寬幅平板硫化機多缸與電熱同步智能控制的探討
摘要：設(shè)計了一種新型平板硫化機控制方案。將傳統(tǒng)的分步供油、大徑液壓缸加熱方式改為多缸下壓方式，井將加熱方式改為陶瓷電熱。為此設(shè)計了多缸同步控制方案、共燒陶瓷電熱同步控制方案，同時為達到精確控制水平，整套控制系統(tǒng)采用模糊-PID復(fù)合控制方式。希望該方案對同行有借鑒作用。
關(guān)鍵詞:寬幅平板硫化機;多缸同步;陶瓷電熱;靜磁柵;模糊-PID;智能化
中圖分類號:TQ330. 493 文獻標識碼:B 文章編號: 1009-797X(2008)01-0055-03
應(yīng)市場要求，我們研發(fā)設(shè)計了寬幅平帶平板硫化機系列機組。其主機要求3.2～6.4 m幅寬，采用可解體預(yù)應(yīng)力框架，多缸上位下壓，低位節(jié)材、陶瓷電熱、單高壓液壓站，可中割分幅，單層/雙層設(shè)計，雙向組線等。
該機組定位于裝備國際、國內(nèi)及再生膠利用市場中高強鋼繩運輸帶和片卷材生產(chǎn)用戶，為保護知識產(chǎn)權(quán)，該系列機組關(guān)鍵技術(shù)擬申報發(fā)明專利。其中多缸同步與電熱同步智能控制為本研發(fā)項目的要點之一。
1 同步節(jié)能控制方案
通常，柱式、框架式平帶平板硫化機的下位上壓或上位下壓采用分步供油、大徑液壓缸方式。這些方式中，由于硫化過程需對硫化生帶施加1.5-4 MPa的壓力 (國外廠家達到5 MPa)，致使液壓缸體、本機機體龐大，耗材總量驚人，成本居高不下。
為解決上述問題，異于以往設(shè)計，本研發(fā)設(shè)計采用反傳統(tǒng)的多缸上位下壓，其中多缸空行程部分采用氣液補償、作功保壓部分采用雙作用高壓干斤頂，開檔回程則采用有桿缸反向回程。研發(fā)過程中設(shè)計了機械同步和采用雙高壓泵站強制間歇供油，并用同型號的電液伺服閥控制，所有電液伺服閥有相同的基本輸入信號保持同步，通過調(diào)節(jié)電液伺服閥的輸入信號控制進油量消除同步誤差。但出于半閉環(huán)伺服控制要求，我們在各缸附加了靜磁柵油缸行程檢測儀，這是一種新型的油缸外置式位置傳感器，其具備顯示位置、閉環(huán)控制和通訊轉(zhuǎn)換等多種功能。而這種機電液一體化位置控制需要考慮控制智能化。
其次，異于蒸汽一過熱水、電熱油或電熱管加冷卻水的流道熱板加熱方式，為富電且不允許增設(shè)鍋爐地區(qū)用戶考慮，我們采用共燒陶瓷電熱組件對熱板加熱。其以高熱導(dǎo)率陶瓷— 氧化鋁瓷為基體，以耐熱難熔金屬作為內(nèi)電極形成發(fā)熱電路，通過一系列特殊工藝將兩片氧化鋁生瓷片共燒而成 (片狀元件)。其優(yōu)點是:①結(jié)構(gòu)簡單;②升溫迅速;③功率密度大;④加熱溫度高達400℃以上;⑤熱效率高;⑥加熱均勻;⑦無明火，使用安全;⑧可實現(xiàn)復(fù)雜形狀的平面加熱;⑨發(fā)熱電路與空氣隔絕;組件耐酸堿及其他腐蝕性物質(zhì)，壽命長;⑩組件本身及生產(chǎn)過程符合環(huán)保 (ROHS)要求等，具備國際SGS認證。采用陶瓷電熱件、對節(jié)材、節(jié)水、降耗效果顯見，其能對加熱區(qū)域分別精確控溫，對穩(wěn)定硫化效果甚至于不同材質(zhì)的覆層硫化平帶具有柔性化，同樣，這種電熱控制也需要考慮控制智能化。
