周延松,孫洪喜,焦清國,王淑波

(青島彎弓信息技術(shù)有限公司，山東 青島 266042)

隨著國內(nèi)汽車數(shù)量的不斷增加，廢舊輪胎的報廢量也逐漸增多，隨之帶來的問題就是污染生態(tài)環(huán)境、占用大量空間。而廢舊輪胎的回收再利用不僅可以保護生態(tài)環(huán)境、減少資源的浪費，還可以帶動更多的人進行就業(yè)[1]。

廢舊輪胎的綜合利用主要有以下幾種：輪胎翻新、原形改制、熱能利用、生產(chǎn)膠粉。輪胎翻新是指將已經(jīng)磨損的、無法繼續(xù)使用的舊輪胎外層消掉，重新貼上一層新膠料進行硫化，即可得到一條可以繼續(xù)使用的翻新胎。翻新胎雖然保持了輪胎原有的形狀，但是如果長期使用，也存在安全性問題[2]。

原形改制是指經(jīng)過捆綁、裁剪、沖切等方式，將廢舊輪胎改造成具有一定價值的物品，例如用切割機將胎圈和輪胎進行分離，將胎身制作成不同尺寸的膠條，利用這些膠條可以編織成防滑墊排、防護網(wǎng)等物品。

熱能利用是指依靠輪胎的高熱值特性，用它代替燃料使用，將廢舊輪胎破碎后與可燃物按一定比例進行混合，配制成固體垃圾燃料，可用作火力發(fā)電和供水泥回轉(zhuǎn)窯使用。

采用常溫粉碎法、低溫冷凍粉碎法將廢舊輪胎粉碎后得到的粉末就是膠粉[3]。與再生膠相比，膠粉無須脫硫，具有資源耗費少、不排放廢水、工藝簡單、性能優(yōu)異等特點，因此用途廣泛[4]。例如在輪胎生產(chǎn)過程中將其摻入膠料中代替部分生膠，降低產(chǎn)品成本；與瀝青或水泥混合，用于公路建設和房屋建筑[5]。用膠粉制成膠板，將膠板粘貼在鐵板上可用作高速公路隔音墻；用膠粉生產(chǎn)彩色彈性地磚等。

正是由于膠粉的多種用途，誕生了很多生產(chǎn)膠粉的企業(yè)，但是由于生產(chǎn)膠粉的設備耗電量太大，設備故障率較高，維修保養(yǎng)沒有計劃性，生產(chǎn)過程的很多數(shù)據(jù)只能依靠人工記錄，不但費時費力，還容易出現(xiàn)偏差。因此，迫切需要一套智能制造管理系統(tǒng)來完成這些工作。本文基于工業(yè) 4.0的理念研發(fā)廢舊輪胎分解造粉智能制造管理系統(tǒng)，基于整條輪胎造粉裝置為研究對象，為每一種設備分別開發(fā)一套上位機系統(tǒng)，通過與設備的PLC進行通信，將客戶關(guān)注的重要信息和數(shù)據(jù)進行采集和分析，最終形成報表存儲在后臺服務器上，方便企業(yè)管理層人員進行查詢分析，更加全面主動的對企業(yè)制造全過程進行管理，幫助企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高整體設備效率。

1 廢舊輪胎分解造粉的工藝流程

輪胎分解造粉的工藝流程如圖1所示。其生產(chǎn)線主要由割圈機、雙軸撕碎機、破膠機主機、破膠機輔

機、離心篩、鋼磨機、膠粉打包裝置組成。詳細流程為：先將輪胎放置在割圈機上，經(jīng)電機帶動輪胎回轉(zhuǎn)，氣動切刀伸出，逐漸將胎圈切割下來，切割下來的胎圈可以直接出售，切割出來的輪胎進入雙軸撕碎機進行粉碎。輪胎首先進入第一臺雙軸撕碎機，經(jīng)過第一臺雙軸撕碎機出來的膠塊大約在10 cm左右，出來的膠塊再進入第二臺雙軸撕碎機，經(jīng)第二臺雙軸撕碎機出來的膠塊大約在5 cm左右，然后膠塊進入破膠機主機，通過主機的兩個輥輪進行轉(zhuǎn)動，將膠塊研磨成膠粉、鋼絲、纖維等雜質(zhì)，經(jīng)過破膠機輔機進行篩選，篩選出來的鋼絲、纖維等打包直接出售，篩選出來的膠粉經(jīng)過離心篩進行顆粒分級。經(jīng)鋼磨機將膠粉研磨成更小的目數(shù)，當目數(shù)小于24時，返回離心篩重新篩選;當目數(shù)超過24目時，經(jīng)其中一根管道直接到達膠粉打包裝置進行打包，也可以根據(jù)客戶需要經(jīng)另一根管道到達2號鋼磨機。2號鋼磨機出來的膠粉目數(shù)是40目，可以直接到達膠粉打包裝置，也可以再經(jīng)過3號鋼磨機，使膠粉達到60目。

