王明江
风神轮胎股份有限公司 河南焦作454003
摘要：采用中控PLC、智能温控器及压力仪表等替代原三针记录仪，实现外温的闭环控制和记录；利用电动机变频调速技术，使硫化用水的压力恒定．并取消一次供水泵，降低电能消耗；取消硫化机冷凝水排放的疏水阀，实现由温度和定时控制相结合的冷凝水自动排放方式，节约蒸汽用量；在硫化机上加装轮胎胎号输入装置，使轮胎硫化过程参数的历史查询更为方便。
关键词：轮胎硫化；三针记录仪；计算机；智能控制
目前，我国橡胶行业所用的生产设备与国外相比，处于比较落后的状态，特别是在设备的自动控制方面，差距更大。轮胎外胎硫化机作为轮胎行业的主要生产设备．其控制系统的好坏、自动化水平的高低．将直接影响轮胎硫化的质量。在日益激烈的市场竞争环境下，如何提高轮胎硫化机自动控制水平以及工艺参数控制精度，已成为提高轮胎产品质量的一个至关重要的环节。
l传统轮胎硫化控制系统存在的主要问题
硫化机控制系统在硫化过程中受外界因素影响较多，例如胎坯的初始温度、胶囊内过热水的温度、模具温度以及传热面的导热性能等。在实际生产中，总是按照条件较差的一个因素来确定硫化时间。通常实际硫化时间采用比理想的硫化时间增加20％，工程轮胎则增加30％，以确保轮胎完全硫化。采用这种传统的方式控制轮胎硫化既浪费了能源、降低了生产效率，也影响轮胎的质量。同时，在控制系统和控制元器件方面存在以下几个问题：
(1)目前，国内硫化机普遍采用只有数字逻辑控制功能的PLC，通过DO模块驱动接触器控制电动机实现硫化机的启、合模动作，并对PLC内部的计时器、计数器及辅助继电器等控件进行逻辑编程，实现对硫化机硫化工艺过程(步序)的控制。同时．通过输出单元控制集成式电控气阀组的开启与关闭，控制硫化机的进汽、进水及排水，实现硫化过程(步序)的自动控制。但无法采集、处理、记录过程控制数据，不具备生产过程中的工艺参数统计功能，各硫化工艺参数的调整比较麻烦，现场工作量很大。
(2)目前。国内硫化机外压温度的控制普遍采用带有比例调节功能的三针记录仪，通过调节气动薄膜调节阀的开启量，控制进入硫化机蒸汽室迟钝、滞后等弊端。机械式三针记录调节仪根据测量采集到的信号通过气动比例放大器将控制气源信号送至硫化机外压气动薄膜调节阀，调节其开启量，实现对硫化过程外压温度的控制。由于其比例参数的调节及输出气源的放大比例均采用机械螺杆手工调节，没有一个精确的参数值．各参数的设定要手工完成，调整比例参数十分复杂。由于每台硫化机的设备状况各不相同，每台设备需要反复调整控制参数。另外它是机械式结构，在使用一段时间后．经常会出现螺杆位移，造成比例失调，又需重新调整。机械式三针记录调节仪还存在调节精度较低，无反馈信号，执行动作迟滞等多种缺陷。由于硫化生产现场多为高温多尘环境，经常出现记录笔尖堵塞故障，造成原始记录缺项，直接影响轮胎生产控制。
另外，在国外机械式三针记录仪已属于淘汰产品，国外记录仪厂商专供中国市场．其价格昂贵、备件不易采购、维修困难、需要频繁更换记录墨水、记录纸等消耗材料。
(3)在轮胎的生产过程中，正在硫化的机台数目并不固定，随时需对一次水和二次水用量和压力进行调节。当用水量较小时，传统的控制方法是热循环水通过泄压调节阀直接短路回到除氧器．这就造成了相当大的能源浪费。由于轮胎硫化过程中用水量变化速度快，而气动调节阀跟随调节速度较慢，造成热循环水压力波动较大．影响产品质量。
