基于數(shù)字化車間的橡膠硫化制造管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

高 雪，孟慶國，李志新，王澤亮

(大連長豐實業(yè)總公司 機械加工車間，遼寧 大連 116033)

隨著市場的變化，橡膠制造企業(yè)的戰(zhàn)略計劃會發(fā)生變化，在不斷增加橡膠產(chǎn)品數(shù)量的同時，更加關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，以便提升企業(yè)的競爭力，在激烈的市場競爭中站穩(wěn)腳跟[1]。作為橡膠制造過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，硫化是橡膠生產(chǎn)加工的最后一道工序，其溫度、時間和壓力直接決定著橡膠硫化的質(zhì)量[2]。橡膠制造企業(yè)通常采用傳統(tǒng)方式控制硫化過程，手工控制硫化時間、測量硫化溫度，且是在假定模具內(nèi)溫度恒定的條件下設(shè)定工藝參數(shù)的。受企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)有平板硫化機性能(如加熱板傳熱效率)和現(xiàn)場環(huán)境的影響，操作人員需按個人經(jīng)驗判斷硫化時間。判斷誤差的過大，常常會導致橡膠產(chǎn)品欠硫化或過硫化現(xiàn)象的發(fā)生[3]，而這兩者均會影響成品質(zhì)量，造成原料的浪費。橡膠制造企業(yè)目前采用的人工填寫紙質(zhì)表單記錄過程數(shù)據(jù)方式，存在勞動強度大、資源浪費等問題。為客觀準確地記錄橡膠制造的硫化過程數(shù)據(jù)、提高一線人員的工作效能、對硫化工藝數(shù)據(jù)進行精準監(jiān)控，必須采用數(shù)字化手段實現(xiàn)硫化過程的管控。

本文將設(shè)計基于數(shù)字化車間的橡膠硫化制造管理系統(tǒng)，將可編程控制技術(shù)、人機交互技術(shù)、數(shù)據(jù)自動采集技術(shù)等應用到橡膠硫化制造管理系統(tǒng)中；通過工控機、觸摸屏、傳感裝置等設(shè)定橡膠硫化工藝參數(shù)、獲取過程數(shù)據(jù)；采用人工智能、比例積分微分(Proportional，Integral，Derivative，簡稱PID)調(diào)節(jié)算法和可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)，對硫化溫度、時間、壓力進行精確調(diào)控；通過工業(yè)以太網(wǎng)和工控機的通信，對橡膠制造硫化過程數(shù)據(jù)進行自動采集和記錄，實現(xiàn)硫化補償時間的自動判斷、硫化過程的故障預警和相關(guān)信息的無紙化管理。

1 管理系統(tǒng)的整體設(shè)計

本文在管理系統(tǒng)整體設(shè)計時，主要建立數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)。其中，采集子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)的設(shè)計主要是確定數(shù)據(jù)采集機構(gòu)和控制機構(gòu)，完成硫化工藝參數(shù)的自動采集和人機交互的管理任務(wù)；管理子系統(tǒng)的設(shè)計主要是建立辦公服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)查詢分系統(tǒng)以及管理分系統(tǒng)的派工、設(shè)備、人員、查詢、報表自動生成等模塊。

所設(shè)計管理系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)等組成。各子系統(tǒng)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通信方式。管理系統(tǒng)中服務(wù)中心的并發(fā)采集周期可達0.1 s，典型采集周期為0.5 s，硫化運行數(shù)據(jù)的最小采集周期為1 s。本文從整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計時即確保了系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)的高效傳輸和實時顯示功能。

圖1 管理系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)需要完成橡膠制造硫化工藝參數(shù)(含二段硫化工藝參數(shù))的數(shù)據(jù)采集和環(huán)境溫濕度的數(shù)據(jù)采集。其硬件主要包括互感器、溫濕度計、變送器、溫度傳感器、繼電器、濕度傳感器、電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)、采集模塊等。

2.1 硫化工藝參數(shù)的采集

2.1.1 一段硫化工藝參數(shù)

