高 雪，孟慶國(guó)，李志新，王澤亮

(大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司 機(jī)械加工車(chē)間，遼寧 大連 116033)

隨著市場(chǎng)的變化，橡膠制造企業(yè)的戰(zhàn)略計(jì)劃會(huì)發(fā)生變化，在不斷增加橡膠產(chǎn)品數(shù)量的同時(shí)，更加關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，以便提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟[1]。作為橡膠制造過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，硫化是橡膠生產(chǎn)加工的最后一道工序，其溫度、時(shí)間和壓力直接決定著橡膠硫化的質(zhì)量[2]。橡膠制造企業(yè)通常采用傳統(tǒng)方式控制硫化過(guò)程，手工控制硫化時(shí)間、測(cè)量硫化溫度，且是在假定模具內(nèi)溫度恒定的條件下設(shè)定工藝參數(shù)的。受企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)有平板硫化機(jī)性能(如加熱板傳熱效率)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，操作人員需按個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷硫化時(shí)間。判斷誤差的過(guò)大，常常會(huì)導(dǎo)致橡膠產(chǎn)品欠硫化或過(guò)硫化現(xiàn)象的發(fā)生[3]，而這兩者均會(huì)影響成品質(zhì)量，造成原料的浪費(fèi)。橡膠制造企業(yè)目前采用的人工填寫(xiě)紙質(zhì)表單記錄過(guò)程數(shù)據(jù)方式，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、資源浪費(fèi)等問(wèn)題。為客觀準(zhǔn)確地記錄橡膠制造的硫化過(guò)程數(shù)據(jù)、提高一線人員的工作效能、對(duì)硫化工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控，必須采用數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)硫化過(guò)程的管控。

本文將設(shè)計(jì)基于數(shù)字化車(chē)間的橡膠硫化制造管理系統(tǒng)，將可編程控制技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)等應(yīng)用到橡膠硫化制造管理系統(tǒng)中；通過(guò)工控機(jī)、觸摸屏、傳感裝置等設(shè)定橡膠硫化工藝參數(shù)、獲取過(guò)程數(shù)據(jù)；采用人工智能、比例積分微分(Proportional，Integral，Derivative，簡(jiǎn)稱PID)調(diào)節(jié)算法和可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC)，對(duì)硫化溫度、時(shí)間、壓力進(jìn)行精確調(diào)控；通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和工控機(jī)的通信，對(duì)橡膠制造硫化過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集和記錄，實(shí)現(xiàn)硫化補(bǔ)償時(shí)間的自動(dòng)判斷、硫化過(guò)程的故障預(yù)警和相關(guān)信息的無(wú)紙化管理。

1 管理系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本文在管理系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)時(shí)，主要建立數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)。其中，采集子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是確定數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)，完成硫化工藝參數(shù)的自動(dòng)采集和人機(jī)交互的管理任務(wù)；管理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是建立辦公服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)查詢分系統(tǒng)以及管理分系統(tǒng)的派工、設(shè)備、人員、查詢、報(bào)表自動(dòng)生成等模塊。

所設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)等組成。各子系統(tǒng)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通信方式。管理系統(tǒng)中服務(wù)中心的并發(fā)采集周期可達(dá)0.1 s，典型采集周期為0.5 s，硫化運(yùn)行數(shù)據(jù)的最小采集周期為1 s。本文從整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)即確保了系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)的高效傳輸和實(shí)時(shí)顯示功能。

圖1 管理系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)需要完成橡膠制造硫化工藝參數(shù)(含二段硫化工藝參數(shù))的數(shù)據(jù)采集和環(huán)境溫濕度的數(shù)據(jù)采集。其硬件主要包括互感器、溫濕度計(jì)、變送器、溫度傳感器、繼電器、濕度傳感器、電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)、采集模塊等。

2.1 硫化工藝參數(shù)的采集

2.1.1 一段硫化工藝參數(shù)

針對(duì)橡膠制造的一段硫化過(guò)程，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)需采集硫化溫度、時(shí)間、壓力數(shù)據(jù)。其中，硫化溫度指在橡膠硫化設(shè)備工作時(shí)通過(guò)模具測(cè)溫孔真實(shí)測(cè)出的數(shù)值[4]。傳統(tǒng)上，操作人員需要通過(guò)目視溫度計(jì)讀取數(shù)值并連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)與記錄。實(shí)際上，溫度是不斷波動(dòng)的，操作人員根本無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地讀取其數(shù)值。本文設(shè)計(jì)一套特制的溫度傳感裝置，改變了人工采集、記錄硫化溫度的方式。該裝置具有精度高、防腐防銹性能好等特點(diǎn)，其平穩(wěn)狀態(tài)下采集的溫度數(shù)據(jù)誤差在±1 ℃內(nèi)。將該裝置與硫化設(shè)備關(guān)聯(lián)后，能通過(guò)設(shè)置上下限將溫度控制在加工要求的范圍(151～200 ℃)內(nèi)。在硫化過(guò)程中，只要將該溫度傳感裝置插入測(cè)溫孔即可，而無(wú)需操作人員在迅速取模換料時(shí)頻繁插拔測(cè)溫裝置，能確保溫度數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取，具有很高的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一段硫化過(guò)程中溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集。

