西门子自动化解决方案在三角集团有限公司密炼机上辅机控制系统的应用设计

［摘要］：三角集团有限公司密炼机上辅机自动配料及控制采用了基于西门子控制系统的先进解决方案。该系统采用PLC、变频器、工业以太网及现场总线联合控制的结构，可满足密炼生产过程中各种原材料的全程自动输送、贮存、称重配料与投料的工艺要求，在减轻劳动强度的同时实现了经济效益与环境效益双赢的良好效果。
［关键词］：密炼机 上辅机 PLC PROFINET PROFIBUS
前言：橡胶机械是汽车等各类运输机械轮胎生产中必不可少的基础环节之一。可以说，汽车离不开轮胎，轮胎生产离不开橡胶机械。改革开放以来，经过三十多年对国外先进技术和应用经验的消化吸收与自主创新，我国的橡胶机械产业取得了飞速发展和令人瞩目的成就，尤其是通过与世界轮胎巨头如米其林、固特异、普利司通等公司的商贸与交流，我国橡胶机械在品种、数量和质量等方面有了一个质的飞跃，已达世界先进水平之列。虽然自2008年以来我国轮胎工业和橡胶机械行业不可避免地受到了金融危机带来的冲击，出口受到严重阻碍，但在国家相关政策的扶植下，行业整体上还是保持了稳步增长的趋势。

密炼机上辅机
         密炼机即密闭式炼胶机，是炼胶机械的一种，它设有一对特定形状并相对回转的转子，在可调温度和压力的密闭状态下间歇性地对聚合物材料进行混炼。随着密炼机的发展，混炼的物料越来越多，转速也越来越快，为了充分发挥密炼机的效率，减轻工人的劳动强度和对环境的污染，迫切需要对密炼机混炼所需物料的运输、贮存、称量、投料等环节实施自动化和信息化。在这样的背景下，上辅机应运而生了，上辅机就是指用于炼胶所需的炭黑、胶料、粉料、油料等的输送、贮存、称量、投料的设备。

密炼机上辅机工作流程示意图


三角集团有限公司简介

        三角集团有限公司（以下简称“三角集团”）始建于1976年，具有30多年专业生产制造轮胎的历史。主要产品包括轿车和轻卡子午胎、卡客车子午胎、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产品，年生产能力2800万套以上，其中子午胎2400万套，同时具备炼胶能力50万吨，轮胎翻新能力50万条，以及独立的研发能力，建有国家级技术开发中心和博士后科研工作站，是全国最大的综合性供产销研一体化轮胎企业。在全球轮胎行业排名前十四强，居2008中国化工500强企业第十五位，六次跻身中国企业500强。

三角集团外景
明智之选
        三角集团在筹建一条新的炼胶生产线时，对于密炼机上辅机的智能化控制系统格外重视。这套系统不仅要满足当前生产工艺、人力配备与环保达标的要求，而且要采用国际最先进的技术、创立项目应用典范。正是基于这些考虑，三角集团对密炼机上辅机的控制系统在设计上提出了以下要求：
性能先进、稳定可靠
        对于轮胎等橡胶制品的生产环节而言，炼胶是整体生产工艺的前道工序，占据首当其冲的位置，与轮胎生产厂的产量产值关系重大，因此相应的控制系统必须能够适应长期连续无差错运行的考验，同时，各种炼制原料的称量、投料等相关参数与自动控制水平息息相关，只有真正具备先进性、可靠性的控制系统才能完全满足实际应用的需要。
网络化控制
        密炼车间一般由炭黑、粉料气力输送与贮存部分、炭黑、粉料自动称重配料、投料部分、油料贮存、脱水、输送、自动称重配料及注射部分和胶料称重与投料部分等工艺段组成，传统的PLC控制结构不仅需要耗费大量的电缆、端子及配件，并且在安装、维护方面都遇到了很多难题，而基于现场总线的控制结构恰恰可以解决这些问题，同时给使用者带来更多的便利。此外，本套密炼机上辅机的控制系统还需要与单独设置的炭黑输送系统及全厂计算机网络进行数据交换，在信息层需要采用高速、实时的工业以太网完成信息通讯的重任。
智能化管理
        在密炼机上辅机对原料与各种配合剂进行混炼时，会涉及时间、温度等不同的控制方式，产生重量、转速、压力等关键数据，需要由计算机管理级有效地利用这些大量的过程信息，迅速、准确地掌握生产过程运行情况，正确下达指令以确保生产按计划执行，并在最大程度上优化整体生产线的性能。
        最终，经过与三角集团多次沟通论证，由北京万向新元科技有限公司负责系统集成的西门子自动化解决方案脱颖而出，担负起了为三角集团密炼机上辅机保驾护航的重任。

