基于数字化车间的橡胶硫化制造管理系统的实现

高 雪，孟庆国，李志新，王泽亮

(大连长丰实业总公司 机械加工车间，辽宁 大连 116033)

随着市场的变化，橡胶制造企业的战略计划会发生变化，在不断增加橡胶产品数量的同时，更加关注产品质量和生产效率，以便提升企业的竞争力，在激烈的市场竞争中站稳脚跟[1]。作为橡胶制造过程的关键环节，硫化是橡胶生产加工的最后一道工序，其温度、时间和压力直接决定着橡胶硫化的质量[2]。橡胶制造企业通常采用传统方式控制硫化过程，手工控制硫化时间、测量硫化温度，且是在假定模具内温度恒定的条件下设定工艺参数的。受企业内部现有平板硫化机性能(如加热板传热效率)和现场环境的影响，操作人员需按个人经验判断硫化时间。判断误差的过大，常常会导致橡胶产品欠硫化或过硫化现象的发生[3]，而这两者均会影响成品质量，造成原料的浪费。橡胶制造企业目前采用的人工填写纸质表单记录过程数据方式，存在劳动强度大、资源浪费等问题。为客观准确地记录橡胶制造的硫化过程数据、提高一线人员的工作效能、对硫化工艺数据进行精准监控，必须采用数字化手段实现硫化过程的管控。

本文将设计基于数字化车间的橡胶硫化制造管理系统，将可编程控制技术、人机交互技术、数据自动采集技术等应用到橡胶硫化制造管理系统中；通过工控机、触摸屏、传感装置等设定橡胶硫化工艺参数、获取过程数据；采用人工智能、比例积分微分(Proportional，Integral，Derivative，简称PID)调节算法和可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)，对硫化温度、时间、压力进行精确调控；通过工业以太网和工控机的通信，对橡胶制造硫化过程数据进行自动采集和记录，实现硫化补偿时间的自动判断、硫化过程的故障预警和相关信息的无纸化管理。

1 管理系统的整体设计

本文在管理系统整体设计时，主要建立数据采集子系统、控制子系统和管理子系统。其中，采集子系统和控制子系统的设计主要是确定数据采集机构和控制机构，完成硫化工艺参数的自动采集和人机交互的管理任务；管理子系统的设计主要是建立办公服务器网络查询分系统以及管理分系统的派工、设备、人员、查询、报表自动生成等模块。

所设计管理系统的整体网络结构如图1所示。它主要由数据采集子系统、控制子系统、管理子系统等组成。各子系统之间采用工业以太网通信方式。管理系统中服务中心的并发采集周期可达0.1 s，典型采集周期为0.5 s，硫化运行数据的最小采集周期为1 s。本文从整体网络结构设计时即确保了系统对采集数据的高效传输和实时显示功能。

图1 管理系统的整体网络结构

2 数据采集子系统的实现

数据采集子系统需要完成橡胶制造硫化工艺参数(含二段硫化工艺参数)的数据采集和环境温湿度的数据采集。其硬件主要包括互感器、温湿度计、变送器、温度传感器、继电器、湿度传感器、电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)、采集模块等。

2.1 硫化工艺参数的采集

2.1.1 一段硫化工艺参数

针对橡胶制造的一段硫化过程，数据采集子系统需采集硫化温度、时间、压力数据。其中，硫化温度指在橡胶硫化设备工作时通过模具测温孔真实测出的数值[4]。传统上，操作人员需要通过目视温度计读取数值并连续、实时地监测与记录。实际上，温度是不断波动的，操作人员根本无法实时准确地读取其数值。本文设计一套特制的温度传感装置，改变了人工采集、记录硫化温度的方式。该装置具有精度高、防腐防锈性能好等特点，其平稳状态下采集的温度数据误差在±1 ℃内。将该装置与硫化设备关联后，能通过设置上下限将温度控制在加工要求的范围(151～200 ℃)内。在硫化过程中，只要将该温度传感装置插入测温孔即可，而无需操作人员在迅速取模换料时频繁插拔测温装置，能确保温度数据的自动获取，具有很高的准确性，实现了对一段硫化过程中温度数据的实时自动采集。

一段硫化时间即为正硫化时间[4]，一段硫化压力为硫化过程的实时压力。将时间继电器、电子压力变送器(其精度可达0.2%)安装在橡胶硫化设备上，通过PLC控制器和通信接口将时间继电器和电子压力变送器的实时数据上传至管理子系统，即可完成对一段硫化过程中时间、压力数据的实时采集。

