碳纖維智能車間應用

王楊

摘 要：碳纖維智能制造車間，以生產主體設備和DCS/PLC控制系統(tǒng)設備為基礎，開發(fā)部署統(tǒng)一的生產過程控制系統(tǒng)、過程監(jiān)測物聯(lián)網和精益生產管理系統(tǒng)，將各主體設備獨立DCS/PLC控制、實驗檢測設備、生產計劃管理等各自分散的系統(tǒng)，通過網絡、系統(tǒng)開發(fā)和集成，組合成一個集管理功能和過程控制為一體的智能生產車間，提高碳纖維制備和復合材料生產系統(tǒng)的柔性生產運行能力和維護管理的自動化水平，保障碳纖維生產的連續(xù)穩(wěn)定運行，提高碳纖維及其復合材料產品質量。

關鍵詞：DCS PLC 原絲生產線 碳化生產線 智能車間

中圖分類號：TQ34 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（b）-0090-02

目前我國的碳纖維在生產規(guī)模、產品質量、產品種類上，與國外先進的碳纖維企業(yè)還存在巨大差距。國外成功企業(yè)單條生產線都是千噸級，產能大，產品穩(wěn)定。國內的碳纖維產業(yè)化生產關鍵技術尚未完全突破，使得國產碳纖維性能的穩(wěn)定較差，生產效率不高，能耗、材料消耗較大，導致國產碳纖維成本遠高于國外同等級產品。

江蘇恒神股份有限公司建立了碳纖維智能制造示范車間，一方面實現(xiàn)碳纖維及復合材料的智能化生產控制，減少人工干預，對產品質量進行在線監(jiān)測、控制與調整，實現(xiàn)國產碳纖維產業(yè)化關鍵技術完全突破；另一方面，與國內設備廠商共同開發(fā)，以碳纖維生產工藝制程為指導，聯(lián)合具備壓力容器、化工和紡織機械、超高溫加熱裝置等特種設備研發(fā)生產能力的專業(yè)廠商和生產過程自動控制系統(tǒng)供應商，不斷改進優(yōu)化，使生產設備更加適應生產工藝，打破國外對高性能碳纖維產品和制備技術的封鎖和壟斷。

1 智能車間簡介

1.1 智能裝備應用

碳纖維產業(yè)化智能車間包括原絲、碳化自動化生產線的智能化設備系統(tǒng)共28臺套（產線）數(shù)，車間設備37臺套，智能化設備系統(tǒng)占車間設備臺套（產線）數(shù)比例75.68%；車間內智能化、自動化設備26臺套，生產設備聯(lián)網21臺套，占比80.77%。

原絲生產線包括齒輪泵和噴絲板噴絲，紡絲機（凝固浴、水洗、上油、烘干）、蒸汽牽伸機、熱定型機、原絲整理機、收絲機等工藝主體設備。原絲生產線將高分子聚合物溶液利用其物化性能紡制成初生纖維，通過后道連續(xù)加工制成碳纖維原絲。該工序是生產高性能碳纖維的關鍵組成部分。碳纖維生產對原絲單絲直徑在8μm左右，所以它對絲束成形及后道處理設備、環(huán)境潔凈要求非常高。碳纖維原絲紡絲機對工藝控制的要求是加熱均勻，控制精準、工藝參數(shù)自動調節(jié)、自動快捷反饋給中控室。

碳化生產線，包括退絲機（沙架）、預氧化爐、低溫碳化爐、高溫碳化爐、水洗機、干燥爐、上漿機、卷繞機、熱力氧化機（廢氣焚燒）等工藝主體設備。其中，核心的高低溫碳化爐，7個控溫區(qū)，均需滿足高性能碳纖維碳化工藝溫度（≥1700℃）要求，爐內任意兩點溫控精度實現(xiàn)≤±2.5℃；控溫區(qū)兩端采用迷宮式密封箱，確保爐內高溫氮氣不外泄，爐外空氣不進入。針對高溫環(huán)境下的熱膨脹，可自動復位；為提高爐內加熱溫度均勻性，采用獨特的爐內360°加熱技術；氮氣加熱單元確保補充進爐內的氮氣溫度≥450℃；爐四周安裝特殊冷卻元件，對加熱空間直接冷卻，及時調整并消除局部過熱。