針對橡膠制造的一段硫化過程，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)需采集硫化溫度、時間、壓力數(shù)據(jù)。其中，硫化溫度指在橡膠硫化設(shè)備工作時通過模具測溫孔真實測出的數(shù)值[4]。傳統(tǒng)上，操作人員需要通過目視溫度計讀取數(shù)值并連續(xù)、實時地監(jiān)測與記錄。實際上，溫度是不斷波動的，操作人員根本無法實時準確地讀取其數(shù)值。本文設(shè)計一套特制的溫度傳感裝置，改變了人工采集、記錄硫化溫度的方式。該裝置具有精度高、防腐防銹性能好等特點，其平穩(wěn)狀態(tài)下采集的溫度數(shù)據(jù)誤差在±1 ℃內(nèi)。將該裝置與硫化設(shè)備關(guān)聯(lián)后，能通過設(shè)置上下限將溫度控制在加工要求的范圍(151～200 ℃)內(nèi)。在硫化過程中，只要將該溫度傳感裝置插入測溫孔即可，而無需操作人員在迅速取模換料時頻繁插拔測溫裝置，能確保溫度數(shù)據(jù)的自動獲取，具有很高的準確性，實現(xiàn)了對一段硫化過程中溫度數(shù)據(jù)的實時自動采集。

一段硫化時間即為正硫化時間[4]，一段硫化壓力為硫化過程的實時壓力。將時間繼電器、電子壓力變送器(其精度可達0.2%)安裝在橡膠硫化設(shè)備上，通過PLC控制器和通信接口將時間繼電器和電子壓力變送器的實時數(shù)據(jù)上傳至管理子系統(tǒng)，即可完成對一段硫化過程中時間、壓力數(shù)據(jù)的實時采集。

2.1.2 二段硫化工藝參數(shù)

二段硫化過程需采集的工藝參數(shù)有硫化時間和硫化箱溫度兩項。本文選用自制溫度傳感器來采集二段硫化箱的溫度。在溫度傳感器通過RS485接口將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉瘟蚧瘻囟炔杉骱?，二段硫化溫度采集器能通過監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)(Monitor and Control Generated System, MCGS)、通信接口，將所采集數(shù)據(jù)上傳至管理子系統(tǒng)。MCGS能夠顯示二段硫化溫度曲線。二段硫化箱的溫度數(shù)據(jù)采集周期為0.5 s。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)能通過硫化設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)端口直接采集二段硫化的時間數(shù)據(jù)，并通過通信接口將所采集數(shù)據(jù)上傳至管理子系統(tǒng)。

2.2 環(huán)境溫濕度的數(shù)據(jù)采集

在硫化車間現(xiàn)場安裝IRM-S02TH型溫濕度數(shù)據(jù)采集裝置(包括溫濕度儀、環(huán)境數(shù)據(jù)采集集中器等)，可采集車間內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，并通過通信接口將所采集數(shù)據(jù)上傳至管理子系統(tǒng)。環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

每個溫濕度儀的巡檢周期約為25 ms，巡檢10個溫濕度儀約需250 ms。這樣的設(shè)定能夠滿足企業(yè)內(nèi)部橡膠硫化制品環(huán)境采樣周期1 s的特殊工藝要求，實現(xiàn)對現(xiàn)場環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的自動采集。

根據(jù)橡膠制造企業(yè)設(shè)備布置與標準化工藝文件的要求，應在車間內(nèi)不同區(qū)域設(shè)置數(shù)量不同的溫濕度儀。各區(qū)域設(shè)置溫濕度儀的數(shù)量如下：硫化區(qū)域5個，打磨區(qū)域1個，涂膠區(qū)域1個，檢驗區(qū)域1個，膠料存放區(qū)域1個，模具存放區(qū)域1個。若環(huán)境溫濕度超出工藝設(shè)定范圍，橡膠硫化制造管理系統(tǒng)就會發(fā)出報警信號。

3 控制子系統(tǒng)的實現(xiàn)

橡膠硫化制造管理系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)由PLC、串口線、模擬量輸入輸出模塊、人機交互模塊等組成。它采用人工智能和PID調(diào)節(jié)算法，能通過PLC、人機交互模塊和以太網(wǎng)，將硫化工藝參數(shù)、現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)等實時傳輸至服務(wù)器終端[5]，并予以顯示。控制子系統(tǒng)的執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 控制子系統(tǒng)的執(zhí)行流程

