面向智能制革的自動配料系統應用分析

唐猷成，張龍，楊樂，周黔川，王春華，林煒

（四川大學輕工科學與工程學院，四川 成都 610065）

引言

當前，新一輪科技革命和產業變革正快速席卷全球，以人工智能為代表的新一代信息技術正在加速向工業領域深入滲透，推動著工業領域生產制造關鍵環節向數字化、智能化轉型升級。皮革工業作為我國具有國際競爭力的輕工支柱產業和傳統富民優勢產業，出口創匯一直位居輕工行業前列。2021 年8 月31 日，中國皮革協會印發的《皮革行業“十四五”高質量發展指導意見》中提到，“十三五”期間，皮革企業通過采用自動化、智能化技術和設備，勞動生產率較之前提升了約26%[1]。作為皮革產業鏈中的核心工業，制革工業的數字化、智能化發展對皮革產業的轉型升級具有重要意義。其中，制革機械設備是皮革生產的重要基礎裝備，其智能化水平決定著企業生產效率和皮革產品質量。因此，制革機械設備的數字化、智能化改造升級對制革工業的高質量發展起著關鍵性作用[2]。

在皮革生產過程中需要使用多種皮革化工材料，精準控制其配比和用量，并安全準確地將其輸送至制革設備，是提升成品革質量和確保不同批次皮革產品質量穩定的關鍵。然而，由于目前大部分制革企業的皮革化工材料配料環節仍然采用比較粗放的人工稱料、配料模式[3]，人工操作誤差不可避免，這勢必會造成皮革化工材料的實際加入量和生產工藝難以實現精準控制，使皮革產品質量難以得到保證。此外，一些制革用化學品具有較強的腐蝕性以及刺激性氣味，對操作工人存在職業健康的風險。同時，隨著我國人口紅利的逐漸衰減、勞動力成本的不斷上升，我國傳統皮革行業面臨著招工難、勞動力短缺和生產成本上升等問題。當前，新一輪科技革命和產業變革導致全球各產業的經濟結構正發生著翻天覆地的變化，皮革行業作為傳統制造業必須要走高質量、可持續發展之路，制革配料過程的數字化、智能化改造升級勢在必行[4]。隨著感知技術、自動化控制技術及物聯網技術的快速發展和推廣應用，研究者們已在化工[5]、鋼鐵[6]、食品[7-8]等典型加工制造領域的重要環節結合自身行業特點開展了自動配料系統的應用研究，這對制革用自動配料系統的開發和研制具有很好的借鑒意義。

基于此，文章結合制革行業的實際應用場景和功能需求，從過程控制層和現場設備層兩個層級出發，針對自動配料系統在制革行業中的科學應用展開分析，旨在為制革用配料系統的開發和研制提供切實可行的參考依據，從而提高制革行業配料過程的自動化、精準化和數字化水平，實現皮革化工材料加入量的精準控制，保證制革工藝的穩定運行，提高產品質量的穩定性。

1 自動配料系統在制革行業中的應用分析

制革用自動配料系統開發和研制的主要目的是實現皮革化工材料自動、準確地給料和配料，以革新目前仍然依賴于傳統而粗放人工配料模式的皮革化料配料環節。制革用自動配料系統主要包括過程控制層和現場設備層。

1.1 過程控制層

過程控制層是整個自動配料系統的控制中樞，其主要任務是根據皮革加工工藝的要求，對現場設備層進行程序化控制，以實現皮革化工材料的自動給料和混合。目前，隨著自動化控制理論的快速發展和應用研究，自動配料系統的過程控制系統主要包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）和現場總線控制系統（Fieldbus Contorl Syestem，FCS）[9]。

（1）PLC 控制系統

PLC 是一種通過數字運算進行控制操作的控制系統，專為工業環境下的應用而設計。它具有的可編程存儲器不僅可以不借助外部存儲介質進行控制程序的存儲，并執行相關的計算、控制、計時、操作等指令，還可以通過目前主流的數字信號或模擬信號對各類設備及生產過程進行控制。PLC 具有處理數據、通信等多功能，主要用于工業過程中的順序控制。典型的PLC 系統結構示意圖如圖1 所示[10]。