2.1.2 二段硫化工艺参数

二段硫化过程需采集的工艺参数有硫化时间和硫化箱温度两项。本文选用自制温度传感器来采集二段硫化箱的温度。在温度传感器通过RS485接口将温度数据传输到二段硫化温度采集器后，二段硫化温度采集器能通过监视与控制通用系统(Monitor and Control Generated System, MCGS)、通信接口，将所采集数据上传至管理子系统。MCGS能够显示二段硫化温度曲线。二段硫化箱的温度数据采集周期为0.5 s。

数据采集子系统能通过硫化设备的网络端口直接采集二段硫化的时间数据，并通过通信接口将所采集数据上传至管理子系统。

2.2 环境温湿度的数据采集

在硫化车间现场安装IRM-S02TH型温湿度数据采集装置(包括温湿度仪、环境数据采集集中器等)，可采集车间内温湿度数据，并通过通信接口将所采集数据上传至管理子系统。环境温湿度数据采集的网络结构如图2所示。

图2 环境温湿度数据采集的网络结构

每个温湿度仪的巡检周期约为25 ms，巡检10个温湿度仪约需250 ms。这样的设定能够满足企业内部橡胶硫化制品环境采样周期1 s的特殊工艺要求，实现对现场环境温湿度数据的自动采集。

根据橡胶制造企业设备布置与标准化工艺文件的要求，应在车间内不同区域设置数量不同的温湿度仪。各区域设置温湿度仪的数量如下：硫化区域5个，打磨区域1个，涂胶区域1个，检验区域1个，胶料存放区域1个，模具存放区域1个。若环境温湿度超出工艺设定范围，橡胶硫化制造管理系统就会发出报警信号。

3 控制子系统的实现

橡胶硫化制造管理系统的控制子系统由PLC、串口线、模拟量输入输出模块、人机交互模块等组成。它采用人工智能和PID调节算法，能通过PLC、人机交互模块和以太网，将硫化工艺参数、现场环境数据等实时传输至服务器终端[5]，并予以显示。控制子系统的执行流程如图3所示。

图3 控制子系统的执行流程

针对一段硫化过程，控制子系统需要通过PLC控制器，按照企业标准化工艺文件对硫化时间、欠硫化温度、过硫化温度进行逻辑控制[6]；根据硫化温度自动判断硫化时间、计算模具升温时间，并对硫化制造时间进行累计，在模具升温时间超过规定硫化时间一半时自动开模，在模具升温时间大于规定硫化时间的15%时延长规定硫化时间。

借助管理系统的控制子系统，可减少加工不合格产品对时间和原材料的浪费，同时能实现对硫化过程中温度、时间的自动精准控制，提高硫化产品的质量。

4 管理子系统的实现

橡胶硫化制造管理系统的管理子系统由相应的硬件与软件两部分组成。其中硬件部分由服务器、工程师站显示屏、资源管理站、交换机、不间断电源(Uninterruptible Power Supply，UPS)等组成[7]；软件部分包括办公服务网络查询分系统和橡胶制造过程管理分系统。通过管理子系统，可实现对橡胶制造硫化过程关键数据的无纸化管理，减少无效作业时间，降低人为差错率，提升质量数据的记录效率。这里只详细介绍管理子系统的软件部分。

4.1 办公服务网络查询分系统

办公服务网络查询分系统是利用动态服务器网页(Active Server Pages，ASP)升级版搭建的一个内部小型网站。它采用以“一个中心”为基准的数据管理模式，为企业生产数据的安全保驾护航，能通过以太网接口接收橡胶制造过程产生的生产数据，在本地进行数据库操作，实现浏览器/服务器模式的查询管理。

通过办公服务网络查询分系统，数据的查询响应和流转能在一定区域内进行；不同权限的管理人员能根据职能要求读取相关数据[8-10]。车间管理人员、车间工艺师、质量检验工、一线操作人员及库房管理人员，可通过该分系统查询硫化机运行参数、状态信息、工单流水号、电能表读数等，调取每批产品的硫化过程温度、压力、起止时间、操作人员和设备情况等橡胶硫化回溯信息，及时了解设备能耗、生产环境温湿度、材料消耗和模具使用情况。

