Проектирование и разработка автоматизированной системы управления вулканизационными прессами (на примере цеха формовой техники)

Введение: Обоснование актуальности и постановка задачи

Промышленность по производству резинотехнических изделий (РТИ) является ключевым сектором экономики, где качество конечной продукции напрямую зависит от строгого соблюдения технологического режима. В основе этого процесса лежит вулканизация — необратимое химическое сшивание полимеров. Ошибки в управлении этим процессом, будь то отклонение температуры, недостаток давления или неточность временной выдержки, неизбежно приводят к переотверждению (хрупкость) или недоотверждению (слабость) изделий, что выражается в высоком проценте брака и значительных финансовых потерях.

Устаревшие системы управления вулканизационными прессами, основанные на релейно-контактной логике или морально устаревших контроллерах, не способны обеспечить требуемую точность (часто погрешность по температуре превышает ±3 °C) и гибкость в настройке многоступенчатых режимов. Этот недостаток диктует острую необходимость в модернизации, поскольку только высокоточное регулирование способно гарантировать стабильность качества РТИ.

Цель данной работы: Разработка структуры и содержания высококачественной, надежной и высокоточной автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) для вулканизационных прессов цеха формовой техники.

Задачи проекта:

1. Детально проанализировать технологический процесс вулканизации как объект управления, выделив критические параметры.
2. Разработать иерархическую архитектуру АСУ ТП, соответствующую требованиям промышленных стандартов (ГОСТ).
3. Спроектировать математическое и алгоритмическое обеспечение, включая точный ПИД-регулятор для поддержания температуры.
4. Выбрать современные, надежные аппаратно-программные средства (ПЛК, датчики, SCADA).
5. Обосновать технико-экономический эффект от внедрения разработанной системы.

Структура данной работы соответствует полному циклу проектирования АСУ ТП и адресована специалистам, стремящимся к реализации высокотехнологичных и стандартизированных решений в области промышленной автоматизации.

Анализ технологического процесса как объекта автоматизации

Физико-химические основы процесса вулканизации

Вулканизация — это фундаментальный химический процесс, который трансформирует сырой каучук (линейный или разветвленный полимер) в эластичный, прочный и термостойкий материал, известный как резина. Суть процесса заключается в сшивании молекул каучука с помощью вулканизующих агентов (чаще всего серы) под воздействием тепла и давления, в результате чего формируется трехмерная пространственная сетчатая структура.

Критически важным является соблюдение трехмерного пространства технологических параметров, которые определяют кинетику и конечные свойства изделия:

1. Температура (T): Главный катализатор процесса. Рабочий диапазон вулканизации обычно находится в пределах от 140 °C до 200 °C. Например, стандартная серная вулканизация для натурального или бутадиен-стирольного каучука проводится при 145 °C – 160 °C. Точное поддержание температуры (с погрешностью не более ±0,5 °C) является обязательным условием для равномерной и полной сшивки.
2. Давление (P): Обеспечивает плотное заполнение пресс-формы и препятствует образованию пор или пустот в изделии, которые возникают из-за испарения летучих компонентов резиновой смеси. Номинальное рабочее давление в гидросистеме пресса для формования РТИ составляет 16-16,5 МПа.
3. Время выдержки (t): Определяет продолжительность химической реакции.

Критические параметры и циклограмма управления

Для эффективного управления процессом необходимо не только контролировать абсолютные значения T и P, но и строго следовать технологической циклограмме, которая состоит из следующих основных фаз:

Фаза цикла	Цель	Критические параметры управления
1. Загрузка	Размещение сырой заготовки в пресс-форме.	Контроль положения плит (датчики конечных положений).
2. Смыкание и поджим	Быстрое закрытие пресса, легкое сжатие (дегазация).	Скорость смыкания, начальное усилие (0,5–1,0 МПа).
3. Прессование (Формование)	Создание полного рабочего давления.	Точное достижение и поддержание номинального давления (16-16,5 МПа).
4. Температурная выдержка (Вулканизация)	Поддержание T и P в течение заданного времени.	Точность T (±0,5 °C) и t (±1 с).
5. Размыкание и извлечение	Сброс давления, охлаждение плит (при необходимости), открытие пресса.	Контроль скорости размыкания (для предотвращения повреждения изделия).

