碳纖維上漿工藝的自動(dòng)化改進(jìn)

王國(guó)剛

（威海拓展纖維有限公司，威海 264200）

碳纖維上漿工藝的自動(dòng)化改進(jìn)

王國(guó)剛

（威海拓展纖維有限公司，威海 264200）

介紹一種可替代人工的全新碳纖維自動(dòng)化上漿工藝，由真空取料、自動(dòng)配料、料液循環(huán)供給及料液液位檢測(cè)等環(huán)節(jié)組成，料液的循環(huán)補(bǔ)給采用了智能型PI控制算法進(jìn)行控制，整套上漿工藝流程通過(guò)PLC進(jìn)行自動(dòng)控制，包括電機(jī)及各類(lèi)閥門(mén)及檢測(cè)裝置。此系統(tǒng)可完全替代傳統(tǒng)的人工上漿工藝，且在碳纖生產(chǎn)過(guò)程中增強(qiáng)了生產(chǎn)安全性，節(jié)省人力提高效率得同時(shí)也提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

碳纖維；上漿液；智能PI控制；恒溫；穩(wěn)定；自動(dòng)配料

0 引言

碳纖維的上漿是碳纖維生產(chǎn)的最后工藝，所謂上漿就是把漿液（sizing）均勻附著在碳纖維的表面上。上漿的穩(wěn)定性和均勻性是影響碳纖維質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)，漿液能在每根單碳纖維絲表面形成一層薄薄的皮膜，使碳纖維在深加工中不起毛，且集束性好，耐磨性好，開(kāi)纖和擴(kuò)幅好，與基體樹(shù)脂的潤(rùn)濕性好，相親相容，界面粘結(jié)牢固，可有效傳遞載荷，是連接碳纖維與基體樹(shù)脂之間的橋梁。

1 碳纖維上漿工藝現(xiàn)狀

本系統(tǒng)應(yīng)用前的配料上漿方法是兩名工人配合將各種物料分別用桶多次稱量，然后人工將物料提到混合釜上方從進(jìn)料口加入混合釜中，然后操作斷路器啟動(dòng)電機(jī)，開(kāi)始攪拌，攪拌均勻反應(yīng)完成后，手動(dòng)打開(kāi)放料閥，把物料放入緩沖罐中待用，這種混合均勻反應(yīng)完成的物料稱為上漿液（sizing）；漿液放入生產(chǎn)線上的上漿槽內(nèi)，碳纖維從上漿槽漿液中穿過(guò)，完成上漿工藝，由于碳纖維在經(jīng)過(guò)上漿液時(shí)，上漿液會(huì)附著在碳纖維上產(chǎn)生消耗，上漿液液位會(huì)慢慢降低，上漿槽液位變低時(shí)，由人工感官判斷，從緩沖罐放入一定量的上漿液，這樣操作無(wú)法實(shí)時(shí)跟蹤精確控制，會(huì)人為造成液位忽高忽低，嚴(yán)重影響上漿質(zhì)量；同時(shí)跟蹤檢測(cè)到一年四季氣候的變化，即環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響上漿質(zhì)量。

生產(chǎn)線上的上漿槽裝置，如圖1所示。緩沖罐里的上漿液通過(guò)管道放入液位槽，液位槽中有部分浸入上漿液的導(dǎo)絲輥，碳纖維通過(guò)導(dǎo)絲輥進(jìn)入上漿液浸潤(rùn)上漿。

此時(shí)影響上漿質(zhì)量有3個(gè)因素：一是上漿槽的液位變化，要控制在90%±2，另一個(gè)是上漿液在液位槽中相對(duì)靜止容易形成沉淀，第3個(gè)是環(huán)境溫度也很大程度影響上漿液的粘度，溫度要恒定在25°C±2，以上3個(gè)因素要嚴(yán)格控制在參數(shù)和要求范圍內(nèi)，才能保證上漿液的穩(wěn)定和上漿的質(zhì)量，進(jìn)而保證碳纖維的質(zhì)量。

2 工藝改進(jìn)技術(shù)方案

針對(duì)以上工藝進(jìn)行論證和討論，繼而進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。

圖1 上漿槽裝置

2.1 系統(tǒng)組成

本配料上漿系統(tǒng)由以下單元構(gòu)成：控制系統(tǒng)單元、配料稱重單元、混合攪拌單元、儲(chǔ)液攪拌單元、真空供給單元、恒溫循環(huán)水系統(tǒng)、上料循環(huán)單元和液位控制單元。

2.2 控制系統(tǒng)

