摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于S7 300 PLC為控制核心的硅橡膠生產(chǎn)控制系統(tǒng)，采用Win CC組態(tài)技術(shù)為監(jiān)控平臺(tái)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)硅橡膠生產(chǎn)線設(shè)備的溫度、壓力、流量、電流等參數(shù)的采集以及故障報(bào)警系統(tǒng)的監(jiān)控。針對(duì)此生產(chǎn)線開發(fā)的信息采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄、存檔。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制；信息采集；硅橡膠；PLC

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jī)械裝備等工業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來，硅橡膠在嬰童及家用消費(fèi)品、醫(yī)療衛(wèi)生、新能源、節(jié)能環(huán)保等新興領(lǐng)域的應(yīng)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(nèi)硅橡膠的生產(chǎn)多采用間歇式或半間歇式生產(chǎn)方式。在設(shè)備智能化、全自動(dòng)生產(chǎn)工藝方面與國外先進(jìn)水平有一定差距[2]。硅橡膠生產(chǎn)線多年來一直是手動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)，人員的操作熟練度對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量影響大，產(chǎn)品質(zhì)量無法追溯。如何提高硅橡膠生膠的生產(chǎn)效率、穩(wěn)定和提高生產(chǎn)質(zhì)量，已經(jīng)成為各大生產(chǎn)廠家所關(guān)注的問題。中鋼礦院（馬鞍山）智能應(yīng)急科技有限公司和國內(nèi)某有機(jī)硅生產(chǎn)企業(yè)合作，對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線工藝過程進(jìn)行了充分研究后制訂了生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)改造方案，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的順序控制和原料計(jì)量、小料配比、原料脫水、催化劑添加與聚合反應(yīng)以及脫媒過程等過程的自動(dòng)控制，將各生產(chǎn)環(huán)節(jié)有機(jī)地融為一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程連續(xù)化控制，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量，保障設(shè)備安全運(yùn)行，提高設(shè)備作業(yè)效率，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線自動(dòng)化程度達(dá)到國內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平。

1 生膠生產(chǎn)線自動(dòng)化控制方案及參數(shù)

1.1 生膠生產(chǎn)線自動(dòng)化控制方案

生膠生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)操作員站和PLC控制器及工藝參數(shù)檢測儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。監(jiān)控站由計(jì)算機(jī)、LED屏、操作臺(tái)組成，可對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行信息交換?？刂破靼惭b在控制柜內(nèi)，控制柜由西門子300系列PLC及相關(guān)電子器件等組成，接受計(jì)算機(jī)操作員站組態(tài)和現(xiàn)場檢測信號(hào)，并輸出控制信號(hào)到各控制回路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的目的。監(jiān)控管理級(jí)和控制級(jí)之間由通訊接口裝置及通信電纜連接成一個(gè)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(dòng)檢測與控制的主要參數(shù)

檢測參數(shù)有：計(jì)量槽液位、脫水釜壓力、脫水釜真空度、鼓泡氮?dú)饬髁?、聚合釜攪拌電機(jī)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(jì)量槽液位、脫水釜壓力、脫水釜真空度、鼓泡氮?dú)饬髁康取?/p>

被控變量有：聚合釜壓料速度、聚合釜攪拌器轉(zhuǎn)速等。

生膠生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

2 生膠生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制

2.1 生膠自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)生膠生產(chǎn)過程全流程計(jì)算機(jī)監(jiān)控，即由PLC采集工藝流程設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及主要工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量、液位等），并在計(jì)算機(jī)操作員站上顯示和控制。各工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)結(jié)合工藝流程圖實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，形象直觀、一目了然。自控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)控制進(jìn)行優(yōu)化控制，使其運(yùn)行在工藝要求的范圍內(nèi)。生產(chǎn)過程中，關(guān)鍵工藝參數(shù)或設(shè)備狀態(tài)若出現(xiàn)異常時(shí)，控制系統(tǒng)給予實(shí)時(shí)報(bào)警提示或連鎖停車。

（2）生產(chǎn)工藝中的主要設(shè)備實(shí)現(xiàn)了控制室集中控制操作，不僅可以在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)對(duì)每臺(tái)電機(jī)、閥門等設(shè)備獨(dú)立操作，也可以按照生產(chǎn)工藝要求對(duì)全套系統(tǒng)進(jìn)行流程化自動(dòng)生產(chǎn)。

（3）采用監(jiān)控、報(bào)警、連鎖保護(hù)等技術(shù)手段，能有效提高生產(chǎn)的安全性。

（4）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的事前調(diào)度和生產(chǎn)管理，準(zhǔn)確制定生膠生產(chǎn)和原料的消耗計(jì)劃，準(zhǔn)確地對(duì)生膠的批次、時(shí)間、產(chǎn)量、原料消耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提高生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)備的操作安全和運(yùn)行效率，提高設(shè)備運(yùn)行效率，減少電力損耗，保證系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)與合理運(yùn)行。基于強(qiáng)大的數(shù)據(jù)挖掘工具和規(guī)范化的管理流程，提供準(zhǔn)確有效的生產(chǎn)報(bào)表、有價(jià)值的生產(chǎn)建議，提高公司的能源管理水平。

