基于數字化車間的橡膠硫化制造管理系統的實現

高 雪，孟慶國，李志新，王澤亮

(大連長豐實業總公司 機械加工車間，遼寧 大連 116033)

隨著市場的變化，橡膠制造企業的戰略計劃會發生變化，在不斷增加橡膠產品數量的同時，更加關注產品質量和生產效率，以便提升企業的競爭力，在激烈的市場競爭中站穩腳跟[1]。作為橡膠制造過程的關鍵環節，硫化是橡膠生產加工的最后一道工序，其溫度、時間和壓力直接決定著橡膠硫化的質量[2]。橡膠制造企業通常采用傳統方式控制硫化過程，手工控制硫化時間、測量硫化溫度，且是在假定模具內溫度恒定的條件下設定工藝參數的。受企業內部現有平板硫化機性能(如加熱板傳熱效率)和現場環境的影響，操作人員需按個人經驗判斷硫化時間。判斷誤差的過大，常常會導致橡膠產品欠硫化或過硫化現象的發生[3]，而這兩者均會影響成品質量，造成原料的浪費。橡膠制造企業目前采用的人工填寫紙質表單記錄過程數據方式，存在勞動強度大、資源浪費等問題。為客觀準確地記錄橡膠制造的硫化過程數據、提高一線人員的工作效能、對硫化工藝數據進行精準監控，必須采用數字化手段實現硫化過程的管控。

本文將設計基于數字化車間的橡膠硫化制造管理系統，將可編程控制技術、人機交互技術、數據自動采集技術等應用到橡膠硫化制造管理系統中；通過工控機、觸摸屏、傳感裝置等設定橡膠硫化工藝參數、獲取過程數據；采用人工智能、比例積分微分(Proportional，Integral，Derivative，簡稱PID)調節算法和可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)，對硫化溫度、時間、壓力進行精確調控；通過工業以太網和工控機的通信，對橡膠制造硫化過程數據進行自動采集和記錄，實現硫化補償時間的自動判斷、硫化過程的故障預警和相關信息的無紙化管理。

1 管理系統的整體設計

本文在管理系統整體設計時，主要建立數據采集子系統、控制子系統和管理子系統。其中，采集子系統和控制子系統的設計主要是確定數據采集機構和控制機構，完成硫化工藝參數的自動采集和人機交互的管理任務；管理子系統的設計主要是建立辦公服務器網絡查詢分系統以及管理分系統的派工、設備、人員、查詢、報表自動生成等模塊。

所設計管理系統的整體網絡結構如圖1所示。它主要由數據采集子系統、控制子系統、管理子系統等組成。各子系統之間采用工業以太網通信方式。管理系統中服務中心的并發采集周期可達0.1 s，典型采集周期為0.5 s，硫化運行數據的最小采集周期為1 s。本文從整體網絡結構設計時即確保了系統對采集數據的高效傳輸和實時顯示功能。

圖1 管理系統的整體網絡結構

2 數據采集子系統的實現

數據采集子系統需要完成橡膠制造硫化工藝參數(含二段硫化工藝參數)的數據采集和環境溫濕度的數據采集。其硬件主要包括互感器、溫濕度計、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 硫化工藝參數的采集

2.1.1 一段硫化工藝參數

針對橡膠制造的一段硫化過程，數據采集子系統需采集硫化溫度、時間、壓力數據。其中，硫化溫度指在橡膠硫化設備工作時通過模具測溫孔真實測出的數值[4]。傳統上，操作人員需要通過目視溫度計讀取數值并連續、實時地監測與記錄。實際上，溫度是不斷波動的，操作人員根本無法實時準確地讀取其數值。本文設計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，其平穩狀態下采集的溫度數據誤差在±1 ℃內。將該裝置與硫化設備關聯后，能通過設置上下限將溫度控制在加工要求的范圍(151～200 ℃)內。在硫化過程中，只要將該溫度傳感裝置插入測溫孔即可，而無需操作人員在迅速取模換料時頻繁插拔測溫裝置，能確保溫度數據的自動獲取，具有很高的準確性，實現了對一段硫化過程中溫度數據的實時自動采集。

一段硫化時間即為正硫化時間[4]，一段硫化壓力為硫化過程的實時壓力。將時間繼電器、電子壓力變送器(其精度可達0.2%)安裝在橡膠硫化設備上，通過PLC控制器和通信接口將時間繼電器和電子壓力變送器的實時數據上傳至管理子系統，即可完成對一段硫化過程中時間、壓力數據的實時采集。

