碳纖維智能車間應(yīng)用

王楊

摘 要：碳纖維智能制造車間，以生產(chǎn)主體設(shè)備和DCS/PLC控制系統(tǒng)設(shè)備為基礎(chǔ)，開發(fā)部署統(tǒng)一的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)、過程監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)和精益生產(chǎn)管理系統(tǒng)，將各主體設(shè)備獨立DCS/PLC控制、實驗檢測設(shè)備、生產(chǎn)計劃管理等各自分散的系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)開發(fā)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(chǎn)車間，提高碳纖維制備和復(fù)合材料生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)運行能力和維護(hù)管理的自動化水平，保障碳纖維生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定運行，提高碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：DCS PLC 原絲生產(chǎn)線 碳化生產(chǎn)線 智能車間

中圖分類號：TQ34 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品種類上，與國外先進(jìn)的碳纖維企業(yè)還存在巨大差距。國外成功企業(yè)單條生產(chǎn)線都是千噸級，產(chǎn)能大，產(chǎn)品穩(wěn)定。國內(nèi)的碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，使得國產(chǎn)碳纖維性能的穩(wěn)定較差，生產(chǎn)效率不高，能耗、材料消耗較大，導(dǎo)致國產(chǎn)碳纖維成本遠(yuǎn)高于國外同等級產(chǎn)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(xiàn)碳纖維及復(fù)合材料的智能化生產(chǎn)控制，減少人工干預(yù)，對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)測、控制與調(diào)整，實現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)完全突破；另一方面，與國內(nèi)設(shè)備廠商共同開發(fā)，以碳纖維生產(chǎn)工藝制程為指導(dǎo)，聯(lián)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(shè)備研發(fā)生產(chǎn)能力的專業(yè)廠商和生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)供應(yīng)商，不斷改進(jìn)優(yōu)化，使生產(chǎn)設(shè)備更加適應(yīng)生產(chǎn)工藝，打破國外對高性能碳纖維產(chǎn)品和制備技術(shù)的封鎖和壟斷。

1 智能車間簡介

1.1 智能裝備應(yīng)用

碳纖維產(chǎn)業(yè)化智能車間包括原絲、碳化自動化生產(chǎn)線的智能化設(shè)備系統(tǒng)共28臺套（產(chǎn)線）數(shù)，車間設(shè)備37臺套，智能化設(shè)備系統(tǒng)占車間設(shè)備臺套（產(chǎn)線）數(shù)比例75.68%；車間內(nèi)智能化、自動化設(shè)備26臺套，生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)21臺套，占比80.77%。

原絲生產(chǎn)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(shè)備。原絲生產(chǎn)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(xù)加工制成碳纖維原絲。該工序是生產(chǎn)高性能碳纖維的關(guān)鍵組成部分。碳纖維生產(chǎn)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(shè)備、環(huán)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(zhǔn)、工藝參數(shù)自動調(diào)節(jié)、自動快捷反饋給中控室。

碳化生產(chǎn)線，包括退絲機（沙架）、預(yù)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(shè)備。其中，核心的高低溫碳化爐，7個控溫區(qū)，均需滿足高性能碳纖維碳化工藝溫度（≥1700℃）要求，爐內(nèi)任意兩點溫控精度實現(xiàn)≤±2.5℃；控溫區(qū)兩端采用迷宮式密封箱，確保爐內(nèi)高溫氮氣不外泄，爐外空氣不進(jìn)入。針對高溫環(huán)境下的熱膨脹，可自動復(fù)位；為提高爐內(nèi)加熱溫度均勻性，采用獨特的爐內(nèi)360°加熱技術(shù)；氮氣加熱單元確保補充進(jìn)爐內(nèi)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(diào)整并消除局部過熱。

1.2 車間設(shè)備聯(lián)網(wǎng)

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(chǎn)設(shè)備，全部通過總線網(wǎng)絡(luò)連入計算機過程控制系統(tǒng)，包括DCS集散系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，系統(tǒng)具有可靠性、可操作性、可維護(hù)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(xiàn)工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)的集中監(jiān)控。

1.3 生產(chǎn)過程實時調(diào)度

碳纖維車間系統(tǒng)分為3個部分：精益生產(chǎn)管理系統(tǒng)（ERP）、生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)（聚合、紡絲、碳化、復(fù)合材料制品）和生產(chǎn)過程監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)。

（1）精益生產(chǎn)管理系統(tǒng)（EPR）。精益生產(chǎn)系統(tǒng)包括生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)操作監(jiān)控管理、工藝組態(tài)管理、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)庫和追溯分析管理、以及設(shè)備運行管理，完成生產(chǎn)計劃下達(dá)、生產(chǎn)線調(diào)整、生產(chǎn)過程追溯分析和設(shè)備監(jiān)控等功能，本系統(tǒng)還將根據(jù)公司生產(chǎn)運營需要進(jìn)一步開發(fā)完善。

（2）生產(chǎn)工藝過程控制系統(tǒng)。生產(chǎn)工藝過程控制系統(tǒng)包括原絲生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)、碳化生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)。原絲生產(chǎn)過程采用了DCS+PLC的方案，DCS系統(tǒng)對聚合工藝和部分紡絲輔助設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場控制管理，PLC系統(tǒng)對紡絲主體設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場控制管理。碳化生產(chǎn)線由中控室、現(xiàn)場PLC控制單元、現(xiàn)場變頻控制器、遠(yuǎn)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(jiān)視和控制生產(chǎn)過程，實現(xiàn)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(chǎn)過程檢測物聯(lián)網(wǎng)。DCS/PLC現(xiàn)場單元傳感器網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)對聚合、紡絲、碳化連續(xù)生產(chǎn)過程控制參數(shù)的實時監(jiān)控。以生產(chǎn)現(xiàn)場DCS和PLC為基礎(chǔ)，對生產(chǎn)過程的各項工藝數(shù)據(jù)實時采集，并通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位服務(wù)器的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)庫，供工藝優(yōu)化分析使用；同時配合現(xiàn)場DCS和PLC進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，如果控制參數(shù)超出設(shè)定值，會自動報警，生產(chǎn)人員可做出相應(yīng)的操作處理。物料流轉(zhuǎn)條碼采集網(wǎng)絡(luò)對聚合原料、原絲、碳絲、樹脂、預(yù)浸料、層壓板和制品等半成品和成品，利用身份條形碼進(jìn)行標(biāo)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(xì)化生產(chǎn)管理關(guān)鍵控制點）等信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)庫，為生產(chǎn)過程追溯分析提供數(shù)據(jù)支撐。物料配送自動化系統(tǒng)采用了二維碼、條形碼、電子標(biāo)簽、移動掃描終端等自動識別技術(shù)，原絲生產(chǎn)、碳化生產(chǎn)、碳纖維編織、樹脂及預(yù)浸料生產(chǎn)、復(fù)合材料生產(chǎn)的全過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)庫，為生產(chǎn)過程追溯分析提供數(shù)據(jù)支撐。可形成從復(fù)合材料到原料的完整的產(chǎn)品追溯曲線，有助于不斷優(yōu)化工藝，提升碳纖維及復(fù)合材料制品的產(chǎn)品質(zhì)量。

2 結(jié)語

建立碳纖維產(chǎn)業(yè)化智能制造車間后，碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，生產(chǎn)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(chǎn)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(chuàng)新技術(shù)和方式，統(tǒng)一管理復(fù)雜的碳纖維及復(fù)合材料的生產(chǎn)全流程，對引領(lǐng)國產(chǎn)碳纖維行業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有非常好的示范作用。

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