重量反饋控制在復合擠出生產線的應用

唐德剛

（中國化學工業桂林工程有限公司，廣西 桂林 541004）

重量反饋控制在復合擠出生產線的應用

唐德剛

（中國化學工業桂林工程有限公司，廣西 桂林 541004）

針對目前輪胎行業橡膠復合擠出線重量控制系統多采用開環控制，控制精度不高的問題，提出了在該類設備中采用重量反饋閉環控制方式，通過PLC控制系統建立平均重量反饋控制數學模型實現最佳控制的方法。

擠出；胎面；開環系統；閉環系統；重量；反饋；控制系統

0　概述

當今的輪胎行業正面臨日趨嚴重的外部競爭和持續不斷的市場變化，對如何確保產品的品質和市場的競爭地位，在生產中具有高度的靈活性是非常必要的，而且降低產品的成本也變得越來越重要。輪胎的一致性是表征輪胎制造水準和品質控制水平的重要指標之一。輪胎一致性的一項重要指標就是輪胎重量，輪胎重量對輪胎的滾動阻力等性能有一定的影響，胎面重量的控制對輪胎重量的控制有較大影響。在輪胎廠的生產流程中，組成輪胎的胎面需要用復合擠出機通過特定的口型擠出形成。在胎面擠出成型過程中，會受很多因素影響，如：擠出電機的波動、加入的膠料粘度特性、機筒螺桿的結構和溫度和壓力的波動及其他相關工藝的變化等等，將導致擠出生產量發生一定的變化，同時由于螺桿和牽引機的速度相對恒定，導致生產的制品在米重上即產品的縱向發生厚薄偏差，嚴重影響產品的質量［1］。參見圖1。

對于一條專門用于生產輪胎胎面的復合擠出生產線來說，衡量生產線是否合格，是否達到工藝性能指標要求，是以其擠出制品的重量、寬度、斷面形狀等作為考量指標。其中重量的穩定是最重要的指標，只有重量穩定了才能保證同一規格的每個輪胎的均勻性和一致性。胎面的重量指標主要是指單位長度（通常采用1 m）的重量，俗稱米重。復合擠出生產線上常規的做法是操作工人隨時觀察米秤屏幕顯示的米重，當半制品發生重量變化時，及時對擠出機速度做出相應調整，使其重量保持在規定的范圍之內。這種做法屬于一種開環控制，控制精度不高，工人勞動強度大，無法對擠出機的擠出量實時控制，對品質缺乏監控等［2］。因此開發研制在線連續稱重負反饋自動控制系統具有極其重要的意義。擠出機米重控制方式是指通過計算機對制品的米重實時監測得到實際數值，并采用數學模型計算方式與預先設定數值進行比較，在自動模式中利用設定值與實際值之間的偏離值，通過自動調整擠出機螺桿速度改變擠出量使得重量偏差得到消除，從而使產品的米重保持基本恒定，品質得到提高。稱重計量及其反饋控制技術正是為滿足人們在橡膠擠出行業日益增長的需求而迅速發展起來的一項新技術，逐步在生產實踐中得到了應用。下面對本文論述的一些概念做些說明。

圖1　生產量變化對米重的影響

0.1開環控制系統

開環控制是最簡單的一種控制方式，按照控制信息傳遞的路徑，它所具有的特點是，控制量與被控制量之間只有前向通路而沒有反向通路。也就是說，控制作用的傳遞路徑是不閉合的，故稱為開環（圖2）。

圖2　開環控制系統的方框圖

0.2閉環控制系統

控制作用不是直接來自給定輸入，而是系統的偏差信號，由偏差產生對系統被控量的控制；系統被控量的反饋信息又反過來影響系統的偏差信號，即影響控制作用大小。這種自成循環的控制作用，使信息的傳遞路徑形成一個閉合的環路，稱閉環（圖3）。