一段硫化時(shí)間即為正硫化時(shí)間[4]，一段硫化壓力為硫化過(guò)程的實(shí)時(shí)壓力。將時(shí)間繼電器、電子壓力變送器(其精度可達(dá)0.2%)安裝在橡膠硫化設(shè)備上，通過(guò)PLC控制器和通信接口將時(shí)間繼電器和電子壓力變送器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至管理子系統(tǒng)，即可完成對(duì)一段硫化過(guò)程中時(shí)間、壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

2.1.2 二段硫化工藝參數(shù)

二段硫化過(guò)程需采集的工藝參數(shù)有硫化時(shí)間和硫化箱溫度兩項(xiàng)。本文選用自制溫度傳感器來(lái)采集二段硫化箱的溫度。在溫度傳感器通過(guò)RS485接口將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉瘟蚧瘻囟炔杉骱?，二段硫化溫度采集器能通過(guò)監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)(Monitor and Control Generated System, MCGS)、通信接口，將所采集數(shù)據(jù)上傳至管理子系統(tǒng)。MCGS能夠顯示二段硫化溫度曲線。二段硫化箱的溫度數(shù)據(jù)采集周期為0.5 s。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)能通過(guò)硫化設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)端口直接采集二段硫化的時(shí)間數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信接口將所采集數(shù)據(jù)上傳至管理子系統(tǒng)。

2.2 環(huán)境溫濕度的數(shù)據(jù)采集

在硫化車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)安裝IRM-S02TH型溫濕度數(shù)據(jù)采集裝置(包括溫濕度儀、環(huán)境數(shù)據(jù)采集集中器等)，可采集車(chē)間內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信接口將所采集數(shù)據(jù)上傳至管理子系統(tǒng)。環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

每個(gè)溫濕度儀的巡檢周期約為25 ms，巡檢10個(gè)溫濕度儀約需250 ms。這樣的設(shè)定能夠滿足企業(yè)內(nèi)部橡膠硫化制品環(huán)境采樣周期1 s的特殊工藝要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。

根據(jù)橡膠制造企業(yè)設(shè)備布置與標(biāo)準(zhǔn)化工藝文件的要求，應(yīng)在車(chē)間內(nèi)不同區(qū)域設(shè)置數(shù)量不同的溫濕度儀。各區(qū)域設(shè)置溫濕度儀的數(shù)量如下：硫化區(qū)域5個(gè)，打磨區(qū)域1個(gè)，涂膠區(qū)域1個(gè)，檢驗(yàn)區(qū)域1個(gè)，膠料存放區(qū)域1個(gè)，模具存放區(qū)域1個(gè)。若環(huán)境溫濕度超出工藝設(shè)定范圍，橡膠硫化制造管理系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3 控制子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

橡膠硫化制造管理系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)由PLC、串口線、模擬量輸入輸出模塊、人機(jī)交互模塊等組成。它采用人工智能和PID調(diào)節(jié)算法，能通過(guò)PLC、人機(jī)交互模塊和以太網(wǎng)，將硫化工藝參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器終端[5]，并予以顯示。控制子系統(tǒng)的執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 控制子系統(tǒng)的執(zhí)行流程

針對(duì)一段硫化過(guò)程，控制子系統(tǒng)需要通過(guò)PLC控制器，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工藝文件對(duì)硫化時(shí)間、欠硫化溫度、過(guò)硫化溫度進(jìn)行邏輯控制[6]；根據(jù)硫化溫度自動(dòng)判斷硫化時(shí)間、計(jì)算模具升溫時(shí)間，并對(duì)硫化制造時(shí)間進(jìn)行累計(jì)，在模具升溫時(shí)間超過(guò)規(guī)定硫化時(shí)間一半時(shí)自動(dòng)開(kāi)模，在模具升溫時(shí)間大于規(guī)定硫化時(shí)間的15%時(shí)延長(zhǎng)規(guī)定硫化時(shí)間。

