曾平紅,周 南,胡 濤

(湖南交通工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

0 引言

在密煉過程中,當(dāng)溫度超過一定值時,如果溫度繼續(xù)升高,將會導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量下降,嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)生安全事故。因此,對密煉過程進(jìn)行有效控制,實現(xiàn)密煉過程自動化,是生產(chǎn)企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)市場競爭力的迫切需要。目前國內(nèi)外對于密煉過程的自動化控制技術(shù)研究主要集中在兩個方面:一是采用工業(yè)控制計算機(jī)、可編程控制器等計算機(jī)控制裝置對密煉過程進(jìn)行自動控制;二是采用智能傳感器、數(shù)據(jù)采集及通信等技術(shù)對密煉過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,無線傳感器節(jié)點的分布密度和位置決定了整個無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離和信息采集能力[1]。

1 密煉過程工藝

密煉過程是由多個功能不同的設(shè)備組成的一個連續(xù)生產(chǎn)過程,每一種設(shè)備的具體功能都不盡相同,這些設(shè)備的排列順序和數(shù)量也是根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求和實際生產(chǎn)情況來確定。整個密煉過程可以分為投料、混煉、開煉機(jī)、壓延機(jī)、切條機(jī)、切段機(jī)等多個階段[2]。

1.1 加熱和冷卻

在密煉過程中,由于密煉機(jī)密煉工藝的不同,使得密煉后的產(chǎn)品在物理性能上會存在一定的差異。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量,必須對密煉機(jī)進(jìn)行加熱和冷卻,過程需要將大量的熱量傳遞到產(chǎn)品上。

根據(jù)傳熱方式的不同,加熱和冷卻方式可分為對流、傳導(dǎo)和輻射3種。

對流式是最為常見的一種加熱和冷卻方式,通過對流來傳遞熱量。將物料放入密煉機(jī)中后,物料與其周圍的空氣進(jìn)行熱交換,隨著物料溫度的升高,周圍空氣溫度也隨之升高,從而形成一個熱空氣對流循環(huán)回路。

在密煉機(jī)中,一般都將密煉機(jī)設(shè)置在靠近入口一側(cè)或出口一側(cè);密煉機(jī)轉(zhuǎn)子軸線與水平面垂直時,密煉機(jī)轉(zhuǎn)子軸線與水平面夾角為180°,密煉機(jī)轉(zhuǎn)子軸部中心與水平面夾角為50°～60°;密煉機(jī)轉(zhuǎn)子軸線與水平面夾角為180°時,密煉機(jī)轉(zhuǎn)子軸線與水平面夾角為60°～70°,密煉機(jī)轉(zhuǎn)子軸線與水平面夾角為75°～80°。

在密煉機(jī)中,由于密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度較快,物料受熱不均勻,尤其是在密煉機(jī)入口和出口的兩端溫度較高,因此必須對物料進(jìn)行加熱和冷卻[3-4]。

根據(jù)密煉機(jī)內(nèi)物料的導(dǎo)熱原理,物料周圍的空氣與其進(jìn)行熱交換。在密煉機(jī)入口和出口兩端溫度較高時,可使物料從密煉機(jī)內(nèi)表面快速向外表面移動;而在密煉機(jī)轉(zhuǎn)子軸線與水平面夾角較大時,可使物料從密煉機(jī)內(nèi)表面向外表面移動。

1.2 開煉膠

開煉膠過程是指將橡膠生膠加工成一定形狀的膠塊,并進(jìn)行混煉和硫化的過程,包括膠料的加熱、攪拌、計量和混煉。開煉膠過程是橡膠加工過程中一個重要的工藝過程,其主要控制參數(shù)為:膠料的溫度、膠料的混煉時間、計量稱重等。

(1)膠料溫度。膠料溫度是控制密煉機(jī)中橡膠生膠和混煉膠加熱時間的重要參數(shù),主要受膠料自身質(zhì)量、膠料粒徑大小、膠料配方設(shè)計、混煉工藝等因素影響。當(dāng)膠料質(zhì)量較差或配比不合理時,橡膠生膠和混煉膠在加熱和冷卻過程中,易發(fā)生焦燒現(xiàn)象;當(dāng)膠料粒徑較大時,物料受熱易分解或溶脹;當(dāng)膠料配方設(shè)計不合理時,混煉溫度過高,將導(dǎo)致硫化速度過快,導(dǎo)致硫化時間過長,導(dǎo)致橡膠發(fā)黏或產(chǎn)生氣泡等缺陷;當(dāng)膠料配方設(shè)計合理時,混煉溫度應(yīng)控制在適當(dāng)范圍內(nèi);當(dāng)混煉工藝不合理時,如混煉時間太短或混煉溫度過高等,將導(dǎo)致橡膠發(fā)黏或產(chǎn)生氣泡等缺陷[5]。

