轮胎分解造粉装备智能制造系统的研究及应用

周延松,孙洪喜,焦清国,王淑波

(青岛弯弓信息技术有限公司，山东 青岛 266042)

随着国内汽车数量的不断增加，废旧轮胎的报废量也逐渐增多，随之带来的问题就是污染生态环境、占用大量空间。而废旧轮胎的回收再利用不仅可以保护生态环境、减少资源的浪费，还可以带动更多的人进行就业[1]。

废旧轮胎的综合利用主要有以下几种：轮胎翻新、原形改制、热能利用、生产胶粉。轮胎翻新是指将已经磨损的、无法继续使用的旧轮胎外层消掉，重新贴上一层新胶料进行硫化，即可得到一条可以继续使用的翻新胎。翻新胎虽然保持了轮胎原有的形状，但是如果长期使用，也存在安全性问题[2]。

原形改制是指经过捆绑、裁剪、冲切等方式，将废旧轮胎改造成具有一定价值的物品，例如用切割机将胎圈和轮胎进行分离，将胎身制作成不同尺寸的胶条，利用这些胶条可以编织成防滑垫排、防护网等物品。

热能利用是指依靠轮胎的高热值特性，用它代替燃料使用，将废旧轮胎破碎后与可燃物按一定比例进行混合，配制成固体垃圾燃料，可用作火力发电和供水泥回转窑使用。

采用常温粉碎法、低温冷冻粉碎法将废旧轮胎粉碎后得到的粉末就是胶粉[3]。与再生胶相比，胶粉无须脱硫，具有资源耗费少、不排放废水、工艺简单、性能优异等特点，因此用途广泛[4]。例如在轮胎生产过程中将其掺入胶料中代替部分生胶，降低产品成本；与沥青或水泥混合，用于公路建设和房屋建筑[5]。用胶粉制成胶板，将胶板粘贴在铁板上可用作高速公路隔音墙；用胶粉生产彩色弹性地砖等。

正是由于胶粉的多种用途，诞生了很多生产胶粉的企业，但是由于生产胶粉的设备耗电量太大，设备故障率较高，维修保养没有计划性，生产过程的很多数据只能依靠人工记录，不但费时费力，还容易出现偏差。因此，迫切需要一套智能制造管理系统来完成这些工作。本文基于工业 4.0的理念研发废旧轮胎分解造粉智能制造管理系统，基于整条轮胎造粉装置为研究对象，为每一种设备分别开发一套上位机系统，通过与设备的PLC进行通信，将客户关注的重要信息和数据进行采集和分析，最终形成报表存储在后台服务器上，方便企业管理层人员进行查询分析，更加全面主动的对企业制造全过程进行管理，帮助企业降低生产成本，提高整体设备效率。

1 废旧轮胎分解造粉的工艺流程

轮胎分解造粉的工艺流程如图1所示。其生产线主要由割圈机、双轴撕碎机、破胶机主机、破胶机辅

机、离心筛、钢磨机、胶粉打包装置组成。详细流程为：先将轮胎放置在割圈机上，经电机带动轮胎回转，气动切刀伸出，逐渐将胎圈切割下来，切割下来的胎圈可以直接出售，切割出来的轮胎进入双轴撕碎机进行粉碎。轮胎首先进入第一台双轴撕碎机，经过第一台双轴撕碎机出来的胶块大约在10 cm左右，出来的胶块再进入第二台双轴撕碎机，经第二台双轴撕碎机出来的胶块大约在5 cm左右，然后胶块进入破胶机主机，通过主机的两个辊轮进行转动，将胶块研磨成胶粉、钢丝、纤维等杂质，经过破胶机辅机进行筛选，筛选出来的钢丝、纤维等打包直接出售，筛选出来的胶粉经过离心筛进行颗粒分级。经钢磨机将胶粉研磨成更小的目数，当目数小于24时，返回离心筛重新筛选;当目数超过24目时，经其中一根管道直接到达胶粉打包装置进行打包，也可以根据客户需要经另一根管道到达2号钢磨机。2号钢磨机出来的胶粉目数是40目，可以直接到达胶粉打包装置，也可以再经过3号钢磨机，使胶粉达到60目。

图1 轮胎分解造粉的工艺流程

2 智能制造管理系统整体架构

智能制造系统整体架构如图2所示，包括现场设备层、设备控制层、计划层、制造执行层，PLC与现场的上位机系统、上位机系统与智能制造管理系统都是通过以太网的方式进行通讯，保证数据及时、可靠的传输。所有设备的PLC选用西门子系列，包括S7-200、S7-200 SMART、S7-1200，PLC相互之间也通过以太网连接，保证现场每一台上位机都可以连接所有设备的PLC。为方便现场人员操作和使用，每种设备旁边都放置一台工控机，工控机上部署一套上位机系统，包括该设备的整体示意图、采集参数、产量、用电量相关数据统计等。系统最顶层是智能制造管理系统，通过该系统，可以实时收集生产过程中数据的功能，作出相应的分析和处理；可以对整个车间的制造过程进行优化；该系统与计划层和控制层进行信息交互，通过企业的连续信息流来实现企业信息全集成。

图2 轮胎造粉智能制造管理系统架构

3 系统软件功能

3.1 造粉上位机系统

造粉上位机系统共包括双轴撕碎机上位机、破胶机主机和辅机上位机、除尘系统上位机、钢磨机上位机四套。每套上位机系统包括基础数据、生产管理、系统管理3部分，功能结构图如图3所示，简要功能描述如下。