借助管理系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)，可減少加工不合格產(chǎn)品對(duì)時(shí)間和原材料的浪費(fèi)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化過(guò)程中溫度、時(shí)間的自動(dòng)精準(zhǔn)控制，提高硫化產(chǎn)品的質(zhì)量。

4 管理子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

橡膠硫化制造管理系統(tǒng)的管理子系統(tǒng)由相應(yīng)的硬件與軟件兩部分組成。其中硬件部分由服務(wù)器、工程師站顯示屏、資源管理站、交換機(jī)、不間斷電源(Uninterruptible Power Supply，UPS)等組成[7]；軟件部分包括辦公服務(wù)網(wǎng)絡(luò)查詢分系統(tǒng)和橡膠制造過(guò)程管理分系統(tǒng)。通過(guò)管理子系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠制造硫化過(guò)程關(guān)鍵數(shù)據(jù)的無(wú)紙化管理，減少無(wú)效作業(yè)時(shí)間，降低人為差錯(cuò)率，提升質(zhì)量數(shù)據(jù)的記錄效率。這里只詳細(xì)介紹管理子系統(tǒng)的軟件部分。

4.1 辦公服務(wù)網(wǎng)絡(luò)查詢分系統(tǒng)

辦公服務(wù)網(wǎng)絡(luò)查詢分系統(tǒng)是利用動(dòng)態(tài)服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)(Active Server Pages，ASP)升級(jí)版搭建的一個(gè)內(nèi)部小型網(wǎng)站。它采用以“一個(gè)中心”為基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)管理模式，為企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全保駕護(hù)航，能通過(guò)以太網(wǎng)接口接收橡膠制造過(guò)程產(chǎn)生的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作，實(shí)現(xiàn)瀏覽器/服務(wù)器模式的查詢管理。

通過(guò)辦公服務(wù)網(wǎng)絡(luò)查詢分系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的查詢響應(yīng)和流轉(zhuǎn)能在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行；不同權(quán)限的管理人員能根據(jù)職能要求讀取相關(guān)數(shù)據(jù)[8-10]。車(chē)間管理人員、車(chē)間工藝師、質(zhì)量檢驗(yàn)工、一線操作人員及庫(kù)房管理人員，可通過(guò)該分系統(tǒng)查詢硫化機(jī)運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)信息、工單流水號(hào)、電能表讀數(shù)等，調(diào)取每批產(chǎn)品的硫化過(guò)程溫度、壓力、起止時(shí)間、操作人員和設(shè)備情況等橡膠硫化回溯信息，及時(shí)了解設(shè)備能耗、生產(chǎn)環(huán)境溫濕度、材料消耗和模具使用情況。

該分系統(tǒng)包括用戶管理、查詢分析、統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表生成和在線幫助等功能模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠制造過(guò)程所有數(shù)據(jù)在車(chē)間內(nèi)部局域網(wǎng)上的查詢共享。系統(tǒng)對(duì)橡膠制造硫化過(guò)程歷史數(shù)據(jù)的保存時(shí)間不少于10年。

4.2 橡膠制造過(guò)程管理分系統(tǒng)

橡膠制造過(guò)程管理分系統(tǒng)由派工單管理、權(quán)限管理、設(shè)備管理、人員管理、材料管理、工藝管理、模具管理、溫濕度管理、統(tǒng)計(jì)分析管理和幫助10個(gè)模塊組成，能實(shí)現(xiàn)橡膠制造硫化過(guò)程的工作流程管控、無(wú)紙化數(shù)據(jù)管理(含數(shù)據(jù)的顯示、追溯和質(zhì)量記錄的生成)等。

(1) 派工單管理模塊具有自動(dòng)和手動(dòng)操作模式，能夠針對(duì)不同硫化設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的任務(wù)派發(fā)，對(duì)相關(guān)資源參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。借助該模塊，管理人員可新增派工單、查看二段硫化的任務(wù)并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備分配，設(shè)備保養(yǎng)員/操作員能方便地查看自己的派工任務(wù)并進(jìn)行相應(yīng)操作。

(2) 權(quán)限管理模塊具有分配操作、檢驗(yàn)等崗位人員登錄相應(yīng)界面和操作權(quán)限的功能。不同權(quán)限的登錄者進(jìn)入的界面及操作功能均不同。企業(yè)調(diào)度人員可自定義角色和相應(yīng)權(quán)限。

(3) 設(shè)備管理模塊具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行管理并同步顯示的功能，可實(shí)現(xiàn)車(chē)間內(nèi)平板硫化機(jī)、真空硫化機(jī)、干燥箱、輾料機(jī)的線上管理。通過(guò)該模塊，可綁定平板硫化機(jī)操作人員，且可設(shè)定為一人對(duì)多的綁定關(guān)系。

