寬幅平板硫化機多缸與電熱同步智能控制的探討

摘要：新型寬幅平帶平板硫化機系列機組主機設計中采用多缸上位下壓和陶瓷電熱技術引發同步智能控制，及采用FUZZY-PID復合控制實現兩類控制的探討。
關鍵詞：平板硫化機； 多缸與電熱同步 ；FUZZY-PID控制
引言：
應市場要求，我們研發設計了寬幅平帶平板硫化機系列機組，其主機要求3.2～6.4米幅寬、采用可解體預應力框架、多缸上位下壓、低位節材、陶瓷電熱、單高壓液壓站、可中割分幅、單層/雙層設計，雙向組線等。該機組定位于裝備國際、國內及再生膠利用市場中高強鋼繩運輸帶和片卷材生產用戶，為保護知識產權，該系列機組關鍵技術擬申報發明專利。其中多缸同步與電熱同步智能控制為本研發項目的要點之一。
1 同步智能控制需求產生：
通常，柱式、框架式平帶平板硫化機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硫化生帶施加1.5～3MPa的壓力（國外廠家達到4MPa），致使液壓缸體、本機機體龐大，耗材總量驚人，成本居高不下。異于以往設計，本研發設計采用反傳統的多缸上位下壓，而多缸中空行程部分采用氣液補償、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。研發過程中雖然設計了機械同步和采用單一高壓泵站強制間歇供油，以及同型號的電液伺服閥控制，且所有電液伺服閥有相同的基本輸入信號保持基本同步，通過調節電液伺服閥的輸入信號控制進油量消除同步誤差。但出于半閉環伺服控制要求，我們在各缸附加了靜磁柵油缸行程檢測儀，這是一種新型的油缸外置式位置傳感器，其具備顯示位置、閉環控制和通訊轉換等多種功能。而這種機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熱板加熱，其以高熱導率陶瓷——氧化鋁瓷為基體，以耐熱難熔金屬作為內電極形成發熱電路，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），其優點是: 1）結構簡單; 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) 可實現復雜型狀的平面加熱; 9) 發熱電路與空氣隔絕;組件耐酸堿及其它腐蝕及其它腐蝕性物質侵蝕,壽命長; 10) 組件本身及生產過程符合環保（ROHS）要求等，具備國際SGS認證。采用陶瓷電熱件，對節材，節水、降耗效果顯見，其能對加熱區域分別精確控溫，對穩定硫化效果甚至于不同材質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，由于產品用途不同，硫化材質、配方不盡相同，硫化工藝參數亦多變，即便是細微變化，也是裝備制造廠家研發設計時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，采用基準缸的行程位置校準其余加壓缸的位置傳感器零點，而動/定熱板均壓分布筋采用FEA優化設計，機械同步、制造和使用誤差采用傳統壓鉛方法對冷熱靜態取值機械補償，確定機械原始零點。但產品厚度偏差檢測超標時，需再次校核該原點。
同步控制過程如下：各非基準油缸的位置與基準缸位置靜磁柵油缸行程檢測同步誤差經A/D轉換采集到PLC或計算機，在預設控制智能化的軟件算法下進行處理后輸出數字控制量，再由D/A轉換成模擬電壓信號，通過調節電液伺服閥的輸入信號控制差位油缸進油量消除同步誤差，控制電液實現子系統驅動各油缸實現同步運動。誤差到達容差平衡值時，加壓系統進入保壓狀態，高壓泵站停機。此后的泄漏造成誤差由于密封件與油缸制造精度統一，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域溫差和件間差異化溫差，因此，設計中采用夾裝鋁制均熱板，測溫采用每塊共燒陶瓷電熱組件相對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。校正測溫方法同傳統方法無異，單一基準溫度直接在HMI設定。
溫度同步控制過程如下：各共燒陶瓷電熱組件溫度誤差經A/D轉換采集到PLC或計算機，在預設控制智能化的軟件算法下進行處理后輸出相對共燒陶瓷電熱組件開關量信號，通過通斷信號控制可控硅對其導通供電生熱，實現同步控溫。由于采用接近需要溫度時，斷電并逐漸補溫，類似占空比方式保證溫度波動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，因為鋼熱板隨時間延長會均熱，可能造成接頭搭接部焦燒、過硫影響平帶質量。
4 整合控制智能化的實現
同步控制系統最為關鍵的部分就是控制智能化方案的選擇及優化。不同的控制方案都各具特色，都可以通過某種調整方式和調整原則達到預期的目的。經過比較分析，對上述同步采用FUZZY-PID復合控制
模糊（FUZZY）控制具有不建立數學模型，魯棒性較好，但其控制動作欠細膩，穩態精度欠佳，由于采用一部PLC或IPC進行控制，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，多缸位置同步在行程終點近達段以前也可以采用模糊控制，而接近終點平抑誤差時采用PID控制為好，因此可以綜合以上兩種控制的優點，引入FUZZY-PID復合控制，來提高控制系統的綜合性能。
模糊控制與PID控制相復合的方案為：設定一個域值，當誤差在域值以外時，采用模糊控制，以獲得更好的瞬態性能；當誤差落到域值以內時，則采用PID控制，以獲得更好的穩態性能。這種模糊控制與PID控制兩種控制模式相結合的控制策略就是模糊-PID復合控制。

模糊-PID復合控制圖
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，只是相對于多缸同步和溫度同步，將A/D轉換的誤差值換算成等量級誤差數據，輸出結果分別為D/A量和開關量，分別控制兩項同步，在實際運行中，這兩種控制隨硫化工藝步驟一般不會同時發生，采用人工干預或輪詢即可避免。同時，數據采集量和點數的A/D轉換模塊的需求也不一樣，分段控制也是勢在必行的。
5 結語
平帶平板硫化機是生產定型久遠的成熟裝備產品，國產機型和國外機型差距在于控制和穩定性的水平差異。研發新機定位在于拉近差距，所以，我們在研制寬幅平帶平板硫化機時，對其關鍵技術多缸同步與電熱同步智能FUZZY-PID復合控制做了整合探討，其方法是一種創新的嘗試，同時，也為同業研發技術人員提供一種借鑒思路，其拋磚引玉的目的是共同推動中國的橡機裝備制造水準邁向世界的進展。
參考文獻
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