國產(chǎn)工程胎胎面纏繞生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)

李政敏，韋 寧

（1. 貴州廣播電視大學(xué)(貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院)，貴陽 550023；2. 貴州大學(xué) 外國語學(xué)院，貴陽 550003）

0 引言

貴州輪胎股份有限公司的第一條國產(chǎn)工程胎胎面纏繞生產(chǎn)線于1996在三分廠投入生產(chǎn)，實現(xiàn)對23.5-25系列規(guī)格工程胎胎胚的胎面膠條進(jìn)行層貼纏繞。其工藝流程簡化框圖如圖1所示。φ120銷釘螺桿螺桿擠出機(jī)傳動系統(tǒng)采用英國CT公司的直流調(diào)速器控制；熱擠出的膠條經(jīng)纏繞輔線（從運(yùn)輸帶→冷卻鼓→纏繞站→纏貼頭→纏繞鼓）的輸送過程和纏貼過程的邏輯動作采用FX1N PLC控制。

圖1 國產(chǎn)工程胎胎面纏繞生產(chǎn)線的工藝流程框圖

1 技術(shù)改造的原因

隨著工程胎工藝的成熟和生產(chǎn)任務(wù)的加重，老國產(chǎn)工程胎胎面纏繞生產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)已不能滿足纏繞胎面工藝質(zhì)量的要求和產(chǎn)量的提高，需要技術(shù)改進(jìn)才能提高胎面膠條纏繞的產(chǎn)量和質(zhì)量。出現(xiàn)的問題主要體現(xiàn)為：

1）擠出機(jī)的直流調(diào)速器電氣故障較多，勵磁控制板在雷雨天氣容易壞。

主要原因：雷電時分，大氣中的高頻電磁波的輻射干擾，引起勵磁控制板的電感性元件發(fā)生頻率共振，出現(xiàn)過流或過壓而損壞。

2）主電機(jī)容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)，硬的膠料（如271#）無法正常從擠出機(jī)的口型擠出來。勉強(qiáng)擠出的膠條因表面粗糙、斷面形狀不規(guī)則而不能滿足工藝質(zhì)量的要求，而且在膠條向纏繞鼓上輸送的過程特別容易斷膠。胎面采用271#膠料進(jìn)行纏繞時，生產(chǎn)無法正常進(jìn)行，胎面纏繞工藝質(zhì)量更不能滿足。

主要原因：生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)整后，原來在進(jìn)口纏繞機(jī)上纏繞胎面的部分大規(guī)格胎胚（如18.00-25系列）外移到國產(chǎn)纏繞機(jī)上進(jìn)行胎面纏繞，所用的膠料硬度加大、喂膠量增大。負(fù)載增大時，75KW擠出機(jī)直流電機(jī)的運(yùn)行電流急劇增大、轉(zhuǎn)速驟然下降甚至為零而發(fā)生堵轉(zhuǎn)。

3）纏繞過程中，膠條容易斷；若纏繞操作工發(fā)現(xiàn)不及時，未及時停車，容易造成纏貼頭“空纏”，頻繁手動補(bǔ)膠條的直接后果是纏繞胎面的外觀形狀差、斷面和重量失控。

主要原因：纏繞輔線與擠出機(jī)之間以及纏繞輔線前后段之間的傳動速度匹配精度不夠；膠料的性能改變；且PLC電氣控制系統(tǒng)無“斷膠”自動檢測控制裝置，不能自動檢測膠條供膠的連續(xù)性，發(fā)生“斷膠”時不能自動停、起纏繞程序的執(zhí)行，而是靠操作工人人工觀察膠條的連續(xù)性、手動控制纏繞機(jī)的起停，這樣會直接影響纏繞胎面的重量和工藝質(zhì)量。

4）不能適應(yīng)多規(guī)格纏繞任務(wù)，體現(xiàn)為生產(chǎn)能力不足。

主要原因：擠出機(jī)拖動能力不足；原PLC的用戶程序纏繞配方號只有9個，不利于單機(jī)多規(guī)格纏繞胎胚的生產(chǎn)計劃調(diào)整。

2 技術(shù)改造的方案

1）改進(jìn)φ120螺桿擠出機(jī)直流電機(jī)的直流調(diào)速器控制系統(tǒng)。

2）改進(jìn)PLC的電氣控制系統(tǒng)。

3 電氣控制系統(tǒng)技術(shù)改造的主要內(nèi)容

為解決原擠出機(jī)控制系統(tǒng)的電氣故障多的問題，完善國產(chǎn)纏繞機(jī)控制系統(tǒng)的自動控制功能，滿足多規(guī)格纏繞生產(chǎn)任務(wù)和改進(jìn)胎面纏繞的工藝質(zhì)量的需要，對該生產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)作了如下改進(jìn)：將英國CT公司的直流調(diào)速器改換為SINMENS 公司的6RA23系列直流調(diào)速器；增大擠出機(jī)拖動電機(jī)的功率；對連續(xù)供料的國產(chǎn)纏繞機(jī)增加“斷膠”自動檢測控制裝置；并開發(fā)PLC控制器的程序，增大其數(shù)據(jù)處理能力，發(fā)揮控制系統(tǒng)的應(yīng)有水平等。