圖1 PLC 控制系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of PLC control system structure

當PLC 系統用于過程控制時，首先需要對PLC系統進行控制邏輯的開發，再通過相應的上位機軟件建立與PLC 系統相對應的數據庫，最后按照控制邏輯進行人機界面的開發。其中，PLC 系統采用梯形圖邏輯來實現過程控制，對于儀表人員來說，實現控制邏輯的開發相對困難，尤其是對復雜回路控制算法的開發?，F有的PLC 系統通常缺乏擴展功能和兼容性功能[11]。因此，PLC 控制系統較難根據應用場景做到靈活、便捷地動態調整，不適合用于過程復雜的工業場景自動化改造升級。目前，PLC 系統較為常見的應用場景是一些自控點不多且控制邏輯不復雜的小型自動控制裝置，例如單臺設備的控制以及模擬量不多的一些控制和聯鎖[12]。值得注意的是，皮革加工生產過程涉及的工序較多，工藝過程較復雜，對于皮革化工材料的給料和配料環節的自動化改造升級而言，需要滿足皮革生產工序之間的協同操作要求。因此，制革行業用自動配料系統中的過程控制系統需要能夠通過較復雜的控制邏輯控制較多的設備或儀表，并能夠根據生產工藝的調整迅速調整控制邏輯，實現與其它生產環節自動化工藝控制程序的相互兼容和相互配合。盡管目前PLC 控制系統已在自動進水、噴涂和干燥連續作業等操作中有所應用，但對于復雜的皮革化工材料給料和配料過程的自動化控制而言，PLC 系統并不太適用。

（2）DCS 控制系統

DCS 控制系統起源于1975 年前后，并迅速發展起來。它由一個過程控制網絡和一個過程監控網絡組成，是一個以通信網絡為核心基礎的多層級的計算機控制系統。DCS 控制系統結合了圖像顯示、計算、控制及通信功能，實現了對生產全過程的監控和管理。DCS 控制系統不僅突破了普通常用控制儀器儀表相關功能的局限，還非常好地解決了信息、管理和控制過于集中帶來的不穩定性。DCS 系統目前主要用于化工、電力生產等規模較大的過程連續性行業，如煤制活性炭工藝裝置的過程控制、生產監視和參數報警[13]、火力發電廠中汽輪機和鍋爐系統的關聯控制和管理[14]等。典型的DCS 系統結構示意圖如圖2 所示[9]。

圖2 DCS 控制系統結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of DCS control system structure

DCS 控制系統相較于PLC 控制系統具有以下優點：既能夠接入數字智能現場設備，也可以接入模擬信號的儀表和設備；既可用于大型多設備、邏輯復雜的系統，也可以應用到設備數量較少，控制邏輯不復雜的小型系統；無需現場組態，增加、減少以及更改控制邏輯較為簡單靈活。因此，對于自動化、數字化、智能化水平較低以及工序多、工藝復雜的制革行業而言，皮革化料給料和配料環節的自動化改造升級適宜選擇DCS 控制系統。結合制革工藝要求，開發適用于皮革化工材料給料和配料的時間、用量等工藝參數的程序化控制算法，可為皮革化料自動給料和配料過程提供可靠的過程控制，并可根據制革工藝的改變較為靈活地改變控制邏輯，從而提高制革過程的自動化水平和皮革加工生產效率。

（3）FCS 控制系統

FCS 控制系統是在PLC 控制系統和DCS 控制系統的基礎上發展而來的。它利用開放的、具有雙向通信功能的現場總線，將生產現場各種控制器、數字化儀表及智能設備相互連接起來組成網絡，從而構成現場總線控制系統。FCS 控制系統的本質是一個具有開放性、互操作性和徹底分散的分布式控制系統。FCS 控制系統的關鍵是現場總線，其運行的基礎是全數字化的智能設備。FCS 控制系統實質上是現場化處理信息，具有全分散、全數字化、智能、互操作、安裝成本和維修費用低等優點。常見FCS控制系統的結構如圖3 所示[9]。

圖3 FCS 控制系統結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of FCS control system structure

