重量反饋控制在復(fù)合擠出生產(chǎn)線的應(yīng)用

唐德剛

（中國化學(xué)工業(yè)桂林工程有限公司，廣西 桂林 541004）

重量反饋控制在復(fù)合擠出生產(chǎn)線的應(yīng)用

唐德剛

（中國化學(xué)工業(yè)桂林工程有限公司，廣西 桂林 541004）

針對(duì)目前輪胎行業(yè)橡膠復(fù)合擠出線重量控制系統(tǒng)多采用開環(huán)控制，控制精度不高的問題，提出了在該類設(shè)備中采用重量反饋閉環(huán)控制方式，通過PLC控制系統(tǒng)建立平均重量反饋控制數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)最佳控制的方法。

擠出；胎面；開環(huán)系統(tǒng)；閉環(huán)系統(tǒng)；重量；反饋；控制系統(tǒng)

0　概述

當(dāng)今的輪胎行業(yè)正面臨日趨嚴(yán)重的外部競(jìng)爭(zhēng)和持續(xù)不斷的市場(chǎng)變化，對(duì)如何確保產(chǎn)品的品質(zhì)和市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)地位，在生產(chǎn)中具有高度的靈活性是非常必要的，而且降低產(chǎn)品的成本也變得越來越重要。輪胎的一致性是表征輪胎制造水準(zhǔn)和品質(zhì)控制水平的重要指標(biāo)之一。輪胎一致性的一項(xiàng)重要指標(biāo)就是輪胎重量，輪胎重量對(duì)輪胎的滾動(dòng)阻力等性能有一定的影響，胎面重量的控制對(duì)輪胎重量的控制有較大影響。在輪胎廠的生產(chǎn)流程中，組成輪胎的胎面需要用復(fù)合擠出機(jī)通過特定的口型擠出形成。在胎面擠出成型過程中，會(huì)受很多因素影響，如：擠出電機(jī)的波動(dòng)、加入的膠料粘度特性、機(jī)筒螺桿的結(jié)構(gòu)和溫度和壓力的波動(dòng)及其他相關(guān)工藝的變化等等，將導(dǎo)致擠出生產(chǎn)量發(fā)生一定的變化，同時(shí)由于螺桿和牽引機(jī)的速度相對(duì)恒定，導(dǎo)致生產(chǎn)的制品在米重上即產(chǎn)品的縱向發(fā)生厚薄偏差，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量［1］。參見圖1。

對(duì)于一條專門用于生產(chǎn)輪胎胎面的復(fù)合擠出生產(chǎn)線來說，衡量生產(chǎn)線是否合格，是否達(dá)到工藝性能指標(biāo)要求，是以其擠出制品的重量、寬度、斷面形狀等作為考量指標(biāo)。其中重量的穩(wěn)定是最重要的指標(biāo)，只有重量穩(wěn)定了才能保證同一規(guī)格的每個(gè)輪胎的均勻性和一致性。胎面的重量指標(biāo)主要是指單位長度（通常采用1 m）的重量，俗稱米重。復(fù)合擠出生產(chǎn)線上常規(guī)的做法是操作工人隨時(shí)觀察米秤屏幕顯示的米重，當(dāng)半制品發(fā)生重量變化時(shí)，及時(shí)對(duì)擠出機(jī)速度做出相應(yīng)調(diào)整，使其重量保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)。這種做法屬于一種開環(huán)控制，控制精度不高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，無法對(duì)擠出機(jī)的擠出量實(shí)時(shí)控制，對(duì)品質(zhì)缺乏監(jiān)控等［2］。因此開發(fā)研制在線連續(xù)稱重負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)具有極其重要的意義。擠出機(jī)米重控制方式是指通過計(jì)算機(jī)對(duì)制品的米重實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到實(shí)際數(shù)值，并采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算方式與預(yù)先設(shè)定數(shù)值進(jìn)行比較，在自動(dòng)模式中利用設(shè)定值與實(shí)際值之間的偏離值，通過自動(dòng)調(diào)整擠出機(jī)螺桿速度改變擠出量使得重量偏差得到消除，從而使產(chǎn)品的米重保持基本恒定，品質(zhì)得到提高。稱重計(jì)量及其反饋控制技術(shù)正是為滿足人們?cè)谙鹉z擠出行業(yè)日益增長的需求而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，逐步在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了應(yīng)用。下面對(duì)本文論述的一些概念做些說明。