(4)在轮胎硫化过程中硫化机蒸汽室内的冷凝水能否及时排放是影响硫化过程中外压温度产生波动的一个极为重要的原因。目前国内硫化机普遍采用疏水器控制冷凝水排放，但是由于多种原因造成疏水器经常堵塞，为保证工艺要求，现场绝大多数机台通过打开疏水器的旁通截止阀使蒸汽直排，造成能源的极大浪费。
2计算机智能控制系统的原理与构成
针对以上轮胎硫化工艺过程中存在的问题进行了技术攻关。通过先进的计算机控制技术实现硫化机群集散控制，不仅能提高企业的自动化控制及管理水平，同时也能降低进入高维护期硫化机控制装置的维护成本，提高硫化过程中各工艺参数的控制精度．以保证严格控制硫化工艺条件，提高产品质量，降低能源消耗。
2.1系统慨述
(1)采用中控PLC、智能温控器及压力仪表替代原三针记录仪．实现外温闭环控制、记录等。
(2)根据硫化所需内压的设定值，利用电动机变频调速技术确保给硫化机的供水压力恒定，并取消一次供水泵，节约电能消耗。
(3)取消硫化机系统冷凝水排放的疏水阀，采用热电阻测温，送至中控PLC处理后，实现温度和定时控制相结合的冷凝水自动排放方式，提高外温控制精度，降低蒸汽的消耗量。
(4)每台硫化机加装一台轮胎胎号输入装置，实现轮胎硫化过程的历史查询功能．用以满足产品质量可追溯的要求。
(5)在中央控制室内采用2台冗余热备计算机，实现硫化工艺过程参数的采集、处理、储存以及生产过程中有关数据的统计，并能以各种功能图表进行显示，提高企业管理水平。
2.2计算机智能控制原理
2.2.1取消三针记录仪
为实现生产过程的数据采集、统计、超限报警、轮胎编号输入、硫化过程工艺参数的历史查询等功能，且为了节省改造时问，保留C200H的硬件及程控功能不变，将原三针记录仪的功能，即硫化外温的连续调节功能和硫化内压、内温、外温的运行参数连续记录功能，通过敷设线缆遗至中央控制室的集散控制系统，同时传送到中央控制室的信息还包括反映硫化机运行状态的硫化开始、硫化结束、故障报警及复位等信号。采用该方案的优点是不需对原有的PLC系统编程改造，难度小、造价低，短时间内即可完成改造，基本不影响现有的生产。
系统控制实现的步骤为：当硫化机合模到底后，硫化过程开始，首先打开一次水，切换二次水．然后正硫化过程开始。硫化机现场控制系统的 PLC将一个硫化开始信号上传至中央控制室内的硫化机过程控制站，硫化机外压蒸汽气动薄膜调节阀气源接通，外压蒸汽进入硫化机蒸汽室，外温测温元件(PT100铂热电阻)将测量到的温度信号 (电阻值)传至现场控制柜上，智能数显仪将温度的电阻信号转化为一个4～20mA的电流信号，通过信号电缆传送至中央控制室的过程控制站 (GE90可编程序控制器)，过程控制站通过网卡将 的蒸汽流量，实现硫化过程中外压温度的控制。在硫化过程中产生的蒸汽冷凝水通过每台硫化机的疏水阀排入冷凝水主管道中。
由于三针记录调节仪为机械式结构，其温度信号的变化量是通过毛细管内的液体根据热膨胀的原理来采集，压力信号的变化通过压力弹簧管的受压变形来采集，存在着测量误差大、动作反应信号传至上位监控机，供记录观测。同时过程控制站对于检测信号进行分析、处理，通过编程自动实现PID调节输出功能，输出4-20mA的电流信号，该电流信号通过线缆送至硫化现场，电气阀门定位器根据电流信号自动调节气动薄膜调节阀开启量的大小．控制硫化蒸汽的进汽量，实现硫化过程外压温度的自动调节.
