西門(mén)子自動(dòng)化解決方案在三角集團(tuán)有限公司密煉機(jī)上輔機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)
［摘要］：三角集團(tuán)有限公司密煉機(jī)上輔機(jī)自動(dòng)配料及控制采用了基于西門(mén)子控制系統(tǒng)的先進(jìn)解決方案。該系統(tǒng)采用PLC、變頻器、工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)聯(lián)合控制的結(jié)構(gòu)，可滿(mǎn)足密煉生產(chǎn)過(guò)程中各種原材料的全程自動(dòng)輸送、貯存、稱(chēng)重配料與投料的工藝要求，在減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益雙贏的良好效果。
［關(guān)鍵詞］：密煉機(jī) 上輔機(jī) PLC PROFINET PROFIBUS
前言：橡膠機(jī)械是汽車(chē)等各類(lèi)運(yùn)輸機(jī)械輪胎生產(chǎn)中必不可少的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一?？梢哉f(shuō)，汽車(chē)離不開(kāi)輪胎，輪胎生產(chǎn)離不開(kāi)橡膠機(jī)械。改革開(kāi)放以來(lái)，經(jīng)過(guò)三十多年對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的消化吸收與自主創(chuàng)新，我國(guó)的橡膠機(jī)械產(chǎn)業(yè)取得了飛速發(fā)展和令人矚目的成就，尤其是通過(guò)與世界輪胎巨頭如米其林、固特異、普利司通等公司的商貿(mào)與交流，我國(guó)橡膠機(jī)械在品種、數(shù)量和質(zhì)量等方面有了一個(gè)質(zhì)的飛躍，已達(dá)世界先進(jìn)水平之列。雖然自2008年以來(lái)我國(guó)輪胎工業(yè)和橡膠機(jī)械行業(yè)不可避免地受到了金融危機(jī)帶來(lái)的沖擊，出口受到嚴(yán)重阻礙，但在國(guó)家相關(guān)政策的扶植下，行業(yè)整體上還是保持了穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
密煉機(jī)上輔機(jī)
密煉機(jī)即密閉式煉膠機(jī)，是煉膠機(jī)械的一種，它設(shè)有一對(duì)特定形狀并相對(duì)回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，在可調(diào)溫度和壓力的密閉狀態(tài)下間歇性地對(duì)聚合物材料進(jìn)行混煉。隨著密煉機(jī)的發(fā)展，混煉的物料越來(lái)越多，轉(zhuǎn)速也越來(lái)越快，為了充分發(fā)揮密煉機(jī)的效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和對(duì)環(huán)境的污染，迫切需要對(duì)密煉機(jī)混煉所需物料的運(yùn)輸、貯存、稱(chēng)量、投料等環(huán)節(jié)實(shí)施自動(dòng)化和信息化。在這樣的背景下，上輔機(jī)應(yīng)運(yùn)而生了，上輔機(jī)就是指用于煉膠所需的炭黑、膠料、粉料、油料等的輸送、貯存、稱(chēng)量、投料的設(shè)備。
密煉機(jī)上輔機(jī)工作流程示意圖
三角集團(tuán)有限公司簡(jiǎn)介
三角集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“三角集團(tuán)”）始建于1976年，具有30多年專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)制造輪胎的歷史。主要產(chǎn)品包括轎車(chē)和輕卡子午胎、卡客車(chē)子午胎、工程子午胎、巨型工程子午胎、巨型斜交工程胎和普通斜交胎等產(chǎn)品，年生產(chǎn)能力2800萬(wàn)套以上，其中子午胎2400萬(wàn)套，同時(shí)具備煉膠能力50萬(wàn)噸，輪胎翻新能力50萬(wàn)條，以及獨(dú)立的研發(fā)能力，建有國(guó)家級(jí)技術(shù)開(kāi)發(fā)中心和博士后科研工作站，是全國(guó)最大的綜合性供產(chǎn)銷(xiāo)研一體化輪胎企業(yè)。在全球輪胎行業(yè)排名前十四強(qiáng)，居2008中國(guó)化工500強(qiáng)企業(yè)第十五位，六次躋身中國(guó)企業(yè)500強(qiáng)。
三角集團(tuán)外景
明智之選
三角集團(tuán)在籌建一條新的煉膠生產(chǎn)線(xiàn)時(shí)，對(duì)于密煉機(jī)上輔機(jī)的智能化控制系統(tǒng)格外重視。這套系統(tǒng)不僅要滿(mǎn)足當(dāng)前生產(chǎn)工藝、人力配備與環(huán)保達(dá)標(biāo)的要求，而且要采用國(guó)際最先進(jìn)的技術(shù)、創(chuàng)立項(xiàng)目應(yīng)用典范。正是基于這些考慮，三角集團(tuán)對(duì)密煉機(jī)上輔機(jī)的控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上提出了以下要求：
