自動控制技術和信息采集技術在硅橡膠生產上的應用

摘 要：設計了一種基于S7 300 PLC為控制核心的硅橡膠生產控制系統(tǒng)，采用Win CC組態(tài)技術為監(jiān)控平臺。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對硅橡膠生產線設備的溫度、壓力、流量、電流等參數(shù)的采集以及故障報警系統(tǒng)的監(jiān)控。針對此生產線開發(fā)的信息采集系統(tǒng)可實現(xiàn)對生產數(shù)據(jù)的實時記錄、存檔。應用結果表明，該系統(tǒng)滿足現(xiàn)場應用要求，運行穩(wěn)定可靠。

關鍵詞：自動控制；信息采集；硅橡膠；PLC

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A

Application of Automatic Control Technology and Information

Collection Technology in Silicone Rubber Production

YANG Cheng，CHEN Zhigong，QIAN Xianfeng，WU Yong，DING Bei

（Zhonggang Mining Institute （Ma'anshan） Intelligent Emergency Technology Co.， Ltd.， Ma'anshan， Anhui 243000，China）

Abstract：This article designs a silicone rubber production control system based on S7 300 PLC as the control core， using Win CC configuration technology as the monitoring platform. This system can collect parameters such as temperature， pressure， flow rate， and current of silicone rubber production line equipment， as well as monitor the fault alarm system. The information collection system developed for this production line can achieve real time recording and archiving of production data. The application results indicate that the system meets the on site application requirements and operates stably and reliably.

Key words：automatic control; information collection; siliconerubber; PLC

硅橡膠具有優(yōu)異的熱氧化穩(wěn)定性、耐候性、高透氣性、電絕緣性、生理惰性等，在航天航空、電子電氣、化工材料、機械裝備等工業(yè)領域中獲得了廣泛的應用。近年來，硅橡膠在嬰童及家用消費品、醫(yī)療衛(wèi)生、新能源、節(jié)能環(huán)保等新興領域的應用發(fā)展迅猛，110甲基乙烯基硅橡膠作為其原料，市場需求十分旺盛[1]。

目前國內硅橡膠的生產多采用間歇式或半間歇式生產方式。在設備智能化、全自動生產工藝方面與國外先進水平有一定差距[2]。硅橡膠生產線多年來一直是手動生產作業(yè)，人員的操作熟練度對產品的質量影響大，產品質量無法追溯。如何提高硅橡膠生膠的生產效率、穩(wěn)定和提高生產質量，已經成為各大生產廠家所關注的問題。中鋼礦院（馬鞍山）智能應急科技有限公司和國內某有機硅生產企業(yè)合作，對現(xiàn)有生產線工藝過程進行了充分研究后制訂了生產過程控制系統(tǒng)改造方案，對生產過程進行自動化改造，實現(xiàn)生產設備的順序控制和原料計量、小料配比、原料脫水、催化劑添加與聚合反應以及脫媒過程等過程的自動控制，將各生產環(huán)節(jié)有機地融為一體，實現(xiàn)對生產過程連續(xù)化控制，有效提高了產品質量，保障設備安全運行，提高設備作業(yè)效率，最終實現(xiàn)生產線自動化程度達到國內同行業(yè)領先水平。

1 生膠生產線自動化控制方案及參數(shù)

1.1 生膠生產線自動化控制方案

生膠生產自動控制系統(tǒng)由計算機操作員站和PLC控制器及工藝參數(shù)檢測儀表與執(zhí)行機構組成。監(jiān)控站由計算機、LED屏、操作臺組成，可對控制系統(tǒng)進行組態(tài)監(jiān)控、流程與回路參數(shù)的圖像顯示、歷史數(shù)據(jù)記錄及管理，并通過通信接口與PLC控制器進行信息交換?？刂破靼惭b在控制柜內，控制柜由西門子300系列PLC及相關電子器件等組成，接受計算機操作員站組態(tài)和現(xiàn)場檢測信號，并輸出控制信號到各控制回路的執(zhí)行機構，達到對生產過程進行控制的目的。監(jiān)控管理級和控制級之間由通訊接口裝置及通信電纜連接成一個完整的集散控制系統(tǒng)。系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

1.2 自動檢測與控制的主要參數(shù)