2.1.2 二段硫化工藝參數

二段硫化過程需采集的工藝參數有硫化時間和硫化箱溫度兩項。本文選用自制溫度傳感器來采集二段硫化箱的溫度。在溫度傳感器通過RS485接口將溫度數據傳輸到二段硫化溫度采集器后，二段硫化溫度采集器能通過監視與控制通用系統(Monitor and Control Generated System, MCGS)、通信接口，將所采集數據上傳至管理子系統。MCGS能夠顯示二段硫化溫度曲線。二段硫化箱的溫度數據采集周期為0.5 s。

數據采集子系統能通過硫化設備的網絡端口直接采集二段硫化的時間數據，并通過通信接口將所采集數據上傳至管理子系統。

2.2 環境溫濕度的數據采集

在硫化車間現場安裝IRM-S02TH型溫濕度數據采集裝置(包括溫濕度儀、環境數據采集集中器等)，可采集車間內溫濕度數據，并通過通信接口將所采集數據上傳至管理子系統。環境溫濕度數據采集的網絡結構如圖2所示。

圖2 環境溫濕度數據采集的網絡結構

每個溫濕度儀的巡檢周期約為25 ms，巡檢10個溫濕度儀約需250 ms。這樣的設定能夠滿足企業內部橡膠硫化制品環境采樣周期1 s的特殊工藝要求，實現對現場環境溫濕度數據的自動采集。

根據橡膠制造企業設備布置與標準化工藝文件的要求，應在車間內不同區域設置數量不同的溫濕度儀。各區域設置溫濕度儀的數量如下：硫化區域5個，打磨區域1個，涂膠區域1個，檢驗區域1個，膠料存放區域1個，模具存放區域1個。若環境溫濕度超出工藝設定范圍，橡膠硫化制造管理系統就會發出報警信號。

3 控制子系統的實現

橡膠硫化制造管理系統的控制子系統由PLC、串口線、模擬量輸入輸出模塊、人機交互模塊等組成。它采用人工智能和PID調節算法，能通過PLC、人機交互模塊和以太網，將硫化工藝參數、現場環境數據等實時傳輸至服務器終端[5]，并予以顯示?？刂谱酉到y的執行流程如圖3所示。

圖3 控制子系統的執行流程

針對一段硫化過程，控制子系統需要通過PLC控制器，按照企業標準化工藝文件對硫化時間、欠硫化溫度、過硫化溫度進行邏輯控制[6]；根據硫化溫度自動判斷硫化時間、計算模具升溫時間，并對硫化制造時間進行累計，在模具升溫時間超過規定硫化時間一半時自動開模，在模具升溫時間大于規定硫化時間的15%時延長規定硫化時間。

借助管理系統的控制子系統，可減少加工不合格產品對時間和原材料的浪費，同時能實現對硫化過程中溫度、時間的自動精準控制，提高硫化產品的質量。

4 管理子系統的實現

橡膠硫化制造管理系統的管理子系統由相應的硬件與軟件兩部分組成。其中硬件部分由服務器、工程師站顯示屏、資源管理站、交換機、不間斷電源(Uninterruptible Power Supply，UPS)等組成[7]；軟件部分包括辦公服務網絡查詢分系統和橡膠制造過程管理分系統。通過管理子系統，可實現對橡膠制造硫化過程關鍵數據的無紙化管理，減少無效作業時間，降低人為差錯率，提升質量數據的記錄效率。這里只詳細介紹管理子系統的軟件部分。

4.1 辦公服務網絡查詢分系統

辦公服務網絡查詢分系統是利用動態服務器網頁(Active Server Pages，ASP)升級版搭建的一個內部小型網站。它采用以“一個中心”為基準的數據管理模式，為企業生產數據的安全保駕護航，能通過以太網接口接收橡膠制造過程產生的生產數據，在本地進行數據庫操作，實現瀏覽器/服務器模式的查詢管理。

通過辦公服務網絡查詢分系統，數據的查詢響應和流轉能在一定區域內進行；不同權限的管理人員能根據職能要求讀取相關數據[8-10]。車間管理人員、車間工藝師、質量檢驗工、一線操作人員及庫房管理人員，可通過該分系統查詢硫化機運行參數、狀態信息、工單流水號、電能表讀數等，調取每批產品的硫化過程溫度、壓力、起止時間、操作人員和設備情況等橡膠硫化回溯信息，及時了解設備能耗、生產環境溫濕度、材料消耗和模具使用情況。