控制單元含控制電柜，內(nèi)部含有斷路器、接觸器、繼電器、開(kāi)關(guān)電源、變頻器、濾波器、PLC、觸摸屏等電氣元件，通過(guò)航空插頭連接器連接電纜，與現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備連接（電機(jī)、電磁閥、調(diào)節(jié)閥，超聲波液位檢測(cè)等），進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)采集與反饋，使控制系統(tǒng)防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP55以上的等級(jí)。觸摸屏為主操作單元，屏上顯示整個(gè)配料上漿系統(tǒng)全局圖，每個(gè)單元都可以通過(guò)點(diǎn)選相應(yīng)圖標(biāo)來(lái)進(jìn)入功能選項(xiàng)區(qū)，來(lái)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

2.3 技術(shù)方案

我們采取真空吸取的方法，把物料輸送到高位稱重配料罐內(nèi)進(jìn)行稱重計(jì)量。如圖2所示，真空單元主要由真空泵9和一個(gè)真空緩沖罐8構(gòu)成，兩臺(tái)真空泵一備一用，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可以即時(shí)切換保證配料正常運(yùn)行。真空泵抽吸真空緩沖罐內(nèi)空氣形成負(fù)壓，真空緩沖罐頂部有管路通往配料罐A和B，為其提供上料所需的負(fù)壓。真空緩沖罐頂部有真空度檢測(cè)與控制P，入口有真空電磁閥V0，當(dāng)真空緩沖罐的真空度達(dá)到設(shè)定值，則PLC會(huì)控制真空馬達(dá)9停止運(yùn)轉(zhuǎn)，將電磁閥V0關(guān)閉，封閉儲(chǔ)罐防止真空度跌落，達(dá)到節(jié)能目的；當(dāng)開(kāi)始使用或者真空度下跌到設(shè)定值時(shí)，PLC則控制啟動(dòng)真空馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)打開(kāi)電磁閥V0。

A、B和C料罐配有精確的稱重系統(tǒng)、專(zhuān)用配料控制器和稱重模塊，精度可達(dá)到0.01kg。配料罐A、B為料液罐，配料罐C為純水罐，每個(gè)配料罐底部安裝四個(gè)稱重模塊進(jìn)行精確稱重計(jì)量，稱重模塊數(shù)據(jù)傳送到控制柜上的稱重控制器上，料罐上方真空管及進(jìn)料管都裝有電磁閥門(mén)，下方出料管也各裝有電磁閥門(mén)進(jìn)行放料開(kāi)關(guān)控制，電磁閥下方管路接入位于配料罐下方的混合罐3，混合罐上方安有攪拌電機(jī)進(jìn)行攪拌，混合罐3下方出料口管路分為兩路，一路為清洗維修使用的排放廢料管路，通過(guò)手動(dòng)閥門(mén)控制排放到廢料回收池，另一路通過(guò)電磁閥門(mén)控制通往下方的上漿液緩沖罐。

圖1中上漿液在泵→閥門(mén)C→上漿液緩沖罐→閥門(mén)F→閥門(mén)D，形成循環(huán)，保證漿液不能形成沉淀；泵→調(diào)節(jié)閥B→上漿槽→閥門(mén)E→閥門(mén)D形成循環(huán)，通過(guò)超聲波液位檢測(cè)變送器與調(diào)節(jié)閥B，共同組成負(fù)反饋PI（比例積分）控制，精確調(diào)節(jié)上漿槽的液位。

3 具體操作步驟

在控制柜上有遠(yuǎn)程電源啟動(dòng)按鈕，按動(dòng)此按鈕，啟動(dòng)電源，約10秒左右的系統(tǒng)自檢后，觸摸屏正常顯示，這時(shí)操作觸摸屏，點(diǎn)擊真空泵電機(jī)圖標(biāo)M1(M2)，打開(kāi)電機(jī)操作界面，點(diǎn)擊“開(kāi)”按鈕，真空泵電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)可以在同一界面設(shè)定電機(jī)工作頻率，對(duì)應(yīng)真空緩沖罐中的負(fù)壓設(shè)定值P，真空泵抽取真空緩沖罐內(nèi)空氣形成負(fù)壓，當(dāng)真空度P檢測(cè)到已達(dá)到設(shè)定要求的上限值時(shí)，電機(jī)M1(M2)會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行，進(jìn)氣閥V0會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)真空度P降到設(shè)定的下限值時(shí)，電機(jī)M1(M2)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，進(jìn)氣閥門(mén)V0也會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，從而保證真空緩沖罐內(nèi)負(fù)壓的供給。

點(diǎn)擊屏幕上配料罐圖標(biāo)A，進(jìn)入自動(dòng)配料頁(yè)面（每個(gè)配料罐對(duì)應(yīng)一個(gè)配料界面），設(shè)定好所需料液重量，點(diǎn)擊“開(kāi)始”，此時(shí)控制器PLC會(huì)先給出指令控制配料罐上端真空閥V2打開(kāi)，將配料罐抽成真空，當(dāng)真空度達(dá)到，控制器給出第二個(gè)指令將進(jìn)料管口的電磁閥V1打開(kāi)，此時(shí)開(kāi)始進(jìn)料，當(dāng)稱重模塊檢測(cè)到進(jìn)入的物料重量已達(dá)到設(shè)定數(shù)值，控制器會(huì)自動(dòng)將進(jìn)料口閥門(mén)V1和真空閥V2快速關(guān)閉。以此類(lèi)推，其他兩個(gè)B和C配料罐進(jìn)料也是相似原理。