(2)膠料混煉時間。當(dāng)膠料在密煉機(jī)中停留的時間越長,其對溫度變化的敏感度越低;反之則敏感度越高。橡膠制品在制造過程中存在“硬化”和“軟化”兩個階段,當(dāng)橡膠制品在密煉機(jī)中停留的時間過長時,將導(dǎo)致膠料在煉膠過程中發(fā)生“硬化”現(xiàn)象,即硫化速度較快;當(dāng)橡膠制品在密煉機(jī)中停留的時間過短時,將導(dǎo)致膠料在煉膠過程中發(fā)生“軟化”現(xiàn)象。

(3)計量稱重。通過控制膠料粒徑大小及稱量時間來控制膠料粒徑大小;通過控制計量稱重儀表的稱量精度來控制計量稱量儀表的稱量精度。

1.3 混合與造粒

在密煉過程中,加入一定量的配合劑(一般是防老劑、促進(jìn)劑等),通過混煉與造粒處理,可以得到密煉成品。由于密煉過程是一個連續(xù)生產(chǎn)過程,在生產(chǎn)過程中要求物料的混合、造粒、粉碎等操作要連續(xù)進(jìn)行,因此,密煉過程控制的關(guān)鍵在于對混煉、造粒及粉碎過程的控制?；鞜掃^程是在密煉機(jī)內(nèi)完成的,由不同的階段組成。混煉是將加有配合劑的混煉料和定量的物料一起進(jìn)入密煉機(jī)內(nèi)進(jìn)行混勻和混合,以保證其在密煉機(jī)內(nèi)達(dá)到充分混合。混煉過程控制的關(guān)鍵在于:對不同階段物料混合的均勻度進(jìn)行檢測,確定每一階段物料是否達(dá)到充分混合;根據(jù)各階段物料混合均勻度,控制好投料量和時間等因素。造粒是將混煉料通過密煉機(jī)內(nèi)部的切條機(jī)等設(shè)備切成一定規(guī)格的顆粒。造粒是在密煉機(jī)內(nèi)部完成的,由密煉機(jī)內(nèi)部所需用到的各種部件和裝置組成,包括:開煉機(jī)、壓延機(jī)、切條機(jī)等。造粒過程控制主要包括以下幾個方面:(1)控制好開煉機(jī)和壓延機(jī)等設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作;(2)控制好切條機(jī)等設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作;(3)控制好切條機(jī)等設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作;(4)控制好壓延機(jī)等設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作。由于在實際生產(chǎn)過程中,造粒、切條機(jī)等設(shè)備之間往往不是固定不變的,而是根據(jù)實際生產(chǎn)情況靈活改變。因此,需要對造粒、切條機(jī)等設(shè)備之間進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。除此之外,密煉過程還涉及其他設(shè)備,如密煉機(jī)、混煉器、壓延機(jī)等設(shè)備。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是通過傳感節(jié)點將感知信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點,通過一定的通信協(xié)議與網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點進(jìn)行通信,網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點在自身范圍內(nèi)進(jìn)行信息采集,并通過一定方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)管中心管理。無線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠有效地降低布線成本、延長設(shè)備壽命,并可以有效地解決網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在大規(guī)模應(yīng)用中遇到的問題。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星形拓?fù)浜蜆湫瓮負(fù)鋬煞N形式,如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星形拓?fù)涫侵腹?jié)點之間通過總線連接,并且在總線上傳輸信息,具有簡單的結(jié)構(gòu)和較少的節(jié)點數(shù)目等特點。對于網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點來說,只需要將總線上傳輸?shù)男畔⒎庋b成一個數(shù)據(jù)包就可以進(jìn)行通信。

樹形拓?fù)涫侵赣啥鄠€節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò),每個節(jié)點都有一個唯一的標(biāo)識。在每條總線上只有一個數(shù)據(jù)包經(jīng)過這個標(biāo)識后就可以傳輸給下一個節(jié)點。樹形網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都是獨立的,但是在整個網(wǎng)絡(luò)中,只有一個匯聚節(jié)點,它負(fù)責(zé)將所有其他節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合和傳輸。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由多個相互獨立的、不相連的傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò),每個傳感器都可以向周圍環(huán)境中發(fā)送信息并與其他傳感器進(jìn)行通信,這些傳感器可以是溫度、濕度、煙霧、氣體等物理量或者是聲音、圖像等數(shù)字量。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于密煉過程中,是將密煉過程中各種物理量和數(shù)字量信息采集與處理后通過無線通信技術(shù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)后通過轉(zhuǎn)換和融合處理,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與密煉過程中溫度、濕度、氣體等物理量相對應(yīng)的數(shù)字量并以無線通信方式傳送給其他傳感器。

