无线传感网络下的密炼过程控制系统设计

曾平红,周 南,胡 涛

(湖南交通工程学院,湖南 衡阳 421001)

0 引言

在密炼过程中,当温度超过一定值时,如果温度继续升高,将会导致产品的质量下降,严重时甚至会发生安全事故。因此,对密炼过程进行有效控制,实现密炼过程自动化,是生产企业降低生产成本、提高产品质量、增强市场竞争力的迫切需要。目前国内外对于密炼过程的自动化控制技术研究主要集中在两个方面:一是采用工业控制计算机、可编程控制器等计算机控制装置对密炼过程进行自动控制;二是采用智能传感器、数据采集及通信等技术对密炼过程进行远程监测和控制。在无线传感器网络中,无线传感器节点的分布密度和位置决定了整个无线网络的传输距离和信息采集能力[1]。

1 密炼过程工艺

密炼过程是由多个功能不同的设备组成的一个连续生产过程,每一种设备的具体功能都不尽相同,这些设备的排列顺序和数量也是根据产品质量要求和实际生产情况来确定。整个密炼过程可以分为投料、混炼、开炼机、压延机、切条机、切段机等多个阶段[2]。

1.1 加热和冷却

在密炼过程中,由于密炼机密炼工艺的不同,使得密炼后的产品在物理性能上会存在一定的差异。为了保证产品质量,必须对密炼机进行加热和冷却,过程需要将大量的热量传递到产品上。

根据传热方式的不同,加热和冷却方式可分为对流、传导和辐射3种。

对流式是最为常见的一种加热和冷却方式,通过对流来传递热量。将物料放入密炼机中后,物料与其周围的空气进行热交换,随着物料温度的升高,周围空气温度也随之升高,从而形成一个热空气对流循环回路。

在密炼机中,一般都将密炼机设置在靠近入口一侧或出口一侧;密炼机转子轴线与水平面垂直时,密炼机转子轴线与水平面夹角为180°,密炼机转子轴部中心与水平面夹角为50°～60°;密炼机转子轴线与水平面夹角为180°时,密炼机转子轴线与水平面夹角为60°～70°,密炼机转子轴线与水平面夹角为75°～80°。

在密炼机中,由于密炼机转子的转动速度较快,物料受热不均匀,尤其是在密炼机入口和出口的两端温度较高,因此必须对物料进行加热和冷却[3-4]。

根据密炼机内物料的导热原理,物料周围的空气与其进行热交换。在密炼机入口和出口两端温度较高时,可使物料从密炼机内表面快速向外表面移动;而在密炼机转子轴线与水平面夹角较大时,可使物料从密炼机内表面向外表面移动。

1.2 开炼胶

开炼胶过程是指将橡胶生胶加工成一定形状的胶块,并进行混炼和硫化的过程,包括胶料的加热、搅拌、计量和混炼。开炼胶过程是橡胶加工过程中一个重要的工艺过程,其主要控制参数为:胶料的温度、胶料的混炼时间、计量称重等。

(1)胶料温度。胶料温度是控制密炼机中橡胶生胶和混炼胶加热时间的重要参数,主要受胶料自身质量、胶料粒径大小、胶料配方设计、混炼工艺等因素影响。当胶料质量较差或配比不合理时,橡胶生胶和混炼胶在加热和冷却过程中,易发生焦烧现象;当胶料粒径较大时,物料受热易分解或溶胀;当胶料配方设计不合理时,混炼温度过高,将导致硫化速度过快,导致硫化时间过长,导致橡胶发黏或产生气泡等缺陷;当胶料配方设计合理时,混炼温度应控制在适当范围内;当混炼工艺不合理时,如混炼时间太短或混炼温度过高等,将导致橡胶发黏或产生气泡等缺陷[5]。