圖1 輪胎分解造粉的工藝流程

2 智能制造管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

智能制造系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示，包括現(xiàn)場設備層、設備控制層、計劃層、制造執(zhí)行層，PLC與現(xiàn)場的上位機系統(tǒng)、上位機系統(tǒng)與智能制造管理系統(tǒng)都是通過以太網(wǎng)的方式進行通訊，保證數(shù)據(jù)及時、可靠的傳輸。所有設備的PLC選用西門子系列，包括S7-200、S7-200 SMART、S7-1200，PLC相互之間也通過以太網(wǎng)連接，保證現(xiàn)場每一臺上位機都可以連接所有設備的PLC。為方便現(xiàn)場人員操作和使用，每種設備旁邊都放置一臺工控機，工控機上部署一套上位機系統(tǒng)，包括該設備的整體示意圖、采集參數(shù)、產(chǎn)量、用電量相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。系統(tǒng)最頂層是智能制造管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，可以實時收集生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)的功能，作出相應的分析和處理；可以對整個車間的制造過程進行優(yōu)化；該系統(tǒng)與計劃層和控制層進行信息交互，通過企業(yè)的連續(xù)信息流來實現(xiàn)企業(yè)信息全集成。

圖2 輪胎造粉智能制造管理系統(tǒng)架構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件功能

3.1 造粉上位機系統(tǒng)

造粉上位機系統(tǒng)共包括雙軸撕碎機上位機、破膠機主機和輔機上位機、除塵系統(tǒng)上位機、鋼磨機上位機四套。每套上位機系統(tǒng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理、系統(tǒng)管理3部分，功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，簡要功能描述如下。

3.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

設備信息：對設備及其關(guān)鍵部件進行統(tǒng)一編碼。

3.1.2 生產(chǎn)管理

（1）生產(chǎn)計劃接收：接收MES系統(tǒng)制定的生產(chǎn)計劃，執(zhí)行生產(chǎn)計劃，生產(chǎn)狀態(tài)進行反饋。

（2）設備狀態(tài)采集：采集設備的狀態(tài)及其關(guān)鍵參數(shù)進行實時監(jiān)控，出現(xiàn)的故障及時報警。

（3）故障申報：發(fā)生設備故障時進行故障申報，錄入故障原因，提報故障進行維修，維修完畢進行確認，記錄時間點，統(tǒng)計維修效率，提高設備管理效能。

（4）能源采集：采集設備的耗電量，計算成本形成分析報表。

（5）生產(chǎn)信息：記錄產(chǎn)出的物料信息，包裝后，打印生成批次條碼并粘貼在物料包裝上，便于追溯管理。

（6）報警記錄：對設備出現(xiàn)的報警進行記錄，包括報警時間、報警內(nèi)容、報警的嚴重等級。

3.1.3 系統(tǒng)管理

（1）用戶管理：對登錄系統(tǒng)的用戶進行管理，避免無權(quán)限人員使用系統(tǒng)。

（2）權(quán)限管理：設定操作人員的使用權(quán)限，記錄操作日志。

（3）操作日志：對在線用戶進行管理，關(guān)鍵業(yè)務的操作日志進行記錄，便于追溯操作日志，保證系統(tǒng)安全性。

圖3 造粉上位機功能結(jié)構(gòu)圖

3.2 智能制造管理系統(tǒng)

智能制造管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、設備管理、生產(chǎn)管理、系統(tǒng)管理4部分，其簡要功能如下。

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

（1）原材料信息：對于收購的廢舊輪胎進行統(tǒng)一編碼，方便進行庫存管理。

（2）物料信息：對造粉出來的膠粉、鋼絲、纖維等產(chǎn)成品統(tǒng)一規(guī)范編碼，方便庫存及生產(chǎn)銷售管理。

（3）設備臺賬：對設備進行統(tǒng)一編碼管理，對系統(tǒng)進行規(guī)范性管理。

3.2.2 設備管理

（1）設備狀態(tài)監(jiān)控：對設備狀態(tài)進行實時監(jiān)控，監(jiān)控設備動態(tài)，設備出現(xiàn)故障時及時報警。

（2）維修保養(yǎng)計劃：根據(jù)設定的維修保養(yǎng)周期自動生成維修保養(yǎng)計劃，將維修保養(yǎng)計劃下達到機臺，跟蹤執(zhí)行過程，對計劃進行提前預警，保證設備正常運轉(zhuǎn)。