2.2 生膠生產(chǎn)過程的自動(dòng)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(shè)定好需添加的物料量后，點(diǎn)擊系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕，控制系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉計(jì)量槽放空閥，打開計(jì)量槽真空閥，打開低分子儲(chǔ)槽上的出料閥和放空閥，向計(jì)量槽輸送物料，待加至工藝要求量后，控制系統(tǒng)關(guān)閉低分子儲(chǔ)槽出料閥和放空閥；系統(tǒng)在計(jì)量罐添加完成之后，自動(dòng)向脫水釜進(jìn)料，進(jìn)料完成后，系統(tǒng)按照設(shè)定的生產(chǎn)批料號(hào)自動(dòng)添加對(duì)應(yīng)量的小料?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)工藝要求自動(dòng)打開對(duì)應(yīng)小料儲(chǔ)罐出料閥及放空閥，將小料放入中間計(jì)量罐計(jì)量，當(dāng)放入小料達(dá)到要求量時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉對(duì)應(yīng)的閥門，此過程可根據(jù)工藝需要，反復(fù)進(jìn)行。

（2）在脫水釜進(jìn)料（過濾）過程中，控制系統(tǒng)打開氮?dú)饬髁空{(diào)節(jié)閥，將氮?dú)饬髁靠刂圃诠に囈蟮姆秶鷥?nèi)，穩(wěn)定充氮?dú)獾礁獌?nèi)，不僅起到加熱攪拌的作用，也保護(hù)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(dòng)化控制系統(tǒng)的重中之重。為保證生膠在聚合釜內(nèi)反應(yīng)的質(zhì)量和聚合過程的安全，必須嚴(yán)格對(duì)原料聚合生產(chǎn)過程的堿膠添加量及時(shí)間、反應(yīng)釜加熱溫度及時(shí)間、攪拌器攪拌時(shí)間和轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理控制。“在反應(yīng)過程中有大量的吸熱、放熱的現(xiàn)象發(fā)生。反應(yīng)釜的反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，每個(gè)參數(shù)在反應(yīng)過程中是變化的”[3]。同時(shí)，由于生膠生產(chǎn)中的聚合反應(yīng)過程時(shí)間較短，并且需要同時(shí)監(jiān)控多個(gè)關(guān)鍵變量的參數(shù)變化，僅靠單個(gè)工人進(jìn)行人工操作實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量聚合反應(yīng)的難度較大且工作強(qiáng)度較高。因此，對(duì)生膠聚合生產(chǎn)過程實(shí)行自動(dòng)化控制是保證生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)安全的必要手段和重要措施。自動(dòng)控制系統(tǒng)由操作員站（工業(yè)控制計(jì)算機(jī)）、下位機(jī)（PLC）、現(xiàn)場檢測設(shè)備和執(zhí)行器組成。打開自動(dòng)化控制系統(tǒng)以后，操作員站及PLC進(jìn)入自檢及啟動(dòng)過程，并且自動(dòng)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(shè)備運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)的設(shè)備圖符呈動(dòng)畫狀態(tài)主要工藝參數(shù)的實(shí)際測量值顯示在此畫面中，使得生產(chǎn)狀況一目了然。

① 聚合釜進(jìn)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(yīng)的聚合釜真空閥（開關(guān)閥），并將聚合釜真空度控制至-0.09 MPa后，關(guān)閉聚合釜真空閥?？刂葡到y(tǒng)判斷滿足進(jìn)料（壓料）條件后，打開脫水釜出料閥、聚合應(yīng)釜進(jìn)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(guān)閉，打開混合罐進(jìn)料閥，堿膠罐出料閥、堿膠罐氮?dú)饧訅洪y，根據(jù)生膠生產(chǎn)批號(hào)向混合罐內(nèi)添加規(guī)定數(shù)量的堿膠。添加堿膠后關(guān)閉堿膠罐出料閥、堿膠罐氮?dú)饧訅洪y，然后再打開稀釋劑出料閥、稀釋劑罐氮?dú)饧訅洪y向混合罐加入所需的稀釋劑后關(guān)閉稀釋劑出料閥、稀釋劑罐氮?dú)饧訅洪y，采用氮?dú)夤呐莸倪M(jìn)行混合，混合一定時(shí)間后充氮?dú)獗Ｗo(hù)待用。待需要時(shí)向聚合釜進(jìn)料。

