate that the system can accurately monitor the production state of latex thread and will be conductive to building quality models and improving the performance of latex products.

Keywords:latex thread；monitoring system；MCGS；Modbus

通信地址表1客戶端發送數據命令碼寄存器地址資料比數CRC 01H03H008AH0001HA5E0H 表2客戶端接收數據命令碼資料字節數資料CRC 01H03H02H03E8HB8FAH

通訊作者：劉桂雄（1968-），男，廣東揭陽市人，教授，博士生導師，主要從事先進傳感與網絡化控制研究。

作者簡介：唐木森（1990-），男，廣東廣州市人，碩士研究生，專業方向為測控系統集成技術與應用。

基金項目：廣東省省級科技計劃項目（2013B091600057，2013B011201339）揭陽市產學研結合項目（201366）

收稿日期：2015-04-18；收到修改稿日期：2015-06-02

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.018

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）01-0079-04