為克服開環控制系統的缺點，人們總是采用負反饋的閉環控制系統［3］。

圖3　閉環控制系統的方框圖

0.3橡膠擠出裝置電控系統簡介

橡膠擠出裝置是輪胎生產過程中的重要一環，其電氣控制系統目前普遍采用基于PLC的現場總線形式，以實現對生產過程的自動控制和管理?？刂葡到y主要采用西門子公司的可編程控制器（PLC）和變頻器，通過上位機監控和操作。PLC與上位機之間采用工業以太網通訊或MPI通訊，PLC與變頻器、ET200M從站、觸摸屏OP270以及伺服控制器之間采用DP現場總線通訊，系統自動化程度較高。通常各種規格制品的參數包括擠出機轉速（擠出量）、生產線速度、制品重量、寬度值等是以配方的形式存儲在上位機里，生產通過調用配方實現。對于特定的配方和螺桿形式，擠出量kg/min=k×螺桿轉速。

目前擠出制品的重量控制見圖4，由于這種控制系統實際上屬于開環控制，實際擠出的制品重量信號無法返回控制系統的輸入端參加控制，系統對擠出機擠出的制品實際重量的變動無能為力，因此控制精度不高。如果采用圖5的控制模式，利用時間序列技術采集擠出制品的重量信號，建立控制系統的動態數學模型，運用制品重量的預測值建立控制系統的反饋控制，將會提高制品重量的控制精度和穩定性，從而使擠出制品的品質上升一個臺階。

圖4　無重量反饋控制系統

圖5　有重量反饋控制系統

圖6　兩種模式下螺桿轉速與米重的關系

圖6顯示了兩種模式下螺桿轉速與米重的關系。手動模式相當于開環控制，可以看出，擠出機螺桿轉速在手動情況下是恒定不變的，外界因素的變化會影響到擠出產量的變化，從而導致制品米重產生波動；而自動模式屬于閉環控制，此時通過實時檢測制品重量變化并通過模型計算輸出結果來調整擠出機的螺桿速度，達到消除設定數值與實際數值之間的偏離。同樣可以看到，螺桿轉速是隨時波動的，而制品米重卻能保持基本穩定。

1　建立重量反饋閉環控制的方法

復合擠出生產線中影響制品米重的主要因素有：各擠出機的螺桿轉速和生產線牽引速度。根據轎車胎的胎面結構和重量分布特點，80%的重量來源于冠部膠，基部膠占15%，翼膠占5%。因此，為簡化復合擠出機的控制，對于某一特定規格的胎面制品，可以通過固定基部膠和翼膠擠出機螺桿轉速和生產線牽引速度，僅調整占比重較大的冠部膠擠出機螺桿轉速，達到控制胎面制品重量偏差的目的。主要有兩種方法實現以上控制要求，分別表述如下。

1.1采用分段實時控制方式

分段控制，即米秤重量與標準值偏差在2%以內時，螺桿轉速不調整；偏差在2%～4%時才進行調整。實時控制，即米秤重量超過2%～4%偏差時立即調整擠出機螺桿轉速。雖然分段實時控制也屬于閉環反饋控制系統，但是由于采用胎面制品重量的實時采集值即時調整，會導致螺桿轉速調整頻繁（震蕩）和誤信號干擾，系統的控制穩定性不高，無太大實用價值。

1.2采用分段計算平均重量值控制方式

通過計算平均重量值進行控制，即：每隔0.5 s采集一次米秤的胎面重量值，連續五次重量的平均值作為調整判斷的依據值，連續5次，相當于2.5 s/次給出一個調節指令，按照正常生產時25 m/min的線速度計算，相當于胎面每擠出1 m長度，給出一個調節指令。如圖7所示的Ft-1、Ft-2。該控制模型從理論上完全能滿足要求，實踐中也得到了較好的應用。

圖7　分段計算平均重量值控制方式圖示

生產線速度25 m/min時，每個調整周期胎面走過長度計算：

25 m/min×2.5 s=25/60×2.5=1.04（m）

由于胎面制品從復合擠出機被擠出后，還要經過接取裝置的牽引，以及強制收縮輥道的收縮作用過程，才能到達米秤所處的輸送輥道，這段距離根據各輪胎廠生產工藝的不同，大概從5～10 m不等。為了準確檢測每次調節指令發出后的實際執行效果，必須在程序里面增加 “接取到米秤膠長計數器”這一條件，以保證米秤此處的胎面正好是經過調整指令后擠出的胎面重量。