性能先進(jìn)、穩(wěn)定可靠
對(duì)于輪胎等橡膠制品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)而言，煉膠是整體生產(chǎn)工藝的前道工序，占據(jù)首當(dāng)其沖的位置，與輪胎生產(chǎn)廠(chǎng)的產(chǎn)量產(chǎn)值關(guān)系重大，因此相應(yīng)的控制系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)長(zhǎng)期連續(xù)無(wú)差錯(cuò)運(yùn)行的考驗(yàn)，同時(shí)，各種煉制原料的稱(chēng)量、投料等相關(guān)參數(shù)與自動(dòng)控制水平息息相關(guān)，只有真正具備先進(jìn)性、可靠性的控制系統(tǒng)才能完全滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要。
網(wǎng)絡(luò)化控制
密煉車(chē)間一般由炭黑、粉料氣力輸送與貯存部分、炭黑、粉料自動(dòng)稱(chēng)重配料、投料部分、油料貯存、脫水、輸送、自動(dòng)稱(chēng)重配料及注射部分和膠料稱(chēng)重與投料部分等工藝段組成，傳統(tǒng)的PLC控制結(jié)構(gòu)不僅需要耗費(fèi)大量的電纜、端子及配件，并且在安裝、維護(hù)方面都遇到了很多難題，而基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的控制結(jié)構(gòu)恰恰可以解決這些問(wèn)題，同時(shí)給使用者帶來(lái)更多的便利。此外，本套密煉機(jī)上輔機(jī)的控制系統(tǒng)還需要與單獨(dú)設(shè)置的炭黑輸送系統(tǒng)及全廠(chǎng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在信息層需要采用高速、實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)完成信息通訊的重任。
智能化管理
在密煉機(jī)上輔機(jī)對(duì)原料與各種配合劑進(jìn)行混煉時(shí)，會(huì)涉及時(shí)間、溫度等不同的控制方式，產(chǎn)生重量、轉(zhuǎn)速、壓力等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，需要由計(jì)算機(jī)管理級(jí)有效地利用這些大量的過(guò)程信息，迅速、準(zhǔn)確地掌握生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行情況，正確下達(dá)指令以確保生產(chǎn)按計(jì)劃執(zhí)行，并在最大程度上優(yōu)化整體生產(chǎn)線(xiàn)的性能。
最終，經(jīng)過(guò)與三角集團(tuán)多次溝通論證，由北京萬(wàn)向新元科技有限公司負(fù)責(zé)系統(tǒng)集成的西門(mén)子自動(dòng)化解決方案脫穎而出，擔(dān)負(fù)起了為三角集團(tuán)密煉機(jī)上輔機(jī)保駕護(hù)航的重任。
系統(tǒng)構(gòu)成
密煉機(jī)上輔機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
控制系統(tǒng)采用三級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)，即現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)、系統(tǒng)控制級(jí)和管理級(jí)。
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)是整個(gè)系統(tǒng)的信息來(lái)源和指令的具體執(zhí)行者，包含各類(lèi)傳感器、現(xiàn)場(chǎng)儀表、電機(jī)、變頻器等，其中變頻器選用了西門(mén)子用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的標(biāo)準(zhǔn)變頻器MicroMaster440，并作為PROFIBUS-DP從站與PLC進(jìn)行通訊?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可對(duì)粉料、油料、膠料的供料、稱(chēng)量、投料及主機(jī)混煉等各種信號(hào)進(jìn)行采集和執(zhí)行動(dòng)作控制，通過(guò)參數(shù)設(shè)定，變頻器可根據(jù)需要對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)炭黑等原料的快、慢速加料。快速可以縮短稱(chēng)量周期，提高效率，慢速則可以進(jìn)行精細(xì)加料，減少誤差。