(4) 人員管理模塊用于實(shí)現(xiàn)操作人員和設(shè)備維護(hù)人員的信息管理。登錄管理系統(tǒng)的權(quán)限不同，可查看人員信息的范圍也不同。

(5) 材料管理模塊具有入庫(kù)建碼、出庫(kù)掃碼、派工單出庫(kù)量管理等由專職人員設(shè)定的功能，可用于實(shí)現(xiàn)膠料、膠液和輔材的出入庫(kù)管理，包括領(lǐng)用人、領(lǐng)料量、材料相關(guān)信息(如硫化條件、批次號(hào)、日期、顏色、二維碼)等。

(6) 工藝管理模塊具有工藝參數(shù)的編輯、檢索、調(diào)用等功能。其中，工藝參數(shù)按企業(yè)現(xiàn)行有效版工藝文件的要求執(zhí)行。

(7) 模具管理模塊用于實(shí)現(xiàn)模具的出入庫(kù)管理，包括但不限于對(duì)模具領(lǐng)用人、領(lǐng)用期限、續(xù)借時(shí)間、歸還時(shí)間等一系列相關(guān)信息及流程的管控。該模塊的運(yùn)行，要求事先將各模具按其編號(hào)信息生成唯一的二維碼。它具有的批量導(dǎo)出功能可減少人為勘誤性問(wèn)題的產(chǎn)生。

(8) 溫濕度管理模塊具有采集各制造區(qū)域、打磨區(qū)域、涂膠區(qū)域、檢驗(yàn)區(qū)域、膠料存放區(qū)域、模具存放區(qū)域溫濕度數(shù)據(jù)的功能。溫濕度數(shù)據(jù)的采集周期為0.5 h。當(dāng)采集的溫濕度數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍時(shí)，車(chē)間內(nèi)展示大屏上會(huì)顯示對(duì)應(yīng)區(qū)域的報(bào)警信息。

(9) 統(tǒng)計(jì)分析管理模塊具有質(zhì)量報(bào)表的自動(dòng)生成和打印、歷史報(bào)表查詢等功能。其中，質(zhì)量報(bào)表包含溫度曲線、材料信息、人員信息、硫化過(guò)程參數(shù)、批量記錄、現(xiàn)場(chǎng)溫濕度監(jiān)控記錄等；歷史報(bào)表查詢功能多用于質(zhì)量追溯，可統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，也可調(diào)用硫化過(guò)程參數(shù)，還可查詢每批產(chǎn)品制造過(guò)程的溫濕度、硫化過(guò)程曲線、硫化起止時(shí)間、操作人員信息等。

(10) 幫助模塊具有電子版用戶操作手冊(cè)的在線查看功能，可供所有人員操作系統(tǒng)時(shí)使用。

5 應(yīng)用實(shí)例

某企業(yè)加工一種橡膠產(chǎn)品，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄的周期為28.4 min。每個(gè)操作人員每次記錄3個(gè)數(shù)據(jù)，每次記錄花費(fèi)的時(shí)間為30 s，每月每名操作人員需記錄數(shù)據(jù)1 439次，花費(fèi)時(shí)間約為12 h。

使用橡膠硫化制造管理系統(tǒng)后，該產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄單不再需要操作人員花費(fèi)時(shí)間來(lái)填寫(xiě)，僅需30 s即可打印出來(lái)。每人每月打印質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄單所需時(shí)間僅為0.2 h，可將質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄效率提高約60倍。

圖4所示為橡膠硫化制造管理系統(tǒng)的硫化參數(shù)表單信息自動(dòng)生成界面。

圖4 橡膠硫化制造管理系統(tǒng)的硫化參數(shù)表單信息自動(dòng)生成界面

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)橡膠制造硫化過(guò)程中溫度波動(dòng)對(duì)硫化時(shí)間的不良影響，以及人工填寫(xiě)紙質(zhì)表單方式存在的工作量大、資源浪費(fèi)、易產(chǎn)生人為差錯(cuò)等問(wèn)題，通過(guò)開(kāi)發(fā)數(shù)字化車(chē)間橡膠制造管理系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了橡膠制造硫化過(guò)程數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、記錄、無(wú)紙化管理，以及硫化條件的自診斷、信息的自動(dòng)傳遞，減少了無(wú)效作業(yè)時(shí)間和人為差錯(cuò)。實(shí)踐證明，橡膠硫化制造管理系統(tǒng)的應(yīng)用，能提升質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄效率約60倍，為數(shù)字化車(chē)間的實(shí)現(xiàn)提供了支持。