目前，制革機械設備數字化、智能化程度相對較低，為了在皮革化工材料自動配料系統中應用FCS 控制系統，需要將現有的現場設備全部改為數字智能現場設備。然而，考慮到制革行業數字化、智能化技術基礎較為薄弱，數字化、智能化制革設備的研制以及工程化應用還需要大量的人力、財力和時間的投入，因此以FCS 為基礎的皮革化工材料自動配料系統仍較難在制革行業中快速得到實際應用。

1.2 現場設備層

現場設備層是在過程控制層的邏輯控制下，按照制革工藝的要求實現皮革化工材料的自動給料和配料所需的硬件設備。制革用自動配料系統的現場設備層主要包括存儲料設備、給料設備、計量設備、混料設備等，這些設備需要綜合考慮皮革化工材料的理化性質，以及實際制革工序中對精度的控制需求、設備成本和造價等因素進行選型和適配。

（1）存儲料設備

存儲料設備是用于存儲原料的設備，為不間斷的配料提供原料保障。在一些加工制造業中，存儲料設備通?？梢院喕蚴÷?，如使用原料原有包裝進行替代等。因此，存儲料設備并非自動配料系統的核心設備，不會對自動配料系統的自動化和準確性造成影響。在制革行業用自動配料系統中，部分乳液狀、油狀、液體水劑狀物料的存儲料設備可以用皮革化工材料原有包裝進行替代，冷、熱水等可以設置儲水罐，部分粉末或者顆粒狀的皮革化工材料還需結合給料設備設置原料儲罐。

（2）給料設備

給料設備是用于控制存儲料設備中的原料進入下一設備的裝置。根據原料的狀態不同，常用的給料設備主要包括電磁振動給料機、螺旋給料機和閥門等。

電磁振動給料機主要用于固體顆粒原料或粉末狀原料的給料，不適用于固體不均勻塊狀原料和液體原料的給料，結構如圖4 所示。電磁振動給料機主要通過脈沖電磁力和激振器主彈簧控制料槽前后往復運動，使料槽內的固體物料顆粒均勻落下，從而達到給料的目的。該設備結構簡單、體積小，可以瞬時啟閉料流且料流運行平穩（固體顆粒較為均勻時），可使稱量系統具有較高的動態精度[15-16]。

圖4 電磁振動給料機結構圖Fig.4 Structure diagram of electromagnetic vibration feeder

螺旋給料機主要針對流動性較好的粉體物料以及相應磨琢性較小的顆粒物料的給料，是一種具有連續進給能力和較高進給精度的無撓性牽引給料設備，同時還具備混合、攪拌、稱重等功能[17-19]，結構如圖5 所示。螺旋給料機的主要原理是通過電機帶動螺旋葉片旋轉，推動管內粉末、顆粒狀物料至出料口。對于粘度相對較大的物料，使用振動給料器給料經常會導致物料粘斗、下料不順暢，導致下料偏差較大，而螺旋給料機可以很好地降低原料粘度對配料精度的影響。

圖5 螺旋給料機結構圖Fig.5 Structural diagram of screw feeder

閥門式給料設備主要用于液體給料，并且工作時需要確保液體在閥門兩側具有一定的壓差，從而保證閥門打開后，液體物料能夠流動。閥門式給料設備主要有電動閥、電磁閥、氣動閥等。對于閥門式給料設備，閥門的開閉速度越快，給系統造成的誤差越小。

除了上述幾種常見給料方式之外，在一些特定配料系統中，還采用真空抽吸（如真空上料機）或者刮板（如刮板輸送機）等給料方式進行給料。

制革行業涉及的皮革化工材料種類繁多，包括粉末狀、顆粒狀、乳液狀、油狀、液體水劑狀的助劑、鞣劑、復鞣劑、加脂劑、染料和涂飾劑等。從調研情況看，制革生產過程中，除了自動供水裝置，針對皮革化工材料的自動給料裝備實際應用不多。針對制革行業使用的皮革化工材料特殊性，對于乳液狀、油狀、液體水劑狀的皮革化工材料，給料方式應可采用閥門式給料方式，而對于粉末或者顆粒狀態的皮革化工材料，給料設備可考慮采用螺旋給料機。尤其是對于粉末或者顆粒狀態的材料很具挑戰性，比如染料等皮革化工材料的精準進料，還需考慮材料的吸濕性等因素。

