熱凝式乳膠絲成型工藝參數監測系統設計*

鄭煥健 劉桂雄 謝炎慶

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熱凝式乳膠絲成型工藝參數監測系統設計*

鄭煥健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 2.廣東國興乳膠絲有限公司）

針對通過數值模擬技術預先得到的熱凝式成型工藝條件可能與實際最佳成型條件存在差異，開發一套熱凝式乳膠絲成型工藝參數監測系統。基于熱凝式乳膠絲生產工藝，提出影響產品質量的成型工藝參數，建立以攪拌狀態、溫度和速度為主要監測對象、Modbus為通信協議以及MCGS為開發平臺的監測系統，提高熱凝式乳膠絲生產研發可控性。實驗結果表明：控制技術與數值模擬技術相互配合，可準確監測成型工藝參數，有利于乳膠絲成型工藝改造，得到實際最佳成型條件。

熱凝式乳膠絲；成型工藝參數；監控系統；MCGS

0 引言

乳膠絲具有良好的抗拉、耐磨等性能，廣泛應用于日常生活中。目前乳膠絲生產采用擠出式酸凝工藝，膠凝過程易產生酸性污染且耗能較大，改進乳膠絲膠凝工藝尤為迫切。文獻[1-2]研究熱凝式乳膠絲成型工藝可實現免醋酸生產，達到節能環保目的，這對乳膠絲生產是新嘗試。而通過數值模擬技術獲得的成型工藝參數雖然提供了理論基礎，但與實際成型工藝條件可能存在差異，因此需利用智能控制技術與數值模擬技術相互配合得到實際最佳成型條件。文獻[3]（2014）針對深基坑開挖引起支護結構變形、周圍地表沉降等問題，采用理論分析、現場監測和數值模擬相結合的方法，制定穩妥可行的監測方案且同時對支護進行設計；文獻[4]（2014）通過引入QoS智能控制系統建立自動化農業物聯網平臺實時監測大棚內風速，利用CFD數值模擬技術預測風速檢測儀檢測數據并傳輸到智能控制中心，實現風速調節自動化管理，具有技術參考價值。文獻[5]（2016）針對風力機葉片失速非線性顫振斷裂失效問題，闡述其伺服氣彈智能控制的數值模擬過程，論證最優模糊PID控制、徑向基函數神經網絡PID控制2種方法的有效性和適用性，為風力機葉片失速非線性氣彈變槳控制提供新思路。本文針對熱凝式乳膠絲成型工藝，分析制約熱凝式乳膠絲性能的成型工藝參數，在數值模擬技術基礎上，結合工業控制技術，建立熱凝式乳膠絲關鍵生產參數監測系統。

1 工藝參數選擇與總體結構設計

為實現熱凝式乳膠絲成型工藝參數監測系統，需了解熱凝式乳膠絲成型工藝，并對其中的關鍵環節進行分析，提出影響產品性能的工藝參數。選定監測參數是實時監測系統結構設計的前提，能否正確反映熱凝式乳膠絲成型性能，在一定程度上取決于參數選取的合理性。

1.1 成型工藝監測參數選擇

熱凝式乳膠絲成型工藝流程：1) 在進行熱凝式工藝成型前，對備料的攪拌混合狀態進行檢測，確保熱凝式膠乳配料充分混合；2) 熱凝式工藝成型過程可控參數有進料速度i、進料溫度i、膠凝溫度n、冷水夾套水溫度c、熱水夾套水溫度h、冷水夾套進水口水流速c、熱水夾套進水口水流速h、熱水槽水溫ch和膠凝時間n；3) 經過熱水槽膠凝穩定成型后，在滾筒帶動下乳膠絲進入烘干爐中烘干，其中涉及工藝控制參數有烘干溫度d，烘干時間d；4) 拼帶進入硫化爐中進行硫化處理，可通過控制硫化溫度l和硫化時間l，提升乳膠絲物理機械性能；5) 降溫冷卻處理，最后對乳膠絲拼帶進行裝箱處理。

本文通過對熱凝式成型工藝分析，建立以進料口速度i、進料溫度i、膠凝溫度n、冷水夾套水溫度c、熱水夾套水溫度h、冷水夾套進水口水流速c、熱水夾套進水口水流速h、熱水槽水溫ch、膠凝時間n、烘干溫度d、烘干時間d、硫化溫度l和硫化時間l為對象的成型工藝參數監測系統。

1.2 成型工藝整體結構設計

對于選定的成型工藝參數，由于時間可通過傳送帶速度間接變換獲得，故可分為攪拌狀態、溫度和速度3類。

熱凝式乳膠絲成型工藝參數監測系統整體結構如圖1所示，可分為采集現場、通信網絡和監測端[6-7]3大模塊。

圖1 熱凝式乳膠絲成型工藝參數監測系統總體結構

2 監測系統軟硬件模塊

2.1 硬件模塊

監測系統硬件模塊主要包括攪拌狀態采集設備、溫度采集設備和速度采集設備3部分。

1) 攪拌狀態監測。將4個磁鐵均勻分布在轉動軸上，利用NPN型霍爾傳感器，通過閾值判斷磁鐵是否隨著轉動軸轉動來監測攪拌狀態。針對為適應不同攪拌速度而占用總線時間過長，導致系統傳送效率低的問題，選用頻率信號隔離器連接霍爾傳感器輸出接口，輸出4 mA~20 mA電流信號。攪拌狀態監測設備接線圖如圖2所示。

