侯金智

（北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，北京 100143）

在膠料混煉中，按照配方準(zhǔn)確稱量各種小料是保證混煉膠質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。過去，小料稱量主要靠人工操作，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度較大，生產(chǎn)效率較低，工作環(huán)境惡劣，稱量結(jié)果還容易受人為因素干擾，難以保證膠料組分的穩(wěn)定性，進(jìn)而造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。為此，本課題采用可編程邏輯控 制（PLC）技術(shù)和軟件技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種效率高、精度高、穩(wěn)定性好的全自動(dòng)小粉料稱量系統(tǒng)?，F(xiàn)將該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況介紹如下。

1 工藝要求

全自動(dòng)小粉料稱量系統(tǒng)應(yīng)按照工藝要求自動(dòng)稱量硫化劑、促進(jìn)劑、氧化鋅、防老劑、防焦劑、樹脂等數(shù)十種粉料。系統(tǒng)必須適應(yīng)粒子形狀、尺寸、團(tuán)聚性等不同的各種粉料[1]，保證下料順暢，防止料倉(cāng)內(nèi)物料淤積。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為積木式拼裝結(jié)構(gòu)，根據(jù)粉料的種類靈活增減料倉(cāng)數(shù)量，既能保證系統(tǒng)各個(gè)單元穩(wěn)定運(yùn)行，故障率較低，又能保證稱量精度高，使單種物料稱量誤差控制在0.3%以內(nèi)，料筐的定位精度在1.5 cm以內(nèi)。另外，從安全、環(huán)保、健康體系建設(shè)的角度考慮，為減少環(huán)境污染、改善工作環(huán)境，系統(tǒng)采用高效、清潔的除塵器。系統(tǒng)的上位機(jī)存儲(chǔ)各種配方，并按照生產(chǎn)計(jì)劃自動(dòng)將配方參數(shù)發(fā)送到控制系統(tǒng)的PLC，上位機(jī)軟件系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障報(bào)警、超差報(bào)警、報(bào)表打印、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、圖表顯示、生產(chǎn)排班等功能。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、生產(chǎn)環(huán)境清潔等要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮以下因素。

（1）裝料筐和卸料筐由同一個(gè)操作工完成，料筐軌道呈環(huán)形，套著裝料帶的料筐（起始位置空）走完一圈即完成全部粉料的稱量，整個(gè)下料和稱量過程完全由PLC控制，多個(gè)料筐可同時(shí)進(jìn)行物料稱量。

（2）不同物料具有不同粒徑、團(tuán)聚性、堆積性、壓縮性、安息角、內(nèi)摩擦角、流動(dòng)性等性質(zhì)[2]，根據(jù)物料性質(zhì)設(shè)計(jì)不同形式的料倉(cāng)和給料裝置，保證系統(tǒng)下料順暢。

（3）確定除塵器電機(jī)功率時(shí)應(yīng)考慮氣流對(duì)電子稱量系統(tǒng)的影響。由于供料口附近設(shè)置了除塵抽風(fēng)口，除塵器電機(jī)功率過大，料筐上部和下部產(chǎn)生的氣壓差較大，料筐稱量時(shí)變輕，導(dǎo)致總物料稱量誤差超限；除塵器電機(jī)功率過小，不能達(dá)到除塵效果。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定除塵器電機(jī)功率。

（4）料筐軌道采用較簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)部件，這是因?yàn)闄C(jī)構(gòu)越簡(jiǎn)單，設(shè)備故障率就越低，維護(hù)就越容易。在此，考慮通過齒輪和鏈條的簡(jiǎn)單傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)輥道，帶動(dòng)料筐向下一個(gè)拱位運(yùn)動(dòng)。

（5）為滿足上位機(jī)和PLC之間的高速通訊，二者之間采用RS485電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。由于不同品牌的PLC通信語(yǔ)義不相同，故在上位機(jī)軟件模塊中建立常用品牌PLC的通信語(yǔ)義庫(kù)，從而滿足不同品牌PLC系統(tǒng)的需要。

2.1 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)主要由除塵器、解包室、料倉(cāng)、供料器、稱量裝置、料筐、料筐軌道等部件組成，整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)小粉料稱量系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意

除塵器采用脈沖袋式除塵器。該除塵器采用分室停風(fēng)、脈沖噴吹清灰技術(shù)，克服了常規(guī)脈沖除塵器和分室反吹除塵器的缺點(diǎn)，清灰能力強(qiáng)，除塵效率高，排放物濃度低，被廣泛應(yīng)用于粉料的除塵。在本系統(tǒng)中，為盡可能減少粉塵，在解包室的解包腔內(nèi)及供料器的加料口設(shè)置除塵抽風(fēng)口。通過調(diào)整抽風(fēng)口位置和調(diào)節(jié)抽風(fēng)口口徑等措施控制抽風(fēng)口風(fēng)壓，避免因產(chǎn)生的負(fù)風(fēng)壓過大而造成料筐被向上吸，致使總物料稱量誤差超限。

為防止粉料中的雜質(zhì)和較大硬塊進(jìn)入料倉(cāng)同時(shí)加快投料的速度，應(yīng)在解包室內(nèi)設(shè)置振動(dòng)篩，振動(dòng)篩網(wǎng)眼的大小根據(jù)物料性質(zhì)來決定。料倉(cāng)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的重要組件[2]，起暫時(shí)存放粉料的作用，為供料器提供均勻穩(wěn)定的物料。為防止物料沉積在料倉(cāng)壁上，料倉(cāng)的設(shè)計(jì)綜合考慮料倉(cāng)中物料的流動(dòng)形式和整體流動(dòng)特性，同時(shí)還為不同的物料設(shè)置不同的破拱裝置，如振動(dòng)破拱裝置、氣動(dòng)活塞破拱裝置、空氣清堵器破拱裝置、脈沖側(cè)吹破拱裝置、抖動(dòng)內(nèi)襯破拱裝置等，使下料保持通暢。