在硫化過程中，硫化壓力和溫度是極為重要的參數(shù)，由于產(chǎn)品用途不同，硫化材質(zhì)、配方不盡相同，硫化工藝參數(shù)亦多變，即便是細微變化，也是裝備制造廠家研發(fā)設(shè)計時需要前澹性綜合考慮的。而上述兩類控制智能化的整合思維則是本文成因。
2 多缸同步控制
多缸配置中，采用以基準缸的行程位置為準，校準其余加壓缸的位置傳感器零點;而動/定熱板均壓分布筋采用 FEA優(yōu)化設(shè)計;機械同步、制造和使用誤差采用傳統(tǒng)壓鉛方法對冷熱靜態(tài)取值機械補償，確定機械原始零點。但產(chǎn)品厚度偏差檢測超標時，需再次校核該原點。
同步控制過程如下:各非基準油缸的位置與基準缸的位置傳感器靜磁柵油缸位置信號進行檢測對比，同步誤差經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換采集到PLC戴計算機中，在預(yù)設(shè)控制智能化的軟件算法下進行處理后輸出數(shù)字控制量，再由D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，通過調(diào)節(jié)電液伺服閥的輸人信號控制差位油缸進油量，消除同步誤差，這樣，通過控制電液實現(xiàn)各子系統(tǒng)驅(qū)動油缸同步運動。誤差到達容差平衡值時，加壓系統(tǒng)進人保壓狀態(tài)，高壓泵站停機。此后的泄漏造成的誤差由于密封件與油缸制造精度統(tǒng)一，基本控制在等同容差范圍內(nèi)。
3 電熱的同步控制
由于共燒陶瓷電熱組件在制造過程中可能造成單件面積上的區(qū)域溫差和件間差異化溫差，因此，設(shè)計中采用夾裝鋁制均熱板。測溫方式為在每塊共燒陶瓷電熱組件相對的熱板背面鉆孔安置若干熱電偶，而共燒陶瓷電熱組件也分別控制供電。校正測溫方法同傳統(tǒng)方法無異，單一基準溫度直接在HMI設(shè)定。
溫度同步控制過程如下:各共燒陶瓷電熱組件溫度誤差經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換采集到PLC戴計算機，在預(yù)設(shè)控制智能化的軟件算法下進行處理后，輸出到相對應(yīng)的共燒陶瓷電熱組件開關(guān)量信號，通過通斷信號控制可控硅對其導(dǎo)通供電生熱，實現(xiàn)同步控溫。由于采用接近需要溫度時，斷電并逐漸補溫，類似占空比方式保證溫度波動限制在容差平衡值范圍，因此也不用冷卻水降溫。但端頭局部防硫化水冷裝置仍然需要，因為鋼熱板隨時間的延長會均熱，可能造成接頭搭接部焦燒、過硫影響平帶質(zhì)量。
4 整合控制智能化的實現(xiàn)
同步控制系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分就是控制智能化方案的選擇及優(yōu)化。不同的控制方案都各具特色，都可以通過某種調(diào)整方式和調(diào)整原則達到預(yù)期的目的。經(jīng)過比較分析，對上述同步 采用FUZZY-PID復(fù)合控制。
模糊 (FUZZY)控制具有不建立數(shù)學(xué)模型獸棒性較好，但其控制動作欠細膩，穩(wěn)態(tài)精度欠佳等特點。由于采用一部PLC威IPC進行控制，需兼顧控溫和控位兩方面要求，溫度同步控制在此處可以采用模糊控制。同時，多缸位置同步在行程終點近達段以前也可以采用模糊控制，而接近終點平抑誤差時采用PID控制為好，因此可以綜合以上兩種控制的優(yōu)點，引入FUZZY-PID復(fù)合控制，來提高控制系統(tǒng)的綜合性能。.