Углубленный анализ: Использование вулканизационной реограммы

Ключом к оптимальному управлению является анализ кинетики вулканизации, которая измеряется при помощи вулканизационной реограммы. Эта кривая показывает изменение крутящего момента (или жесткости) резиновой смеси со временем при постоянной температуре.

• Индукционный период (t_s или t₁): Время начала подъема крутящего момента. Это период, когда реакция сшивания только начинается. Слишком короткий t_s может привести к преждевременной вулканизации (скорчингу).
• Оптимальное состояние (t₉₀): Время достижения 90% от максимального крутящего момента. Эта точка соответствует оптимальной степени сшивки, обеспечивающей наилучшие физико-механические свойства.

Задача АСУ ТП — гарантировать, что фактическое время выдержки максимально точно соответствует расчетному значению t₉₀, предотвращая как недоотверждение, так и критическое переотверждение. Для этого необходимой становится высокая точность датчиков и регуляторов, способных работать в многошаговом режиме.

Требования к системе управления (ТЗ)

На основе анализа объекта управления формируются ключевые требования к разрабатываемой АСУ ТП:

Тип требования	Описание	Значение
Функциональные	Многоступенчатое управление	Программирование до 50–100 уникальных циклограмм (рецептов) прессования, каждая до 5 стадий.
	Точность регулирования T	Поддержание температуры с погрешностью не более ±0.5 °C в диапазоне 140–200 °C.
	Контроль равномерности T	Измерение температуры минимум в 8 точках каждой плиты для выявления градиента нагрева.
	Управление P	Точное регулирование гидравлического давления с точностью до ±1% от заданного значения.
Нефункциональные	Надежность	Обеспечение безотказной работы на уровне не ниже 0.985 (в соответствии с ГОСТ 24.701-86).
	Безопасность	Блокировка работы пресса при критическом давлении/температуре; соблюдение ГОСТ 12.x.
	Скорость реакции	Время реакции системы на изменение параметров должно составлять не более 50–100 мс, что критически важно для быстродействия ПИД-регулятора.
	Диагностика и Архивация	Архивация всех технологических параметров (T, P, состояние клапанов) с меткой времени для последующего анализа брака.

Разработка архитектуры и нормативно-техническое обоснование АСУ ТП

Архитектура системы управления цехом

Для обеспечения надежности, масштабируемости и эффективного диспетчерского контроля, АСУ ТП вулканизационного цеха должна строиться по иерархическому принципу, соответствующему требованиям промышленной информатики. Предлагается централизованно-распределенная архитектура, которая включает три основных уровня:

1. Полевой уровень (Уровень 0): Включает первичные измерительные преобразователи (датчики температуры, давления), исполнительные механизмы (гидравлические клапаны, контакторы нагревателей) и устройства защиты.
2. Уровень локального управления (Уровень 1): Представлен Программируемыми Логическими Контроллерами (ПЛК), которые выполняют функции прямого цифрового управления, регулирования (ПИД-контуры) и логической блокировки в режиме реального времени. Каждый пресс управляется своим ПЛК.
3. Уровень диспетчерского управления (Уровень 2 — SCADA/HMI): Обеспечивает человеко-машинный интерфейс (HMI) на локальной панели оператора и централизованный сбор данных, архивирование, визуализацию и удаленное управление (SCADA-сервер) для всего цеха.

Связь между Уровнем 1 и Уровнем 2 осуществляется по стандартным промышленным протоколам (например, Modbus TCP или Profinet/Ethernet IP), что обеспечивает высокую скорость обмена данными и надежность. С учетом того, что контроль осуществляется на уровне цеха, подобный подход становится залогом долгосрочной эксплуатации и легкой интеграции с системами MES/ERP предприятия.

Применение стандартов при проектировании

Разработка АСУ ТП должна строго соответствовать российским стандартам, что гарантирует ее системность, совместимость и безопасность.

1. Стадии создания системы (ГОСТ 34.601-90):

Проектирование должно быть выполнено в соответствии с ключевыми стадиями, определенными ГОСТ 34.601-90:

• Постановка задач: Определение технологических требований (выполнено в разделе 2).
• Разработка Технического задания (ТЗ): Формализация требований к системе.
• Эскизный проект: Разработка концептуальных решений и предварительной архитектуры.
• Технический проект: Детальное проектирование, выбор оборудования, разработка программного обеспечения, ФСА и технической документации.
• Рабочий проект: Разработка рабочей конструкторской документации для монтажа и наладки.
• Ввод в эксплуатацию: Наладка, тестирование и приемочные испытания.