2.2.2冷凝水自动排放系统的优化
目前，国内绝大多数轮胎厂硫化机冷凝水的排放都采用疏水阀的排放方式。在轮胎硫化过程中，由于蒸汽热交换而产生的冷凝水通过疏水阀排入冷凝水主管道中．但疏水阀滤芯经常因水垢、杂物等原因而堵塞．使硫化机蒸汽室内的冷凝水无法及时排出。由于轮胎外胎硫化机外压温度的测温元件安装在硫化机下蒸汽室底部，过多的冷凝水将淹没测温元件．这时三针记录调节仪测量到的是低于硫化机蒸汽室内实际温度的虚假的温度，而此时硫化机蒸汽室内的实际温度是满足工艺条件的，这一点可以从安装在硫化机上模的温度计上证实。测温元件将虚假的温度信号传送至三针记录调节仪，由于低于工艺参数设定值，三针记录调节仪将对外温气动薄膜调节阀输出开启信号，硫化蒸汽继续进入硫化机蒸汽室，使硫化外压温度进一步升高，造成轮胎过硫。而不断增加的冷凝水又会淹没轮胎下模型，造成轮胎下模型温度低于工艺设定值，这将造成轮胎欠硫。由于以上问题的存在，直接造成硫化过程外压温度控制不稳，影响轮胎产品的质量。同时由于疏水器故障率高，维修较为困难，频繁更换疏水器势必影响正常生产。为保证硫化工艺条件，及时排除硫化过程产生的冷凝水，只好将冷凝水旁通截止阀打开，直接排出硫化蒸汽，造成能源的大量浪费。这样浪费的蒸汽约占硫化蒸汽总消耗量的40％左右。
为此，通过采用热电阻测温、中央控制室控制，实现硫化过程蒸汽冷凝水的自动排放，取消了疏水阀．增设了冷凝水储水罐。
硫化过程开始后，外压蒸汽由于热交换而产生的冷凝水由硫化机蒸汽室流入冷凝水储水罐中，插入储水罐的铂热电阻将测量到的温度信号 (电阻信号)通过信号电缆传送到中央控制室过程控制站(GE可编程控制器)的RTD模块中，过程控制站通过计算将冷凝水温度信号送人上位监控机供监控、记录，同时通过预先编制好的控制程序进行处理、分析，当测量温度低于设定值时，过程控制站PLC输出ON的开关量信号，驱动二位三通先导电磁阀．控制气动切断阀开启，冷凝水自动排出。随着冷凝水的排出．冷凝水储水罐内的温度不断升高，当温度达到设定的上限值时，过程控制站输出OFF信号，控制气动切阀关闭，冷凝水排放系统自动关闭。
2.2.3轮胎生产编号输人装置RTU终端
每台硫化机现场控制柜上安装一块RTU终端．硫化工通过操作RTU终端的按键，输入轮胎生产序列号，通过通讯传至中央控制室的监控站，存到硬盘，以便将来查询。轮胎号输入终端和监控站之间采用RS485总线方式，采用标准MODBUS 协议通讯，通讯距离长、可靠性高、速度陕，保证轮胎号正确送至监控机，而且终端最多可带255 个站。
RTU的功能及特点如下：
(1)通过RTU终端面板上的左右移动键、增减键和确认键．可以方便输入轮胎序列号、班号；
(2)输入的轮胎序列号、班号通过标准的 MODBUS协议，上传至操作站，供显示、存储；
(3)最多可带255个站；
(4)通讯距离可达500m；
(5)可以方便地和其他支持MODBUS协议的系统互联、交换数据；
(6)每台RTU终端设有地址拨码开关，地址可方便设定。
2.2.4计算机智能控制系统结构设计
2.2.4.l中心控制室监控计算机 作为整个硫化车问的核心，中央控制室集散控制系统的可靠性特别重要，因此本系统引人冗余热备份技术，采用2台互为备用的高性能计算机作控制室操作监控站，二者既可以同时运行，也可以单独运行，当其中一台故障时另一台自动将所有监控功能接替过来。
2.2.4.2监控网络 考虑到系统数据采集和信息传递的可靠性、实时性，监控计算机和PLC之间采用高速可靠的标准工业以太网通讯方式通讯，通讯速率达 10Mbps，这种方式可以在无需增加任何硬件的前提下方便地与其他信息管理系统联网，形成管理控制一体化的网络系统．以提高全公司的管理水半。