3.1 直流調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)的改進(jìn)

國產(chǎn)纏繞機(jī)的φ120擠出機(jī)的直流電機(jī)原采用英國CT公司的直流調(diào)速器MENTORⅡ進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速的方式為改變電樞電壓調(diào)速和改變磁通φ調(diào)速。將MENTORⅡ改為SINMENS 公司的6RA23系列直流調(diào)速器后，主要采用電樞電壓調(diào)速。這里比較兩類直流調(diào)速器控制系統(tǒng)的調(diào)速功能的異同。

φ120擠出機(jī)的直流電機(jī)拖動系統(tǒng)具有典型的恒功率型機(jī)械特性，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n成反比，即TL＝K/n（或K＝TLn∝P）；因此若膠料變硬TL，則擠出機(jī)的負(fù)載增大，螺桿的轉(zhuǎn)速立即下降。

φ120擠出機(jī)的直流電機(jī)的勵磁方式為他勵式，其機(jī)械特性方程式為：

由（1）式知，要改變他勵直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，有三種方式：改變串入電樞電路的電阻Rad，改變電樞電壓U，改變磁通φ（改變勵磁電流If）。后面兩種調(diào)速方式的機(jī)械特性曲線如圖2和圖3所示。

其中最常采用的是改變電樞電壓調(diào)速方式如圖2所示，因為它的優(yōu)點是在額定電樞電壓范圍內(nèi)調(diào)速，電動機(jī)的機(jī)械特性硬度不變，并且容易做到無級調(diào)速，控制靈活方便，調(diào)速范圍廣。因此MENTORⅡ和6RA23直流調(diào)速器均采用了改變電樞電壓調(diào)速的方式。

圖2 改變電樞電壓的機(jī)械特性曲線

圖3 改變電樞電壓的機(jī)械特性曲線

圖3改變磁通φ（改變勵磁電流If）方式存在的不足在于：弱磁控制時，當(dāng)磁通過分弱后，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變，將使電動機(jī)的電樞電流Ia大大增加，電磁轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速隨著升高；如果調(diào)速前電動機(jī)已在額定電流下運(yùn)行，那么，調(diào)速后的電樞電流將超過額定電流而嚴(yán)重過載，導(dǎo)致直流電動機(jī)溫升過高、功率消耗大，效率下降，而且容易引起直流調(diào)速器電子板上的元器件發(fā)熱、性能下降甚至損壞。這就是MENTORⅡ直流調(diào)速器采用改變磁通φ調(diào)速（改變勵磁電流If）存在的主要問題；外加要將變電樞電壓調(diào)速和變勵磁調(diào)速的電路參數(shù)整定到最佳配合值的難度較大；故將MENTORⅡ直流調(diào)速器改為6RA23直流調(diào)速器：變電樞電壓調(diào)速。

3.2 更換電動機(jī)

當(dāng)直流調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)及拖動控制系統(tǒng)正常工作、喂料均勻時，才能保證膠料平穩(wěn)地從擠出機(jī)內(nèi)擠出，得到的擠出膠量單位長度的重量和體積基本在一常數(shù)值。

由于進(jìn)口纏繞機(jī)上纏繞胎胚外移到國產(chǎn)纏繞機(jī)上纏繞胎面，所用膠料硬度增大，導(dǎo)致擠出機(jī)直流電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL增大為TL′。空載時，直流電機(jī)能夠正常啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)；一旦帶上負(fù)載，因TL′的增大超過了直流電機(jī)的額定啟動轉(zhuǎn)矩，這時直流電機(jī)的電樞轉(zhuǎn)速立即下降、電樞電流驟然上升，直到出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)?？吹降默F(xiàn)象就是：膠料在擠出機(jī)內(nèi)的蠕動性差，熱擠出的膠料表面粗燥、色澤暗淡、幾何形狀不規(guī)則，擠出膠量單位長度的重量和體積波動很大；而且擠出機(jī)的螺桿常常因此不能轉(zhuǎn)動。

分析原因是：生產(chǎn)負(fù)荷的增加，原有75KW直流電機(jī)的輸出功率偏小。

解決辦法：更換功率較大的直流電機(jī)90KW，增大直流電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩抗衡。滿足新的轉(zhuǎn)矩平衡方程：TM′＝ TL′+ Td。（TM′、TL′、Td分別是：電磁轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩）。

75KW直流電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩：

90KW直流電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩：

實踐證明：3.1與3.2的改進(jìn)解決了φ120螺桿擠出機(jī)控制系統(tǒng)輸出功率和拖動能力不足的問題；大大減少了直流調(diào)速器控制系統(tǒng)的電氣故障。

3.3 增加“斷膠”自動檢測控制裝置

“斷膠”自動檢測控制裝置自動檢測膠條供料的連續(xù)性。通過PLC的控制，自動控制纏繞機(jī)的停止和再啟動，避免纏繞機(jī)出現(xiàn)纏繞鼓上無膠條的 “空纏”現(xiàn)象。