圖1　生產(chǎn)量變化對(duì)米重的影響

0.1開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制是最簡(jiǎn)單的一種控制方式，按照控制信息傳遞的路徑，它所具有的特點(diǎn)是，控制量與被控制量之間只有前向通路而沒有反向通路。也就是說，控制作用的傳遞路徑是不閉合的，故稱為開環(huán)（圖2）。

圖2　開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

0.2閉環(huán)控制系統(tǒng)

控制作用不是直接來自給定輸入，而是系統(tǒng)的偏差信號(hào)，由偏差產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)被控量的控制；系統(tǒng)被控量的反饋信息又反過來影響系統(tǒng)的偏差信號(hào)，即影響控制作用大小。這種自成循環(huán)的控制作用，使信息的傳遞路徑形成一個(gè)閉合的環(huán)路，稱閉環(huán)（圖3）。

為克服開環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，人們總是采用負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)［3］。

圖3　閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

0.3橡膠擠出裝置電控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

橡膠擠出裝置是輪胎生產(chǎn)過程中的重要一環(huán)，其電氣控制系統(tǒng)目前普遍采用基于PLC的現(xiàn)場(chǎng)總線形式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制和管理?？刂葡到y(tǒng)主要采用西門子公司的可編程控制器（PLC）和變頻器，通過上位機(jī)監(jiān)控和操作。PLC與上位機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊或MPI通訊，PLC與變頻器、ET200M從站、觸摸屏OP270以及伺服控制器之間采用DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高。通常各種規(guī)格制品的參數(shù)包括擠出機(jī)轉(zhuǎn)速（擠出量）、生產(chǎn)線速度、制品重量、寬度值等是以配方的形式存儲(chǔ)在上位機(jī)里，生產(chǎn)通過調(diào)用配方實(shí)現(xiàn)。對(duì)于特定的配方和螺桿形式，擠出量kg/min=k×螺桿轉(zhuǎn)速。

目前擠出制品的重量控制見圖4，由于這種控制系統(tǒng)實(shí)際上屬于開環(huán)控制，實(shí)際擠出的制品重量信號(hào)無法返回控制系統(tǒng)的輸入端參加控制，系統(tǒng)對(duì)擠出機(jī)擠出的制品實(shí)際重量的變動(dòng)無能為力，因此控制精度不高。如果采用圖5的控制模式，利用時(shí)間序列技術(shù)采集擠出制品的重量信號(hào)，建立控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用制品重量的預(yù)測(cè)值建立控制系統(tǒng)的反饋控制，將會(huì)提高制品重量的控制精度和穩(wěn)定性，從而使擠出制品的品質(zhì)上升一個(gè)臺(tái)階。

圖4　無重量反饋控制系統(tǒng)

圖5　有重量反饋控制系統(tǒng)

圖6　兩種模式下螺桿轉(zhuǎn)速與米重的關(guān)系

圖6顯示了兩種模式下螺桿轉(zhuǎn)速與米重的關(guān)系。手動(dòng)模式相當(dāng)于開環(huán)控制，可以看出，擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速在手動(dòng)情況下是恒定不變的，外界因素的變化會(huì)影響到擠出產(chǎn)量的變化，從而導(dǎo)致制品米重產(chǎn)生波動(dòng)；而自動(dòng)模式屬于閉環(huán)控制，此時(shí)通過實(shí)時(shí)檢測(cè)制品重量變化并通過模型計(jì)算輸出結(jié)果來調(diào)整擠出機(jī)的螺桿速度，達(dá)到消除設(shè)定數(shù)值與實(shí)際數(shù)值之間的偏離。同樣可以看到，螺桿轉(zhuǎn)速是隨時(shí)波動(dòng)的，而制品米重卻能保持基本穩(wěn)定。

1　建立重量反饋閉環(huán)控制的方法

復(fù)合擠出生產(chǎn)線中影響制品米重的主要因素有：各擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速和生產(chǎn)線牽引速度。根據(jù)轎車胎的胎面結(jié)構(gòu)和重量分布特點(diǎn)，80%的重量來源于冠部膠，基部膠占15%，翼膠占5%。因此，為簡(jiǎn)化復(fù)合擠出機(jī)的控制，對(duì)于某一特定規(guī)格的胎面制品，可以通過固定基部膠和翼膠擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速和生產(chǎn)線牽引速度，僅調(diào)整占比重較大的冠部膠擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制胎面制品重量偏差的目的。主要有兩種方法實(shí)現(xiàn)以上控制要求，分別表述如下。