2.2.4.3 监控站的硬件、软件组成及主要功能 监控站由2台互为冗余热备的高性能工控机组成，其硬盘容量20G，能存储超过7年的硫化历史数据。监控站的主要功能是实时记录、监控轮胎硫化过程的各种技术参数及参数超标报警，实现各种统计报表、资料的自动统计工作，以及各种历史数据的查询统计，同时可实现对下位PLC的在线编程等功能。
(1)监控站的硬件组成：DELL高性能工业用微机，CPU为PⅢ866MHz，内存128MB，硬盘 20G。显示器483mm，打印机为CANONBJ467彩色喷墨打印机．还有网卡及集线器等。
(2)软件组成：系统软件为Windows NT Work- station 4.0．应用软件为FIX。 该软件为美国Intellution公司开发的组态软件，是真正的客户机／服务器软件，是全球最著名的自控软件之一。
(3)监控站的主要功能：
①主要参数的显示：所有模拟量都在相关画面上显示出来，开关量则显示各参数的状态．主要有每台硫化机的内压温度、外压温度、内压压力、冷凝水温度等，状态参数有硫化开始、硫化结束、报警确认等；
②曲线显示：实时显示每台硫化机各工艺参数的曲线，每台硫化机一页曲线，每页曲线有4条实时曲线．即外温、外温设定、内温和内压曲线；
③产量报表：每台硫化机产量按轮胎型号统计，有班报和月报等；
④参数整定：对外温控制回路和冷凝水控制回路参数进行在线修改、整定，实时监控，方便快捷；
⑤参数修改：可以在线修改各工艺参数的量程、报警限和设定值等；
⑥报警显示：可以显示每台硫化机是否在报警以及报警确认；
⑦历史曲线查询：可以通过时问、硫化机和轮胎序列号任何一项查询硫化曲线；
⑧打印功能：可以打印每幅画面、硫化曲线及产量班报和月报等；
⑨系统的安全性：本系统共设三级权限，均用用户名和密码登录．第1级为操作员级，仅能对画面操作，第2级为工程师级，除具有操作员级功能外，还能修改一些参数，如PID参数、报警限和参数量程等，第3级为管理员级．除具备操作员、工程师级功能外，还能进行开发，如修改画面、权限组态、数据库修改等。
2.2.4.4控制站
控制站采用美国GE公司的高性能PLC．响应速度快，功能强，能支持浮点运算。
2.2.4.4.l主要硬件组成
(1)cPU型号为：IC693CPU350，带浮点运算， 32K存储器;
(2)机架：基本机架：1C693CHS391 10槽(扩展机架：IC693CHS392 10槽)；
(3)电源：IC693PWK321，220VAC，24VDC， o.8A输出，RS485通讯接口；
(4)以太网卡：IC693CMM321;
(5)AI模块：IC693ALG223．4-20mA输入，16 通道，13Ms／16通道,精度0.25％；
(6)热电阻模块：HE693RTD600．6通道，分度可选，精度0.25度;
(7)AO模块：IC693ALG392，4~20 mA可选， 8通道，刷新速率5m/8通道;
(8)DI模块：IC693MDL645,24VDCl6通道，数字量输入模块，开关响应时间30ms和45ms;
(9)DO模块：IC693MDL940，16通道，2A继电器输出模块。
2.2.4.4.2控制站主要功能
(1)数据采集：主要采集参数有外温、内温、内压和冷凝水温度等．通过以太网实时传到上位机；
(2)报警：外温超限报警，DO模块输出2s脉冲，驱动现场控制柜报警指示灯闪烁，按一下确认按钮后，指示灯变成平光．信号恢复正常后,报警指示灯熄灭；
(3)外温控制：采集模块采集外温与设定值比较处理后，通过现场调节阀控制外温，其控制精度为±l℃；
(4)冷凝水温度控制：温度模块采集冷凝水温度与设定值进行比较，通过DO模块输出．控制现场电磁阀的开、关，达到控制冷凝水定温自动排放的目的。
2.2.5应用软件编程及功能 本系统采用中文Microsoft Workstation4 0作为操作平台，利用OEM美国Intellution公司的高性能组态软件FIX，对整个硫化机群集散控制系统进行编程，主要的功能及特点如下：
