挤出式乳胶丝关键生产参数监测系统设计

唐木森，刘桂雄，谢炎庆

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640；2.广东国兴乳胶丝有限公司，广东揭阳522000）



挤出式乳胶丝关键生产参数监测系统设计

唐木森1，刘桂雄1，谢炎庆2

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640；2.广东国兴乳胶丝有限公司，广东揭阳522000）

摘要：针对目前人工监测难以满足挤出式乳胶丝生产需要的问题，开发一套挤出式乳胶丝关键生产参数监测系统。基于挤出式乳胶丝生产工艺，提出制约产品质量的关键生产参数，建立以搅拌状态、温度、速度及酸碱度为监测量，Modbus为通信协议和MCGS为开发平台的监测系统，提高挤出式乳胶丝生产可控性和稳定性。实验结果表明：系统能准确监测乳胶丝生产状态，有利于乳胶丝产品质量建模及性能提升。

关键词：乳胶丝；监测系统；MCGS；Modbus

0　引言

乳胶丝因其弹性优良，绝缘性、拉伸强度高，耐磨性良好等特点，在服装、家具、医用及军事等行业应用广泛。伴随应用领域发展，各行业对乳胶丝性能要求显著提高，乳胶丝行业标准对性能要求却无变化[1]，导致乳胶丝性能提升缓慢。采用挤出法制得的乳胶丝因表面光滑且性能较传统生产工艺有所提升，故被乳胶丝生产企业广泛采用，但其生产过程工艺复杂与控制参数多等又给乳胶丝产品稳定性带来挑战[2]。建立智能监测系统取代人工监测是解决复杂工业生产稳定性的有效措施，文献[3-5]分别针对工业加工过程、冷却塔热力性能及大型石化工厂管架安全建立在线监测系统，解决生产应用中缺乏有效监测措施的问题。本文针对挤出式乳胶丝生产工艺，研究制约乳胶丝性能的关键生产参数，结合现代传感技术、通信技术与工业组态技术建立挤出式乳胶丝关键生产参数监测系统，实现乳胶丝生产过程中温度、速度及酸碱度等参数的有效监测，提高乳胶丝产品合格率，且为后期乳胶丝质量建模数据来源及性能提升奠定基础。

1　参数选定与结构设计

监测参数选取是监测系统总体结构设计基础，生产过程参数能否正确反映挤出式乳胶丝性能，监测参数是否能保证高效生产，很大程度上取决于参数选取的合理性。

1.1监测参数选定

生产工艺是监测参数选取的基础，步骤包括配料、过滤、挤出、成型、清洗、烘干、拼带、硫化、冷却与落箱包装，乳胶丝以胶乳为原料，配合其他化学料形成生产配方，在配料过程中需要通过搅拌装置充分混合化学料及防止配料凝固。配料达到一定指标后经过滤、挤出进入酸槽成型，成型过程是利用一定温度醋酸溶液中阳电荷中和胶乳粒子阴电荷，使得胶乳由流动状态转化为凝胶状态[6]，该过程可控参数有胶凝酸碱度pH、胶凝时间tgel及胶凝温度Tgel。胶凝完成后经4道水槽进行清洗，清洗时间tclean与清洗温度Tclean是清洗工艺控制参数；清洗完毕后乳胶丝进入烘干炉去除水分，该工艺控制参数有烘干时间tdry及温度Tdry。烘干完毕经拼带进入硫化工艺，通过控制硫化时间tvul及温度Tvul改变乳胶丝物理机械性能，硫化后经冷却降温完成最后落箱包装。

由上述工艺分析，本文建立以胶凝时间tgel、胶凝酸碱度pH、胶凝温度Tgel、清洗时间tclean、清洗温度Tclean、烘干时间tdry、烘干温度Tdry、硫化时间tvul及硫化温度Tvul为对象的监测系统，并将监测数据存盘以便后期进行乳胶丝质量建模。同时，为保证高效生产及提高产品合格率，项目也对备料过程的搅拌动作进行监测，充分混合化学料并防止因配料凝固造成物料损失。

1.2系统总体结构

根据选定的监测参数，可将其分为4类（分别为时间t、温度T、酸碱度pH及搅拌监测），时间在乳胶丝生产线上反映各电机带动滚轴、传送带的速度，故所设计监测系统包括速度、温度、酸碱度及搅拌状态4类监测量，图1为挤出式乳胶丝关键生产参数监测系统总体结构。