该分系统包括用户管理、查询分析、统计分析、报表生成和在线帮助等功能模块，可实现对橡胶制造过程所有数据在车间内部局域网上的查询共享。系统对橡胶制造硫化过程历史数据的保存时间不少于10年。

4.2 橡胶制造过程管理分系统

橡胶制造过程管理分系统由派工单管理、权限管理、设备管理、人员管理、材料管理、工艺管理、模具管理、温湿度管理、统计分析管理和帮助10个模块组成，能实现橡胶制造硫化过程的工作流程管控、无纸化数据管理(含数据的显示、追溯和质量记录的生成)等。

(1) 派工单管理模块具有自动和手动操作模式，能够针对不同硫化设备进行相应的任务派发，对相关资源参数进行设定。借助该模块，管理人员可新增派工单、查看二段硫化的任务并进行相应的设备分配，设备保养员/操作员能方便地查看自己的派工任务并进行相应操作。

(2) 权限管理模块具有分配操作、检验等岗位人员登录相应界面和操作权限的功能。不同权限的登录者进入的界面及操作功能均不同。企业调度人员可自定义角色和相应权限。

(3) 设备管理模块具有实时监测设备运行状态、对设备信息进行管理并同步显示的功能，可实现车间内平板硫化机、真空硫化机、干燥箱、辗料机的线上管理。通过该模块，可绑定平板硫化机操作人员，且可设定为一人对多的绑定关系。

(4) 人员管理模块用于实现操作人员和设备维护人员的信息管理。登录管理系统的权限不同，可查看人员信息的范围也不同。

(5) 材料管理模块具有入库建码、出库扫码、派工单出库量管理等由专职人员设定的功能，可用于实现胶料、胶液和辅材的出入库管理，包括领用人、领料量、材料相关信息(如硫化条件、批次号、日期、颜色、二维码)等。

(6) 工艺管理模块具有工艺参数的编辑、检索、调用等功能。其中，工艺参数按企业现行有效版工艺文件的要求执行。

(7) 模具管理模块用于实现模具的出入库管理，包括但不限于对模具领用人、领用期限、续借时间、归还时间等一系列相关信息及流程的管控。该模块的运行，要求事先将各模具按其编号信息生成唯一的二维码。它具有的批量导出功能可减少人为勘误性问题的产生。

(8) 温湿度管理模块具有采集各制造区域、打磨区域、涂胶区域、检验区域、胶料存放区域、模具存放区域温湿度数据的功能。温湿度数据的采集周期为0.5 h。当采集的温湿度数据超出设定范围时，车间内展示大屏上会显示对应区域的报警信息。

(9) 统计分析管理模块具有质量报表的自动生成和打印、历史报表查询等功能。其中，质量报表包含温度曲线、材料信息、人员信息、硫化过程参数、批量记录、现场温湿度监控记录等；历史报表查询功能多用于质量追溯，可统计相关数据，也可调用硫化过程参数，还可查询每批产品制造过程的温湿度、硫化过程曲线、硫化起止时间、操作人员信息等。

(10) 帮助模块具有电子版用户操作手册的在线查看功能，可供所有人员操作系统时使用。

5 应用实例

某企业加工一种橡胶产品，整个生产过程中质量数据记录的周期为28.4 min。每个操作人员每次记录3个数据，每次记录花费的时间为30 s，每月每名操作人员需记录数据1 439次，花费时间约为12 h。

使用橡胶硫化制造管理系统后，该产品的质量数据记录单不再需要操作人员花费时间来填写，仅需30 s即可打印出来。每人每月打印质量数据记录单所需时间仅为0.2 h，可将质量数据记录效率提高约60倍。

图4所示为橡胶硫化制造管理系统的硫化参数表单信息自动生成界面。

图4 橡胶硫化制造管理系统的硫化参数表单信息自动生成界面

6 结 语

本文针对橡胶制造硫化过程中温度波动对硫化时间的不良影响，以及人工填写纸质表单方式存在的工作量大、资源浪费、易产生人为差错等问题，通过开发数字化车间橡胶制造管理系统，建立数据采集子系统、控制子系统和管理子系统，实现了橡胶制造硫化过程数据的自动采集、记录、无纸化管理，以及硫化条件的自诊断、信息的自动传递，减少了无效作业时间和人为差错。实践证明，橡胶硫化制造管理系统的应用，能提升质量数据记录效率约60倍，为数字化车间的实现提供了支持。