1.1采用分段實(shí)時(shí)控制方式

分段控制，即米秤重量與標(biāo)準(zhǔn)值偏差在2%以內(nèi)時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)速不調(diào)整；偏差在2%～4%時(shí)才進(jìn)行調(diào)整。實(shí)時(shí)控制，即米秤重量超過2%～4%偏差時(shí)立即調(diào)整擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速。雖然分段實(shí)時(shí)控制也屬于閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，但是由于采用胎面制品重量的實(shí)時(shí)采集值即時(shí)調(diào)整，會(huì)導(dǎo)致螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)整頻繁（震蕩）和誤信號(hào)干擾，系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性不高，無太大實(shí)用價(jià)值。

1.2采用分段計(jì)算平均重量值控制方式

通過計(jì)算平均重量值進(jìn)行控制，即：每隔0.5 s采集一次米秤的胎面重量值，連續(xù)五次重量的平均值作為調(diào)整判斷的依據(jù)值，連續(xù)5次，相當(dāng)于2.5 s/次給出一個(gè)調(diào)節(jié)指令，按照正常生產(chǎn)時(shí)25 m/min的線速度計(jì)算，相當(dāng)于胎面每擠出1 m長度，給出一個(gè)調(diào)節(jié)指令。如圖7所示的Ft-1、Ft-2。該控制模型從理論上完全能滿足要求，實(shí)踐中也得到了較好的應(yīng)用。

圖7　分段計(jì)算平均重量值控制方式圖示

生產(chǎn)線速度25 m/min時(shí)，每個(gè)調(diào)整周期胎面走過長度計(jì)算：

25 m/min×2.5 s=25/60×2.5=1.04（m）

由于胎面制品從復(fù)合擠出機(jī)被擠出后，還要經(jīng)過接取裝置的牽引，以及強(qiáng)制收縮輥道的收縮作用過程，才能到達(dá)米秤所處的輸送輥道，這段距離根據(jù)各輪胎廠生產(chǎn)工藝的不同，大概從5～10 m不等。為了準(zhǔn)確檢測(cè)每次調(diào)節(jié)指令發(fā)出后的實(shí)際執(zhí)行效果，必須在程序里面增加 “接取到米秤膠長計(jì)數(shù)器”這一條件，以保證米秤此處的胎面正好是經(jīng)過調(diào)整指令后擠出的胎面重量。

實(shí)際的PLC控制程序描述如下：

圖7　重量反饋控制程序段（節(jié)選）

程序符號(hào)變量說明：

“接取到米秤膠長計(jì)數(shù)器”，指胎面膠擠出后經(jīng)接取牽引輸送至米秤的距離。

“多次采樣平均重量”，經(jīng)過連續(xù)五次測(cè)量重量值相加所得的平均值。

“米秤標(biāo)準(zhǔn)重量”，通過配方下載到PLC程序里面的胎面重量標(biāo)準(zhǔn)值。

“米秤超輕百分比”，程序計(jì)算出來的胎面實(shí)際重量與標(biāo)準(zhǔn)重量的負(fù)偏差。

“米秤超重百分比”，程序計(jì)算出來的胎面實(shí)際重量與標(biāo)準(zhǔn)重量的正偏差。

“米秤反饋調(diào)速加速”，當(dāng)胎面的平均重量值低于配方的標(biāo)準(zhǔn)重量值，而且超輕的偏差范圍＞2%時(shí)，程序給出的基部膠擠出機(jī)螺桿的加速指令。

“米秤反饋調(diào)速減速”，當(dāng)胎面的平均重量值高于配方的標(biāo)準(zhǔn)重量值，而且超重的偏差范圍＞2%時(shí)，程序給出的基部膠擠出機(jī)螺桿的減速指令。

按照此控制模型，當(dāng)米秤檢測(cè)到胎面制品重量因某種原因（如供膠不足）偏輕時(shí)，PLC將根據(jù)編好的算法邏輯控制擠出機(jī)螺桿在配方轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上增加一個(gè)速度增量（如0.1 r/min），增速后必須等待膠片經(jīng)過“接取到米秤膠長計(jì)數(shù)器”后再次比較測(cè)量結(jié)果，判定是保持現(xiàn)速還是繼續(xù)增速。這樣系統(tǒng)經(jīng)過不斷地自動(dòng)執(zhí)行“比較→調(diào)整→等待→比較”循環(huán)過程，最終使得胎面制品重量保持穩(wěn)定。