系統(tǒng)控制級(jí)是上輔機(jī)系統(tǒng)的控制核心，采用工業(yè)上有著非常廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)的西門(mén)子S7-300系列PLC（CPU 315-2 PN/DP）。除CPU主站外，設(shè)有由ET200M分布式I/O構(gòu)成的遠(yuǎn)程分站，主站與遠(yuǎn)程站之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行通訊。PLC在運(yùn)行中按編制的程序和設(shè)定參數(shù)控制炭黑、粉料、油料和膠料的自動(dòng)稱(chēng)量配料、投料以及執(zhí)行密煉機(jī)主機(jī)的混煉程序。
PLC主站控制柜
PLC遠(yuǎn)程分站控制柜
位于控制系統(tǒng)頂層的為管理級(jí)，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)PROFINET標(biāo)準(zhǔn)組成工業(yè)以太網(wǎng)并與全廠(chǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成管理網(wǎng)絡(luò)。管理級(jí)的功能主要是完成配方管理（其中包括配方輸入、配方修改、配方打印、配方復(fù)制等）、配方運(yùn)行（含配方下傳、參數(shù)下傳、配方運(yùn)行）、數(shù)據(jù)報(bào)表（含日?qǐng)?bào)表、運(yùn)行記錄、物料統(tǒng)計(jì)等）、參數(shù)設(shè)置（含生產(chǎn)量及相關(guān)參數(shù)）等，還包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視、完成生產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)、故障提示報(bào)警等功能。
上位機(jī)主監(jiān)控畫(huà)面
配方修改畫(huà)面
報(bào)表打印畫(huà)面
報(bào)警記錄畫(huà)面
PROFINET標(biāo)準(zhǔn)
PNO（PROFIBUS用戶(hù)組織）于2001年8月發(fā)表了PROFINET規(guī)范。PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；使用TCP/IP 協(xié)議和 IT標(biāo)準(zhǔn)；能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的統(tǒng)一；無(wú)縫集成其他現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)。
PROFINET 可將所有工廠(chǎng)自動(dòng)化功能甚至高性能驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用均包括在內(nèi)。開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)可適用于工業(yè)自動(dòng)化的所有相關(guān)要求：工業(yè)可兼容安裝技術(shù)、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理和診斷、實(shí)時(shí)功能、通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)集成分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及高效的與制造商無(wú)關(guān)的工程與組態(tài)等。
通過(guò) PROFINET，無(wú)需任何專(zhuān)業(yè)知識(shí)，即可根據(jù)“PROFINET 安裝指南”實(shí)現(xiàn)工業(yè)可兼容布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于地址分配和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)診斷等問(wèn)題，PROFINET 使用的 IT 標(biāo)準(zhǔn) 為 DCP（Discovery and Basic Configuration）、SNMP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，Simple Network Management Protocol）、HTML 以及 XML。所有這些設(shè)備的集成為用戶(hù)在試車(chē)和維修等方面提供了更高效、更經(jīng)濟(jì)的可能性。
控制效果
應(yīng)用密煉機(jī)上輔機(jī)控制系統(tǒng)后，炭黑、粉料采用連續(xù)累計(jì)方式計(jì)量, 可按工藝配方要求自動(dòng)計(jì)量每種物料。計(jì)量時(shí)貯斗中炭黑或粉料按配方要求經(jīng)螺旋加料器分快、慢速向炭黑粉料秤加料稱(chēng)量，達(dá)到稱(chēng)量值并符合誤差要求后停止加料。全部物料按工藝配方要求卸入到中間過(guò)渡斗中暫存，炭粉秤可進(jìn)行另一車(chē)料的稱(chēng)量。在暫存過(guò)程中,中間斗對(duì)物料總重量校核， 可防止人為誤操作投料．密煉機(jī)需投炭粉時(shí)，經(jīng)順料筒、排錯(cuò)叉道、后裝料斗投入密煉機(jī)中。