模糊控制與PID控制相復(fù)合的方案為:設(shè)定一個域值，當誤差在域值以外時，采用模糊控制，以獲得更好的瞬態(tài)性能;當誤差落到域值以內(nèi)時，則采用PID控制，以獲.得更好的穩(wěn)態(tài)性能。這種模糊控制與PID控制兩種控制模式相結(jié)合的控制策略就是模糊-PID復(fù)合控制，具體的控制程序中，采用相同的控制智能的模塊軟件算法。只是相對于多缸同步和溫度同步，將A/D轉(zhuǎn)換的誤差值換算成等量級誤差數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果分別為D/A量和開關(guān)量，分別控制兩項同步。在實際運行中，這兩種控制隨硫化工藝步驟一般不會同時發(fā)生，采用人工干預(yù)戴輪詢即可避免。同時，數(shù)據(jù)采集量和點數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換模塊的需求也不一樣，分段控制也是勢在必行的。
5 結(jié)語
平帶平板硫化機是生產(chǎn)定型久遠的成熟裝備產(chǎn)品，國產(chǎn)機型和國外機型差距在于控制和穩(wěn)定性的水平差異。研發(fā)新機定位在于拉近差距，所以，我們在研制寬幅平帶平板硫化機時，對其關(guān)鍵技術(shù)多缸同步與，電熱同步智能FUZZY-PID復(fù)合控制做了整合探討，其方法是一種創(chuàng)新的嘗試，同時，也為同業(yè)研發(fā)技術(shù)人員提供一種借鑒思路，其拋磚引玉的目的是共同推動中國的像機裝備制造水準邁向世界先進水平。
參考文獻:
[1] 賀艷秋，黃大貴 電阻爐FUZZY-PID溫度控制系統(tǒng)[J].橡膠工業(yè)，2006, 53 (2):103-105.
[2l 冶占武，鄒大鵬，司振軍.多機構(gòu)同步系統(tǒng)智能控制的實現(xiàn).佳工機電網(wǎng)，2006, 4
關(guān)鍵詞:寬幅平板硫化機;多缸同步;陶瓷電熱;靜磁柵;模糊-PID;智能化
中圖分類號:TQ330. 493 文獻標識碼:B 文章編號: 1009-797X(2008)01-0055-03
應(yīng)市場要求，我們研發(fā)設(shè)計了寬幅平帶平板硫化機系列機組。其主機要求3.2～6.4 m幅寬，采用可解體預(yù)應(yīng)力框架，多缸上位下壓，低位節(jié)材、陶瓷電熱、單高壓液壓站，可中割分幅，單層/雙層設(shè)計，雙向組線等。
該機組定位于裝備國際、國內(nèi)及再生膠利用市場中高強鋼繩運輸帶和片卷材生產(chǎn)用戶，為保護知識產(chǎn)權(quán)，該系列機組關(guān)鍵技術(shù)擬申報發(fā)明專利。其中多缸同步與電熱同步智能控制為本研發(fā)項目的要點之一。
1 同步節(jié)能控制方案
通常，柱式、框架式平帶平板硫化機的下位上壓或上位下壓采用分步供油、大徑液壓缸方式。這些方式中，由于硫化過程需對硫化生帶施加1.5-4 MPa的壓力 (國外廠家達到5 MPa)，致使液壓缸體、本機機體龐大，耗材總量驚人，成本居高不下。
為解決上述問題，異于以往設(shè)計，本研發(fā)設(shè)計采用反傳統(tǒng)的多缸上位下壓，其中多缸空行程部分采用氣液補償、作功保壓部分采用雙作用高壓干斤頂，開檔回程則采用有桿缸反向回程。研發(fā)過程中設(shè)計了機械同步和采用雙高壓泵站強制間歇供油，并用同型號的電液伺服閥控制，所有電液伺服閥有相同的基本輸入信號保持同步，通過調(diào)節(jié)電液伺服閥的輸入信號控制進油量消除同步誤差。但出于半閉環(huán)伺服控制要求，我們在各缸附加了靜磁柵油缸行程檢測儀，這是一種新型的油缸外置式位置傳感器，其具備顯示位置、閉環(huán)控制和通訊轉(zhuǎn)換等多種功能。而這種機電液一體化位置控制需要考慮控制智能化。