2　實(shí)現(xiàn)控制的前提條件

（1）米秤的精度和動(dòng)態(tài)顯示重量與實(shí)際重量的偏差足夠?。ā?.01 kg/m）。

米秤主要選用的是梅特勒-托利多（METTLE TOLEDO）公司的IND331系列稱重顯示控制器，稱重傳感器型號(hào)MTB-20，最大稱重范圍20 kg，靈敏度2 mV/V，最小分辨率為0.001 6 kg，完全能滿足工藝及控制要求。

（2）生產(chǎn)線各段速度匹配、胎面制品無拉伸。

通過調(diào)整生產(chǎn)線各輸送段之間的浮動(dòng)輥調(diào)節(jié)范圍及反饋量大小，可以達(dá)到各段運(yùn)行速度的匹配，保證胎面制品在整個(gè)輸送過程中無拉伸現(xiàn)象。

（3）胎面制品經(jīng)擠出機(jī)口型擠出后形變小，尺寸穩(wěn)定。

根據(jù)冠部膠料種類選擇強(qiáng)制收縮輥的收縮比，使其最大化，被復(fù)合擠出機(jī)擠出的制品經(jīng)強(qiáng)制收縮后輸送至米秤前，胎面制品尺寸基本穩(wěn)定，不再有較大變化。

（4）擠出機(jī)螺桿的特性要穩(wěn)定，相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要靈敏，與指令發(fā)出節(jié)拍一致。

復(fù)合擠出機(jī)螺桿的驅(qū)動(dòng)電機(jī)各自都配有旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋輸送到驅(qū)動(dòng)器，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋信號(hào)與配方給定的轉(zhuǎn)速信號(hào)相比較得到偏差信號(hào)，可消除電壓波動(dòng)等外部干擾保證螺桿轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

（5）各螺桿的擠出量事前需測(cè)定，以確定每次反饋調(diào)節(jié)量比例的大小，做到即不會(huì)反饋量太小使系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，也不會(huì)反饋量太大使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩。

實(shí)際擠出量kg/min（連續(xù)秤重量與線速度乘積）與根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算的出膠量kg/min，具有很好的相關(guān)性，比值系數(shù)為1.030 5接近1，說明擠出條件標(biāo)準(zhǔn)書所制訂的轉(zhuǎn)速是準(zhǔn)確可靠的，為自動(dòng)控制賦予了良好的基礎(chǔ)條件（圖8）。

圖8　實(shí)際值與計(jì)算值kg/min關(guān)系

（6）胎面制品的重量波動(dòng)與寬度波動(dòng)有較強(qiáng)的相關(guān)性，須確定合理控制范圍

自動(dòng)控制狀態(tài)下，當(dāng)調(diào)節(jié)重量增加時(shí)，隨著基部膠擠出量的增加，胎面的寬度幾何尺寸也會(huì)同步增大。在實(shí)際控制中，當(dāng)胎面重量波動(dòng)如控制在0.04 kg/m以下，寬度波動(dòng)可以控制在2 mm之內(nèi)，達(dá)到胎面寬度波動(dòng)范圍工藝控制要求。參見圖9。

圖9　重量波動(dòng)3σ與側(cè)寬儀寬度波動(dòng)3σ的關(guān)系

（7）在采樣頻率保持不變時(shí)，隨著生產(chǎn)線速度的減少或者增加，調(diào)節(jié)指令的輸出會(huì)相對(duì)變快或者變慢（相對(duì)于生產(chǎn)線速度25 m/min時(shí)）。

生產(chǎn)線速度15 m/min時(shí)，每個(gè)調(diào)整周期胎面走過長度計(jì)算：

15 m/min×2.5 s=15/60×2.5=0.63（m）

0.63 m＜1 m，說明調(diào)節(jié)指令輸出快了。

生產(chǎn)線速度35 m/min時(shí)，每個(gè)調(diào)整周期胎面走過長度計(jì)算：

35 m/min×2.5s=35/60×2.5=1.46（m）

1.46 m＞1 m，說明調(diào)節(jié)指令輸出慢了。

不過上述問題可以通過程序里面自動(dòng)修改（提高或降低）采樣周期值來解決，如在生產(chǎn)線速度15 m/min時(shí)，采樣周期從0.5 s提高到0.8 s，仍然取五次采樣的平均數(shù)，則每個(gè)調(diào)整周期胎面走過長度計(jì)算：