1.2 車間設備聯(lián)網

碳纖維智能車間包括聚合、紡絲、碳化3個工藝流程的主體生產設備，全部通過總線網絡連入計算機過程控制系統(tǒng)，包括DCS集散系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，系統(tǒng)具有可靠性、可操作性、可維護性、開放兼容性、可擴展性、安全性等特點。操作人員在中央控制室可實現(xiàn)工藝參數(shù)、設備狀態(tài)的集中監(jiān)控。

1.3 生產過程實時調度

碳纖維車間系統(tǒng)分為3個部分：精益生產管理系統(tǒng)（ERP）、生產過程控制系統(tǒng)（聚合、紡絲、碳化、復合材料制品）和生產過程監(jiān)測物聯(lián)網。

（1）精益生產管理系統(tǒng)（EPR）。精益生產系統(tǒng)包括生產計劃管理、生產操作監(jiān)控管理、工藝組態(tài)管理、生產過程數(shù)據(jù)庫和追溯分析管理、以及設備運行管理，完成生產計劃下達、生產線調整、生產過程追溯分析和設備監(jiān)控等功能，本系統(tǒng)還將根據(jù)公司生產運營需要進一步開發(fā)完善。

（2）生產工藝過程控制系統(tǒng)。生產工藝過程控制系統(tǒng)包括原絲生產過程控制系統(tǒng)、碳化生產過程控制系統(tǒng)。原絲生產過程采用了DCS+PLC的方案，DCS系統(tǒng)對聚合工藝和部分紡絲輔助設備進行現(xiàn)場控制管理，PLC系統(tǒng)對紡絲主體設備進行現(xiàn)場控制管理。碳化生產線由中控室、現(xiàn)場PLC控制單元、現(xiàn)場變頻控制器、遠程I/O站4個部分組成。中控室配置工程師站和操作員站，通過操作員站，可以直觀監(jiān)視和控制生產過程，實現(xiàn)報警、變量趨勢查詢（實時趨勢和歷史曲線）、報表打印等諸多操作功能。

（3）生產過程檢測物聯(lián)網。DCS/PLC現(xiàn)場單元傳感器網絡可實現(xiàn)對聚合、紡絲、碳化連續(xù)生產過程控制參數(shù)的實時監(jiān)控。以生產現(xiàn)場DCS和PLC為基礎，對生產過程的各項工藝數(shù)據(jù)實時采集，并通過有線和無線網絡發(fā)送到上位服務器的生產過程數(shù)據(jù)庫，供工藝優(yōu)化分析使用；同時配合現(xiàn)場DCS和PLC進行自動調節(jié)，如果控制參數(shù)超出設定值，會自動報警，生產人員可做出相應的操作處理。物料流轉條碼采集網絡對聚合原料、原絲、碳絲、樹脂、預浸料、層壓板和制品等半成品和成品，利用身份條形碼進行標識，操作員通過手持智能終端掃描條碼，定時采集包括操作人員、時間、位置（如原絲、碳絲收絲位等精細化生產管理關鍵控制點）等信息，通過無線網絡上傳到生產過程數(shù)據(jù)庫，為生產過程追溯分析提供數(shù)據(jù)支撐。物料配送自動化系統(tǒng)采用了二維碼、條形碼、電子標簽、移動掃描終端等自動識別技術，原絲生產、碳化生產、碳纖維編織、樹脂及預浸料生產、復合材料生產的全過程進行數(shù)據(jù)采集。通過無線網絡上傳到生產過程數(shù)據(jù)庫，為生產過程追溯分析提供數(shù)據(jù)支撐?？尚纬蓮膹秃喜牧系皆系耐暾漠a品追溯曲線，有助于不斷優(yōu)化工藝，提升碳纖維及復合材料制品的產品質量。

2 結語

建立碳纖維產業(yè)化智能制造車間后，碳纖維產品質量顯著提高，生產效率大幅提高，勞動力工作強度及能耗物耗大幅度下降，使得國產碳纖維的成本也在不斷下降，效益非常顯著。智能車間采用多項創(chuàng)新技術和方式，統(tǒng)一管理復雜的碳纖維及復合材料的生產全流程，對引領國產碳纖維行業(yè)轉型升級具有非常好的示范作用。

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