（3）設備故障率分析：設備故障率、OEE等綜合報表的分析，提供各種查詢條件。

（4）設備履歷分析：記錄設備的各次維修計劃，搭建設備的維修履歷信息，形成設備檔案。

（5）關(guān)鍵部件分析：對關(guān)鍵部件使用次數(shù)和時間進行記錄，達到維修、保養(yǎng)等時間時提前進行預警。

3.2.3 生產(chǎn)管理

（1）投入重量報表：采集投入秤的數(shù)據(jù)并且記錄，形成原材料投入的分析報表，記錄投入量。

（2）產(chǎn)出重量報表：對鋼絲和粉料產(chǎn)出位置增加稱量裝置，讀取產(chǎn)出重量記錄，形成產(chǎn)出分析報表。

（3）投入產(chǎn)出分析報表：對投入和產(chǎn)出進行分析，統(tǒng)計投入產(chǎn)出的綜合分析報表，為企業(yè)經(jīng)營提供成本分析的依據(jù)。

（4）生產(chǎn)計劃管理：制定或?qū)肷a(chǎn)計劃，每班制定各機臺的生產(chǎn)計劃，審核后下發(fā)到機臺進行管理。

3.2.4 系統(tǒng)管理

（1）用戶管理：對登錄系統(tǒng)用戶進行管理。

（2）權(quán)限管理：對用戶權(quán)限進行管理。

圖4 智能制造管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

輪胎分解造粉的完整生產(chǎn)線示意圖如圖5所示。從左到右依次是輪胎割圈機、雙軸撕碎機、破膠機主機、破膠機輔機、除塵系統(tǒng)、離心篩、鋼磨機、膠粉打包裝置。設備在運行過程中，通過MES系統(tǒng)還可以對設備的關(guān)鍵參數(shù)進行實時監(jiān)控，方便現(xiàn)場操作人員和管理人員對設備進行管控，關(guān)鍵參數(shù)和設備狀態(tài)如下。

（1）雙軸撕碎機：主機電流、雙軸撕碎機電能、總電能、主機運行/停止、報警信息。

（2）破膠機主機：左、右輥距顯示、主機電流、主機電壓、主機電能、出水口水溫、主機運行/停止、報警信息。

（3）破膠機輔機：輔機電流、輔機電壓、輔機電能、輔機溫度、料位顯示、運行/停止信號、報警信息。

（4）鋼磨機：鋼磨機電流、鋼磨機電能、運行/停止信號、報警信息。

（5）除塵系統(tǒng)：灰料堆積點溫度。

（6）軟化水系統(tǒng)：軟化水流量、軟化水溫度、軟化水液位。

（7）稱重裝置和膠粉打包裝置：儀表重量、稱量穩(wěn)定信號。

圖5 輪胎分解造粉設備示意圖

圖6是智能制造管理系統(tǒng)里統(tǒng)計的產(chǎn)量報表。該報表由3部分組成，最上面是按月統(tǒng)計的膠粉產(chǎn)量柱狀圖和設備能耗柱狀圖，其中能耗圖又包括鋼磨機能耗和設備總能耗。中間部分是用折線表示出來的日產(chǎn)量，上面直線表示計劃產(chǎn)量，下方折線表示當天生產(chǎn)的實際產(chǎn)量。最下面是日產(chǎn)量的詳細數(shù)據(jù)，每天的產(chǎn)量由AB兩個班次組成，日產(chǎn)量數(shù)據(jù)主要有每噸膠的耗電量、班次總產(chǎn)量、膠粉回磨的產(chǎn)量、24目膠粉產(chǎn)量、40目膠粉產(chǎn)量、60目膠粉產(chǎn)量、以及產(chǎn)量達成率。

5 總結(jié)

本文基于輪胎分解造粉裝備研發(fā)出一套分解造粉智能制造管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控現(xiàn)場生產(chǎn)情況、實時監(jiān)控設備狀態(tài)及關(guān)鍵參數(shù)、自動統(tǒng)計投入廢舊輪胎的數(shù)量和重量、產(chǎn)出膠粉的重量、設備耗電量、制定維修保養(yǎng)計劃、設備故障率分析等功能，方便企業(yè)管理層人員更加全面及時地掌握現(xiàn)場情況，有效提高了企業(yè)管理效率，降低了成本，顯著提升了社會、經(jīng)濟效益。

圖6 智能制造管理系統(tǒng)產(chǎn)量統(tǒng)計報表