自動控制技術(shù)和信息采集技術(shù)在硅橡膠生產(chǎn)上的應(yīng)用

摘 要：設(shè)計了一種基于S7 300 PLC為控制核心的硅橡膠生產(chǎn)控制系統(tǒng)，采用Win CC組態(tài)技術(shù)為監(jiān)控平臺。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對硅橡膠生產(chǎn)線設(shè)備的溫度、壓力、流量、電流等參數(shù)的采集以及故障報警系統(tǒng)的監(jiān)控。針對此生產(chǎn)線開發(fā)的信息采集系統(tǒng)可實現(xiàn)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時記錄、存檔。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求，運行穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：自動控制；信息采集；硅橡膠；PLC

中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Application of Automatic Control Technology and Information

Collection Technology in Silicone Rubber Production

YANG Cheng，CHEN Zhigong，QIAN Xianfeng，WU Yong，DING Bei

（Zhonggang Mining Institute （Ma'anshan） Intelligent Emergency Technology Co.， Ltd.， Ma'anshan， Anhui 243000，China）

Abstract：This article designs a silicone rubber production control system based on S7 300 PLC as the control core， using Win CC configuration technology as the monitoring platform. This system can collect parameters such as temperature， pressure， flow rate， and current of silicone rubber production line equipment， as well as monitor the fault alarm system. The information collection system developed for this production line can achieve real time recording and archiving of production data. The application results indicate that the system meets the on site application requirements and operates stably and reliably.

Key words：automatic control; information collection; siliconerubber; PLC

硅橡膠具有優(yōu)異的熱氧化穩(wěn)定性、耐候性、高透氣性、電絕緣性、生理惰性等，在航天航空、電子電氣、化工材料、機械裝備等工業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來，硅橡膠在嬰童及家用消費品、醫(yī)療衛(wèi)生、新能源、節(jié)能環(huán)保等新興領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅猛，110甲基乙烯基硅橡膠作為其原料，市場需求十分旺盛[1]。

目前國內(nèi)硅橡膠的生產(chǎn)多采用間歇式或半間歇式生產(chǎn)方式。在設(shè)備智能化、全自動生產(chǎn)工藝方面與國外先進(jìn)水平有一定差距[2]。硅橡膠生產(chǎn)線多年來一直是手動生產(chǎn)作業(yè)，人員的操作熟練度對產(chǎn)品的質(zhì)量影響大，產(chǎn)品質(zhì)量無法追溯。如何提高硅橡膠生膠的生產(chǎn)效率、穩(wěn)定和提高生產(chǎn)質(zhì)量，已經(jīng)成為各大生產(chǎn)廠家所關(guān)注的問題。中鋼礦院（馬鞍山）智能應(yīng)急科技有限公司和國內(nèi)某有機硅生產(chǎn)企業(yè)合作，對現(xiàn)有生產(chǎn)線工藝過程進(jìn)行了充分研究后制訂了生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)改造方案，對生產(chǎn)過程進(jìn)行自動化改造，實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的順序控制和原料計量、小料配比、原料脫水、催化劑添加與聚合反應(yīng)以及脫媒過程等過程的自動控制，將各生產(chǎn)環(huán)節(jié)有機地融為一體，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程連續(xù)化控制，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量，保障設(shè)備安全運行，提高設(shè)備作業(yè)效率，最終實現(xiàn)生產(chǎn)線自動化程度達(dá)到國內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平。

1 生膠生產(chǎn)線自動化控制方案及參數(shù)

1.1 生膠生產(chǎn)線自動化控制方案

生膠生產(chǎn)自動控制系統(tǒng)由計算機操作員站和PLC控制器及工藝參數(shù)檢測儀表與執(zhí)行機構(gòu)組成。監(jiān)控站由計算機、LED屏、操作臺組成，可對控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)監(jiān)控、流程與回路參數(shù)的圖像顯示、歷史數(shù)據(jù)記錄及管理，并通過通信接口與PLC控制器進(jìn)行信息交換。控制器安裝在控制柜內(nèi)，控制柜由西門子300系列PLC及相關(guān)電子器件等組成，接受計算機操作員站組態(tài)和現(xiàn)場檢測信號，并輸出控制信號到各控制回路的執(zhí)行機構(gòu)，達(dá)到對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的目的。監(jiān)控管理級和控制級之間由通訊接口裝置及通信電纜連接成一個完整的集散控制系統(tǒng)。系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

1.2 自動檢測與控制的主要參數(shù)