檢測參數(shù)有：計量槽液位、脫水釜壓力、脫水釜真空度、鼓泡氮氣流量、聚合釜攪拌電機功率（電流）、壓料壓力、脫水釜溫度、聚合釜溫度、脫低器溫度等。

控制變量有：計量槽液位、脫水釜壓力、脫水釜真空度、鼓泡氮氣流量等。

被控變量有：聚合釜壓料速度、聚合釜攪拌器轉速等。

生膠生產工藝流程如圖2所示。

2 生膠生產過程的自動化控制

2.1 生膠自動控制系統(tǒng)的功能及特點

（1）實現(xiàn)生膠生產過程全流程計算機監(jiān)控，即由PLC采集工藝流程設備運行狀態(tài)及主要工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量、液位等），并在計算機操作員站上顯示和控制。各工藝設備的運行狀態(tài)和工藝參數(shù)結合工藝流程圖實時動態(tài)顯示，形象直觀、一目了然。自控系統(tǒng)對設備狀態(tài)和工藝參數(shù)控制進行優(yōu)化控制，使其運行在工藝要求的范圍內。生產過程中，關鍵工藝參數(shù)或設備狀態(tài)若出現(xiàn)異常時，控制系統(tǒng)給予實時報警提示或連鎖停車。

（2）生產工藝中的主要設備實現(xiàn)了控制室集中控制操作，不僅可以在遠程計算機對每臺電機、閥門等設備獨立操作，也可以按照生產工藝要求對全套系統(tǒng)進行流程化自動生產。

（3）采用監(jiān)控、報警、連鎖保護等技術手段，能有效提高生產的安全性。

（4）實現(xiàn)生產的事前調度和生產管理，準確制定生膠生產和原料的消耗計劃，準確地對生膠的批次、時間、產量、原料消耗進行統(tǒng)計，提高生產系統(tǒng)和設備的操作安全和運行效率，提高設備運行效率，減少電力損耗，保證系統(tǒng)安全、經濟與合理運行?；趶姶蟮臄?shù)據(jù)挖掘工具和規(guī)范化的管理流程，提供準確有效的生產報表、有價值的生產建議，提高公司的能源管理水平。

2.2 生膠生產過程的自動控制

（1）加低分子槽物料：操作員按工藝要求在操作員站上設定好需添加的物料量后，點擊系統(tǒng)啟動按鈕，控制系統(tǒng)自動關閉計量槽放空閥，打開計量槽真空閥，打開低分子儲槽上的出料閥和放空閥，向計量槽輸送物料，待加至工藝要求量后，控制系統(tǒng)關閉低分子儲槽出料閥和放空閥；系統(tǒng)在計量罐添加完成之后，自動向脫水釜進料，進料完成后，系統(tǒng)按照設定的生產批料號自動添加對應量的小料。控制系統(tǒng)根據(jù)工藝要求自動打開對應小料儲罐出料閥及放空閥，將小料放入中間計量罐計量，當放入小料達到要求量時，控制系統(tǒng)自動關閉對應的閥門，此過程可根據(jù)工藝需要，反復進行。

（2）在脫水釜進料（過濾）過程中，控制系統(tǒng)打開氮氣流量調節(jié)閥，將氮氣流量控制在工藝要求的范圍內，穩(wěn)定充氮氣到釜內，不僅起到加熱攪拌的作用，也保護原料免受空氣氧化。并開啟蒸汽加熱脫水釜。在原料脫水完成后，將原料輸送至聚合釜。

（3）聚合釜控制是本套自動化控制系統(tǒng)的重中之重。為保證生膠在聚合釜內反應的質量和聚合過程的安全，必須嚴格對原料聚合生產過程的堿膠添加量及時間、反應釜加熱溫度及時間、攪拌器攪拌時間和轉速進行合理控制?！霸诜磻^程中有大量的吸熱、放熱的現(xiàn)象發(fā)生。反應釜的反應機理復雜，每個參數(shù)在反應過程中是變化的”[3]。同時，由于生膠生產中的聚合反應過程時間較短，并且需要同時監(jiān)控多個關鍵變量的參數(shù)變化，僅靠單個工人進行人工操作實現(xiàn)高質量聚合反應的難度較大且工作強度較高。因此，對生膠聚合生產過程實行自動化控制是保證生產質量和生產安全的必要手段和重要措施。自動控制系統(tǒng)由操作員站（工業(yè)控制計算機）、下位機（PLC）、現(xiàn)場檢測設備和執(zhí)行器組成。打開自動化控制系統(tǒng)以后，操作員站及PLC進入自檢及啟動過程，并且自動監(jiān)控程序的登錄界面以及工藝流程主界面和菜單，即可瀏覽各種顯示畫面。在工藝流程主畫面中，各主體設備運行時，相應的設備圖符呈動畫狀態(tài)主要工藝參數(shù)的實際測量值顯示在此畫面中，使得生產狀況一目了然。

