輪胎分解造粉裝備智能制造系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

周延松,孫洪喜,焦清國,王淑波

(青島彎弓信息技術(shù)有限公司，山東 青島 266042)

隨著國內(nèi)汽車數(shù)量的不斷增加，廢舊輪胎的報(bào)廢量也逐漸增多，隨之帶來的問題就是污染生態(tài)環(huán)境、占用大量空間。而廢舊輪胎的回收再利用不僅可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境、減少資源的浪費(fèi)，還可以帶動更多的人進(jìn)行就業(yè)[1]。

廢舊輪胎的綜合利用主要有以下幾種：輪胎翻新、原形改制、熱能利用、生產(chǎn)膠粉。輪胎翻新是指將已經(jīng)磨損的、無法繼續(xù)使用的舊輪胎外層消掉，重新貼上一層新膠料進(jìn)行硫化，即可得到一條可以繼續(xù)使用的翻新胎。翻新胎雖然保持了輪胎原有的形狀，但是如果長期使用，也存在安全性問題[2]。

原形改制是指經(jīng)過捆綁、裁剪、沖切等方式，將廢舊輪胎改造成具有一定價值的物品，例如用切割機(jī)將胎圈和輪胎進(jìn)行分離，將胎身制作成不同尺寸的膠條，利用這些膠條可以編織成防滑墊排、防護(hù)網(wǎng)等物品。

熱能利用是指依靠輪胎的高熱值特性，用它代替燃料使用，將廢舊輪胎破碎后與可燃物按一定比例進(jìn)行混合，配制成固體垃圾燃料，可用作火力發(fā)電和供水泥回轉(zhuǎn)窯使用。

采用常溫粉碎法、低溫冷凍粉碎法將廢舊輪胎粉碎后得到的粉末就是膠粉[3]。與再生膠相比，膠粉無須脫硫，具有資源耗費(fèi)少、不排放廢水、工藝簡單、性能優(yōu)異等特點(diǎn)，因此用途廣泛[4]。例如在輪胎生產(chǎn)過程中將其摻入膠料中代替部分生膠，降低產(chǎn)品成本；與瀝青或水泥混合，用于公路建設(shè)和房屋建筑[5]。用膠粉制成膠板，將膠板粘貼在鐵板上可用作高速公路隔音墻；用膠粉生產(chǎn)彩色彈性地磚等。

正是由于膠粉的多種用途，誕生了很多生產(chǎn)膠粉的企業(yè)，但是由于生產(chǎn)膠粉的設(shè)備耗電量太大，設(shè)備故障率較高，維修保養(yǎng)沒有計(jì)劃性，生產(chǎn)過程的很多數(shù)據(jù)只能依靠人工記錄，不但費(fèi)時費(fèi)力，還容易出現(xiàn)偏差。因此，迫切需要一套智能制造管理系統(tǒng)來完成這些工作。本文基于工業(yè) 4.0的理念研發(fā)廢舊輪胎分解造粉智能制造管理系統(tǒng)，基于整條輪胎造粉裝置為研究對象，為每一種設(shè)備分別開發(fā)一套上位機(jī)系統(tǒng)，通過與設(shè)備的PLC進(jìn)行通信，將客戶關(guān)注的重要信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，最終形成報(bào)表存儲在后臺服務(wù)器上，方便企業(yè)管理層人員進(jìn)行查詢分析，更加全面主動的對企業(yè)制造全過程進(jìn)行管理，幫助企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高整體設(shè)備效率。