③ 聚合釜溫度控制：在聚合反應(yīng)前及聚合反應(yīng)過程中，都需要對(duì)聚合釜進(jìn)行精準(zhǔn)的溫度控制。聚合釜中的溫度控制得是否準(zhǔn)確，直接影響了生膠進(jìn)行聚合反應(yīng)的速度和是否充分，決定了產(chǎn)出后生膠的質(zhì)量。聚合加溫所用的蒸汽溫度會(huì)因?yàn)樯a(chǎn)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(nèi)的物料溫度傳導(dǎo)又相對(duì)有一定的滯后性。如果按照通用的升溫算法進(jìn)行溫度控制，聚合釜溫度容易超溫，要精準(zhǔn)控制釜溫，升溫時(shí)間則又過長。溫度又要求在限定時(shí)間內(nèi)提升到規(guī)定溫度，所以要在溫度算法上改進(jìn)[4]。已知聚合釜在升溫過程中有三個(gè)變量：加熱蒸汽熱能Qt、釜內(nèi)溫度T、散熱量Qe，蒸汽通過聚合釜內(nèi)的盤管對(duì)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(yīng)過程中釜內(nèi)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(nèi)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(shí)，故傳遞函數(shù)應(yīng)為：

G（s）=KTS+1e-τs

式中： C為 釜內(nèi)物質(zhì)的比熱容；

T（t）為t時(shí)刻釜內(nèi)的溫度；

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

從而得到正常聚合反應(yīng)階段聚合釜溫度升溫傳遞模型。

（4）聚合反應(yīng)完成之后，物料往脫低釜轉(zhuǎn)移。在油溫正常情況下，控制系統(tǒng)自動(dòng)打開脫低受槽真空閥、收集閥，當(dāng)脫低真空度達(dá)到工藝要求時(shí)，即滿足壓料條件。連續(xù)工作時(shí)，上述閥門為常開，只有在抽低分子操作時(shí)需要短時(shí)間開關(guān)。其他特殊工藝根據(jù)要求設(shè)置油溫，生產(chǎn)線開車時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)因?yàn)闆]有膠料，溫度計(jì)探測不到溫度，這時(shí)需要抽真空，要考慮脫低受槽真空閥、收集閥的手動(dòng)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(diǎn)位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其中，投料階段18個(gè)，脫水階段7個(gè)，聚合階段21個(gè)，脫低階段14個(gè)，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(jìn)行封裝，使用TCP協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到緩存消息隊(duì)列中。

3.2 隔離網(wǎng)閘

在工業(yè)控制內(nèi)網(wǎng)和信息處理外網(wǎng)之間，安裝單向隔離網(wǎng)閘，只允許數(shù)據(jù)從內(nèi)網(wǎng)向外網(wǎng)方向流動(dòng)，不允許從外網(wǎng)到內(nèi)網(wǎng)傳輸信息，保證了工業(yè)控制內(nèi)網(wǎng)的安全[6]。

3.3 緩存部件

（1）RabbitMQ：使用輕量級(jí)消息隊(duì)列服務(wù)，對(duì)采集到的大量實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行削峰處理，減少資源消耗；同時(shí)，使用消息的異步特性，可以降低整個(gè)系統(tǒng)的耦合性。

（2）Redis：使用業(yè)界流行的Key/Value內(nèi)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(dá)到10萬/s左右，緩存系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)。

3.4 存儲(chǔ)部件

使用最流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MySQL，存儲(chǔ)采集到的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、后分析的生產(chǎn)批次數(shù)據(jù)、多維度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，持久化生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)管理提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。

3.5 信息處理模塊

首先，對(duì)收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按照投料、脫水、聚合、脫低4個(gè)階段，分批次進(jìn)行篩選，計(jì)算出每個(gè)批次、不同時(shí)間段內(nèi)，低分子、新料、小料A、小料B、小料C、堿膠、稀釋劑等實(shí)際物料添加量，結(jié)合該批次運(yùn)行期間的溫度、壓力、真空度、氮?dú)饬髁?、攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，生成該批次生產(chǎn)參數(shù)；其次，使用JasperReports報(bào)表工具，從各種維度分析實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、生產(chǎn)批次數(shù)據(jù)、分析建模數(shù)據(jù)等，幫助生產(chǎn)管理者了解產(chǎn)線的整體運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)已有數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整，提高工作效率和生產(chǎn)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(jìn)行展示，提高人機(jī)交互體驗(yàn)。

4 結(jié) 論

三年多的穩(wěn)定運(yùn)行表明，自動(dòng)化控制系統(tǒng)提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了工人數(shù)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；信息采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)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(bào)表。自動(dòng)化控制系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于企業(yè)進(jìn)一步提升生產(chǎn)水平和管理水平提供了大力支持，為企業(yè)的長遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展提供了強(qiáng)大助力。

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