檢測參數(shù)有：計量槽液位、脫水釜壓力、脫水釜真空度、鼓泡氮氣流量、聚合釜攪拌電機功率（電流）、壓料壓力、脫水釜溫度、聚合釜溫度、脫低器溫度等。

控制變量有：計量槽液位、脫水釜壓力、脫水釜真空度、鼓泡氮氣流量等。

被控變量有：聚合釜壓料速度、聚合釜攪拌器轉(zhuǎn)速等。

生膠生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

2 生膠生產(chǎn)過程的自動化控制

2.1 生膠自動控制系統(tǒng)的功能及特點

（1）實現(xiàn)生膠生產(chǎn)過程全流程計算機監(jiān)控，即由PLC采集工藝流程設(shè)備運行狀態(tài)及主要工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量、液位等），并在計算機操作員站上顯示和控制。各工藝設(shè)備的運行狀態(tài)和工藝參數(shù)結(jié)合工藝流程圖實時動態(tài)顯示，形象直觀、一目了然。自控系統(tǒng)對設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)控制進(jìn)行優(yōu)化控制，使其運行在工藝要求的范圍內(nèi)。生產(chǎn)過程中，關(guān)鍵工藝參數(shù)或設(shè)備狀態(tài)若出現(xiàn)異常時，控制系統(tǒng)給予實時報警提示或連鎖停車。

（2）生產(chǎn)工藝中的主要設(shè)備實現(xiàn)了控制室集中控制操作，不僅可以在遠(yuǎn)程計算機對每臺電機、閥門等設(shè)備獨立操作，也可以按照生產(chǎn)工藝要求對全套系統(tǒng)進(jìn)行流程化自動生產(chǎn)。

（3）采用監(jiān)控、報警、連鎖保護(hù)等技術(shù)手段，能有效提高生產(chǎn)的安全性。

（4）實現(xiàn)生產(chǎn)的事前調(diào)度和生產(chǎn)管理，準(zhǔn)確制定生膠生產(chǎn)和原料的消耗計劃，準(zhǔn)確地對生膠的批次、時間、產(chǎn)量、原料消耗進(jìn)行統(tǒng)計，提高生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)備的操作安全和運行效率，提高設(shè)備運行效率，減少電力損耗，保證系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)與合理運行。基于強大的數(shù)據(jù)挖掘工具和規(guī)范化的管理流程，提供準(zhǔn)確有效的生產(chǎn)報表、有價值的生產(chǎn)建議，提高公司的能源管理水平。

2.2 生膠生產(chǎn)過程的自動控制

（1）加低分子槽物料：操作員按工藝要求在操作員站上設(shè)定好需添加的物料量后，點擊系統(tǒng)啟動按鈕，控制系統(tǒng)自動關(guān)閉計量槽放空閥，打開計量槽真空閥，打開低分子儲槽上的出料閥和放空閥，向計量槽輸送物料，待加至工藝要求量后，控制系統(tǒng)關(guān)閉低分子儲槽出料閥和放空閥；系統(tǒng)在計量罐添加完成之后，自動向脫水釜進(jìn)料，進(jìn)料完成后，系統(tǒng)按照設(shè)定的生產(chǎn)批料號自動添加對應(yīng)量的小料。控制系統(tǒng)根據(jù)工藝要求自動打開對應(yīng)小料儲罐出料閥及放空閥，將小料放入中間計量罐計量，當(dāng)放入小料達(dá)到要求量時，控制系統(tǒng)自動關(guān)閉對應(yīng)的閥門，此過程可根據(jù)工藝需要，反復(fù)進(jìn)行。

（2）在脫水釜進(jìn)料（過濾）過程中，控制系統(tǒng)打開氮氣流量調(diào)節(jié)閥，將氮氣流量控制在工藝要求的范圍內(nèi)，穩(wěn)定充氮氣到釜內(nèi)，不僅起到加熱攪拌的作用，也保護(hù)原料免受空氣氧化。并開啟蒸汽加熱脫水釜。在原料脫水完成后，將原料輸送至聚合釜。