實際的PLC控制程序描述如下：

圖7　重量反饋控制程序段（節選）

程序符號變量說明：

“接取到米秤膠長計數器”，指胎面膠擠出后經接取牽引輸送至米秤的距離。

“多次采樣平均重量”，經過連續五次測量重量值相加所得的平均值。

“米秤標準重量”，通過配方下載到PLC程序里面的胎面重量標準值。

“米秤超輕百分比”，程序計算出來的胎面實際重量與標準重量的負偏差。

“米秤超重百分比”，程序計算出來的胎面實際重量與標準重量的正偏差。

“米秤反饋調速加速”，當胎面的平均重量值低于配方的標準重量值，而且超輕的偏差范圍＞2%時，程序給出的基部膠擠出機螺桿的加速指令。

“米秤反饋調速減速”，當胎面的平均重量值高于配方的標準重量值，而且超重的偏差范圍＞2%時，程序給出的基部膠擠出機螺桿的減速指令。

按照此控制模型，當米秤檢測到胎面制品重量因某種原因（如供膠不足）偏輕時，PLC將根據編好的算法邏輯控制擠出機螺桿在配方轉速的基礎上增加一個速度增量（如0.1 r/min），增速后必須等待膠片經過“接取到米秤膠長計數器”后再次比較測量結果，判定是保持現速還是繼續增速。這樣系統經過不斷地自動執行“比較→調整→等待→比較”循環過程，最終使得胎面制品重量保持穩定。

2　實現控制的前提條件

（1）米秤的精度和動態顯示重量與實際重量的偏差足夠?。ā?.01 kg/m）。

米秤主要選用的是梅特勒-托利多（METTLE TOLEDO）公司的IND331系列稱重顯示控制器，稱重傳感器型號MTB-20，最大稱重范圍20 kg，靈敏度2 mV/V，最小分辨率為0.001 6 kg，完全能滿足工藝及控制要求。

（2）生產線各段速度匹配、胎面制品無拉伸。

通過調整生產線各輸送段之間的浮動輥調節范圍及反饋量大小，可以達到各段運行速度的匹配，保證胎面制品在整個輸送過程中無拉伸現象。

（3）胎面制品經擠出機口型擠出后形變小，尺寸穩定。

根據冠部膠料種類選擇強制收縮輥的收縮比，使其最大化，被復合擠出機擠出的制品經強制收縮后輸送至米秤前，胎面制品尺寸基本穩定，不再有較大變化。

（4）擠出機螺桿的特性要穩定，相應執行機構要靈敏，與指令發出節拍一致。

復合擠出機螺桿的驅動電機各自都配有旋轉編碼器，編碼器檢測到的電機實際轉速信號反饋輸送到驅動器，形成一個閉環控制系統。反饋信號與配方給定的轉速信號相比較得到偏差信號，可消除電壓波動等外部干擾保證螺桿轉速穩定。

（5）各螺桿的擠出量事前需測定，以確定每次反饋調節量比例的大小，做到即不會反饋量太小使系統響應遲鈍，也不會反饋量太大使系統產生震蕩。

實際擠出量kg/min（連續秤重量與線速度乘積）與根據實際轉速計算的出膠量kg/min，具有很好的相關性，比值系數為1.030 5接近1，說明擠出條件標準書所制訂的轉速是準確可靠的，為自動控制賦予了良好的基礎條件（圖8）。

圖8　實際值與計算值kg/min關系

（6）胎面制品的重量波動與寬度波動有較強的相關性，須確定合理控制范圍

自動控制狀態下，當調節重量增加時，隨著基部膠擠出量的增加，胎面的寬度幾何尺寸也會同步增大。在實際控制中，當胎面重量波動如控制在0.04 kg/m以下，寬度波動可以控制在2 mm之內，達到胎面寬度波動范圍工藝控制要求。參見圖9。