當(dāng)三個(gè)ABC配料罐均已加好料，控制器PLC會(huì)自動(dòng)識(shí)別加料完成信號(hào)，接著給出控制信號(hào)將配料罐下方各自的出料閥門(mén)、上方的排空閥（消除真空）及混合釜上方進(jìn)料閥門(mén)都打開(kāi)，配料罐內(nèi)的料液由于重力作用自動(dòng)流入混合釜內(nèi)，配料罐稱重顯示清零后說(shuō)明出料完成，控制器給出信號(hào)控制上述打開(kāi)的閥門(mén)關(guān)閉，然后啟動(dòng)攪拌電機(jī)M5進(jìn)行混合攪拌。

當(dāng)攪拌時(shí)間達(dá)到要求，控制器繼續(xù)控制攪拌電機(jī)停止運(yùn)行并將混合釜下方閥門(mén)V14打開(kāi)，反應(yīng)混合充分的料液即上漿液流入緩沖罐內(nèi)備用。

圖2 真空配料裝置

如圖2所示，操作觸摸屏，點(diǎn)擊調(diào)節(jié)閥B圖標(biāo)，進(jìn)入液位控制畫(huà)面，畫(huà)面有調(diào)節(jié)閥B開(kāi)度和液位高低設(shè)定對(duì)話框，有調(diào)節(jié)閥B開(kāi)度和液位反饋的實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，畫(huà)面還有PI（比例積分）的自學(xué)習(xí)功能按鈕，啟動(dòng)自學(xué)習(xí)功能，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)工況自動(dòng)尋找最佳的PI（比例積分）參數(shù)，減少人為干預(yù)，達(dá)到自動(dòng)精確控制。并且，自學(xué)習(xí)完成后，PI參數(shù)自動(dòng)顯示在屏幕上，方便控制。如果需要手動(dòng)，則點(diǎn)擊畫(huà)面上的PI按鈕即可。

完成自學(xué)習(xí)功能后，設(shè)定好所需液位，有效PI功能，超聲波液位變送器A會(huì)檢測(cè)液位數(shù)值，并將數(shù)值實(shí)時(shí)傳送給控制器PLC，控制器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)定液位數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)時(shí)液位大于設(shè)定值，控制器發(fā)出指令將調(diào)節(jié)閥B減小開(kāi)度或關(guān)閉，當(dāng)實(shí)時(shí)液位小于設(shè)定值，（圖1），控制器發(fā)出指令，調(diào)節(jié)閥B開(kāi)度增大，補(bǔ)充上漿液到液位槽，維持恒定液位高度。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)為一種改進(jìn)的碳纖維上漿工藝，是PI（比例積分）控制，屬于智能型的控制功能。PLC控制器會(huì)根據(jù)實(shí)際液位數(shù)值與設(shè)定值之間差值大小來(lái)控制調(diào)節(jié)閥B開(kāi)度的大小，當(dāng)實(shí)際數(shù)值遠(yuǎn)低于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥B會(huì)被控制全開(kāi)，當(dāng)實(shí)際數(shù)值逐漸接近設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥B開(kāi)度也會(huì)跟隨逐漸變小，直至實(shí)際值與設(shè)定值相等時(shí)，調(diào)節(jié)閥B也會(huì)完全關(guān)閉。環(huán)境溫度的變化會(huì)影響上漿液的穩(wěn)定性，因此上漿槽設(shè)計(jì)加裝夾層（如圖1所示），夾層中通入恒溫水，溫度控制在25°C±2范圍內(nèi)，位于恒溫水槽中的水，夏天通過(guò)冷凍機(jī)冷卻，冬天通過(guò)流體加熱器加熱，保證液位槽內(nèi)的漿液溫度維持恒定，不超過(guò)25°C±2范圍。

此上漿系統(tǒng)，系統(tǒng)解決了碳纖維上漿工藝問(wèn)題，保證碳纖維的質(zhì)量，為碳纖維的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，產(chǎn)品合格率提升了30%。

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Automatic improvement of sizing process of carbon fber

WANG Guo-gang

TP273+.2

：B

1009-0134(2017)06-0049-02

2016-12-16

王國(guó)剛（1965 -），男，山東人，高級(jí)工程師，本科，研究方向?yàn)樘祭w維制造業(yè)自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)制造及調(diào)試。