供料器采用電磁振動(dòng)供料器，通過控制振幅和振動(dòng)頻率來調(diào)節(jié)供料速度[3]。供料器供料能力除受物料顆粒大小、溫度和濕度等影響外，還受料槽寬度及料槽傾角等因素的影響。按照供料快慢，稱量可分為快稱和慢稱，快稱時(shí)通過變頻器控制電磁振動(dòng)器以大振幅振動(dòng)，快速給料；當(dāng)接近目標(biāo)值時(shí)，變頻器控制電磁振動(dòng)器以小振幅振動(dòng)，慢速給料，這樣既保證了稱量速度，又保證了稱量精度。

矩形環(huán)狀料筐軌道由許多小段軌道拼接而成，各供料口、4個(gè)軌道轉(zhuǎn)角和物料總質(zhì)量校準(zhǔn)處的軌道下方均安裝有稱量裝置，用于測(cè)量物料質(zhì)量。料筐由軌道下方的傳動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)，即由PLC控制電機(jī)，通過齒輪和鏈條驅(qū)動(dòng)軌道的輥軸滾動(dòng)，使料筐在軌道上滑行。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由PLC、稱量?jī)x表、光電開關(guān)、變頻器、電動(dòng)閥門等部件組成，PLC是核心部件，不同用戶可能采用不同型號(hào)的PLC。本課題采用比較典型的西門子S7-300系列PLC，該系列PLC處理速度達(dá)到0.8～1.2 ms，存儲(chǔ)器容量為2k，數(shù)字量達(dá)到 1 024點(diǎn)，模擬量通路128路。PLC通過PROFIBUS，ETHERNET和MPI等網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通訊，通過RS-485端口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

稱量開始時(shí)，操作工將空料筐放置在料筐裝卸區(qū)，系統(tǒng)按照上位機(jī)發(fā)送的配方參數(shù)自動(dòng)控制料筐在軌道上的移動(dòng)[4]，當(dāng)料筐到達(dá)指定的供料口時(shí)，PLC控制稱量裝置初始化稱量參數(shù)，通過變頻器控制電磁振動(dòng)器快速給料，當(dāng)物料質(zhì)量接近目標(biāo)值時(shí)，變頻器控制電磁振動(dòng)器慢速給料，當(dāng)物料質(zhì)量達(dá)到目標(biāo)值后，料筐軌道電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)輥帶動(dòng)料筐向下一個(gè)物料供料口移動(dòng)。重復(fù)相同的過程，直到配方中所有物料稱量完畢，料筐運(yùn)行至總質(zhì)量校準(zhǔn)處進(jìn)行校驗(yàn)?？傎|(zhì)量校驗(yàn)完畢后料筐再次進(jìn)入裝卸區(qū)，由操作工卸除料筐，完成單個(gè)料筐的稱量。多個(gè)料筐可以在系統(tǒng)的控制下并行稱量，稱量效率大大提高?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行過程如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)運(yùn)行過程

2.3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)

上位機(jī)軟件系統(tǒng)由配方管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、報(bào)表管理子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)、故障處子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)、生產(chǎn)計(jì)劃管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)等組成，如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)

配方管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)配方數(shù)據(jù)的錄入、存儲(chǔ)、管理、發(fā)送等工作，可以按照生產(chǎn)計(jì)劃隨時(shí)調(diào)取相應(yīng)的配方數(shù)據(jù)[5]。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)負(fù)責(zé)上位機(jī)和PLC的通信工作，將配方數(shù)據(jù)翻譯成PLC執(zhí)行命令參數(shù)發(fā)送到PLC命令接收區(qū)。對(duì)于不同型號(hào)的PLC，數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)可自動(dòng)屏蔽PLC型號(hào)差異，自動(dòng)匹配通信協(xié)議，使上位機(jī)與PLC間的通信對(duì)于用戶透明。報(bào)表管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)臺(tái)班報(bào)表的打印、存儲(chǔ)、查詢等功能。實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)每一個(gè)傳感器的當(dāng)前狀態(tài)均可以從實(shí)時(shí)監(jiān)控界面中直觀顯示出來。故障處理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理設(shè)備運(yùn)行中的故障報(bào)警，方便操作者分析故障產(chǎn)生的原因并及時(shí)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建、查詢、更新、備份等工作，使有價(jià)值的數(shù)據(jù)持久化。生產(chǎn)計(jì)劃管理子系統(tǒng)通過與工廠管理信息系統(tǒng)（MIS）接口，接收工廠統(tǒng)一的生產(chǎn)目標(biāo)計(jì)劃，并根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃自動(dòng)安排備料和排班。數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)可以對(duì)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，將當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)據(jù)與歷史最優(yōu)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析誤差產(chǎn)生的原因，進(jìn)而提出改進(jìn)措施。

3 結(jié)語(yǔ)

本課題設(shè)計(jì)的全自動(dòng)小粉料稱量系統(tǒng)采用積木式拼裝結(jié)構(gòu)，具有組裝靈活、自動(dòng)化程度高、稱量精度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、生產(chǎn)環(huán)境清潔等優(yōu)點(diǎn)，適合大批量混煉膠生產(chǎn)。該系統(tǒng)已經(jīng)在山東、河南、甘肅等多個(gè)橡膠輪胎和制品企業(yè)實(shí)際應(yīng)用，大大提高了這些企業(yè)粉料稱量效率，改善了生產(chǎn)條件，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。該設(shè)備值得在橡膠行業(yè)內(nèi)大規(guī)模推廣。