(1)检测处理功能：检测并线性化处理24台硫化机的内温、外温、内压参数，采集24台硫化机开始、停止硫化的时间。
(2)闭环控制功能：自动控制不同硫化机或同一硫化机不同规格型号轮胎硫化过程，蒸汽温度控制精度为±l℃。超限时，可向硫化机操作工发出报警信号，并能接收硫化机操作台的报警处理信息。
(3)图形报表功能：以参数表、工艺流程图、棒状图、运行曲线等方式显示各硫化机的硫化状态、产品规格型号、数量。
(4)记录功能：以参数表、曲线等方式记录各台硫化机的内温、外温、内压参数。
(5)在线调整功能：在系统运行时．工程技术人员可随时修改各仪表的量程、报警限值、硫化轮胎的规格型号、硫化时蒸汽温度及其他运行参数．也可定时集中输入各硫化机硫化轮胎的规格型号或序列。
(6)打印功能：以定时和随机两种方式打印硫化机群的运行班报表、日报表，也可随时进行屏幕拷贝。
(7)报警管理：当内温、外温、内压、硫化时间等参数超限时，以声光方式向中控室和硫化机操作台同时发出报警，提醒中央控制室的运行管理人员和硫化机台的操作人员及时处理，特别是硫化外温达不到设定值时．由操作人员进行延时硫化，确保硫化质量。在中控室通过按键或在操作台用按钮消除声音。同时记录并存储各种报警信息，便于今后进行质量追溯。
(8)统计分析功能：根据硫化规格进行分类，分别统计每班／日／月或不同时间段生产的轮胎的类别和数量，某班／日／月生产轮胎数量以该班时间内开始硫化的轮胎数量为计数基准。
(9)历史档案功能：按要求以一定的时间间隔将硫化工艺参数、曲线和状态根据运行时间(年／月／日／时／分／秒)和序列号(记录轮胎的批次)记入历史数据．存档。必要时可根据时间或产品序列号查找该轮胎的硫化曲线(内温、外温、内压)和硫化时间等，利于以后追溯、查询。
(10)系统安全性：为了保证系统的安全性，提供了可组态的安全等级密码，规定操作员对系统功能的访问权限，有效地防止了操作员越过权限的操作。
(11)联网特性：系统开放型的网络结构，使系统的实时数据或历史数据方便地传送到车间或其他厂级管理网络中，实现系统数据网络共享。
(12)良好的人机接口：采用全中文操作界面．操作简单。随机的在线帮助使学习和培训更加方便。
2.3轮胎硫化内压热循环水系统优化
目前，国内大多数轮胎行业，硫化机用热循环水系统采用一次充水、二次水硫化工艺。通过安装在供水泵出口处的2个泄压调节阀控制泄水量，进而控制供水压力。在实际硫化生产过程中存在以下问题。
(1)生产中正在硫化的机台数目并不固定，因此对一次水和二次水用量的需求也不相同。当用水量较小时．一部分热循环水通过泄压调节阀直接短路送往除氧器而不能用于硫化，造成了相当大的能源浪费。
(2)生产中用水量变化较大，而泄压调节阀跟随压力调节速度较慢，造成热循环水压力波动较大，从而影响了产品质量。
(3)供水泵电机为鼠笼式电机．传统控制系统电机启动方式为直接工频启动，电机启动时对电网冲击较大，影响供电质量。
2.3.1系统设计
(1)根据以往硫化车间实际用水量的统计分析，我们选择其中2台泵作为自控泵参与自动调压控制。在自控系统的构成中，采用压力传感器、压力控制器、PLC、变频器内部PID和软起动器等组成的闭环控制系统，来实现恒压控制。
(2)硫化供应系统结构中．过热水循环泵由原来的2台工频运行、2台备用改为J台变频运行、J 台软起动备用。
2.3.2系统各部件的选用及功能特点
(1)选用日本安川生产的风机、水泵专用CI— MR-PSA4160型的交流变频调速器来作为水泵速度调节的主要装置。该交流变频调速器属节能型、PID功能内藏型高性能变频调速器。
(2)为保证检测出过热水管道的压力的精确性，选用美国西特公司生产的耐高温压力传感器。压力传感器将检测出的压力信号变换成标准4～ 20mA由电信号送到压力控制器和交流变频调速器。送至变频器的压力与变频器内部压力给定值相比较，通过交流变频调速器自动调节水泵的转速，保证硫化用水压力恒定。