（3）聚合釜控制是本套自動化控制系統(tǒng)的重中之重。為保證生膠在聚合釜內(nèi)反應(yīng)的質(zhì)量和聚合過程的安全，必須嚴(yán)格對原料聚合生產(chǎn)過程的堿膠添加量及時間、反應(yīng)釜加熱溫度及時間、攪拌器攪拌時間和轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理控制。“在反應(yīng)過程中有大量的吸熱、放熱的現(xiàn)象發(fā)生。反應(yīng)釜的反應(yīng)機理復(fù)雜，每個參數(shù)在反應(yīng)過程中是變化的”[3]。同時，由于生膠生產(chǎn)中的聚合反應(yīng)過程時間較短，并且需要同時監(jiān)控多個關(guān)鍵變量的參數(shù)變化，僅靠單個工人進(jìn)行人工操作實現(xiàn)高質(zhì)量聚合反應(yīng)的難度較大且工作強度較高。因此，對生膠聚合生產(chǎn)過程實行自動化控制是保證生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)安全的必要手段和重要措施。自動控制系統(tǒng)由操作員站（工業(yè)控制計算機）、下位機（PLC）、現(xiàn)場檢測設(shè)備和執(zhí)行器組成。打開自動化控制系統(tǒng)以后，操作員站及PLC進(jìn)入自檢及啟動過程，并且自動監(jiān)控程序的登錄界面以及工藝流程主界面和菜單，即可瀏覽各種顯示畫面。在工藝流程主畫面中，各主體設(shè)備運行時，相應(yīng)的設(shè)備圖符呈動畫狀態(tài)主要工藝參數(shù)的實際測量值顯示在此畫面中，使得生產(chǎn)狀況一目了然。

① 聚合釜進(jìn)料（壓料）：控制系統(tǒng)先打開聚合受槽真空閥、聚合受槽收集閥，再打開相應(yīng)的聚合釜真空閥（開關(guān)閥），并將聚合釜真空度控制至-0.09 MPa后，關(guān)閉聚合釜真空閥。控制系統(tǒng)判斷滿足進(jìn)料（壓料）條件后，打開脫水釜出料閥、聚合應(yīng)釜進(jìn)料閥，向聚合釜壓料。

② 配制及添加催化劑：控制系統(tǒng)打開混合罐真空閥，抽至真空后關(guān)閉，打開混合罐進(jìn)料閥，堿膠罐出料閥、堿膠罐氮氣加壓閥，根據(jù)生膠生產(chǎn)批號向混合罐內(nèi)添加規(guī)定數(shù)量的堿膠。添加堿膠后關(guān)閉堿膠罐出料閥、堿膠罐氮氣加壓閥，然后再打開稀釋劑出料閥、稀釋劑罐氮氣加壓閥向混合罐加入所需的稀釋劑后關(guān)閉稀釋劑出料閥、稀釋劑罐氮氣加壓閥，采用氮氣鼓泡的進(jìn)行混合，混合一定時間后充氮氣保護(hù)待用。待需要時向聚合釜進(jìn)料。

③ 聚合釜溫度控制：在聚合反應(yīng)前及聚合反應(yīng)過程中，都需要對聚合釜進(jìn)行精準(zhǔn)的溫度控制。聚合釜中的溫度控制得是否準(zhǔn)確，直接影響了生膠進(jìn)行聚合反應(yīng)的速度和是否充分，決定了產(chǎn)出后生膠的質(zhì)量。聚合加溫所用的蒸汽溫度會因為生產(chǎn)而有變化，聚合釜所處的環(huán)境溫度也是未知且不確定變量，蒸氣加熱釜內(nèi)的物料溫度傳導(dǎo)又相對有一定的滯后性。如果按照通用的升溫算法進(jìn)行溫度控制，聚合釜溫度容易超溫，要精準(zhǔn)控制釜溫，升溫時間則又過長。溫度又要求在限定時間內(nèi)提升到規(guī)定溫度，所以要在溫度算法上改進(jìn)[4]。已知聚合釜在升溫過程中有三個變量：加熱蒸汽熱能Qt、釜內(nèi)溫度T、散熱量Qe，蒸汽通過聚合釜內(nèi)的盤管對物料加溫，散熱量的多少和散熱快慢取決于釜體溫度與外界的溫度差ΔT[5]。聚合釜容積和熱交換系統(tǒng)穩(wěn)定；熱能輸入輸出速率不變。則反應(yīng)過程中釜內(nèi)釜外熱能平衡過程可以表示為：