① 聚合釜進料（壓料）：控制系統(tǒng)先打開聚合受槽真空閥、聚合受槽收集閥，再打開相應的聚合釜真空閥（開關閥），并將聚合釜真空度控制至-0.09 MPa后，關閉聚合釜真空閥?？刂葡到y(tǒng)判斷滿足進料（壓料）條件后，打開脫水釜出料閥、聚合應釜進料閥，向聚合釜壓料。

② 配制及添加催化劑：控制系統(tǒng)打開混合罐真空閥，抽至真空后關閉，打開混合罐進料閥，堿膠罐出料閥、堿膠罐氮氣加壓閥，根據(jù)生膠生產批號向混合罐內添加規(guī)定數(shù)量的堿膠。添加堿膠后關閉堿膠罐出料閥、堿膠罐氮氣加壓閥，然后再打開稀釋劑出料閥、稀釋劑罐氮氣加壓閥向混合罐加入所需的稀釋劑后關閉稀釋劑出料閥、稀釋劑罐氮氣加壓閥，采用氮氣鼓泡的進行混合，混合一定時間后充氮氣保護待用。待需要時向聚合釜進料。

③ 聚合釜溫度控制：在聚合反應前及聚合反應過程中，都需要對聚合釜進行精準的溫度控制。聚合釜中的溫度控制得是否準確，直接影響了生膠進行聚合反應的速度和是否充分，決定了產出后生膠的質量。聚合加溫所用的蒸汽溫度會因為生產而有變化，聚合釜所處的環(huán)境溫度也是未知且不確定變量，蒸氣加熱釜內的物料溫度傳導又相對有一定的滯后性。如果按照通用的升溫算法進行溫度控制，聚合釜溫度容易超溫，要精準控制釜溫，升溫時間則又過長。溫度又要求在限定時間內提升到規(guī)定溫度，所以要在溫度算法上改進[4]。已知聚合釜在升溫過程中有三個變量：加熱蒸汽熱能Qt、釜內溫度T、散熱量Qe，蒸汽通過聚合釜內的盤管對物料加溫，散熱量的多少和散熱快慢取決于釜體溫度與外界的溫度差ΔT[5]。聚合釜容積和熱交換系統(tǒng)穩(wěn)定；熱能輸入輸出速率不變。則反應過程中釜內釜外熱能平衡過程可以表示為：

蒸汽輸入熱能-散熱損失熱量=釜內增加熱能

Qt-Qe=ΔQ（t）

CdΔT（t）-ΔT（t）dt/R = Q（t）dt

RCSΔT（s）-RCΔT（0）-ΔT（s）= RQ（s）

聚合釜溫度由高至低傳播，引起溫度變化延時，故傳遞函數(shù)應為：

G（s）=KTS+1e-τs

式中： C為 釜內物質的比熱容；

T（t）為t時刻釜內的溫度；

ΔT（t）為t時刻釜內與外部的溫度差；R為聚合釜放熱系數(shù)；Q（t）為t時刻系統(tǒng)輸入熱能；τ為系統(tǒng)純滯后時間常數(shù)。

從而得到正常聚合反應階段聚合釜溫度升溫傳遞模型。

（4）聚合反應完成之后，物料往脫低釜轉移。在油溫正常情況下，控制系統(tǒng)自動打開脫低受槽真空閥、收集閥，當脫低真空度達到工藝要求時，即滿足壓料條件。連續(xù)工作時，上述閥門為常開，只有在抽低分子操作時需要短時間開關。其他特殊工藝根據(jù)要求設置油溫，生產線開車時，短時間內系統(tǒng)內因為沒有膠料，溫度計探測不到溫度，這時需要抽真空，要考慮脫低受槽真空閥、收集閥的手動開啟，控制系統(tǒng)要控制好壓料速度，以滿足花板溫度＞150 ℃，花板壓力≤0.25 MPa。

