宽幅平板硫化机多缸与电热同步智能控制的探讨

宽幅平板硫化机多缸与电热同步智能控制的探讨

应市场要求，我们研发设计了宽幅平带平板硫化机系列机组，其主机要求3.2～6.4米幅宽、采用可解体预应力框架、多缸上位下压、低位节材、陶瓷电热、单高压液压站、可中割分幅、单层/双层设计，双向组线等。该机组定位于装备国际、国内及再生胶利用市场中高强钢绳运输带和片卷材生产用户，为保护知识产权，该系列机组关键技术拟申报发明专利。其中多缸同步与电热同步智能控制为本研发项目的要点之一。

1. 同步智能控制需求产生

通常，柱式、框架式平带平板硫化机的下位上压或上位下压采用分步供油大径液压缸方式，这些方式中，由于硫化过程中需对硫化生带施加1.5～3MPa的压力（国外厂家达到4MPa），致使液压缸体、本机机体庞大，耗材总量惊人，成本居高不下。异于以往设计，本研发设计采用反传统的多缸上位下压，而多缸中空行程部分采用气液补偿、作功保压部分采用薄型单作用高压千斤顶，开裆回程则采用反向同型高压千斤顶。研发过程中虽然设计了机械同步和采用单一高压泵站强制间歇供油，以及同型号的电液伺服阀控制，且所有电液伺服阀有相同的基本输入信号保持基本同步，通过调节电液伺服阀的输入信号控制进油量消除同步误差。但出于半闭环伺服控制要求，我们在各缸附加了静磁栅油缸行程检测仪，这是一种新型的油缸外置式位置传感器，其具备显示位置、闭环控制和通讯转换等多种功能。而这种机电液一体化位置控制需要考虑控制智能化。

其次，异于蒸汽-过热水、电热油或电热管加冷却水的双道热板加热方式，我们采用共烧陶瓷电热组件对热板加热，其以高热导率陶瓷——氧化铝瓷为基体，以耐热难熔金属作为内电极形成发热电路，通过一系列特殊工艺将两片氧化铝生瓷片共烧而成（片状元件），其优点是: 1）结构简单；2)升温迅速；3) 功率密度大； 4) 加热温度高逹400℃以上； 5) 热效率高；6）加热均匀； 7）无明火,使用安全； 8) 可实现复杂型状的平面加热； 9) 发热电路与空气隔绝，组件耐酸碱及其它腐蚀性物质，寿命长； 10) 组件本身及生产过程符合环保（ROHS）要求等，具备国际SGS认证。采用陶瓷电热件，对节材，节水、降耗效果显见，其能对加热区域分别精确控温，对稳定硫化效果甚至于不同材质的覆层硫化平带具有柔性化，同样，这种电热控制也需要考虑控制智能化。

在硫化过程中，硫化压力和温度是极为重要的参数，由于产品用途不同，硫化材质、配方不尽相同，硫化工艺参数亦多变，即便是细微变化，也是装备制造厂家研发设计时需要前瞻性综合考虑的。而上述两类控制智能化的整合思维则是本文成因。

2. 多缸同步控制

多缸配置中，采用基准缸的行程位置校准其余加压缸的位置传感器零点，而动/定热板均压分布筋采用FEA优化设计，机械同步、制造和使用误差采用传统压铅方法对冷热静态取值机械补偿，确定机械原始零点。但产品厚度偏差检测超标时，需再次校核该原点。

同步控制过程如下：各非基准油缸的位置与基准缸位置静磁栅油缸行程检测同步误差经A/D转换采集到PLC或计算机，在预设控制智能化的软件算法下进行处理后输出数字控制量，再由D/A转换成模拟电压信号，通过调节电液伺服阀的输入信号控制差位油缸进油量消除同步误差，控制电液实现子系统驱动各油缸实现同步运动。误差到达容差平衡值时，加压系统进入保压状态，高压泵站停机。此后的泄漏造成误差由于密封件与油缸制造精度统一，基本控制在等同容差范围是肯定的。

3. 电热的同步控制

由于共烧陶瓷电热组件在制造过程中可能造成单件面积上的区域温差和件间差异化温差，因此，设计中采用夹装铝制均热板，测温采用每块共烧陶瓷电热组件相对的热板背面钻孔安置若干热电偶，而共烧陶瓷电热组件也分别控制供电。校正测温方法同传统方法无异，单一基准温度直接在HMI设定。

温度同步控制过程如下：各共烧陶瓷电热组件温度误差经A/D转换采集到PLC或计算机，在预设控制智能化的软件算法下进行处理后输出相对共烧陶瓷电热组件开关量信号，通过通断信号控制可控硅对其导通供电生热，实现同步控温。由于采用接近需要温度时，断电并逐渐补温，类似占空比方式保证温度波动限制在容差平衡值范围，因此也不用冷却水降温，但端头局部防硫化水冷装置仍然需要，因为钢热板随时间延长会均热，可能造成接头搭接部焦烧、过硫影响平带质量。

4. 整合控制智能化的实现

同步控制系统最为关键的部分就是控制智能化方案的选择及优化。不同的控制方案都各具特色，都可以通过某种调整方式和调整原则达到预期的目的。经过比较分析，对上述同步采用FUZZY-PID复合控制。

模糊（FUZZY）控制不建立数学模型，鲁棒性较好，但其控制动作欠细腻，稳态精度欠佳，由于采用一部PLC或IPC进行控制，需兼顾控温和控位两方面要求，温度同步控制在此处可以采用模糊控制，同时，多缸位置同步在行程终点近达段以前也可以采用模糊控制，而接近终点平抑误差时采用PID控制为好，因此可以综合以上两种控制的优点，引入FUZZY-PID复合控制，来提高控制系统的综合性能。

模糊控制与PID控制相复合的方案为：设定一个域值，当误差在域值以外时，采用模糊控制，以获得更好的瞬态性能；当误差落到域值以内时，则采用PID控制，以获得更好的稳态性能。这种模糊控制与PID控制两种控制模式相结合的控制策略就是模糊-PID复合控制。

模糊-PID复合控制图

具体的控制程序中，采用相同的控制智能化的模块软件算法，只是相对于多缸同步和温度同步，将A/D转换的误差值换算成等量级误差数据，输出结果分别为D/A量和开关量，分别控制两项同步，在实际运行中，这两种控制随硫化工艺步骤一般不会同时发生，采用人工干预或轮询即可避免。同时，数据采集量和点数的A/D转换模块的需求也不一样，分段控制也是势在必行的。

5. 结语

平带平板硫化机是生产定型久远的成熟装备产品，国产机型和国外机型差距在于控制和稳定性的水平差异。研发新机定位在于拉近差距，所以，我们在研制宽幅平带平板硫化机时，对其关键技术多缸同步与电热同步智能FUZZY-PID复合控制做了整合探讨，其方法是一种创新的尝试，同时，也为同业研发技术人员提供一种借鉴思路，其抛砖引玉的目的是共同推动中国的橡机装备制造水准迈向世界的进展。