2. Требования к надежности (ГОСТ 24.701-86):

Для критически важного процесса, такого как вулканизация, где сбой может привести к порче дорогостоящего сырья, решающее значение имеет надежность. ГОСТ 24.701-86 устанавливает номенклатуру показателей надежности АСУ ТП.

Для АСУ ТП вулканизационного пресса необходимо обеспечить:

• Высокую готовность: Минимальное время простоя. Выбор отказоустойчивых модулей ПЛК и резервирование критических датчиков.
• Безотказность: Использование компонентов с высоким средним временем наработки на отказ (MTBF). Для ответственных систем (например, на базе REGUL R500/R600) используются горячее резервирование контроллеров.

3. Требования безопасности (ГОСТ 12.x):

Проектирование обязано учитывать требования безопасности труда и производственной санитарии (ГОСТ 12.0.003, ГОСТ 12.4.026). Ключевые аспекты:

• Электрическая безопасность: Заземление, защита от КЗ, соответствие ПУЭ.
• Механическая безопасность: Двуручное управление смыканием плит, наличие световых или механических барьеров для блокировки доступа в опасную зону.
• Производственная среда: Учет требований ГОСТ 12.1.005 к условиям обитаемости операторов (температура, влажность, шум).

Функциональная схема автоматизации

Функциональная схема автоматизации (ФСА), разработанная в соответствии с ГОСТ 21.408-2013, служит для графического представления взаимосвязей между элементами системы.

На ФСА должны быть отражены следующие ключевые контуры:

1. Контур регулирования температуры (КРТ): Датчики температуры (TT) передают сигнал на регулятор (TRC) в ПЛК, который управляет нагревательными элементами (H).
2. Контур регулирования давления (КРД): Датчик давления (PT) передает сигнал на регулятор (PRC), который управляет гидравлическим насосом (P) и электромагнитными клапанами (FV) для поддержания рабочего усилия.
3. Контур циклового управления (ЦУ): Логический контроллер (PLC) управляет последовательностью фаз (смыкание/размыкание) на основе сигналов от датчиков положения (LS) и заданного времени выдержки (T).

Обозначение	Функция	Тип устройства
TRC	Регулятор температуры (ПИД-контур)	Функциональный блок в ПЛК
TT	Термометр сопротивления (Pt100)	Полевой уровень, аналоговый вход
PRC	Регулятор давления (Программный регулятор)	Функциональный блок в ПЛК
PT	Датчик давления	Полевой уровень, аналоговый вход
LS	Датчик положения	Полевой уровень, дискретный вход
FV	Клапан гидравлический	Исполнительный механизм, дискретный выход
H	Нагреватель/ТЭН	Исполнительный механизм, силовой выход

Математическое моделирование и разработка алгоритмического обеспечения

Разработка многошагового циклового алгоритма

Управление вулканизационным прессом носит ярко выраженный цикловой характер. Алгоритм управления должен быть реализован в виде конечного автомата, позволяющего гибко программировать многошаговую циклограмму.

Типовая многошаговая циклограмма (рецепт) включает 3–5 последовательных стадий, каждая из которых имеет свои заданные значения T, P и t:

1. Стадия 1: Предварительный поджим (Дегазация). Цель: удаление воздуха и летучих веществ. Режим: Низкое давление (1-2 МПа), короткое время (10-30 сек).
2. Стадия 2: Основное прессование (Формование). Цель: создание номинального усилия. Режим: Полное давление (16 МПа), температура поддерживается на заданном уровне.
3. Стадия 3: Вулканизационная выдержка. Цель: поддержание оптимальных условий для сшивки. Режим: Постоянные T (150 °C) и P (16 МПа), время, равное t₉₀.
4. Стадия 4: Охлаждение/Размыкание. Цель: стабилизация изделия. Режим: Давление сброшено, активируется система размыкания.

Алгоритм должен строго контролировать переходы между стадиями, используя таймеры (для времени выдержки) и логические условия (для достижения заданных T и P).

Алгоритм автоматического регулирования температуры

Объект регулирования температуры (плита пресса) является инерционным, но требует высокой точности и быстрого выхода на режим. Оптимальным выбором является дискретный (цифровой) позиционный ПИД-регулятор.

