碳纤维智能车间应用

王杨

摘 要：碳纤维智能制造车间，以生产主体设备和DCS/PLC控制系统设备为基础，开发部署统一的生产过程控制系统、过程监测物联网和精益生产管理系统，将各主体设备独立DCS/PLC控制、实验检测设备、生产计划管理等各自分散的系统，通过网络、系统开发和集成，组合成一个集管理功能和过程控制为一体的智能生产车间，提高碳纤维制备和复合材料生产系统的柔性生产运行能力和维护管理的自动化水平，保障碳纤维生产的连续稳定运行，提高碳纤维及其复合材料产品质量。

关键词：DCS PLC 原丝生产线 碳化生产线 智能车间

中图分类号：TQ34 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（b）-0090-02

目前我国的碳纤维在生产规模、产品质量、产品种类上，与国外先进的碳纤维企业还存在巨大差距。国外成功企业单条生产线都是千吨级，产能大，产品稳定。国内的碳纤维产业化生产关键技术尚未完全突破，使得国产碳纤维性能的稳定较差，生产效率不高，能耗、材料消耗较大，导致国产碳纤维成本远高于国外同等级产品。

江苏恒神股份有限公司建立了碳纤维智能制造示范车间，一方面实现碳纤维及复合材料的智能化生产控制，减少人工干预，对产品质量进行在线监测、控制与调整，实现国产碳纤维产业化关键技术完全突破；另一方面，与国内设备厂商共同开发，以碳纤维生产工艺制程为指导，联合具备压力容器、化工和纺织机械、超高温加热装置等特种设备研发生产能力的专业厂商和生产过程自动控制系统供应商，不断改进优化，使生产设备更加适应生产工艺，打破国外对高性能碳纤维产品和制备技术的封锁和垄断。

1 智能车间简介

1.1 智能装备应用

碳纤维产业化智能车间包括原丝、碳化自动化生产线的智能化设备系统共28台套（产线）数，车间设备37台套，智能化设备系统占车间设备台套（产线）数比例75.68%；车间内智能化、自动化设备26台套，生产设备联网21台套，占比80.77%。

原丝生产线包括齿轮泵和喷丝板喷丝，纺丝机（凝固浴、水洗、上油、烘干）、蒸汽牵伸机、热定型机、原丝整理机、收丝机等工艺主体设备。原丝生产线将高分子聚合物溶液利用其物化性能纺制成初生纤维，通过后道连续加工制成碳纤维原丝。该工序是生产高性能碳纤维的关键组成部分。碳纤维生产对原丝单丝直径在8μm左右，所以它对丝束成形及后道处理设备、环境洁净要求非常高。碳纤维原丝纺丝机对工艺控制的要求是加热均匀，控制精准、工艺参数自动调节、自动快捷反馈给中控室。

碳化生产线，包括退丝机（沙架）、预氧化爐、低温碳化炉、高温碳化炉、水洗机、干燥炉、上浆机、卷绕机、热力氧化机（废气焚烧）等工艺主体设备。其中，核心的高低温碳化炉，7个控温区，均需满足高性能碳纤维碳化工艺温度（≥1700℃）要求，炉内任意两点温控精度实现≤±2.5℃；控温区两端采用迷宫式密封箱，确保炉内高温氮气不外泄，炉外空气不进入。针对高温环境下的热膨胀，可自动复位；为提高炉内加热温度均匀性，采用独特的炉内360°加热技术；氮气加热单元确保补充进炉内的氮气温度≥450℃；炉四周安装特殊冷却元件，对加热空间直接冷却，及时调整并消除局部过热。

1.2 车间设备联网

碳纤维智能车间包括聚合、纺丝、碳化3个工艺流程的主体生产设备，全部通过总线网络连入计算机过程控制系统，包括DCS集散系统和PLC控制系统，系统具有可靠性、可操作性、可维护性、开放兼容性、可扩展性、安全性等特点。操作人员在中央控制室可实现工艺参数、设备状态的集中监控。

1.3 生产过程实时调度

碳纤维车间系统分为3个部分：精益生产管理系统（ERP）、生产过程控制系统（聚合、纺丝、碳化、复合材料制品）和生产过程监测物联网。

（1）精益生产管理系统（EPR）。精益生产系统包括生产计划管理、生产操作监控管理、工艺组态管理、生产过程数据库和追溯分析管理、以及设备运行管理，完成生产计划下达、生产线调整、生产过程追溯分析和设备监控等功能，本系统还将根据公司生产运营需要进一步开发完善。

（2）生产工艺过程控制系统。生产工艺过程控制系统包括原丝生产过程控制系统、碳化生产过程控制系统。原丝生产过程采用了DCS+PLC的方案，DCS系统对聚合工艺和部分纺丝辅助设备进行现场控制管理，PLC系统对纺丝主体设备进行现场控制管理。碳化生产线由中控室、现场PLC控制单元、现场变频控制器、远程I/O站4个部分组成。中控室配置工程师站和操作员站，通过操作员站，可以直观监视和控制生产过程，实现报警、变量趋势查询（实时趋势和历史曲线）、报表打印等诸多操作功能。

（3）生产过程检测物联网。DCS/PLC现场单元传感器网络可实现对聚合、纺丝、碳化连续生产过程控制参数的实时监控。以生产现场DCS和PLC为基础，对生产过程的各项工艺数据实时采集，并通过有线和无线网络发送到上位服务器的生产过程数据库，供工艺优化分析使用；同时配合现场DCS和PLC进行自动调节，如果控制参数超出设定值，会自动报警，生产人员可做出相应的操作处理。物料流转条码采集网络对聚合原料、原丝、碳丝、树脂、预浸料、层压板和制品等半成品和成品，利用身份条形码进行标识，操作员通过手持智能终端扫描条码，定时采集包括操作人员、时间、位置（如原丝、碳丝收丝位等精细化生产管理关键控制点）等信息，通过无线网络上传到生产过程数据库，为生产过程追溯分析提供数据支撑。物料配送自动化系统采用了二维码、条形码、电子标签、移动扫描终端等自动识别技术，原丝生产、碳化生产、碳纤维编织、树脂及预浸料生产、复合材料生产的全过程进行数据采集。通过无线网络上传到生产过程数据库，为生产过程追溯分析提供数据支撑。可形成从复合材料到原料的完整的产品追溯曲线，有助于不断优化工艺，提升碳纤维及复合材料制品的产品质量。

2 结语

建立碳纤维产业化智能制造车间后，碳纤维产品质量显著提高，生产效率大幅提高，劳动力工作强度及能耗物耗大幅度下降，使得国产碳纤维的成本也在不断下降，效益非常显著。智能车间采用多项创新技术和方式，统一管理复杂的碳纤维及复合材料的生产全流程，对引领国产碳纤维行业转型升级具有非常好的示范作用。

参考文献

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