針對一段硫化過程，控制子系統(tǒng)需要通過PLC控制器，按照企業(yè)標準化工藝文件對硫化時間、欠硫化溫度、過硫化溫度進行邏輯控制[6]；根據(jù)硫化溫度自動判斷硫化時間、計算模具升溫時間，并對硫化制造時間進行累計，在模具升溫時間超過規(guī)定硫化時間一半時自動開模，在模具升溫時間大于規(guī)定硫化時間的15%時延長規(guī)定硫化時間。

借助管理系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)，可減少加工不合格產(chǎn)品對時間和原材料的浪費，同時能實現(xiàn)對硫化過程中溫度、時間的自動精準控制，提高硫化產(chǎn)品的質(zhì)量。

4 管理子系統(tǒng)的實現(xiàn)

橡膠硫化制造管理系統(tǒng)的管理子系統(tǒng)由相應的硬件與軟件兩部分組成。其中硬件部分由服務(wù)器、工程師站顯示屏、資源管理站、交換機、不間斷電源(Uninterruptible Power Supply，UPS)等組成[7]；軟件部分包括辦公服務(wù)網(wǎng)絡(luò)查詢分系統(tǒng)和橡膠制造過程管理分系統(tǒng)。通過管理子系統(tǒng)，可實現(xiàn)對橡膠制造硫化過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)的無紙化管理，減少無效作業(yè)時間，降低人為差錯率，提升質(zhì)量數(shù)據(jù)的記錄效率。這里只詳細介紹管理子系統(tǒng)的軟件部分。

4.1 辦公服務(wù)網(wǎng)絡(luò)查詢分系統(tǒng)

辦公服務(wù)網(wǎng)絡(luò)查詢分系統(tǒng)是利用動態(tài)服務(wù)器網(wǎng)頁(Active Server Pages，ASP)升級版搭建的一個內(nèi)部小型網(wǎng)站。它采用以“一個中心”為基準的數(shù)據(jù)管理模式，為企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全保駕護航，能通過以太網(wǎng)接口接收橡膠制造過程產(chǎn)生的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在本地進行數(shù)據(jù)庫操作，實現(xiàn)瀏覽器/服務(wù)器模式的查詢管理。

通過辦公服務(wù)網(wǎng)絡(luò)查詢分系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的查詢響應和流轉(zhuǎn)能在一定區(qū)域內(nèi)進行；不同權(quán)限的管理人員能根據(jù)職能要求讀取相關(guān)數(shù)據(jù)[8-10]。車間管理人員、車間工藝師、質(zhì)量檢驗工、一線操作人員及庫房管理人員，可通過該分系統(tǒng)查詢硫化機運行參數(shù)、狀態(tài)信息、工單流水號、電能表讀數(shù)等，調(diào)取每批產(chǎn)品的硫化過程溫度、壓力、起止時間、操作人員和設(shè)備情況等橡膠硫化回溯信息，及時了解設(shè)備能耗、生產(chǎn)環(huán)境溫濕度、材料消耗和模具使用情況。

該分系統(tǒng)包括用戶管理、查詢分析、統(tǒng)計分析、報表生成和在線幫助等功能模塊，可實現(xiàn)對橡膠制造過程所有數(shù)據(jù)在車間內(nèi)部局域網(wǎng)上的查詢共享。系統(tǒng)對橡膠制造硫化過程歷史數(shù)據(jù)的保存時間不少于10年。

4.2 橡膠制造過程管理分系統(tǒng)

橡膠制造過程管理分系統(tǒng)由派工單管理、權(quán)限管理、設(shè)備管理、人員管理、材料管理、工藝管理、模具管理、溫濕度管理、統(tǒng)計分析管理和幫助10個模塊組成，能實現(xiàn)橡膠制造硫化過程的工作流程管控、無紙化數(shù)據(jù)管理(含數(shù)據(jù)的顯示、追溯和質(zhì)量記錄的生成)等。

(1) 派工單管理模塊具有自動和手動操作模式，能夠針對不同硫化設(shè)備進行相應的任務(wù)派發(fā)，對相關(guān)資源參數(shù)進行設(shè)定。借助該模塊，管理人員可新增派工單、查看二段硫化的任務(wù)并進行相應的設(shè)備分配，設(shè)備保養(yǎng)員/操作員能方便地查看自己的派工任務(wù)并進行相應操作。