15 m/min×0.8 s×5=15/60×4.0=1.00（m）

生產(chǎn)線速度35 m/min時(shí)，采樣周期從0.5 s降低到0.4 s，仍然取五次采樣的平均數(shù)，則每個(gè)調(diào)整周期胎面走過長度計(jì)算：

35 m/min×0.4 s×5=35/60×2.0=1.16（m）

在實(shí)際應(yīng)用中，上述問題已經(jīng)在PLC程序里面得到了很好的處理。

3　結(jié)論

我們?cè)诤贾菽齿喬S的胎面生產(chǎn)線上采用了米重反饋控制，并進(jìn)行了使用效果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從各方面的數(shù)據(jù)來看達(dá)到了預(yù)期效果，稱重反饋控制系統(tǒng)在控制的精度方面非常令人滿意。對(duì)于設(shè)定值和特定所選用的工藝的不同控制形式來說，其精度可達(dá)＜±0.5%。

（1） 自動(dòng)控制時(shí)胎面米秤重量達(dá)到預(yù)期效果

2009年9月10～27日的自動(dòng)反饋控制下米秤重量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1。

（2） 對(duì)于統(tǒng)計(jì)的所有規(guī)格胎面制品，重量平均波動(dòng)范圍為2.41%，小于4%達(dá)到了設(shè)定的控制目標(biāo)。

2009年9月10～27日的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表1　胎面米秤重量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2　胎面重量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

（3）自動(dòng)控制時(shí)，胎面的寬度平均值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差均在±2 mm之內(nèi)，滿足工藝要求。自動(dòng)控制時(shí)，胎面寬度的波動(dòng)平均為±1.84 mm，最大為±2.64 mm，相對(duì)偏差平均值0.90%＜1%，達(dá)到預(yù)期目的。2009年9月10～27日胎面寬度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

（4）連續(xù)秤重量反饋控制系統(tǒng)從理論和實(shí)際數(shù)據(jù)表明都是切實(shí)可行的，但要注意此系統(tǒng)是個(gè)微調(diào)控制系統(tǒng)，必須在標(biāo)準(zhǔn)擠出條件下擠出時(shí)，才能起控制作用。

表3　胎面寬帶度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4　結(jié)束語

輪胎工業(yè)是石油化工與裝備制造的結(jié)合，輪胎生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展升級(jí)，除了生產(chǎn)工藝關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)以及從原料和設(shè)備的技術(shù)與精度等方面提升外，針對(duì)輪胎制品的控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度的不斷完善和精細(xì)化控制，是在日趨激烈的橡機(jī)生產(chǎn)設(shè)備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得技術(shù)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在。實(shí)踐證明，復(fù)合擠出生產(chǎn)線使用平均重量反饋控制法，可簡(jiǎn)化人工操作，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)迅速、及時(shí)、連續(xù)測(cè)控半制品重量，減少操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，是加強(qiáng)質(zhì)量管理、提高合格率、降低生產(chǎn)成本的有效措施。在自動(dòng)化程度、人員成本和資源節(jié)約等方面扮演著越來越重要的角色。

［1］ 陳新輝. 稱重技術(shù)在塑料擠出行業(yè)中的應(yīng)用.稱重科技研討會(huì)論文.2006.

［2］ 干方建. 用時(shí)序技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)卷煙重量反饋控制的研究.煙草科技1996.

［3］ 白柳. 液壓同步開環(huán)與閉環(huán)控制的比較.液壓氣動(dòng)與密封.2010.

（R-01）

Application of Weight feedback control in the compound extrusion production line

Application of Weight feedback control in the compound extrusion production line

Tang Degang
(China Guilin Chemical Industry Engineering Co., Ltd., Guilin 541004,Guangxi,China)

In view of tire industry rubber compound extrusion line weight control system with open loop control and low control accuracy, proposed the opinion that using weight feedback closed loop control mode for the equipment. Average weight feedback control mathematical model through the PLC control system is established to realize optimal control method.

extrusion; tread; open loop system; closed loop system; weight; feedback; control system

TQ330.493

1009-797X（2016）11-0049-06

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.11.014

唐德剛（1966-），男，電氣工程師，高級(jí)工程師，1988年畢業(yè)于廣西大學(xué)工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)，主要從事電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和調(diào)試工作。

2015-11-10