(2)胶料混炼时间。当胶料在密炼机中停留的时间越长,其对温度变化的敏感度越低;反之则敏感度越高。橡胶制品在制造过程中存在“硬化”和“软化”两个阶段,当橡胶制品在密炼机中停留的时间过长时,将导致胶料在炼胶过程中发生“硬化”现象,即硫化速度较快;当橡胶制品在密炼机中停留的时间过短时,将导致胶料在炼胶过程中发生“软化”现象。

(3)计量称重。通过控制胶料粒径大小及称量时间来控制胶料粒径大小;通过控制计量称重仪表的称量精度来控制计量称量仪表的称量精度。

1.3 混合与造粒

在密炼过程中,加入一定量的配合剂(一般是防老剂、促进剂等),通过混炼与造粒处理,可以得到密炼成品。由于密炼过程是一个连续生产过程,在生产过程中要求物料的混合、造粒、粉碎等操作要连续进行,因此,密炼过程控制的关键在于对混炼、造粒及粉碎过程的控制。混炼过程是在密炼机内完成的,由不同的阶段组成。混炼是将加有配合剂的混炼料和定量的物料一起进入密炼机内进行混匀和混合,以保证其在密炼机内达到充分混合。混炼过程控制的关键在于:对不同阶段物料混合的均匀度进行检测,确定每一阶段物料是否达到充分混合;根据各阶段物料混合均匀度,控制好投料量和时间等因素。造粒是将混炼料通过密炼机内部的切条机等设备切成一定规格的颗粒。造粒是在密炼机内部完成的,由密炼机内部所需用到的各种部件和装置组成,包括:开炼机、压延机、切条机等。造粒过程控制主要包括以下几个方面:(1)控制好开炼机和压延机等设备之间的协调工作;(2)控制好切条机等设备之间的协调工作;(3)控制好切条机等设备之间的协调工作;(4)控制好压延机等设备之间的协调工作。由于在实际生产过程中,造粒、切条机等设备之间往往不是固定不变的,而是根据实际生产情况灵活改变。因此,需要对造粒、切条机等设备之间进行协调工作。除此之外,密炼过程还涉及其他设备,如密炼机、混炼器、压延机等设备。

2 无线传感网络

2.1 无线传感网络拓扑结构

无线传感网络是通过传感节点将感知信息发送到网关节点,通过一定的通信协议与网内其他节点进行通信,网络中的所有节点在自身范围内进行信息采集,并通过一定方式将数据发送到网管中心管理。无线传感网络能够有效地降低布线成本、延长设备寿命,并可以有效地解决网络拓扑结构在大规模应用中遇到的问题。

无线传感网络拓扑结构包括星形拓扑和树形拓扑两种形式,如图1所示。

图1 无线传感网络拓扑结构

星形拓扑是指节点之间通过总线连接,并且在总线上传输信息,具有简单的结构和较少的节点数目等特点。对于网络中所有节点来说,只需要将总线上传输的信息封装成一个数据包就可以进行通信。

树形拓扑是指由多个节点组成的网络,每个节点都有一个唯一的标识。在每条总线上只有一个数据包经过这个标识后就可以传输给下一个节点。树形网络中每个节点都是独立的,但是在整个网络中,只有一个汇聚节点,它负责将所有其他节点采集到的数据进行聚合和传输。

无线传感网络是由多个相互独立的、不相连的传感器节点组成的网络,每个传感器都可以向周围环境中发送信息并与其他传感器进行通信,这些传感器可以是温度、湿度、烟雾、气体等物理量或者是声音、图像等数字量。

无线传感网络应用于密炼过程中,是将密炼过程中各种物理量和数字量信息采集与处理后通过无线通信技术传送到网关节点。网关节点在接收到数据后通过转换和融合处理,将数据转换成与密炼过程中温度、湿度、气体等物理量相对应的数字量并以无线通信方式传送给其他传感器。

2.2 网络硬件组成

无线传感器网络可以根据其位置不同分为室内和室外两种,本文研究室内无线传感网络。在密炼过程中,采用的是无线传感器网络,这里的无线传感器网络可以分为两种:一种是有线连接的传感器网络,另一种是无线连接的传感器网络。如图2所示。