2.2 網(wǎng)絡(luò)硬件組成

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)其位置不同分為室內(nèi)和室外兩種,本文研究室內(nèi)無線傳感網(wǎng)絡(luò)。在密煉過程中,采用的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò),這里的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分為兩種:一種是有線連接的傳感器網(wǎng)絡(luò),另一種是無線連接的傳感器網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示。

(1)有線連接的傳感器網(wǎng)絡(luò)。由在密煉過程中采集溫度、壓力等物理量數(shù)據(jù)的傳感設(shè)備組成,如溫度、壓力等檢測器,并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

(2)采用的是無線傳輸方式,可以分為兩種:一種是短距離(一般在1～3 m)的無線信號傳輸方式,另一種是長距離(一般在10 m以上)的無線信號傳輸方式。

(3)網(wǎng)絡(luò)硬件構(gòu)成。根據(jù)所采集信息的不同,將整個密煉過程分為多個控制環(huán)節(jié)。主要包括控制終端、控制中心與節(jié)點3部分?？刂平K端分為主控臺和受控臺,主控臺與受控臺之間采用多點通信。

(4)控制器。由 PLC或工控機(jī)組成,對整個密煉過程進(jìn)行控制和監(jiān)控。

(5)軟件設(shè)計。為保證整個系統(tǒng)具有良好的實時性,對系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計。從底層到頂層,主要由下位機(jī)系統(tǒng)、上位計算機(jī)系統(tǒng)、工控機(jī)系統(tǒng)3大部分組成,他們分別實現(xiàn)密煉過程中各工藝環(huán)節(jié)的自動控制。下位機(jī)系統(tǒng)主要實現(xiàn)對密煉過程中的溫度、壓力等關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測;同時實現(xiàn)與工控機(jī)、 PLC之間的通信。

2.3 控制算法

在密煉過程中,對各個工藝環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測是整個系統(tǒng)控制的關(guān)鍵。本文采用的是無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù),利用其特點對各個工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行實時監(jiān)測,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,具體流程如下。

(1)在密煉機(jī)內(nèi)設(shè)置溫度、壓力等傳感節(jié)點,并將這些傳感節(jié)點連接到下位機(jī)系統(tǒng)。

(2)在下位機(jī)系統(tǒng)中,主控臺通過RS485接口與上位計算機(jī)進(jìn)行通信,上位計算機(jī)通過RS232接口與主控臺通信。

(3)在上位機(jī)系統(tǒng)中,將各個節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳到主控臺。

(4)主控臺將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,并顯示在上位機(jī)的監(jiān)控界面上。

(5)上位機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析,并進(jìn)行一些管理操作。

(6)當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時,可通過下位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送指令對節(jié)點進(jìn)行控制和操作。

在密煉過程中,為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,還需要對工藝參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整和優(yōu)化。本文采用的是模糊控制算法來調(diào)整密煉過程中各工藝參數(shù)的值,具體的控制方法如下。

(1)模糊控制器對下位機(jī)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,通過計算得出各工藝參數(shù)值。

(2)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理,根據(jù)密煉過程中各種參數(shù)的變化情況計算出下一時刻各工藝參數(shù)值。

(3)根據(jù)這些數(shù)據(jù)及其他信息來確定當(dāng)前密煉過程中需要調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)。

(5)如果當(dāng)前控制不能滿足要求時,則可通過觸摸屏發(fā)出指令對下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

(6)如果有異常情況發(fā)生時,則可通過緊急按鈕進(jìn)行緊急控制。

3 系統(tǒng)設(shè)計

通過對密煉過程的深入研究,提出了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng),主要由3個部分組成:數(shù)據(jù)采集和處理模塊、無線通信模塊、控制模塊。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由溫度、濕度、壓力傳感器及無線通信模塊組成,采用CC2530作為主芯片,具有低功耗、低成本和高可靠性等優(yōu)點;對溫度、濕度信息的采集利用太陽能電池供電,并通過太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換成電能,再由主芯片通過處理電路將電能轉(zhuǎn)換成合適的頻率電流,經(jīng)5 W功率的電源模塊供電,最后將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸?shù)娇刂菩酒稀?/p>

在主芯片的控制下,通過無線通信模塊與現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,從而實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和處理;無線通信模塊利用 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在局域網(wǎng)內(nèi)將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。另外,無線通信模塊與控制模塊之間也可以利用串行通信或485總線等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

