周延松，孫洪喜，焦清國

（青島彎弓信息技術(shù)有限公司，山東 青島 266042）

我國輪胎制造業(yè)大而不強，“工業(yè)4.0”和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展促使企業(yè)不斷提升智能化水平。膠料混煉作為輪胎生產(chǎn)的第1道工序，混煉的質(zhì)量和效率對輪胎制造的后續(xù)工序和產(chǎn)品質(zhì)量影響重大[1-2]。密煉機上輔機系統(tǒng)作為煉膠的核心設(shè)備，具有工藝維護靈活、生產(chǎn)效率高和混煉膠質(zhì)量穩(wěn)定等諸多優(yōu)點。由于許多企業(yè)輪胎年產(chǎn)量達千萬套，為保證生產(chǎn)，密煉機上輔機設(shè)備數(shù)量也逐步增大，隨之帶來的問題是耗電量增大。在保證所有密煉機上輔機正常運轉(zhuǎn)的情況下，需盡量降低生產(chǎn)能耗，為企業(yè)節(jié)能降成本。

本工作以密煉機為研究對象，對多臺密煉機上輔機系統(tǒng)的運行環(huán)境進行研究，提出密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)的思想，在生產(chǎn)過程中對每條密煉生產(chǎn)線的煉膠動作進行有序控制，避免出現(xiàn)同一時刻多臺密煉機執(zhí)行同一煉膠動作的情況，保證不同時產(chǎn)生設(shè)備工作負(fù)荷峰值，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗，同時保護電力設(shè)備和密煉設(shè)備，延長設(shè)備使用壽命。

1 密煉上輔機系統(tǒng)的工作原理

密煉機上輔機系統(tǒng)包括稱量和煉膠兩個子系統(tǒng)。稱量子系統(tǒng)包括生膠、炭黑、油和小料稱量。不同的輪胎企業(yè)對煉膠工藝的需求也不同。煉膠的工作原理是：密煉機轉(zhuǎn)子相對回轉(zhuǎn)，物料受到轉(zhuǎn)子的擠壓和剪切；隨著壓砣的上升和下降，密煉室內(nèi)膠料的溫度急劇上升，粘度降低，轉(zhuǎn)子上的凸棱使膠料沿轉(zhuǎn)子的軸向運動，起到攪拌混合作用，使物料在密煉室內(nèi)混合均勻[3-4]。

密煉機的不斷發(fā)展解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)的弊端，大幅度降低了工人的勞動強度。密煉機上輔機系統(tǒng)的自動化直觀地體現(xiàn)在工藝員將工藝和配方輸入上輔機系統(tǒng)中，現(xiàn)場人員將生產(chǎn)計劃下傳到可編程邏輯控制器（PLC），密煉機會根據(jù)工藝和配方完成整套密煉動作。

隨著煉膠技術(shù)的日益成熟，輪胎企業(yè)對于生產(chǎn)效率、質(zhì)量、工藝、環(huán)保和節(jié)能方面的要求也越來越嚴(yán)格。通過以下4個途徑優(yōu)化混煉工藝，縮短混煉時間來提高企業(yè)的生產(chǎn)效率：（1）采用高效密煉機冷卻裝置，提高密煉機轉(zhuǎn)速，進行高速混煉；（2）控制炭黑和油的投料時間；（3）將物料輸送帶進料口處設(shè)計成向下傾斜的方式，減小物料投料時卡膠的概率；（4）調(diào)整混煉工藝，縮短每車膠料的混煉時間[5]。

密煉機設(shè)備裝機容量大，耗能高，特別是密煉機數(shù)量多的企業(yè)，不算配套的下輔機和膠片冷卻裝置，其總功率超過10 000 kW。技術(shù)改造和創(chuàng)新是提高節(jié)能效果的有效途徑。技術(shù)改造主要是依靠新工藝、新材料對原有設(shè)備進行改造，逐步淘汰低效率設(shè)備，其缺點是設(shè)備改造周期長、成本高[6]。因此技術(shù)創(chuàng)新是企業(yè)需要解決的問題。

本工作研究了密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)，基于平衡模型實現(xiàn)對多條生產(chǎn)線的煉膠動作進行有序控制，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 整體架構(gòu)