該分系統包括用戶管理、查詢分析、統計分析、報表生成和在線幫助等功能模塊，可實現對橡膠制造過程所有數據在車間內部局域網上的查詢共享。系統對橡膠制造硫化過程歷史數據的保存時間不少于10年。

4.2 橡膠制造過程管理分系統

橡膠制造過程管理分系統由派工單管理、權限管理、設備管理、人員管理、材料管理、工藝管理、模具管理、溫濕度管理、統計分析管理和幫助10個模塊組成，能實現橡膠制造硫化過程的工作流程管控、無紙化數據管理(含數據的顯示、追溯和質量記錄的生成)等。

(1) 派工單管理模塊具有自動和手動操作模式，能夠針對不同硫化設備進行相應的任務派發，對相關資源參數進行設定。借助該模塊，管理人員可新增派工單、查看二段硫化的任務并進行相應的設備分配，設備保養員/操作員能方便地查看自己的派工任務并進行相應操作。

(2) 權限管理模塊具有分配操作、檢驗等崗位人員登錄相應界面和操作權限的功能。不同權限的登錄者進入的界面及操作功能均不同。企業調度人員可自定義角色和相應權限。

(3) 設備管理模塊具有實時監測設備運行狀態、對設備信息進行管理并同步顯示的功能，可實現車間內平板硫化機、真空硫化機、干燥箱、輾料機的線上管理。通過該模塊，可綁定平板硫化機操作人員，且可設定為一人對多的綁定關系。

(4) 人員管理模塊用于實現操作人員和設備維護人員的信息管理。登錄管理系統的權限不同，可查看人員信息的范圍也不同。

(5) 材料管理模塊具有入庫建碼、出庫掃碼、派工單出庫量管理等由專職人員設定的功能，可用于實現膠料、膠液和輔材的出入庫管理，包括領用人、領料量、材料相關信息(如硫化條件、批次號、日期、顏色、二維碼)等。

(6) 工藝管理模塊具有工藝參數的編輯、檢索、調用等功能。其中，工藝參數按企業現行有效版工藝文件的要求執行。

(7) 模具管理模塊用于實現模具的出入庫管理，包括但不限于對模具領用人、領用期限、續借時間、歸還時間等一系列相關信息及流程的管控。該模塊的運行，要求事先將各模具按其編號信息生成唯一的二維碼。它具有的批量導出功能可減少人為勘誤性問題的產生。

(8) 溫濕度管理模塊具有采集各制造區域、打磨區域、涂膠區域、檢驗區域、膠料存放區域、模具存放區域溫濕度數據的功能。溫濕度數據的采集周期為0.5 h。當采集的溫濕度數據超出設定范圍時，車間內展示大屏上會顯示對應區域的報警信息。

(9) 統計分析管理模塊具有質量報表的自動生成和打印、歷史報表查詢等功能。其中，質量報表包含溫度曲線、材料信息、人員信息、硫化過程參數、批量記錄、現場溫濕度監控記錄等；歷史報表查詢功能多用于質量追溯，可統計相關數據，也可調用硫化過程參數，還可查詢每批產品制造過程的溫濕度、硫化過程曲線、硫化起止時間、操作人員信息等。

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

5 應用實例

某企業加工一種橡膠產品，整個生產過程中質量數據記錄的周期為28.4 min。每個操作人員每次記錄3個數據，每次記錄花費的時間為30 s，每月每名操作人員需記錄數據1 439次，花費時間約為12 h。

使用橡膠硫化制造管理系統后，該產品的質量數據記錄單不再需要操作人員花費時間來填寫，僅需30 s即可打印出來。每人每月打印質量數據記錄單所需時間僅為0.2 h，可將質量數據記錄效率提高約60倍。

圖4所示為橡膠硫化制造管理系統的硫化參數表單信息自動生成界面。

圖4 橡膠硫化制造管理系統的硫化參數表單信息自動生成界面

6 結 語

本文針對橡膠制造硫化過程中溫度波動對硫化時間的不良影響，以及人工填寫紙質表單方式存在的工作量大、資源浪費、易產生人為差錯等問題，通過開發數字化車間橡膠制造管理系統，建立數據采集子系統、控制子系統和管理子系統，實現了橡膠制造硫化過程數據的自動采集、記錄、無紙化管理，以及硫化條件的自診斷、信息的自動傳遞，減少了無效作業時間和人為差錯。實踐證明，橡膠硫化制造管理系統的應用，能提升質量數據記錄效率約60倍，為數字化車間的實現提供了支持。