监测系统主要由数据采集现场、数据通信网络及客户端组成[7]。数据采集现场的温度监测采集Tgel、Tclean、Tdry及Tvul，采用PT100配合温控仪实现；速度监测采集电机速度，依照比例变换为tgel、tclean、tdry及Tvul；酸碱度监测利用pH电极配合电位计监测胶凝酸碱度pH；霍尔传感器配合频率变送器实现搅拌状态监测；数据采集现场采集到的信号通过采用485接口及Modbus协议的数据通信网络传输给客户端；客户端采用MCGS组态软件实现监测数据查看及存盘，局域网中不同计算机也可同时查看监测状态。

2　系统设计及实现

2.1硬件构成

图2为数据采集现场温度监测示意图，温控仪选用TAIE公司FY700-30100B温控仪，其输入选用PT100铂热电阻，温控仪控制输出4～20mA模拟信号，该信号可驱动电动比例调节阀，实现温度控制；温控仪还具备485通信接口，采用Modbus协议实现信息传输。

图1　挤出式乳胶丝关键生产参数监测系统总体结构

图2　数据采集现场温度监测示意图

图3　数据采集现场搅拌状态监测示意图

图3为数据采集现场搅拌状态监测示意图。磁性材料安置在转动轴上，霍尔传感器可判定磁性材料是否随轴转动，选用三线制NPN型霍尔传感器，为保证其在额定输出电流下工作，选用160Ω电阻作为负载，客户端直接通过霍尔传感器输出信号判定搅拌状态。为适应各种搅拌速度，会导致总线占用时间长，不利于系统总体采集效率，故将霍尔传感器输出接入宿州泰华仪表有限公司WS15281型频率信号隔离器，可将霍尔传感器输出信号转换为4～20 mA输出，通过设置阈值实现搅拌状态判定。

速度监测模块根据电机转速范围选用广州昆仑自动化设备有限公司XSM-BGT2A1B1V0转速测控仪，可测量0～60r/min转速范围；考虑安装简易性，选用NPN型三线制霍尔传感器作为转速测控仪输入传感器，将磁性材料安装于电机传动轮上，使用固定架定位好霍尔传感器即可测量电机转速。转速测量结果变送为4～20 mA电流信号，该信号可按照比例变换实现tgel、tclean、tdry及tvul测量，图4为数据采集现场速度监测示意图。

图5为数据采集现场酸碱度监测示意图，酸碱度监测主体电位计选用意大利匹磁pH7685，根据挤出式乳胶丝生产线酸槽采用的醋酸浓度（30%～40%）及温度（30～35℃），可选用匹磁SZ173PH复合电极配合pH控制器及选用PT100铂热电阻传感器，实现测量的温度补偿。匹磁pH7685控制器提供4～20mA模拟信号输出，可反映测量值大小。

转速测控仪、pH控制器及频率信号隔离器输出均为4～20mA信号，由于数据采集现场各监测点与客户端有一定距离[8]，为保证信号有序传输且不丢失，选用苏州迅鹏仪器仪表有限公司DFM206输入测量模块，该模块可采集6通道输入信息，将数据采集现场4～20mA输出信号接入485总线，并使用Modbus通信协议实现数据传输。

图4　数据采集现场速度监测示意图

图5　数据采集现场酸碱度监测示意图

2.2软件设计

客户端选用MCGS组态软件作为系统软件开发平台[9]，系统数据通信基于Modbus通信协议[10]，数据采集现场除温度采集设备是直接挂在总线上，其余监测信息均通过输入测量模块接入总线，通过添加并设置设备窗口通用串口父设备。串口通信波特率选用19200b/s、8位数据位、1位停止位、奇校验模式。在通用串口父设备下添加标准ModbusRTU设备，将地址设置与数据采集现场温控仪及输入测量模块对应上，并设置内部属性。

其中输入测量模块添加6个通道，通道中寄存器类型为[4区]输出寄存器，数据类型为32位浮点数，寄存器地址分别为4097，4353，4609，4865，5121，5377；温控仪则只需添加1个通道，通道中寄存器类型为[4区]输出寄存器，数据类型为16位无符号二进制，寄存器地址为139，以客户端读取地址为1的温控仪温度值为例，假设温度值为100℃，表1、表2分别为客户端发送数据与接收数据。

完成设备定义后通过用户窗口设计用户交互界面，同时在主控窗口设计系统菜单；其中，登录设置菜单可完成登录用户、用户管理、修改密码及退出登录的操作，实现不同用户的操作权限设置、管理。窗口查看菜单中参数监测窗口是监测系统的启动窗口，在该窗口可实时查看生产参数，报警阈值设置窗口可设置系统报警阈值，适应不同型号乳胶丝生产的报警设置；数据管理菜单可查看历史报警数据及生产参数的存盘数据；退出系统菜单则完成系统的退出功能。图6为挤出式乳胶丝关键生产参数监测系统实物。

