寬幅平板硫化機(jī)多缸與電熱同步智能控制的探討

寬幅平板硫化機(jī)多缸與電熱同步智能控制的探討

應(yīng)市場(chǎng)要求，我們研發(fā)設(shè)計(jì)了寬幅平帶平板硫化機(jī)系列機(jī)組，其主機(jī)要求3.2～6.4米幅寬、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(jì)，雙向組線等。該機(jī)組定位于裝備國(guó)際、國(guó)內(nèi)及再生膠利用市場(chǎng)中高強(qiáng)鋼繩運(yùn)輸帶和片卷材生產(chǎn)用戶，為保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，該系列機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)擬申報(bào)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(xiàng)目的要點(diǎn)之一。

1. 同步智能控制需求產(chǎn)生

通常，柱式、框架式平帶平板硫化機(jī)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，由于硫化過程中需對(duì)硫化生帶施加1.5～3MPa的壓力（國(guó)外廠家達(dá)到4MPa），致使液壓缸體、本機(jī)機(jī)體龐大，耗材總量驚人，成本居高不下。異于以往設(shè)計(jì)，本研發(fā)設(shè)計(jì)采用反傳統(tǒng)的多缸上位下壓，而多缸中空行程部分采用氣液補(bǔ)償、作功保壓部分采用薄型單作用高壓千斤頂，開襠回程則采用反向同型高壓千斤頂。研發(fā)過程中雖然設(shè)計(jì)了機(jī)械同步和采用單一高壓泵站強(qiáng)制間歇供油，以及同型號(hào)的電液伺服閥控制，且所有電液伺服閥有相同的基本輸入信號(hào)保持基本同步，通過調(diào)節(jié)電液伺服閥的輸入信號(hào)控制進(jìn)油量消除同步誤差。但出于半閉環(huán)伺服控制要求，我們?cè)诟鞲赘郊恿遂o磁柵油缸行程檢測(cè)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(jī)電液一體化位置控制需要考慮控制智能化。

其次，異于蒸汽-過熱水、電熱油或電熱管加冷卻水的雙道熱板加熱方式，我們采用共燒陶瓷電熱組件對(duì)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(diǎn)是: 1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；2)升溫迅速；3) 功率密度大； 4) 加熱溫度高逹400℃以上； 5) 熱效率高；6）加熱均勻； 7）無明火,使用安全； 8) 可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型狀的平面加熱； 9) 發(fā)熱電路與空氣隔絕，組件耐酸堿及其它腐蝕性物質(zhì)，壽命長(zhǎng)； 10) 組件本身及生產(chǎn)過程符合環(huán)保（ROHS）要求等，具備國(guó)際SGS認(rèn)證。采用陶瓷電熱件，對(duì)節(jié)材，節(jié)水、降耗效果顯見，其能對(duì)加熱區(qū)域分別精確控溫，對(duì)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(xì)微變化，也是裝備制造廠家研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)需要前瞻性綜合考慮的。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，采用基準(zhǔn)缸的行程位置校準(zhǔn)其余加壓缸的位置傳感器零點(diǎn)，而動(dòng)/定熱板均壓分布筋采用FEA優(yōu)化設(shè)計(jì)，機(jī)械同步、制造和使用誤差采用傳統(tǒng)壓鉛方法對(duì)冷熱靜態(tài)取值機(jī)械補(bǔ)償，確定機(jī)械原始零點(diǎn)。但產(chǎn)品厚度偏差檢測(cè)超標(biāo)時(shí)，需再次校核該原點(diǎn)。

同步控制過程如下：各非基準(zhǔn)油缸的位置與基準(zhǔn)缸位置靜磁柵油缸行程檢測(cè)同步誤差經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換采集到PLC或計(jì)算機(jī)，在預(yù)設(shè)控制智能化的軟件算法下進(jìn)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(hào)，通過調(diào)節(jié)電液伺服閥的輸入信號(hào)控制差位油缸進(jìn)油量消除同步誤差，控制電液實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)各油缸實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)。誤差到達(dá)容差平衡值時(shí)，加壓系統(tǒng)進(jìn)入保壓狀態(tài)，高壓泵站停機(jī)。此后的泄漏造成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是肯定的。

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(jì)中采用夾裝鋁制均熱板，測(cè)溫采用每塊共燒陶瓷電熱組件相對(duì)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(cè)溫方法同傳統(tǒng)方法無異，單一基準(zhǔn)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或計(jì)算機(jī)，在預(yù)設(shè)控制智能化的軟件算法下進(jìn)行處理后輸出相對(duì)共燒陶瓷電熱組件開關(guān)量信號(hào)，通過通斷信號(hào)控制可控硅對(duì)其導(dǎo)通供電生熱，實(shí)現(xiàn)同步控溫。由于采用接近需要溫度時(shí)，斷電并逐漸補(bǔ)溫，類似占空比方式保證溫度波動(dòng)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?yàn)殇摕岚咫S時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)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(shí)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(dá)到預(yù)期的目的。經(jīng)過比較分析，對(duì)上述同步采用FUZZY-PID復(fù)合控制。

模糊（FUZZY）控制不建立數(shù)學(xué)模型，魯棒性較好，但其控制動(dòng)作欠細(xì)膩，穩(wěn)態(tài)精度欠佳，由于采用一部PLC或IPC進(jìn)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(shí)，多缸位置同步在行程終點(diǎn)近達(dá)段以前也可以采用模糊控制，而接近終點(diǎn)平抑誤差時(shí)采用PID控制為好，因此可以綜合以上兩種控制的優(yōu)點(diǎn)，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(gè)域值，當(dāng)誤差在域值以外時(shí)，采用模糊控制，以獲得更好的瞬態(tài)性能；當(dāng)誤差落到域值以內(nèi)時(shí)，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。

模糊-PID復(fù)合控制圖

具體的控制程序中，采用相同的控制智能化的模塊軟件算法，只是相對(duì)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(jí)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(xiàng)同步，在實(shí)際運(yùn)行中，這兩種控制隨硫化工藝步驟一般不會(huì)同時(shí)發(fā)生，采用人工干預(yù)或輪詢即可避免。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集量和點(diǎn)數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換模塊的需求也不一樣，分段控制也是勢(shì)在必行的。

5. 結(jié)語

平帶平板硫化機(jī)是生產(chǎn)定型久遠(yuǎn)的成熟裝備產(chǎn)品，國(guó)產(chǎn)機(jī)型和國(guó)外機(jī)型差距在于控制和穩(wěn)定性的水平差異。研發(fā)新機(jī)定位在于拉近差距，所以，我們?cè)谘兄茖挿綆桨辶蚧瘷C(jī)時(shí)，對(duì)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(shí)，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(dòng)中國(guó)的橡機(jī)裝備制造水準(zhǔn)邁向世界的進(jìn)展。