密煉過程主要是對各種原材料的混合、加熱、升溫和冷卻等過程,在密煉過程中,由于各種原料在溫度、濕度和壓力上都會產(chǎn)生差異,因此必須對其進(jìn)行分析研究,以便采取有效的控制措施。

其中,密煉溫度的變化主要是由于不同原料在溫度上存在差異引起的,而密煉過程中溫度測量最主要的手段是溫度計和熱電偶傳感器。根據(jù)被測對象的不同,一般將溫度傳感器分為兩大類:一類是以熱電阻為敏感元件的測溫傳感器;另一類是以熱電偶為敏感元件的測溫傳感器。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

密煉過程中的關(guān)鍵參數(shù)如溫度、壓力、時間等,通過傳感器進(jìn)行采集,并通過無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央處理單元,最后再通過 PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)由大量的小型傳感器節(jié)點構(gòu)成,在數(shù)據(jù)傳輸過程中,各節(jié)點之間通過無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,以實現(xiàn)多個節(jié)點的協(xié)調(diào)控制。

本系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對密煉過程中的溫度、壓力、時間等進(jìn)行監(jiān)測,并將監(jiān)測到的信息通過 WSN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中央處理單元。

采用嵌入式處理器為核心,結(jié)合無線通信技術(shù),設(shè)計出一種新型的溫度和壓力傳感器模塊,將該模塊嵌入密煉設(shè)備。

整個系統(tǒng)硬件主要包括:

(1)溫度傳感器模塊。由6個熱電偶和1個熱敏電阻組成,溫度采集精度為±0.5 ℃。

(2)壓力傳感器模塊。由24個壓力傳感器組成,壓力采集精度為±0.1 MPa;

(3)無線通信模塊。主要由2.4 GHz無線通信模塊和嵌入式處理器構(gòu)成。

系統(tǒng)的工作原理如下:

溫度傳感器模塊將采集到的溫度信號經(jīng)過放大、濾波后傳輸給嵌入式處理器。由于該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用了先進(jìn)的低功耗技術(shù)(如鋰電池供電),使得整個系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠。

嵌入式處理器將采集到的溫度、壓力等信息通過無線通信技術(shù)傳送給中央處理單元,利用嵌入式處理器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理能力對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。分析得到的數(shù)據(jù)可以通過 GPRS或有線網(wǎng)絡(luò)傳給上位機(jī),通過 PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

無線傳感網(wǎng)絡(luò)由一系列節(jié)點組成,節(jié)點中的傳感器負(fù)責(zé)感知和采集數(shù)據(jù),并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給中央處理器。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點可以通過發(fā)送數(shù)據(jù)包和接收數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和處理。

本系統(tǒng)使用了STM32系列低功耗微處理器,該處理器內(nèi)部集成了多個微控制器、存儲器、模擬和數(shù)字接口以及I/O控制接口。為了滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點,本系統(tǒng)選用了nRF24L01模塊作為無線射頻芯片,其內(nèi)部集成了射頻收發(fā)器(RF24L01)、低功耗藍(lán)牙模塊(BLE)、 CAN控制器、 GPIO控制器等。nRF24L01的工作頻率為2.4 GHz,該工作頻率屬于低功耗頻段,因此該芯片具有低功耗的特點。其主要功能是通過無線射頻芯片接收無線傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)包,然后將數(shù)據(jù)包傳輸給中央處理器,再通過串口與 PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

由于密煉過程中存在高溫、高濕的環(huán)境,因此密煉設(shè)備需要通過傳感器采集溫度、濕度、壓力等參數(shù)。傳感器采用的是溫濕度傳感器SHT10,其內(nèi)部集成了溫濕度感應(yīng)模塊和數(shù)字溫度傳感器DS18B20,可以實時采集并傳輸溫濕度數(shù)據(jù)。SHT10傳感器具有體積小、功耗低、可靠性高等特點,在密煉過程中的溫度和濕度變化較為明顯的場合有很好的應(yīng)用前景。

由于密煉設(shè)備內(nèi)部空間有限,為了減少能量消耗,本系統(tǒng)選用了一款無線數(shù)據(jù)收發(fā)器- WDR系列中的 WDR系列- WDR-D-I-C-P-S-L-A-H-E-R-T-U模塊。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的無線傳感網(wǎng)絡(luò)下的密煉過程控制系統(tǒng),采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò),保證了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。使用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以對整個密煉過程進(jìn)行實時監(jiān)控,并且當(dāng)密煉過程中出現(xiàn)問題時可以及時報警。在密煉過程中,其主要是通過對溫度進(jìn)行控制來實現(xiàn)其密煉程度,將溫度控制在一定范圍內(nèi),是確保密煉程度的重要手段。因此,在密煉過程中要控制好溫度,保證溫度在一定范圍內(nèi)波動。