系统构成

密炼机上辅机控制系统结构简图
        控制系统采用三级网络控制结构，即现场设备级、系统控制级和管理级。
        现场设备级是整个系统的信息来源和指令的具体执行者，包含各类传感器、现场仪表、电机、变频器等，其中变频器选用了西门子用于控制三相交流电动机速度的标准变频器MicroMaster440，并作为PROFIBUS-DP从站与PLC进行通讯。现场设备可对粉料、油料、胶料的供料、称量、投料及主机混炼等各种信号进行采集和执行动作控制，通过参数设定，变频器可根据需要对相应设备进行调速，实现炭黑等原料的快、慢速加料。快速可以缩短称量周期，提高效率，慢速则可以进行精细加料，减少误差。
        系统控制级是上辅机系统的控制核心，采用工业上有着非常广泛应用基础的西门子S7-300系列PLC（CPU 315-2 PN/DP）。除CPU主站外，设有由ET200M分布式I/O构成的远程分站，主站与远程站之间采用PROFIBUS-DP现场总线进行通讯。PLC在运行中按编制的程序和设定参数控制炭黑、粉料、油料和胶料的自动称量配料、投料以及执行密炼机主机的混炼程序。


PLC主站控制柜

PLC远程分站控制柜
        位于控制系统顶层的为管理级，由工业控制计算机、以太网交换机通过PROFINET标准组成工业以太网并与全厂计算机系统构成管理网络。管理级的功能主要是完成配方管理（其中包括配方输入、配方修改、配方打印、配方复制等）、配方运行（含配方下传、参数下传、配方运行）、数据报表（含日报表、运行记录、物料统计等）、参数设置（含生产量及相关参数）等，还包括系统运行状态的监视、完成生产量的统计、故障提示报警等功能。

上位机主监控画面

配方修改画面

报表打印画面

报警记录画面
PROFINET标准
        PNO（PROFIBUS用户组织）于2001年8月发表了PROFINET规范。PROFINET基于工业以太网标准；使用TCP/IP 协议和 IT标准；能够实现自动化技术与实时以太网技术的统一；无缝集成其他现场总线系统。
        PROFINET 可将所有工厂自动化功能甚至高性能驱动技术应用均包括在内。开放式标准可适用于工业自动化的所有相关要求：工业可兼容安装技术、简单网络管理和诊断、实时功能、通过工业以太网集成分布式现场设备以及高效的与制造商无关的工程与组态等。
        通过 PROFINET，无需任何专业知识，即可根据“PROFINET 安装指南”实现工业可兼容布线网络。对于地址分配和设备网络诊断等问题，PROFINET 使用的 IT 标准 为 DCP（Discovery and Basic Configuration）、SNMP（简单网络管理协议，Simple Network Management Protocol）、HTML 以及 XML。所有这些设备的集成为用户在试车和维修等方面提供了更高效、更经济的可能性。

控制效果
        应用密炼机上辅机控制系统后，炭黑、粉料采用连续累计方式计量, 可按工艺配方要求自动计量每种物料。计量时贮斗中炭黑或粉料按配方要求经螺旋加料器分快、慢速向炭黑粉料秤加料称量，达到称量值并符合误差要求后停止加料。全部物料按工艺配方要求卸入到中间过渡斗中暂存，炭粉秤可进行另一车料的称量。在暂存过程中,中间斗对物料总重量校核， 可防止人为误操作投料．密炼机需投炭粉时，经顺料筒、排错叉道、后装料斗投入密炼机中。
        油料按配方要求称量后，由注油泵将其注入密炼机中。残存在注油管道中的油料在注油泵停止运转后,由压缩空气自动扫入密炼机中。 注油泵前设有检验排油阀门,当称错或检验油料称量系统精度时,打开此阀排出油液。
        块状胶料由工人搬至胶料皮带秤上称量，连续的胶片经皮带秤供胶机向胶料秤上加料，胶料秤终端与中央控制室相连，显示屏按配方要求给出需称量的胶料号、胶料名称、预定重量、允许误差、实际称量值、以减少人为误差, 方便工人操作。称量好并符合误差要求的胶料转运至投料运输带上暂存，密炼机需加胶料时，运输带将其投入密炼机中。

项目实施
        三角集团密炼机上辅机控制系统项目由万向新元公司从2009年10月份开始进行系统设计工作。由于万向新元公司专业从事物料气力输送和自动称重配料等系统的开发集成，已经在多年工作中积累了大量的自动化技术资源和行业实践经验，因此从现场安装调试到投入试生产仅用时１个半月，并且于2010年初系统一次试车成功，以出众的产品性能和规范高效的项目实施能力获得了最终用户的肯定和一致好评。

成功经验
        截至目前，从三角集团密炼车间的运行状况来看，本系统具有结构灵活先进、人机界面友好、集控制和管理于一体等优点。较之过去落后的操作方式，有明显的优势：
1、对密炼车间的环境有很大的改善，达到国家环保标准；
2、上辅机的应用使混炼效率大大提高，节省人力。由于炭黑、粉料、油料均为自动称量投料，不需要人工投运，混炼周期大大缩短。人力可以节省２０％左右；
3、对于成品胶的质量有很大的提高。人工投料时，重量精度一般难以及保证，且手动操作对于混炼工艺难以准确执行。在自动称量投料后，此问题得到相应的解决；
4、整个混炼过程具有可追溯性。混炼过程具有实时的曲线和报表，并且可以观看生产回放，有助于更快的解决问题。
        作为国内首个在橡胶机械领域应用PROFINET标准网络的控制系统，三角集团密炼机上辅机控制系统为同类型机组做出了卓有成效的有益尝试并获得了实实在在的效益。西门子也将一如既往地关注自动化新技术在所有行业、领域的应用，秉持不断开拓创新的精神，引领行业进步，为我国的可持续发展继续贡献力量。