交流变频调速器的升速、降速时间和PID调节器的调节时问在一定范围内就可随意设置。用水量变化较大时．交流变频调速器将以尽量快的速度调节水泵转速，保证硫化用水的正常压力．极大减少了压力波动的范围。
(3)选用美国AB公司生产的SMC一1 50-806 型适合)一控制水泵的智能软起动器来起动被控电机，较理想地解决了启动电流大、启动转矩小的问题。
(4)为使该控制系统能可靠运行，选用日本三菱公司生产XOS-30MR型可编程控制器，通过对其编程使其实现以下功能：手动、自动状态相互转换，2台供水泵变频调速方式、软启动方式选择，压力控制上、下限报警，变频调速器、软启动器故障报警，电动机故障报警。
2.3.3系统控制过程 首先选择运行泵和备用泵．将转换开关转到 “自动”位置，然后启动系统运行。通过可编程控制器(PLC)发出指令使变频器驱动电动机工作, 压力传感器从供水主管道上检测来的压力信号一路送至变频调速器，变频器根据输入信号与内部设定值进行分析比较后，调节变频器控制水泵转速以保持供水压力恒定；另一路送至压力控制器与设定的2个压力信号进行比较，以决定备用泵的投入、退出及压力报警。当变频器控制电动机达到设定最高频率时．变频器发出信号给PLC。如果此时供水压力不低于最低设定值，将认为是正常压力波动，只有变频器输出最高频率持续40s 以上才启动软启动器投人另一台泵。如果此时供水压力信号低于最低设定压力．PLC将控制软启动器立即启动另一台泵，以确保供水压力恒定，满足工艺要求。
3应用效果
(1)每台三针记录仪价格大约为5万元，而且喷墨头、墨水和记录纸要定期更换；而每台微机群控系统大约1.5万元，成本大大降低，而且维护量很小。
(2)能够起到明显的节电效果。由于此控制系统能可靠地保证供水压力，将原来供水系统的2 台供水泵改为l台供水泵变频运行。一台泵电动机额定功率132kW，停用一台一年可节省 1156320度电，按0.4元／kW·H，可节约电费 46.12万元。
(3)由于硫化机冷凝水排放控制系统取消疏水阀，采用定温控制排放，实现硫化冷凝水的自动排放，使硫化机消耗蒸汽量大大降低，据统计．改造后每月蒸汽用量减少了3l300t左右，年合计节约费用约人民币93.6万元。
(4)虽然该硫化机控制系统应用非常成功．但不能排除人为失误而给整个控制系统带来的危害。另外，整个控制系统的核心只采用一套PLC 作为控制器，尽管采用高性能的PLC，可靠性也非常高，但由于多台硫化机共用一台PLC，一旦控制器出现问题，势必对生产造成较大影响。针对以上的问题，可以采取以下两种解决办法，虽然价格提高较多，但可靠性得到大大提高。
①采用冗余的控制器，一旦主控制器出现问题，处于备份的控制器马上接管工作，不会影响正常的生产，而且仍然是集中控制，价格不会太高。
②采用分散控制，每台硫化机采用单独的 pLC控制，去掉原来实现步序功能的PLC，所有的信号采集、步序控制、外温控制都采用一个控制器完成。采用工业以太网把每个PLC连接起来，这是最好的方案，但价格也是最高的。由于每台硫化机的控制系统都是独立的，互不影响，而且轮胎号输入装置也可以通过PLC来实现，所以可靠性极高，一台控制系统出现问题不会影响其他机台的正常工作。
4结语
目前，我国大中型轮胎厂、橡胶厂有100多家，传统的轮胎硫化控制系统大都采用三针记录仪．并且三针记录仪大部分都将进入高维护期，若都能用此控制系统来进行改造替代三针记录仪，将为国家节约大量的资金投入。 另外，在我国大部分轮胎企业，轮胎硫化动力供水系统中过热水泵的控制，大都采用传统的工频控制方式，鉴于此控制系统的优越性。其应用前景非常广阔．由此带来的经济效益十分可观。
论文来源: 王明江.中国橡胶行业商务宝典,2004:105-110