1 廢舊輪胎分解造粉的工藝流程

輪胎分解造粉的工藝流程如圖1所示。其生產(chǎn)線主要由割圈機(jī)、雙軸撕碎機(jī)、破膠機(jī)主機(jī)、破膠機(jī)輔

機(jī)、離心篩、鋼磨機(jī)、膠粉打包裝置組成。詳細(xì)流程為：先將輪胎放置在割圈機(jī)上，經(jīng)電機(jī)帶動輪胎回轉(zhuǎn)，氣動切刀伸出，逐漸將胎圈切割下來，切割下來的胎圈可以直接出售，切割出來的輪胎進(jìn)入雙軸撕碎機(jī)進(jìn)行粉碎。輪胎首先進(jìn)入第一臺雙軸撕碎機(jī)，經(jīng)過第一臺雙軸撕碎機(jī)出來的膠塊大約在10 cm左右，出來的膠塊再進(jìn)入第二臺雙軸撕碎機(jī)，經(jīng)第二臺雙軸撕碎機(jī)出來的膠塊大約在5 cm左右，然后膠塊進(jìn)入破膠機(jī)主機(jī)，通過主機(jī)的兩個輥輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動，將膠塊研磨成膠粉、鋼絲、纖維等雜質(zhì)，經(jīng)過破膠機(jī)輔機(jī)進(jìn)行篩選，篩選出來的鋼絲、纖維等打包直接出售，篩選出來的膠粉經(jīng)過離心篩進(jìn)行顆粒分級。經(jīng)鋼磨機(jī)將膠粉研磨成更小的目數(shù)，當(dāng)目數(shù)小于24時，返回離心篩重新篩選;當(dāng)目數(shù)超過24目時，經(jīng)其中一根管道直接到達(dá)膠粉打包裝置進(jìn)行打包，也可以根據(jù)客戶需要經(jīng)另一根管道到達(dá)2號鋼磨機(jī)。2號鋼磨機(jī)出來的膠粉目數(shù)是40目，可以直接到達(dá)膠粉打包裝置，也可以再經(jīng)過3號鋼磨機(jī)，使膠粉達(dá)到60目。

圖1 輪胎分解造粉的工藝流程

2 智能制造管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

智能制造系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示，包括現(xiàn)場設(shè)備層、設(shè)備控制層、計(jì)劃層、制造執(zhí)行層，PLC與現(xiàn)場的上位機(jī)系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)與智能制造管理系統(tǒng)都是通過以太網(wǎng)的方式進(jìn)行通訊，保證數(shù)據(jù)及時、可靠的傳輸。所有設(shè)備的PLC選用西門子系列，包括S7-200、S7-200 SMART、S7-1200，PLC相互之間也通過以太網(wǎng)連接，保證現(xiàn)場每一臺上位機(jī)都可以連接所有設(shè)備的PLC。為方便現(xiàn)場人員操作和使用，每種設(shè)備旁邊都放置一臺工控機(jī)，工控機(jī)上部署一套上位機(jī)系統(tǒng)，包括該設(shè)備的整體示意圖、采集參數(shù)、產(chǎn)量、用電量相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。系統(tǒng)最頂層是智能制造管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，可以實(shí)時收集生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)的功能，作出相應(yīng)的分析和處理；可以對整個車間的制造過程進(jìn)行優(yōu)化；該系統(tǒng)與計(jì)劃層和控制層進(jìn)行信息交互，通過企業(yè)的連續(xù)信息流來實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息全集成。

圖2 輪胎造粉智能制造管理系統(tǒng)架構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件功能

3.1 造粉上位機(jī)系統(tǒng)

造粉上位機(jī)系統(tǒng)共包括雙軸撕碎機(jī)上位機(jī)、破膠機(jī)主機(jī)和輔機(jī)上位機(jī)、除塵系統(tǒng)上位機(jī)、鋼磨機(jī)上位機(jī)四套。每套上位機(jī)系統(tǒng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理、系統(tǒng)管理3部分，功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，簡要功能描述如下。

3.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

設(shè)備信息：對設(shè)備及其關(guān)鍵部件進(jìn)行統(tǒng)一編碼。

3.1.2 生產(chǎn)管理

（1）生產(chǎn)計(jì)劃接收：接收MES系統(tǒng)制定的生產(chǎn)計(jì)劃，執(zhí)行生產(chǎn)計(jì)劃，生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行反饋。