油料按配方要求稱(chēng)量后，由注油泵將其注入密煉機(jī)中。殘存在注油管道中的油料在注油泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)后,由壓縮空氣自動(dòng)掃入密煉機(jī)中。 注油泵前設(shè)有檢驗(yàn)排油閥門(mén),當(dāng)稱(chēng)錯(cuò)或檢驗(yàn)油料稱(chēng)量系統(tǒng)精度時(shí),打開(kāi)此閥排出油液。
塊狀膠料由工人搬至膠料皮帶秤上稱(chēng)量，連續(xù)的膠片經(jīng)皮帶秤供膠機(jī)向膠料秤上加料，膠料秤終端與中央控制室相連，顯示屏按配方要求給出需稱(chēng)量的膠料號(hào)、膠料名稱(chēng)、預(yù)定重量、允許誤差、實(shí)際稱(chēng)量值、以減少人為誤差, 方便工人操作。稱(chēng)量好并符合誤差要求的膠料轉(zhuǎn)運(yùn)至投料運(yùn)輸帶上暫存，密煉機(jī)需加膠料時(shí)，運(yùn)輸帶將其投入密煉機(jī)中。
項(xiàng)目實(shí)施
三角集團(tuán)密煉機(jī)上輔機(jī)控制系統(tǒng)項(xiàng)目由萬(wàn)向新元公司從2009年10月份開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。由于萬(wàn)向新元公司專(zhuān)業(yè)從事物料氣力輸送和自動(dòng)稱(chēng)重配料等系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)集成，已經(jīng)在多年工作中積累了大量的自動(dòng)化技術(shù)資源和行業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此從現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試到投入試生產(chǎn)僅用時(shí)１個(gè)半月，并且于2010年初系統(tǒng)一次試車(chē)成功，以出眾的產(chǎn)品性能和規(guī)范高效的項(xiàng)目實(shí)施能力獲得了最終用戶(hù)的肯定和一致好評(píng)。
成功經(jīng)驗(yàn)
截至目前，從三角集團(tuán)密煉車(chē)間的運(yùn)行狀況來(lái)看，本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活先進(jìn)、人機(jī)界面友好、集控制和管理于一體等優(yōu)點(diǎn)。較之過(guò)去落后的操作方式，有明顯的優(yōu)勢(shì)：
1、對(duì)密煉車(chē)間的環(huán)境有很大的改善，達(dá)到國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)；
2、上輔機(jī)的應(yīng)用使混煉效率大大提高，節(jié)省人力。由于炭黑、粉料、油料均為自動(dòng)稱(chēng)量投料，不需要人工投運(yùn)，混煉周期大大縮短。人力可以節(jié)?。玻埃プ笥遥?/FONT>
3、對(duì)于成品膠的質(zhì)量有很大的提高。人工投料時(shí)，重量精度一般難以及保證，且手動(dòng)操作對(duì)于混煉工藝難以準(zhǔn)確執(zhí)行。在自動(dòng)稱(chēng)量投料后，此問(wèn)題得到相應(yīng)的解決；
4、整個(gè)混煉過(guò)程具有可追溯性?；鞜掃^(guò)程具有實(shí)時(shí)的曲線(xiàn)和報(bào)表，并且可以觀看生產(chǎn)回放，有助于更快的解決問(wèn)題。
作為國(guó)內(nèi)首個(gè)在橡膠機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用PROFINET標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，三角集團(tuán)密煉機(jī)上輔機(jī)控制系統(tǒng)為同類(lèi)型機(jī)組做出了卓有成效的有益嘗試并獲得了實(shí)實(shí)在在的效益。西門(mén)子也將一如既往地關(guān)注自動(dòng)化新技術(shù)在所有行業(yè)、領(lǐng)域的應(yīng)用，秉持不斷開(kāi)拓創(chuàng)新的精神，引領(lǐng)行業(yè)進(jìn)步，為我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展繼續(xù)貢獻(xiàn)力量。
本文標(biāo)簽：西門(mén)子自動(dòng)化解決方案在三角集團(tuán)有限公司密煉機(jī)上輔機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)
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