(2) 權(quán)限管理模塊具有分配操作、檢驗等崗位人員登錄相應界面和操作權(quán)限的功能。不同權(quán)限的登錄者進入的界面及操作功能均不同。企業(yè)調(diào)度人員可自定義角色和相應權(quán)限。

(3) 設(shè)備管理模塊具有實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)、對設(shè)備信息進行管理并同步顯示的功能，可實現(xiàn)車間內(nèi)平板硫化機、真空硫化機、干燥箱、輾料機的線上管理。通過該模塊，可綁定平板硫化機操作人員，且可設(shè)定為一人對多的綁定關(guān)系。

(4) 人員管理模塊用于實現(xiàn)操作人員和設(shè)備維護人員的信息管理。登錄管理系統(tǒng)的權(quán)限不同，可查看人員信息的范圍也不同。

(5) 材料管理模塊具有入庫建碼、出庫掃碼、派工單出庫量管理等由專職人員設(shè)定的功能，可用于實現(xiàn)膠料、膠液和輔材的出入庫管理，包括領(lǐng)用人、領(lǐng)料量、材料相關(guān)信息(如硫化條件、批次號、日期、顏色、二維碼)等。

(6) 工藝管理模塊具有工藝參數(shù)的編輯、檢索、調(diào)用等功能。其中，工藝參數(shù)按企業(yè)現(xiàn)行有效版工藝文件的要求執(zhí)行。

(7) 模具管理模塊用于實現(xiàn)模具的出入庫管理，包括但不限于對模具領(lǐng)用人、領(lǐng)用期限、續(xù)借時間、歸還時間等一系列相關(guān)信息及流程的管控。該模塊的運行，要求事先將各模具按其編號信息生成唯一的二維碼。它具有的批量導出功能可減少人為勘誤性問題的產(chǎn)生。

(8) 溫濕度管理模塊具有采集各制造區(qū)域、打磨區(qū)域、涂膠區(qū)域、檢驗區(qū)域、膠料存放區(qū)域、模具存放區(qū)域溫濕度數(shù)據(jù)的功能。溫濕度數(shù)據(jù)的采集周期為0.5 h。當采集的溫濕度數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍時，車間內(nèi)展示大屏上會顯示對應區(qū)域的報警信息。

(9) 統(tǒng)計分析管理模塊具有質(zhì)量報表的自動生成和打印、歷史報表查詢等功能。其中，質(zhì)量報表包含溫度曲線、材料信息、人員信息、硫化過程參數(shù)、批量記錄、現(xiàn)場溫濕度監(jiān)控記錄等；歷史報表查詢功能多用于質(zhì)量追溯，可統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)，也可調(diào)用硫化過程參數(shù)，還可查詢每批產(chǎn)品制造過程的溫濕度、硫化過程曲線、硫化起止時間、操作人員信息等。

(10) 幫助模塊具有電子版用戶操作手冊的在線查看功能，可供所有人員操作系統(tǒng)時使用。

5 應用實例

某企業(yè)加工一種橡膠產(chǎn)品，整個生產(chǎn)過程中質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄的周期為28.4 min。每個操作人員每次記錄3個數(shù)據(jù)，每次記錄花費的時間為30 s，每月每名操作人員需記錄數(shù)據(jù)1 439次，花費時間約為12 h。

使用橡膠硫化制造管理系統(tǒng)后，該產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄單不再需要操作人員花費時間來填寫，僅需30 s即可打印出來。每人每月打印質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄單所需時間僅為0.2 h，可將質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄效率提高約60倍。

圖4所示為橡膠硫化制造管理系統(tǒng)的硫化參數(shù)表單信息自動生成界面。

圖4 橡膠硫化制造管理系統(tǒng)的硫化參數(shù)表單信息自動生成界面

6 結(jié) 語

本文針對橡膠制造硫化過程中溫度波動對硫化時間的不良影響，以及人工填寫紙質(zhì)表單方式存在的工作量大、資源浪費、易產(chǎn)生人為差錯等問題，通過開發(fā)數(shù)字化車間橡膠制造管理系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)了橡膠制造硫化過程數(shù)據(jù)的自動采集、記錄、無紙化管理，以及硫化條件的自診斷、信息的自動傳遞，減少了無效作業(yè)時間和人為差錯。實踐證明，橡膠硫化制造管理系統(tǒng)的應用，能提升質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄效率約60倍，為數(shù)字化車間的實現(xiàn)提供了支持。