圖9　重量波動3σ與側寬儀寬度波動3σ的關系

（7）在采樣頻率保持不變時，隨著生產線速度的減少或者增加，調節指令的輸出會相對變快或者變慢（相對于生產線速度25 m/min時）。

生產線速度15 m/min時，每個調整周期胎面走過長度計算：

15 m/min×2.5 s=15/60×2.5=0.63（m）

0.63 m＜1 m，說明調節指令輸出快了。

生產線速度35 m/min時，每個調整周期胎面走過長度計算：

35 m/min×2.5s=35/60×2.5=1.46（m）

1.46 m＞1 m，說明調節指令輸出慢了。

不過上述問題可以通過程序里面自動修改（提高或降低）采樣周期值來解決，如在生產線速度15 m/min時，采樣周期從0.5 s提高到0.8 s，仍然取五次采樣的平均數，則每個調整周期胎面走過長度計算：

15 m/min×0.8 s×5=15/60×4.0=1.00（m）

生產線速度35 m/min時，采樣周期從0.5 s降低到0.4 s，仍然取五次采樣的平均數，則每個調整周期胎面走過長度計算：

35 m/min×0.4 s×5=35/60×2.0=1.16（m）

在實際應用中，上述問題已經在PLC程序里面得到了很好的處理。

3　結論

我們在杭州某輪胎廠的胎面生產線上采用了米重反饋控制，并進行了使用效果數據統計，從各方面的數據來看達到了預期效果，稱重反饋控制系統在控制的精度方面非常令人滿意。對于設定值和特定所選用的工藝的不同控制形式來說，其精度可達＜±0.5%。

（1） 自動控制時胎面米秤重量達到預期效果

2009年9月10～27日的自動反饋控制下米秤重量數據統計結果如表1。

（2） 對于統計的所有規格胎面制品，重量平均波動范圍為2.41%，小于4%達到了設定的控制目標。

2009年9月10～27日的數據統計結果見表2。

表1　胎面米秤重量數據統計結果

表2　胎面重量數據統計結果

（3）自動控制時，胎面的寬度平均值與標準值的偏差均在±2 mm之內，滿足工藝要求。自動控制時，胎面寬度的波動平均為±1.84 mm，最大為±2.64 mm，相對偏差平均值0.90%＜1%，達到預期目的。2009年9月10～27日胎面寬度數據統計結果如表3所示。

（4）連續秤重量反饋控制系統從理論和實際數據表明都是切實可行的，但要注意此系統是個微調控制系統，必須在標準擠出條件下擠出時，才能起控制作用。

表3　胎面寬帶度數據統計結果

4　結束語

輪胎工業是石油化工與裝備制造的結合，輪胎生產企業的發展升級，除了生產工藝關鍵技術的改進以及從原料和設備的技術與精度等方面提升外，針對輪胎制品的控制系統自動化程度的不斷完善和精細化控制，是在日趨激烈的橡機生產設備市場競爭中取得技術優勢的關鍵所在。實踐證明，復合擠出生產線使用平均重量反饋控制法，可簡化人工操作，在生產現場迅速、及時、連續測控半制品重量，減少操作人員勞動強度，是加強質量管理、提高合格率、降低生產成本的有效措施。在自動化程度、人員成本和資源節約等方面扮演著越來越重要的角色。

［1］ 陳新輝. 稱重技術在塑料擠出行業中的應用.稱重科技研討會論文.2006.

［2］ 干方建. 用時序技術實現對卷煙重量反饋控制的研究.煙草科技1996.

［3］ 白柳. 液壓同步開環與閉環控制的比較.液壓氣動與密封.2010.

（R-01）

Application of Weight feedback control in the compound extrusion production line

Application of Weight feedback control in the compound extrusion production line

Tang Degang
(China Guilin Chemical Industry Engineering Co., Ltd., Guilin 541004,Guangxi,China)

In view of tire industry rubber compound extrusion line weight control system with open loop control and low control accuracy, proposed the opinion that using weight feedback closed loop control mode for the equipment. Average weight feedback control mathematical model through the PLC control system is established to realize optimal control method.

extrusion; tread; open loop system; closed loop system; weight; feedback; control system

TQ330.493

1009-797X（2016）11-0049-06

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.11.014

唐德剛（1966-），男，電氣工程師，高級工程師，1988年畢業于廣西大學工業電氣自動化專業，主要從事電氣設備設計和調試工作。

2015-11-10