本工作以11臺密煉機生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，搭建智能密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)的架構(gòu)，支持橫向擴展至30臺密煉機生產(chǎn)線。整個系統(tǒng)由密煉機上輔機系統(tǒng)（設(shè)備層）、密煉負(fù)荷控制系統(tǒng)（PLC控制層）和密煉負(fù)荷上位機系統(tǒng)組成。密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

該系統(tǒng)架構(gòu)分為3層，底部設(shè)備層每臺密煉機上輔機都配有1套PLC負(fù)荷控制系統(tǒng)。中間PLC控制層部署對應(yīng)的11套密煉負(fù)荷控制PLC，主要作用是通過和密煉機上輔機PLC進行以太網(wǎng)通訊，將接收到的相關(guān)參數(shù)和信號點傳達至智能密煉負(fù)荷控制系統(tǒng)。上層系統(tǒng)為智能密煉機負(fù)荷平衡系統(tǒng)，負(fù)責(zé)相關(guān)模型統(tǒng)計和運算，對應(yīng)每個機臺分別下傳負(fù)荷控制有序信號和有序控制時間至密煉負(fù)荷控制PLC，然后由密煉負(fù)荷控制PLC傳至密煉機上輔機PLC。通過整個流程的相互采集和回傳功能，對每個機臺的加膠料動作進行有序控制，從而實現(xiàn)整個密煉車間的總負(fù)荷控制，節(jié)約電能。

系統(tǒng)整體通訊架構(gòu)如圖2所示。其中，密煉機上輔機PLC傳給密煉負(fù)荷控制PLC的數(shù)據(jù)有配方名稱、生產(chǎn)計劃設(shè)定車數(shù)及完成車數(shù)、密煉機功率、配方中膠料總質(zhì)量、開加料門信號、開卸料門信號、關(guān)卸料門信號、壓壓砣信號、膠料準(zhǔn)備完成信號和煉膠時間等參數(shù)。密煉負(fù)荷控制PLC回傳給密煉機上輔機PLC的數(shù)據(jù)包括有序生產(chǎn)信號和有序生產(chǎn)時間。

圖2 系統(tǒng)整體通訊架構(gòu)

2.2 硬件選型

本工作原理適合所有的PLC系列，現(xiàn)以三菱PLC為例進行說明。密煉機上輔機PLC型號為三菱Q06UDEHCPU，該CPU功能強大，程序容量高達60K步，超高速，輸入輸出點數(shù)為4 096點；程序執(zhí)行響應(yīng)時間為9.5 ns；內(nèi)置有以太網(wǎng)口，最大傳輸距離為100 m，可實現(xiàn)和密煉負(fù)荷控制PLC的以太網(wǎng)通訊。由于密煉機上輔機系統(tǒng)需要連接按鈕、電磁閥、光電開關(guān)、料位計和指示燈等器件，CPU后還掛有多個數(shù)字量輸入輸出模塊；膠料秤儀表、炭黑秤儀表和油料秤儀表的數(shù)據(jù)通過與串口通訊模塊QJ71C24N-R4通訊獲??；CC-Link的本地站模塊QJ61BT11掛有多個輸入輸出點，用來連接分站設(shè)備。

密煉負(fù)荷控制PLC型號為西門子S7-200 SMART ST40 CPU。該CPU輸入輸出點多，可滿足大部分小型自動化設(shè)備的控制需求，配備西門子專用高速處理器芯片，基本指令執(zhí)行響應(yīng)時間可達1.5×10-7s；使用市面上通用的集成Micro SD卡插槽實現(xiàn)程序更新和PLC固件升級；S7-200 SMAR CPU模塊本體集成1個以太網(wǎng)接口和1個RS485接口，以太網(wǎng)接口支持西門子S7協(xié)議和TCP/IP協(xié)議；RS485接口支持Modbus-RTU和自由口通信，可以與變頻器、觸摸屏等第三方設(shè)備通信。

2.3 軟件技術(shù)架構(gòu)

本工作所用軟件采用自主研發(fā)的智能化控制軟件平臺，該平臺是通過組態(tài)化的架構(gòu)設(shè)計，利用統(tǒng)一先進的技術(shù)工具對目前的軟件進行整體規(guī)劃和技術(shù)實現(xiàn)，軟件平臺采用.NET平臺開發(fā)。