（2）設(shè)備狀態(tài)采集：采集設(shè)備的狀態(tài)及其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，出現(xiàn)的故障及時報(bào)警。

（3）故障申報(bào)：發(fā)生設(shè)備故障時進(jìn)行故障申報(bào)，錄入故障原因，提報(bào)故障進(jìn)行維修，維修完畢進(jìn)行確認(rèn)，記錄時間點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)維修效率，提高設(shè)備管理效能。

（4）能源采集：采集設(shè)備的耗電量，計(jì)算成本形成分析報(bào)表。

（5）生產(chǎn)信息：記錄產(chǎn)出的物料信息，包裝后，打印生成批次條碼并粘貼在物料包裝上，便于追溯管理。

（6）報(bào)警記錄：對設(shè)備出現(xiàn)的報(bào)警進(jìn)行記錄，包括報(bào)警時間、報(bào)警內(nèi)容、報(bào)警的嚴(yán)重等級。

3.1.3 系統(tǒng)管理

（1）用戶管理：對登錄系統(tǒng)的用戶進(jìn)行管理，避免無權(quán)限人員使用系統(tǒng)。

（2）權(quán)限管理：設(shè)定操作人員的使用權(quán)限，記錄操作日志。

（3）操作日志：對在線用戶進(jìn)行管理，關(guān)鍵業(yè)務(wù)的操作日志進(jìn)行記錄，便于追溯操作日志，保證系統(tǒng)安全性。

圖3 造粉上位機(jī)功能結(jié)構(gòu)圖

3.2 智能制造管理系統(tǒng)

智能制造管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理、生產(chǎn)管理、系統(tǒng)管理4部分，其簡要功能如下。

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

（1）原材料信息：對于收購的廢舊輪胎進(jìn)行統(tǒng)一編碼，方便進(jìn)行庫存管理。

（2）物料信息：對造粉出來的膠粉、鋼絲、纖維等產(chǎn)成品統(tǒng)一規(guī)范編碼，方便庫存及生產(chǎn)銷售管理。

（3）設(shè)備臺賬：對設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一編碼管理，對系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范性管理。

3.2.2 設(shè)備管理

（1）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控：對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，監(jiān)控設(shè)備動態(tài)，設(shè)備出現(xiàn)故障時及時報(bào)警。

（2）維修保養(yǎng)計(jì)劃：根據(jù)設(shè)定的維修保養(yǎng)周期自動生成維修保養(yǎng)計(jì)劃，將維修保養(yǎng)計(jì)劃下達(dá)到機(jī)臺，跟蹤執(zhí)行過程，對計(jì)劃進(jìn)行提前預(yù)警，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）設(shè)備故障率分析：設(shè)備故障率、OEE等綜合報(bào)表的分析，提供各種查詢條件。

（4）設(shè)備履歷分析：記錄設(shè)備的各次維修計(jì)劃，搭建設(shè)備的維修履歷信息，形成設(shè)備檔案。

（5）關(guān)鍵部件分析：對關(guān)鍵部件使用次數(shù)和時間進(jìn)行記錄，達(dá)到維修、保養(yǎng)等時間時提前進(jìn)行預(yù)警。

3.2.3 生產(chǎn)管理

（1）投入重量報(bào)表：采集投入秤的數(shù)據(jù)并且記錄，形成原材料投入的分析報(bào)表，記錄投入量。

（2）產(chǎn)出重量報(bào)表：對鋼絲和粉料產(chǎn)出位置增加稱量裝置，讀取產(chǎn)出重量記錄，形成產(chǎn)出分析報(bào)表。

（3）投入產(chǎn)出分析報(bào)表：對投入和產(chǎn)出進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)投入產(chǎn)出的綜合分析報(bào)表，為企業(yè)經(jīng)營提供成本分析的依據(jù)。