其次，異于蒸汽一過熱水、電熱油或電熱管加冷卻水的流道熱板加熱方式，為富電且不允許增設(shè)鍋爐地區(qū)用戶考慮，我們采用共燒陶瓷電熱組件對熱板加熱。其以高熱導(dǎo)率陶瓷— 氧化鋁瓷為基體，以耐熱難熔金屬作為內(nèi)電極形成發(fā)熱電路，通過一系列特殊工藝將兩片氧化鋁生瓷片共燒而成 (片狀元件)。其優(yōu)點是:①結(jié)構(gòu)簡單;②升溫迅速;③功率密度大;④加熱溫度高達400℃以上;⑤熱效率高;⑥加熱均勻;⑦無明火，使用安全;⑧可實現(xiàn)復(fù)雜形狀的平面加熱;⑨發(fā)熱電路與空氣隔絕;組件耐酸堿及其他腐蝕性物質(zhì)，壽命長;⑩組件本身及生產(chǎn)過程符合環(huán)保 (ROHS)要求等，具備國際SGS認證。采用陶瓷電熱件、對節(jié)材、節(jié)水、降耗效果顯見，其能對加熱區(qū)域分別精確控溫，對穩(wěn)定硫化效果甚至于不同材質(zhì)的覆層硫化平帶具有柔性化，同樣，這種電熱控制也需要考慮控制智能化。
在硫化過程中，硫化壓力和溫度是極為重要的參數(shù)，由于產(chǎn)品用途不同，硫化材質(zhì)、配方不盡相同，硫化工藝參數(shù)亦多變，即便是細微變化，也是裝備制造廠家研發(fā)設(shè)計時需要前澹性綜合考慮的。而上述兩類控制智能化的整合思維則是本文成因。
2 多缸同步控制
多缸配置中，采用以基準缸的行程位置為準，校準其余加壓缸的位置傳感器零點;而動/定熱板均壓分布筋采用 FEA優(yōu)化設(shè)計;機械同步、制造和使用誤差采用傳統(tǒng)壓鉛方法對冷熱靜態(tài)取值機械補償，確定機械原始零點。但產(chǎn)品厚度偏差檢測超標時，需再次校核該原點。
同步控制過程如下:各非基準油缸的位置與基準缸的位置傳感器靜磁柵油缸位置信號進行檢測對比，同步誤差經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換采集到PLC戴計算機中，在預(yù)設(shè)控制智能化的軟件算法下進行處理后輸出數(shù)字控制量，再由D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，通過調(diào)節(jié)電液伺服閥的輸人信號控制差位油缸進油量，消除同步誤差，這樣，通過控制電液實現(xiàn)各子系統(tǒng)驅(qū)動油缸同步運動。誤差到達容差平衡值時，加壓系統(tǒng)進人保壓狀態(tài)，高壓泵站停機。此后的泄漏造成的誤差由于密封件與油缸制造精度統(tǒng)一，基本控制在等同容差范圍內(nèi)。
3 電熱的同步控制
由于共燒陶瓷電熱組件在制造過程中可能造成單件面積上的區(qū)域溫差和件間差異化溫差，因此，設(shè)計中采用夾裝鋁制均熱板。測溫方式為在每塊共燒陶瓷電熱組件相對的熱板背面鉆孔安置若干熱電偶，而共燒陶瓷電熱組件也分別控制供電。校正測溫方法同傳統(tǒng)方法無異，單一基準溫度直接在HMI設(shè)定。