3 信息采集系統(tǒng)

3.1 采集器

使用OPC DA通信協(xié)議，采集控制系統(tǒng)中點位的實時數(shù)據(jù)，其中，投料階段18個，脫水階段7個，聚合階段21個，脫低階段14個，采集頻率為1 s/次，和控制系統(tǒng)保持一致；采集成功后，將數(shù)據(jù)進行封裝，使用TCP協(xié)議轉發(fā)到緩存消息隊列中。

3.2 隔離網閘

在工業(yè)控制內網和信息處理外網之間，安裝單向隔離網閘，只允許數(shù)據(jù)從內網向外網方向流動，不允許從外網到內網傳輸信息，保證了工業(yè)控制內網的安全[6]。

3.3 緩存部件

（1）RabbitMQ：使用輕量級消息隊列服務，對采集到的大量實時監(jiān)控數(shù)據(jù)進行削峰處理，減少資源消耗；同時，使用消息的異步特性，可以降低整個系統(tǒng)的耦合性。

（2）Redis：使用業(yè)界流行的Key/Value內存數(shù)據(jù)庫，支持多種數(shù)據(jù)類型，讀取和寫入速度可以達到10萬/s左右，緩存系統(tǒng)運行中的數(shù)據(jù)。

3.4 存儲部件

使用最流行的關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MySQL，存儲采集到的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、后分析的生產批次數(shù)據(jù)、多維度統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，持久化生產相關數(shù)據(jù)，為生產管理提供數(shù)據(jù)支撐服務。

3.5 信息處理模塊

首先，對收集到的實時數(shù)據(jù)，按照投料、脫水、聚合、脫低4個階段，分批次進行篩選，計算出每個批次、不同時間段內，低分子、新料、小料A、小料B、小料C、堿膠、稀釋劑等實際物料添加量，結合該批次運行期間的溫度、壓力、真空度、氮氣流量、攪拌機轉速等參數(shù)，生成該批次生產參數(shù)；其次，使用JasperReports報表工具，從各種維度分析實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、生產批次數(shù)據(jù)、分析建模數(shù)據(jù)等，幫助生產管理者了解產線的整體運行狀態(tài)，根據(jù)已有數(shù)據(jù)和分析結果進行實時優(yōu)化調整，提高工作效率和生產效率。

3.6 前端界面

使用Freemarker模板引擎、Bootstrap、Echarts圖表工具等，搭建UI框架，通過多種表格、圖形等工具進行展示，提高人機交互體驗。

4 結 論

三年多的穩(wěn)定運行表明，自動化控制系統(tǒng)提高了產品質量，減少了工人數(shù)量，降低了工人的勞動強度；信息采集系統(tǒng)實現(xiàn)了生產數(shù)據(jù)無紙化記錄，并可以根據(jù)業(yè)主要求，定制化生成報表。自動化控制系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)的應用對于企業(yè)進一步提升生產水平和管理水平提供了大力支持，為企業(yè)的長遠穩(wěn)定發(fā)展提供了強大助力。

參考文獻

［１］ 胡志云，劉立國.甲基乙烯基硅橡膠的生產技術研究[J].化工技術與開發(fā)，2021，50（11）：42-44.

[2] 趙立群.我國有機硅產業(yè)鏈發(fā)展態(tài)勢分析[J].化學工業(yè)，2019，37（1）：10-20.

[3] 陳歡.反應釜溫度控制系統(tǒng)設計[J].化工設計通訊，2020，46（1）：53+55.

[4] 李雅俠，王航，吳劍華.螺旋半圓管夾套內充分發(fā)展層流流動與換熱特性[J].化工學報，2010，61（11）：2796-2803.

[5] 李新衛(wèi).連續(xù)反應釜溫度控制系統(tǒng)的設計與仿真[J].化工自動化及儀表，2010，37（11）：19-22.

[6] 李志勇，劉延樂，王傳起，等.在內網和外網之間跨物理隔離透明傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法：中國：CN102843352B［P］.