(1)有线连接的传感器网络。由在密炼过程中采集温度、压力等物理量数据的传感设备组成,如温度、压力等检测器,并将这些数据传输到控制中心。

(2)采用的是无线传输方式,可以分为两种:一种是短距离(一般在1～3 m)的无线信号传输方式,另一种是长距离(一般在10 m以上)的无线信号传输方式。

(3)网络硬件构成。根据所采集信息的不同,将整个密炼过程分为多个控制环节。主要包括控制终端、控制中心与节点3部分。控制终端分为主控台和受控台,主控台与受控台之间采用多点通信。

(4)控制器。由 PLC或工控机组成,对整个密炼过程进行控制和监控。

(5)软件设计。为保证整个系统具有良好的实时性,对系统软件进行设计。从底层到顶层,主要由下位机系统、上位计算机系统、工控机系统3大部分组成,他们分别实现密炼过程中各工艺环节的自动控制。下位机系统主要实现对密炼过程中的温度、压力等关键工艺参数进行实时监测;同时实现与工控机、 PLC之间的通信。

2.3 控制算法

在密炼过程中,对各个工艺环节的参数进行监测是整个系统控制的关键。本文采用的是无线传感网络技术,利用其特点对各个工艺环节进行实时监测,并实现数据传输,具体流程如下。

(1)在密炼机内设置温度、压力等传感节点,并将这些传感节点连接到下位机系统。

(2)在下位机系统中,主控台通过RS485接口与上位计算机进行通信,上位计算机通过RS232接口与主控台通信。

(3)在上位机系统中,将各个节点采集到的数据通过无线传感网络传到主控台。

(4)主控台将这些数据进行分析、处理,并显示在上位机的监控界面上。

(5)上位机对这些数据进行存储、分析,并进行一些管理操作。

(6)当出现紧急情况时,可通过下位机系统发送指令对节点进行控制和操作。

在密炼过程中,为了提高生产效率和产品质量,还需要对工艺参数进行实时调整和优化。本文采用的是模糊控制算法来调整密炼过程中各工艺参数的值,具体的控制方法如下。

(1)模糊控制器对下位机系统采集的数据进行处理,通过计算得出各工艺参数值。

(2)对这些数据进行模糊化处理,根据密炼过程中各种参数的变化情况计算出下一时刻各工艺参数值。

(3)根据这些数据及其他信息来确定当前密炼过程中需要调节的工艺参数。

(5)如果当前控制不能满足要求时,则可通过触摸屏发出指令对下位机系统进行调整。

(6)如果有异常情况发生时,则可通过紧急按钮进行紧急控制。

3 系统设计

通过对密炼过程的深入研究,提出了基于无线传感网络的控制系统,主要由3个部分组成:数据采集和处理模块、无线通信模块、控制模块。

无线传感器网络节点由温度、湿度、压力传感器及无线通信模块组成,采用CC2530作为主芯片,具有低功耗、低成本和高可靠性等优点;对温度、湿度信息的采集利用太阳能电池供电,并通过太阳能电池板将光能转换成电能,再由主芯片通过处理电路将电能转换成合适的频率电流,经5 W功率的电源模块供电,最后将模拟信号转换为数字信号传输到控制芯片上。

在主芯片的控制下,通过无线通信模块与现场监控设备进行数据交换,从而实现了现场数据的采集和处理;无线通信模块利用 ZigBee网络协议在局域网内将采集到的数据通过网络进行传输。另外,无线通信模块与控制模块之间也可以利用串行通信或485总线等多种方式进行数据交换。

密炼过程主要是对各种原材料的混合、加热、升温和冷却等过程,在密炼过程中,由于各种原料在温度、湿度和压力上都会产生差异,因此必须对其进行分析研究,以便采取有效的控制措施。