該平臺具有如下特色。

（1）插件式框架設(shè)計。通過增加插件擴展平臺功能，實現(xiàn)軟件功能即插即用，方便系統(tǒng)擴展升級。

（2）工程模板化設(shè)計。實現(xiàn)業(yè)務(wù)積累和功能復(fù)用，提高二次開發(fā)效率。

（3）數(shù)據(jù)接口抽象設(shè)計。實現(xiàn)組態(tài)設(shè)計時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)無關(guān)性。

（4）設(shè)備接口抽象設(shè)計。實現(xiàn)上位機工程開發(fā)時PLC設(shè)備無關(guān)性。

（5）仿真設(shè)計。畫面即時仿真，方便效果展示。

（6）平臺化設(shè)計。實現(xiàn)全組態(tài)二次開發(fā)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)組成

密煉機上輔機系統(tǒng)包括上位機系統(tǒng)和下位機控制。上位機系統(tǒng)部署在現(xiàn)場工控機上，采用C#語言進行設(shè)計，主要功能是向現(xiàn)場機臺下傳生產(chǎn)計劃、進行工藝配方的維護和修改、實時監(jiān)控生產(chǎn)情況、查詢生產(chǎn)報表、查詢操作日志和報警日志等[7]。下位機中的上輔機PLC接收上位機系統(tǒng)下傳的配方和工藝，控制密煉機執(zhí)行加膠料、加炭黑、加油料、提壓砣、壓壓砣、開卸料門和關(guān)卸料門等動作[8]。

3.2 控制系統(tǒng)分析

密煉機的工作流程如圖3所示。首先進行密煉初始化，然后判斷下傳配方所需的物料，待物料稱量完成并且有“準(zhǔn)備完成”的信號之后，判斷工藝中設(shè)定的時間、溫度和能量等條件是否滿足要求，若滿足要求則按照工藝要求，從加膠料開始逐步執(zhí)行動作，直到膠料排出密煉機為止，即完成1車膠料密煉，若密煉完成車數(shù)小于設(shè)定車數(shù)，則繼續(xù)下一車膠料的混煉動作，直到完成車數(shù)達標(biāo)，則該計劃執(zhí)行完成。由于現(xiàn)場密煉機生產(chǎn)線較多，經(jīng)常出現(xiàn)多個機臺同時加膠料的情況，由此產(chǎn)生的負(fù)荷太大，錯峰加料就會很好地解決此問題。

圖3 密煉機工作流程

3.3 控制系統(tǒng)優(yōu)化

智能密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。當(dāng)出現(xiàn)多臺密煉機同時需要加膠料時，首先上位機系統(tǒng)將這幾個機臺的密煉負(fù)荷有序控制時間分別下傳到密煉負(fù)荷控制PLC中，再由密煉負(fù)荷控制PLC傳給上輔機PLC，有序控制時間間隔為1～5 s，上輔機PLC通過修改密煉機上輔機程序，保證每個機臺的加膠料動作按順序執(zhí)行。

圖4 密煉負(fù)荷有序控制原理

4 系統(tǒng)功能設(shè)計

4.1 功能結(jié)構(gòu)圖

該智能密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)分為基礎(chǔ)信息、平衡控制、報警管理和系統(tǒng)管理4個模塊，其功能結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 智能密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

4.2 功能說明

4.2.1 基礎(chǔ)信息

（1）設(shè)備臺賬。管理設(shè)備生產(chǎn)線信息，分配設(shè)備唯一標(biāo)識，規(guī)劃設(shè)備IP地址等信息。

（2）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。管理設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)定設(shè)備的參數(shù)標(biāo)識。