所作的改進(jìn)電路如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后電路示意圖

在纏繞站的纏貼頭位置（離纏繞鼓最近）增加了“斷膠”自動檢測控制裝置后，不僅能夠檢測到“斷膠”，即發(fā)生了膠條供料不連續(xù)的情況；而且也能檢測到膠條的“寬窄”。不管是發(fā)生“斷膠”還是膠條過窄，光電開關(guān)的輸出回路電路的狀態(tài)均會發(fā)生改變，PLC程序檢測到“斷膠急停信號”后，立即暫停纏繞程序的執(zhí)行，待膠條連續(xù)和膠寬正常后，又可啟動纏繞機(jī)纏繞程序、完成后續(xù)的纏繞配方程序數(shù)據(jù)的執(zhí)行。

增加“斷膠”自動檢測控制裝置的優(yōu)點：可避免纏繞操作工發(fā)現(xiàn)“斷膠”不及時而造成的纏繞鼓“空纏”膠條現(xiàn)象；避免手動補(bǔ)膠條引起纏繞胎面的外觀有明顯異常凹凸和重量波動過大等工藝質(zhì)量問題；方便操作人員的操作，提高生產(chǎn)率，降低工人的勞動強(qiáng)度等。

另外，調(diào)整、優(yōu)化擠出機(jī)與纏繞輔線各傳動段的速度控制參數(shù)，合理調(diào)節(jié)膠條的張力，盡量避免張力過大或過小引起“斷膠”的發(fā)生。對國產(chǎn)纏繞機(jī)工程胎纏繞胎面的工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率都有一定程度的提高。

3.4 增加纏繞機(jī)的安全急停功能

在φ120冷喂料銷釘螺桿擠出機(jī)的喂料口左、右側(cè)均加裝一個急停保護(hù)開關(guān)，在壓型輥口型側(cè)面也加裝了一個急停保護(hù)開關(guān)，確保擠出機(jī)或壓型輥的喂料口有急停保護(hù)功能，提高操作的安全性。

3.5 開發(fā)PLC用戶程序處理能力

技改前，F(xiàn)X1N PLC的用戶程序纏繞配方號只有9個，胎面纏繞的規(guī)格數(shù)量受到限制，極其不利于單機(jī)多規(guī)格纏繞胎胚的生產(chǎn)計劃調(diào)整。為適應(yīng)多規(guī)格纏繞任務(wù)，重新開發(fā)了PLC的用戶程序，將纏繞配方號的數(shù)量增加到20個，即可以在老國產(chǎn)φ120纏繞機(jī)上纏繞20種不同規(guī)格的胎胚胎面，大大提高了PLC的程序數(shù)據(jù)處理能力。

4 技術(shù)改進(jìn)的效果

1）減少了φ120擠出機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)的電氣故障，不必再擔(dān)心雷雨天氣會發(fā)生MENTORⅡ直流調(diào)速器燒壞勵磁板的“自然災(zāi)害”故障。

2）便于儲備通用的直流調(diào)速器，節(jié)約備件成本：技改前，MENTORⅡ直流調(diào)速器/臺價值3萬元左右；技改后，6RA2337直流調(diào)速器價值16732元/臺。

3）實現(xiàn)了φ120擠出機(jī)的對271#等規(guī)格硬膠料的擠出，且擠壓出的膠料形狀規(guī)則，符合工藝要求。為分擔(dān)McNeil纏繞機(jī)部分規(guī)格的胎胚胎面纏繞任務(wù)確立了可行性。

4）增加了自動檢測膠條供料連續(xù)性的自動檢測控制裝置，通過PLC的控制，自動控制纏繞生產(chǎn)線的停止和再啟動，避免出現(xiàn)纏繞鼓上無膠條的 “空纏”現(xiàn)象；同時便于操作，避免“斷膠”后操作人員手動補(bǔ)膠對胎胚一次纏繞合格率的影響，避免手動補(bǔ)膠纏繞胎面的外觀形狀和重量等帶來不利影響。

5）開發(fā)了PLC的用戶程序，將纏繞配方號由9個增加到了20個，增強(qiáng)了PLC自動控制系統(tǒng)的功能，便于單機(jī)多規(guī)格胎面纏繞計劃的順利完成。

5 結(jié)束語

在實際生產(chǎn)過程中，國產(chǎn)工程胎胎面纏繞生產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)曾出現(xiàn)了不能滿足工藝質(zhì)量和生產(chǎn)要求的棘手問題。 “對癥下藥”地對控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，完善了PLC自動控制系統(tǒng)的控制功能。解決上述棘手問題，明顯提高了國產(chǎn)纏繞機(jī)纏繞胎面的工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率，節(jié)約了維修成本和備件成本，提高了老國產(chǎn)胎面纏繞生產(chǎn)線的整體運(yùn)行水平。

[1] 鄧星鐘. 機(jī)電傳動控制[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社,2001.

[2] FX1N PLC 編程手冊[Z].

[3] MENTORⅡ直流調(diào)速器用戶手冊[Z].

[4] 6RA23直流調(diào)速器用戶手冊[Z].