其中,密炼温度的变化主要是由于不同原料在温度上存在差异引起的,而密炼过程中温度测量最主要的手段是温度计和热电偶传感器。根据被测对象的不同,一般将温度传感器分为两大类:一类是以热电阻为敏感元件的测温传感器;另一类是以热电偶为敏感元件的测温传感器。

3.1 控制系统硬件设计

密炼过程中的关键参数如温度、压力、时间等,通过传感器进行采集,并通过无线通信方式将数据发送到中央处理单元,最后再通过 PC机对数据进行分析。

无线传感器网络(WSN)由大量的小型传感器节点构成,在数据传输过程中,各节点之间通过无线通信方式进行数据交换,以实现多个节点的协调控制。

本系统采用无线传感器网络对密炼过程中的温度、压力、时间等进行监测,并将监测到的信息通过 WSN网络发送到中央处理单元。

采用嵌入式处理器为核心,结合无线通信技术,设计出一种新型的温度和压力传感器模块,将该模块嵌入密炼设备。

整个系统硬件主要包括:

(1)温度传感器模块。由6个热电偶和1个热敏电阻组成,温度采集精度为±0.5 ℃。

(2)压力传感器模块。由24个压力传感器组成,压力采集精度为±0.1 MPa;

(3)无线通信模块。主要由2.4 GHz无线通信模块和嵌入式处理器构成。

系统的工作原理如下:

温度传感器模块将采集到的温度信号经过放大、滤波后传输给嵌入式处理器。由于该无线传感器网络采用了先进的低功耗技术(如锂电池供电),使得整个系统运行更加稳定、可靠。

嵌入式处理器将采集到的温度、压力等信息通过无线通信技术传送给中央处理单元,利用嵌入式处理器强大的数据分析处理能力对采集到的数据进行分析和处理。分析得到的数据可以通过 GPRS或有线网络传给上位机,通过 PC机对数据进行分析和处理。

3.2 无线传感网络设计

无线传感网络由一系列节点组成,节点中的传感器负责感知和采集数据,并将采集到的数据传输给中央处理器。在无线传感网络中,节点可以通过发送数据包和接收数据包进行数据的传输和处理。

本系统使用了STM32系列低功耗微处理器,该处理器内部集成了多个微控制器、存储器、模拟和数字接口以及I/O控制接口。为了满足无线传感网络的特点,本系统选用了nRF24L01模块作为无线射频芯片,其内部集成了射频收发器(RF24L01)、低功耗蓝牙模块(BLE)、 CAN控制器、 GPIO控制器等。nRF24L01的工作频率为2.4 GHz,该工作频率属于低功耗频段,因此该芯片具有低功耗的特点。其主要功能是通过无线射频芯片接收无线传感器节点采集到的数据包,然后将数据包传输给中央处理器,再通过串口与 PC机进行数据交换。

由于密炼过程中存在高温、高湿的环境,因此密炼设备需要通过传感器采集温度、湿度、压力等参数。传感器采用的是温湿度传感器SHT10,其内部集成了温湿度感应模块和数字温度传感器DS18B20,可以实时采集并传输温湿度数据。SHT10传感器具有体积小、功耗低、可靠性高等特点,在密炼过程中的温度和湿度变化较为明显的场合有很好的应用前景。

由于密炼设备内部空间有限,为了减少能量消耗,本系统选用了一款无线数据收发器- WDR系列中的 WDR系列- WDR-D-I-C-P-S-L-A-H-E-R-T-U模块。

4 结语

本文设计的无线传感网络下的密炼过程控制系统,采用无线传感器网络,保证了系统的数据传输稳定性。使用的无线传感器网络可以对整个密炼过程进行实时监控,并且当密炼过程中出现问题时可以及时报警。在密炼过程中,其主要是通过对温度进行控制来实现其密炼程度,将温度控制在一定范围内,是确保密炼程度的重要手段。因此,在密炼过程中要控制好温度,保证温度在一定范围内波动。