（3）模型參數(shù)。設(shè)定平衡優(yōu)化模型所需的參數(shù)和算法規(guī)則。

4.2.2 平衡控制

（1）工藝負(fù)荷采集。通過系統(tǒng)自動采集各設(shè)備的工藝負(fù)荷參數(shù)，并且進行實時分析。

（2）周期負(fù)荷曲線。對負(fù)荷曲線進行采集、監(jiān)控，形成周期負(fù)荷曲線。

（3）平衡控制策略。設(shè)定平衡預(yù)測算法模型對應(yīng)的平衡控制策略、時間間隔等信息，算法模型根據(jù)策略進行設(shè)備的控制。

（4）負(fù)荷實時監(jiān)測。實時監(jiān)測負(fù)荷參數(shù)，并且發(fā)送給模型進行計算，模型計算后反饋控制參數(shù)；可通過系統(tǒng)和APP等查看實時監(jiān)測曲線信息。

（5）工藝曲線查詢。對所有的曲線進行實時存儲，根據(jù)時間隨時追溯查詢工藝曲線信息。

（6）運行狀態(tài)分析。對設(shè)備負(fù)荷、設(shè)備狀態(tài)進行分析和監(jiān)控。

（7）平衡控制模型。建立平衡控制模型，根據(jù)現(xiàn)場進行靈活部署，實現(xiàn)業(yè)務(wù)場景和知識場景的集成，實現(xiàn)智能化模型的搭建及環(huán)境的智能化感知。

4.2.3 報警管理

（1）報警通知。根據(jù)報警策略，設(shè)備報警時通過微信和短信等通知到對應(yīng)的責(zé)任人。

（2）報警查詢。根據(jù)時間、設(shè)備等查詢報警信息，根據(jù)報警信息對控制系統(tǒng)和軟件進行優(yōu)化。

（3）報警標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)定報警標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)報警標(biāo)準(zhǔn)實時監(jiān)測設(shè)備工藝和負(fù)荷參數(shù)，出現(xiàn)異常及時進行報警和處理。

4.2.4 系統(tǒng)管理

（1）用戶管理。管理系統(tǒng)用戶，分配賬號信息。

（2）角色管理。管理角色，設(shè)定角色的功能，分配角色信息。

（3）權(quán)限管理。為用戶分配權(quán)限，避免無權(quán)限用戶登錄系統(tǒng)，同時對系統(tǒng)登錄信息進行日志記錄。

（4）操作日志。對系統(tǒng)的操作日志進行記錄，記錄操作人、操作時間、功能和修改信息等，便于后續(xù)追溯分析異常操作。

（5）系統(tǒng)日志。記錄所有系統(tǒng)日志和模型運行日志等，便于對故障進行分析，對系統(tǒng)進行持續(xù)的優(yōu)化。

5 應(yīng)用案例

智能密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)研發(fā)成功后，已經(jīng)在部分輪胎企業(yè)進行了應(yīng)用，并取得了一定的應(yīng)用效果。

智能密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)主界面如圖6所示。該界面展示了11臺密煉機生產(chǎn)線的信號狀態(tài)，包括準(zhǔn)備完成信號、投料狀態(tài)、開關(guān)卸料門狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)以及當(dāng)日耗電量等數(shù)據(jù)。

圖6 智能密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)主界面

投入有序控制系統(tǒng)使用前后密煉機的功率曲線對比如圖7所示。界面中下半部為使用智能密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)后密煉機的實際功率曲線，最長延時5 s，共有5條生產(chǎn)線運行，藍色曲線為總功率，其余為5條生產(chǎn)線各自的功率；上半部為還原無序控制狀態(tài)的密煉功率曲線圖。從圖7可以看出，有序控制狀態(tài)下5臺運行中密煉機的最大總功率為5 307.79 kW，還原無序狀態(tài)下最大總功率為5 731.81 kW，5臺密煉機的額定功率總和為7 098 kW，智能密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)將運行中密煉機的實際總功率調(diào)節(jié)在其總額定功率的74.78%。

圖7 密煉機功率曲線對比

6 結(jié)論

本工作設(shè)計了一種智能密煉負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)研發(fā)平衡預(yù)測算法模型，通過對密煉機加膠料等動作的有序時間控制，實現(xiàn)了平衡控制設(shè)備執(zhí)行動作的功能，從而將能量平均分配到每臺設(shè)備，避免了過大的電力峰值，不僅降低能耗，而且保護了設(shè)備。該項目的實施能夠使密煉車間的總負(fù)荷降低20%左右，節(jié)省電能，降低成本，提升企業(yè)的管理效率，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，顯著提升經(jīng)濟和社會效益。