3.1.1 基础数据

设备信息：对设备及其关键部件进行统一编码。

3.1.2 生产管理

（1）生产计划接收：接收MES系统制定的生产计划，执行生产计划，生产状态进行反馈。

（2）设备状态采集：采集设备的状态及其关键参数进行实时监控，出现的故障及时报警。

（3）故障申报：发生设备故障时进行故障申报，录入故障原因，提报故障进行维修，维修完毕进行确认，记录时间点，统计维修效率，提高设备管理效能。

（4）能源采集：采集设备的耗电量，计算成本形成分析报表。

（5）生产信息：记录产出的物料信息，包装后，打印生成批次条码并粘贴在物料包装上，便于追溯管理。

（6）报警记录：对设备出现的报警进行记录，包括报警时间、报警内容、报警的严重等级。

3.1.3 系统管理

（1）用户管理：对登录系统的用户进行管理，避免无权限人员使用系统。

（2）权限管理：设定操作人员的使用权限，记录操作日志。

（3）操作日志：对在线用户进行管理，关键业务的操作日志进行记录，便于追溯操作日志，保证系统安全性。

图3 造粉上位机功能结构图

3.2 智能制造管理系统

智能制造管理系统功能结构图如图4所示，主要包括基础数据管理、设备管理、生产管理、系统管理4部分，其简要功能如下。

3.2.1 基础数据管理

（1）原材料信息：对于收购的废旧轮胎进行统一编码，方便进行库存管理。

（2）物料信息：对造粉出来的胶粉、钢丝、纤维等产成品统一规范编码，方便库存及生产销售管理。

（3）设备台账：对设备进行统一编码管理，对系统进行规范性管理。

3.2.2 设备管理

（1）设备状态监控：对设备状态进行实时监控，监控设备动态，设备出现故障时及时报警。

（2）维修保养计划：根据设定的维修保养周期自动生成维修保养计划，将维修保养计划下达到机台，跟踪执行过程，对计划进行提前预警，保证设备正常运转。

（3）设备故障率分析：设备故障率、OEE等综合报表的分析，提供各种查询条件。

（4）设备履历分析：记录设备的各次维修计划，搭建设备的维修履历信息，形成设备档案。

（5）关键部件分析：对关键部件使用次数和时间进行记录，达到维修、保养等时间时提前进行预警。

3.2.3 生产管理

（1）投入重量报表：采集投入秤的数据并且记录，形成原材料投入的分析报表，记录投入量。

（2）产出重量报表：对钢丝和粉料产出位置增加称量装置，读取产出重量记录，形成产出分析报表。

（3）投入产出分析报表：对投入和产出进行分析，统计投入产出的综合分析报表，为企业经营提供成本分析的依据。

（4）生产计划管理：制定或导入生产计划，每班制定各机台的生产计划，审核后下发到机台进行管理。

3.2.4 系统管理

（1）用户管理：对登录系统用户进行管理。

（2）权限管理：对用户权限进行管理。

图4 智能制造管理系统功能结构图

4 系统实现

轮胎分解造粉的完整生产线示意图如图5所示。从左到右依次是轮胎割圈机、双轴撕碎机、破胶机主机、破胶机辅机、除尘系统、离心筛、钢磨机、胶粉打包装置。设备在运行过程中，通过MES系统还可以对设备的关键参数进行实时监控，方便现场操作人员和管理人员对设备进行管控，关键参数和设备状态如下。

（1）双轴撕碎机：主机电流、双轴撕碎机电能、总电能、主机运行/停止、报警信息。

（2）破胶机主机：左、右辊距显示、主机电流、主机电压、主机电能、出水口水温、主机运行/停止、报警信息。

（3）破胶机辅机：辅机电流、辅机电压、辅机电能、辅机温度、料位显示、运行/停止信号、报警信息。

（4）钢磨机：钢磨机电流、钢磨机电能、运行/停止信号、报警信息。

（5）除尘系统：灰料堆积点温度。

（6）软化水系统：软化水流量、软化水温度、软化水液位。

（7）称重装置和胶粉打包装置：仪表重量、称量稳定信号。

图5 轮胎分解造粉设备示意图

图6是智能制造管理系统里统计的产量报表。该报表由3部分组成，最上面是按月统计的胶粉产量柱状图和设备能耗柱状图，其中能耗图又包括钢磨机能耗和设备总能耗。中间部分是用折线表示出来的日产量，上面直线表示计划产量，下方折线表示当天生产的实际产量。最下面是日产量的详细数据，每天的产量由AB两个班次组成，日产量数据主要有每吨胶的耗电量、班次总产量、胶粉回磨的产量、24目胶粉产量、40目胶粉产量、60目胶粉产量、以及产量达成率。

5 总结

本文基于轮胎分解造粉装备研发出一套分解造粉智能制造管理系统，通过该系统，可实现远程监控现场生产情况、实时监控设备状态及关键参数、自动统计投入废旧轮胎的数量和重量、产出胶粉的重量、设备耗电量、制定维修保养计划、设备故障率分析等功能，方便企业管理层人员更加全面及时地掌握现场情况，有效提高了企业管理效率，降低了成本，显著提升了社会、经济效益。

图6 智能制造管理系统产量统计报表