3　系统测试

系统搭建完成后运行MCGS组态环境，通过实时数据库定义数据对象以表示挤出式乳胶丝各监测量，在设备窗口将定义数据对象与标准ModbusRTU设备各通道连接到一起，最后在参数监测窗口显示监测信息，图7为挤出式乳胶丝关键生产参数监测系统界面。

图6　挤出式乳胶丝关键生产参数监测系统实物

表3　2015年4月17日15时1～5min系统存盘数据

图7　挤出式乳胶丝关键生产参数监测系统界面

完成系统搭建与监测信息显示后，利用MCGS组态软件实现监测数据定时存盘，本文数据存盘周期设置为1次/min，表3为2015年4月17日15时的系统存盘数据。利用挤出式乳胶丝关键生产参数监测系统历史数据，通过建模得到挤出式乳胶丝质量模型，提高乳胶丝质量可控性。

4　结束语

本文结合现代传感技术、通信技术与工业组态技术，实现复杂乳胶丝生产过程的参数监测，可推广到其他多工序或复杂工艺工业生产过程监控中。以后工作将集中研究监测数据后期质量建模及数据挖掘方法，提高挤出式乳胶丝性能。

参考文献

[1]胶乳胶丝：HG/T 2889—2011[S].北京：化工出版社，2012.

[2]甘木伙，赵均明，陈顺安.乳胶丝生产工艺：中国，ZL20111 0068362.0[P]. 2012-05-30.

[3] SHI D，GINDY N N. Industrial applications of online machining process monitoring system [J]. Mechatronics，IEEE/ASME Transactions，2007，12（5）：561-564.

[4]刘桂雄，叶季衡，肖若，等.冷却塔热力性能在线监测装置及系统研制[J].中国测试，2013（4）：64-68.

[5] JUNG J，SONG B. The possibility of wireless sensor networks for industrial pipe rack safety monitoring [C]∥System Sciences（HICSS），2014 47th Hawaii International Conference on IEEE，2014：5129-5134.

[6]支东彦.高分子凝胶的制备、药物释放及其分子热力学研究[D].上海：华东理工大学，2013.

[7]张健伟，刘桂雄，潘梦鹞.基于智能传感的车轮运动状态监测系统设计[J].科学技术与工程，2011（18）：4268-4272.

[8]叶廷东，黄国健，刘桂雄.基于多传感软测量的在线检测装置研制[J].制造业自动化，2009（4）：60-63.

[9] LI R S，FAN A L. Monitoring and control system design and implementation of emulational transformer substation Based on the MCGS[J]. Applied Mechanics and Materials，2014（513）：885-888.

[10] LI J，CAO S. Remote monitoring and management system of CNG flow based on modbus RTU protocol[J]. International Journal of Online Engineering（IJOE），2014，10（5）：52-56.

（编辑：李刚）

Design of key parameters monitoring system for extruded latex thread

TANG Musen1，LIU Guixiong1，XIE Yanqing2
（1. School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2. Guangdong Guoxing Latex Thread Co.，Ltd.，Jieyang 522000，China）

Abstract:An online key parameter monitoring system has been designed to meet the demand of efficient and stable production for extruded latex thread. Key parameters that restrict product quality are proposed in accordance with the manufacturing process of extruded latex thread. The system consists of three parts: monitoring variables like stirring conditions，temperature，speed and pH value; a communication protocol Modbus; and a development platform MCGS. Experimental results indicate that the system can accurately monitor the production state of latex thread and will be conductive to building quality models and improving the performance of latex products.

Keywords:latex thread；monitoring system；MCGS；Modbus

通信地址表1客户端发送数据命令码寄存器地址资料比数CRC 01H03H008AH0001HA5E0H 表2客户端接收数据命令码资料字节数资料CRC 01H03H02H03E8HB8FAH

通讯作者：刘桂雄（1968-），男，广东揭阳市人，教授，博士生导师，主要从事先进传感与网络化控制研究。

作者简介：唐木森（1990-），男，广东广州市人，硕士研究生，专业方向为测控系统集成技术与应用。

基金项目：广东省省级科技计划项目（2013B091600057，2013B011201339）揭阳市产学研结合项目（201366）

收稿日期：2015-04-18；收到修改稿日期：2015-06-02

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.018

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）01-0079-04