2) 溫度監測。利用鉑熱電阻作為感溫元件，通過溫度控制器采集溫度信號。溫度控制器有485接口，可直接與Modbus協議相互配合實現信號傳輸。溫度監測設備接線圖如圖3所示。

3) 速度監測。速度信號獲取分3方面：①根據冷熱水夾套進水流速范圍，選用LWG-Y分體遠傳顯示型渦輪流量傳感器，測量范圍為0.8 m3/h ~8 m3/h，顯示儀帶4 mA~20 mA輸出電流信號，該信號可按照比例變換實現c、h信號采集；② YK系列智能壓力控制器具備485總線接口，可直接與Modbus協議配合實現信號傳輸，且該信號通過一定設置變換實現i信號采集；③將4個磁鐵均勻分布在轉動軸上，利用霍爾傳感器采集電機轉速信號，通過與轉速測控儀配合，可將轉速信號輸出變送為4 mA～20 mA電流信號輸出，該信號可按照比例變換實現n、ch、d和l信號采集。進料速度、水流速和轉速測控儀速度監測設備接線如圖4(a)、4(b)和4(c)所示。

圖2 攪拌狀態監測設備接線圖

圖3 溫度監測設備接線圖

圖4(a) 進料速度監測設備接線圖

圖4(b) 水流速監測設備接線圖

圖4(c) 轉速測控儀的速度監測設備接線圖

由上述工藝參數監測分析可知，頻率信號隔離器、轉速測控儀和渦輪流量計輸出信號均為4 mA～20 mA電流信號。由于各工藝參數監測點與客戶端有一定的距離，選用DFM型六通道輸入測量模塊，將各工藝參數監測點的輸出電流信號通過485總線傳送至客戶端，實現信號傳輸有序且不失真。

2.2 軟件模塊

在工業控制中，組態軟件具有靈活構建監控功能的特點，本文選用MCGS組態軟件設計成型工藝參數監測平臺[8]。將數據采集模塊中各溫度采集設備、進料速度采集設備直接掛在485總線上，其余監測設備利用六通道輸入測量模塊間接掛在485總線上，并通過Modbus協議傳輸至客戶端組態串口，同時將串口地址設置與溫度控制器、智能壓力控制器和輸入測量模塊一一對應（表1為6個通道測量值寄存器地址），進而通過設備窗口中通用串口父設備地址實現各成型工藝參數監測。其中串口通信波特率選用19200 b/s、8位數據位、1位停止位、奇校驗模式。

表1 6個通道測量值寄存器地址

串口設備設置完成后，通過組態軟件主控窗口創建用戶窗口，進一步設計人機交互界面，主要包括：1) 監測軟件界面主菜單中可實現用戶權限管理、用戶登錄、登錄退出等功能；2) 在線監測窗口可實時查看成型工藝參數狀態；3) 系統參數報警窗口設置不同工藝參數報警閾值；4) 管理菜單可查看工藝參數的存盤數據和歷史報警數據，實現工藝參數數據的可溯源。

3 系統應用

數據現場硬件系統搭建后，利用數值模擬仿真結果分析得到的成型條件，設置各監測量工藝參數報警閾值范圍。在設備窗口將各監測對象與標準ModbusRTU設備各通道連接到一起，并通過組態軟件人機交互平臺在線顯示監測成型工藝參數信息，熱凝式乳膠絲成型工藝參數監測系統界面如圖5所示。

現場硬件系統與客戶端監測信息平臺搭建后，熱凝式乳膠絲成型工藝參數監測系統可實現成型工藝數據實時監測，有助于熱凝式成型工藝生產研發。

圖5 熱凝式乳膠絲成型工藝參數監測系統界面

4 結語

本文在數值模擬仿真基礎上，結合工業控制技術，設計熱凝式乳膠絲成型工藝參數監測系統，實現成型工藝參數實時監測，提高熱凝式乳膠絲生產研發可控性，從而得到最佳成型條件。

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Design of Monitoring System for Molding Technological Parameters of Thermo - Condensed Latex Wire

Zheng Huanjian1Liu Guixiong1Xie Yanqing2

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology 2.Guangdong Guoxing Latex Thread Co., Ltd.)

Thermo-condensed molding process conditions obtained by numerical simulation technology is likely to have a large error with the actual optimum molding conditions, it developed a set of Thermo-condensed latex wire molding process parameters monitoring system. Based on the production technology of thermo-condensed latex wire, this paper puts forward the molding process parameters which affect the quality of the product, establishes the monitoring system with stirring state, temperature and speed as the monitoring quantity, Modbus as the communication protocol and MCGS as the development platform, which improves the controllability of R & D latex wire production. The experimental results show that the monitoring of the latex wire can be accurately monitored by the combination of the monitoring and control technology and the numerical simulation technology. It can accurately monitor the molding process parameters, which is conducive to the latex wire molding process transformation and get the actual optimal molding conditions.

Thermo-Condensed Latex Wire; Molding Process Parameters; Monitoring System; MCGS

鄭煥健，男，1993年生，碩士研究生，主要研究方向：光機電信息集成與裝備等。Email: zheng.huanjian@qq.com

劉桂雄（通訊作者），男，1968年生，教授，博導，主要研究方向：先進傳感與網絡化控制等。Email: megxliu@scut.edu.cn

揭陽市產學研結合項目（20150B01040）