（3）計量設備

計量設備是用于記錄物料離開存儲料設備進入下一設備的計量裝置，其精度決定了整個配料系統的計量誤差。對于固體物料和液體物料的計量都可以采用稱重計量的方式，而液體物料的計量還可以采用各種類型流量計或者計量罐等進行體積的測定和計量，或者根據物料的密度轉換成重量進行計量。

液體物料采用流量計計量時，需要根據工藝要求選擇滿足精度要求的流量計。同時，還需要對物料的物化性質進行全面的考慮，比如物料是否容易結垢、是否有一定的腐蝕等，避免對流量計的精度造成影響。

流量計可對管道和溝渠中的流體進行瞬時流量和累計流量的測量。按其結構和工作原理，流量計可分為差壓式、孔板式、電磁式、渦街式、渦輪式、超聲波式等。這些種類的流量計在自動配料系統都有廣泛的應用，有著各自的優缺點，如表1 所示[20]。

表1 不同類型流量計的優缺點Tab.1 Advantages and disadvantages of different types of flow meters

流量計的精度由于受到所測物料的物化性質的影響，存在計量不穩定、不準確的缺點。值得注意的是，使用稱重計量的方式可使自動配料系統獲得更為精確的物料計量。稱重計量設備的工作原理是，在置物平臺上放上重物后，重力造成平臺表面發生形變而引發了力傳感器內置電阻發生形變，變化的電阻值通過電路板上電路運算引起相應的電流變化，從而產生對應的電信號。不同重力或壓力對應不同大小的電流，這個電信號再通過一定的處理后表示重量值。最常用的稱重計量裝置如實驗室常用的電子天平、電子秤等，工業上常用與圖6 類似的稱量傳感器，配合控制儀表進行稱重計量。橡膠行業采用在自動導引車上設置稱重裝置，針對固體粉末顆粒、膏狀物料進行自動稱重計量[21]。冶金行業的自動配料系統也選擇了這類稱重裝置[22]。在一些針對粉狀類型原料的自動配料系統中也采用稱重的方式，為實現高精度稱重配料系統的開發奠定基礎[23]。

圖6 稱重計量設備結構圖Fig.6 Structure of weighing and measuring equipment

制革過程中準備工段、鞣制工段和涂飾干整理三大工段工藝特點差別較大，中間產品如濕皮和坯革的狀態也有顯著區別，故很難實現從原料到成品的連續機械化流程作業。在這種情況下，可按照三大工段進行制革用自動配料系統的開發和研制。鑒于制革過程使用的化工材料種類較多（包括固體顆?；蚍勰┑镊穭?、液體水性助劑、乳液狀的加脂劑以及油狀或膏狀的涂飾劑、復鞣劑等），制革用自動配料系統的開發和研制過程中為了避免因使用多種計量設備而造成成本上升等問題，因此除了需要連續配料的原料（如熱水）采用流量計方式計量，大部分皮革化工材料可優先考慮稱重計量的方式。

（4）混料設備

混料設備是將按照工藝要求稱量后的兩種或多種物料混合均勻的設備?；炝显O備的工作原理是通過旋轉的攪拌葉片進行多種物質的擾動、混合操作，以達到工藝要求的均勻度。在一些加工制造業中，混料設備常?？珊喕蛘呤÷?，如同時將兩種或多種不同成分的物料分別加入到反應釜。因此，混料設備并非自動配料系統的核心設備，不會對自動配料系統的自動化和準確性造成影響。在制革行業用自動配料系統中，大部分工藝允許不同原料單獨添加，不需要混料設備，少部分工藝需要簡易混料時，可設置簡單的攪拌罐作為混料設備。

2 結語

根據皮革化工材料的特點和制革工藝的要求，通過分析過程控制層的不同控制系統以及現場設備層的不同存儲料設備、給料設備和計量設備，篩選出了適合于制革行業的自動配料系統的過程控制系統和存儲料設備、給料設備和計量設備類型。這可為制革行業用自動配料系統的開發和研制提供切實可行的參考依據，助力皮革化工材料配料過程實現自動化精準控制，提高皮革產品的質量一致性、提升皮革加工效率、降低企業用工成本。