（4）生產(chǎn)計(jì)劃管理：制定或?qū)肷a(chǎn)計(jì)劃，每班制定各機(jī)臺的生產(chǎn)計(jì)劃，審核后下發(fā)到機(jī)臺進(jìn)行管理。

3.2.4 系統(tǒng)管理

（1）用戶管理：對登錄系統(tǒng)用戶進(jìn)行管理。

（2）權(quán)限管理：對用戶權(quán)限進(jìn)行管理。

圖4 智能制造管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

輪胎分解造粉的完整生產(chǎn)線示意圖如圖5所示。從左到右依次是輪胎割圈機(jī)、雙軸撕碎機(jī)、破膠機(jī)主機(jī)、破膠機(jī)輔機(jī)、除塵系統(tǒng)、離心篩、鋼磨機(jī)、膠粉打包裝置。設(shè)備在運(yùn)行過程中，通過MES系統(tǒng)還可以對設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，方便現(xiàn)場操作人員和管理人員對設(shè)備進(jìn)行管控，關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)如下。

（1）雙軸撕碎機(jī)：主機(jī)電流、雙軸撕碎機(jī)電能、總電能、主機(jī)運(yùn)行/停止、報(bào)警信息。

（2）破膠機(jī)主機(jī)：左、右輥距顯示、主機(jī)電流、主機(jī)電壓、主機(jī)電能、出水口水溫、主機(jī)運(yùn)行/停止、報(bào)警信息。

（3）破膠機(jī)輔機(jī)：輔機(jī)電流、輔機(jī)電壓、輔機(jī)電能、輔機(jī)溫度、料位顯示、運(yùn)行/停止信號、報(bào)警信息。

（4）鋼磨機(jī)：鋼磨機(jī)電流、鋼磨機(jī)電能、運(yùn)行/停止信號、報(bào)警信息。

（5）除塵系統(tǒng)：灰料堆積點(diǎn)溫度。

（6）軟化水系統(tǒng)：軟化水流量、軟化水溫度、軟化水液位。

（7）稱重裝置和膠粉打包裝置：儀表重量、稱量穩(wěn)定信號。

圖5 輪胎分解造粉設(shè)備示意圖

圖6是智能制造管理系統(tǒng)里統(tǒng)計(jì)的產(chǎn)量報(bào)表。該報(bào)表由3部分組成，最上面是按月統(tǒng)計(jì)的膠粉產(chǎn)量柱狀圖和設(shè)備能耗柱狀圖，其中能耗圖又包括鋼磨機(jī)能耗和設(shè)備總能耗。中間部分是用折線表示出來的日產(chǎn)量，上面直線表示計(jì)劃產(chǎn)量，下方折線表示當(dāng)天生產(chǎn)的實(shí)際產(chǎn)量。最下面是日產(chǎn)量的詳細(xì)數(shù)據(jù)，每天的產(chǎn)量由AB兩個班次組成，日產(chǎn)量數(shù)據(jù)主要有每噸膠的耗電量、班次總產(chǎn)量、膠粉回磨的產(chǎn)量、24目膠粉產(chǎn)量、40目膠粉產(chǎn)量、60目膠粉產(chǎn)量、以及產(chǎn)量達(dá)成率。

5 總結(jié)

本文基于輪胎分解造粉裝備研發(fā)出一套分解造粉智能制造管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場生產(chǎn)情況、實(shí)時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)及關(guān)鍵參數(shù)、自動統(tǒng)計(jì)投入廢舊輪胎的數(shù)量和重量、產(chǎn)出膠粉的重量、設(shè)備耗電量、制定維修保養(yǎng)計(jì)劃、設(shè)備故障率分析等功能，方便企業(yè)管理層人員更加全面及時地掌握現(xiàn)場情況，有效提高了企業(yè)管理效率，降低了成本，顯著提升了社會、經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 智能制造管理系統(tǒng)產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)報(bào)表