溫度同步控制過程如下:各共燒陶瓷電熱組件溫度誤差經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換采集到PLC戴計算機，在預(yù)設(shè)控制智能化的軟件算法下進行處理后，輸出到相對應(yīng)的共燒陶瓷電熱組件開關(guān)量信號，通過通斷信號控制可控硅對其導(dǎo)通供電生熱，實現(xiàn)同步控溫。由于采用接近需要溫度時，斷電并逐漸補溫，類似占空比方式保證溫度波動限制在容差平衡值范圍，因此也不用冷卻水降溫。但端頭局部防硫化水冷裝置仍然需要，因為鋼熱板隨時間的延長會均熱，可能造成接頭搭接部焦燒、過硫影響平帶質(zhì)量。
4 整合控制智能化的實現(xiàn)
同步控制系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分就是控制智能化方案的選擇及優(yōu)化。不同的控制方案都各具特色，都可以通過某種調(diào)整方式和調(diào)整原則達到預(yù)期的目的。經(jīng)過比較分析，對上述同步 采用FUZZY-PID復(fù)合控制。
模糊 (FUZZY)控制具有不建立數(shù)學(xué)模型獸棒性較好，但其控制動作欠細膩，穩(wěn)態(tài)精度欠佳等特點。由于采用一部PLC威IPC進行控制，需兼顧控溫和控位兩方面要求，溫度同步控制在此處可以采用模糊控制。同時，多缸位置同步在行程終點近達段以前也可以采用模糊控制，而接近終點平抑誤差時采用PID控制為好，因此可以綜合以上兩種控制的優(yōu)點，引入FUZZY-PID復(fù)合控制，來提高控制系統(tǒng)的綜合性能。.
模糊控制與PID控制相復(fù)合的方案為:設(shè)定一個域值，當誤差在域值以外時，采用模糊控制，以獲得更好的瞬態(tài)性能;當誤差落到域值以內(nèi)時，則采用PID控制，以獲.得更好的穩(wěn)態(tài)性能。這種模糊控制與PID控制兩種控制模式相結(jié)合的控制策略就是模糊-PID復(fù)合控制，具體的控制程序中，采用相同的控制智能的模塊軟件算法。只是相對于多缸同步和溫度同步，將A/D轉(zhuǎn)換的誤差值換算成等量級誤差數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果分別為D/A量和開關(guān)量，分別控制兩項同步。在實際運行中，這兩種控制隨硫化工藝步驟一般不會同時發(fā)生，采用人工干預(yù)戴輪詢即可避免。同時，數(shù)據(jù)采集量和點數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換模塊的需求也不一樣，分段控制也是勢在必行的。
5 結(jié)語
平帶平板硫化機是生產(chǎn)定型久遠的成熟裝備產(chǎn)品，國產(chǎn)機型和國外機型差距在于控制和穩(wěn)定性的水平差異。研發(fā)新機定位在于拉近差距，所以，我們在研制寬幅平帶平板硫化機時，對其關(guān)鍵技術(shù)多缸同步與，電熱同步智能FUZZY-PID復(fù)合控制做了整合探討，其方法是一種創(chuàng)新的嘗試，同時，也為同業(yè)研發(fā)技術(shù)人員提供一種借鑒思路，其拋磚引玉的目的是共同推動中國的像機裝備制造水準邁向世界先進水平。
參考文獻:
[1] 賀艷秋，黃大貴 電阻爐FUZZY-PID溫度控制系統(tǒng)[J].橡膠工業(yè)，2006, 53 (2):103-105.
[2l 冶占武，鄒大鵬，司振軍.多機構(gòu)同步系統(tǒng)智能控制的實現(xiàn).佳工機電網(wǎng)，2006, 4
本文標簽：寬幅平板硫化機多缸與電熱同步智能控制的探討
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