蒸汽輸入熱能-散熱損失熱量=釜內(nèi)增加熱能

Qt-Qe=ΔQ（t）

CdΔT（t）-ΔT（t）dt/R = Q（t）dt

RCSΔT（s）-RCΔT（0）-ΔT（s）= RQ（s）

聚合釜溫度由高至低傳播，引起溫度變化延時，故傳遞函數(shù)應(yīng)為：

G（s）=KTS+1e-τs

式中： C為 釜內(nèi)物質(zhì)的比熱容；

T（t）為t時刻釜內(nèi)的溫度；

ΔT（t）為t時刻釜內(nèi)與外部的溫度差；R為聚合釜放熱系數(shù)；Q（t）為t時刻系統(tǒng)輸入熱能；τ為系統(tǒng)純滯后時間常數(shù)。

從而得到正常聚合反應(yīng)階段聚合釜溫度升溫傳遞模型。

（4）聚合反應(yīng)完成之后，物料往脫低釜轉(zhuǎn)移。在油溫正常情況下，控制系統(tǒng)自動打開脫低受槽真空閥、收集閥，當(dāng)脫低真空度達(dá)到工藝要求時，即滿足壓料條件。連續(xù)工作時，上述閥門為常開，只有在抽低分子操作時需要短時間開關(guān)。其他特殊工藝根據(jù)要求設(shè)置油溫，生產(chǎn)線開車時，短時間內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)因為沒有膠料，溫度計探測不到溫度，這時需要抽真空，要考慮脫低受槽真空閥、收集閥的手動開啟，控制系統(tǒng)要控制好壓料速度，以滿足花板溫度＞150 ℃，花板壓力≤0.25 MPa。

3 信息采集系統(tǒng)

3.1 采集器

使用OPC DA通信協(xié)議，采集控制系統(tǒng)中點位的實時數(shù)據(jù)，其中，投料階段18個，脫水階段7個，聚合階段21個，脫低階段14個，采集頻率為1 s/次，和控制系統(tǒng)保持一致；采集成功后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，使用TCP協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到緩存消息隊列中。

3.2 隔離網(wǎng)閘

在工業(yè)控制內(nèi)網(wǎng)和信息處理外網(wǎng)之間，安裝單向隔離網(wǎng)閘，只允許數(shù)據(jù)從內(nèi)網(wǎng)向外網(wǎng)方向流動，不允許從外網(wǎng)到內(nèi)網(wǎng)傳輸信息，保證了工業(yè)控制內(nèi)網(wǎng)的安全[6]。

3.3 緩存部件

（1）RabbitMQ：使用輕量級消息隊列服務(wù)，對采集到的大量實時監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行削峰處理，減少資源消耗；同時，使用消息的異步特性，可以降低整個系統(tǒng)的耦合性。

（2）Redis：使用業(yè)界流行的Key/Value內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，支持多種數(shù)據(jù)類型，讀取和寫入速度可以達(dá)到10萬/s左右，緩存系統(tǒng)運行中的數(shù)據(jù)。

3.4 存儲部件

使用最流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MySQL，存儲采集到的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、后分析的生產(chǎn)批次數(shù)據(jù)、多維度統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，持久化生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)管理提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。

3.5 信息處理模塊

首先，對收集到的實時數(shù)據(jù)，按照投料、脫水、聚合、脫低4個階段，分批次進(jìn)行篩選，計算出每個批次、不同時間段內(nèi)，低分子、新料、小料A、小料B、小料C、堿膠、稀釋劑等實際物料添加量，結(jié)合該批次運行期間的溫度、壓力、真空度、氮氣流量、攪拌機轉(zhuǎn)速等參數(shù)，生成該批次生產(chǎn)參數(shù)；其次，使用JasperReports報表工具，從各種維度分析實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、生產(chǎn)批次數(shù)據(jù)、分析建模數(shù)據(jù)等，幫助生產(chǎn)管理者了解產(chǎn)線的整體運行狀態(tài)，根據(jù)已有數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進(jìn)行實時優(yōu)化調(diào)整，提高工作效率和生產(chǎn)效率。

3.6 前端界面

使用Freemarker模板引擎、Bootstrap、Echarts圖表工具等，搭建UI框架，通過多種表格、圖形等工具進(jìn)行展示，提高人機交互體驗。

4 結(jié) 論

三年多的穩(wěn)定運行表明，自動化控制系統(tǒng)提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了工人數(shù)量，降低了工人的勞動強度；信息采集系統(tǒng)實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)無紙化記錄，并可以根據(jù)業(yè)主要求，定制化生成報表。自動化控制系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用對于企業(yè)進(jìn)一步提升生產(chǎn)水平和管理水平提供了大力支持，為企業(yè)的長遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展提供了強大助力。

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