Обоснование выбора ПИД-регулятора:

• Пропорциональный член (K_p): Уменьшает ошибку регулирования, но может вызвать колебания.
• Интегральный член (K_i): Устраняет статическую ошибку (обеспечивает точное достижение заданной температуры).
• Дифференциальный член (K_d): Ускоряет переходные процессы и компенсирует инерционность объекта.

Явная формула дискретного позиционного ПИД-регулирования:

Управляющее воздействие u_n в текущий момент времени n, при интервале дискретизации T, рассчитывается по формуле:

u_n = Kp * e_n + Ki * T * Σ(j=0, n) e_j + (Kd / T) * (e_n - e_{n-1})

Где:

• u_n — управляющее воздействие на нагреватель (например, процент мощности).
• e_n — текущая ошибка регулирования (e_n = T_{заданное} — T_{текущее}).
• K_p, K_i, K_d — коэффициенты ПИД-регулятора.
• T — период дискретизации (цикл ПЛК, обычно 10–50 мс).

Настройка коэффициентов по методу Циглера-Никольса:

Для настройки коэффициентов K_p, K_i, K_d используется эмпирический метод Циглера-Никольса. Этот метод требует определения двух параметров объекта: критического коэффициента K_кр (при котором система начинает устойчиво колебаться при чисто пропорциональном регулировании) и периода критических колебаний T_кр.

Тип регулятора	Kp	Ti	Td
ПИД	0.6 ⋅ Kкр	0.5 ⋅ Tкр	0.125 ⋅ Tкр

После определения T_i и T_d, коэффициенты K_i и K_d рассчитываются по соотношениям: K_i = K_p / T_i и K_d = K_p ⋅ T_d.

Разработка логики управления исполнительными механизмами

Логическое управление (функции FBD или LD в ПЛК) обеспечивает правильную последовательность работы гидравлической системы и блокировок:

1. Управление давлением: Включение насоса высокого давления (P) разрешается только после получения сигнала о полном смыкании плит (LS) и если оператор иницииро��ал цикл. Давление поддерживается включением/выключением насоса или регулированием пропорционального клапана.
   • Логика: (Насос_ВКЛ) = (Цикл_Активен) AND (Плиты_Сведены) AND (P < P_{заданное}).
2. Защитные блокировки:
   • Защита от перегрева: При превышении критической температуры (например, 210 °C) подача питания на нагреватели должна быть немедленно отключена с выводом аварийного сообщения.
   • Защита от преждевременного размыкания: Размыкание плит (включение клапана сброса давления) возможно только после истечения заданного времени вулканизационной выдержки и сброса давления до безопасного уровня.

Выбор и обоснование аппаратно-программных средств

Выбор программируемого логического контроллера (ПЛК)

Выбор ПЛК определяется требованиями к быстродействию, количеству входов/выходов (I/O) и надежности. Поскольку вулканизационный пресс требует высокоточного ПИД-регулирования и большого количества аналоговых входов (для контроля температуры в 8 точках на плиту), необходим контроллер с высокой производительностью ЦПУ и качественными аналоговыми модулями.

Критерии выбора и конкретные примеры:

Критерий	Требование	Обоснование	Предлагаемые отечественные решения
I/O	16 дискретных входов, 12 дискретных выходов, 8–16 аналоговых входов (AI, Pt100/Pt1000), 4 аналоговых выхода (AO).	Необходимы для контроля 8 точек T, P, управления клапанами и нагревом.	ПЛК210 (Овен): Моноблочное решение для одного пресса.
Быстродействие	Цикл сканирования ≤ 20 мс.	Обеспечение стабильности ПИД-регулирования в реальном времени.	REGUL R500/R600 (РегЛаб): Модульные, отказоустойчивые контроллеры для цехового управления, обеспечивающие высокую надежность и горячее резервирование.
Протоколы	Modbus TCP/RTU, Ethernet.	Связь с SCADA-системой и HMI-панелью.	Обеспечивается обеими линейками.
Надежность	Работа в промышленных условиях (вибрация, температура).	Соответствие промышленным стандартам эксплуатации.	Модульные серии REGUL R500/R600 предпочтительны для ответственных и распределенных систем благодаря повышенной отказоустойчивости.

Выбор датчиков и исполнительных механизмов

Точность измерения критических параметров напрямую определяет качество конечного продукта.

1. Измерение температуры:
Для обеспечения требуемой точности (±0,5 °C) и стабильности в рабочем диапазоне (до 200 °C) используются платиновые термометры сопротивления (ТС).

• Тип: Pt100 или Pt1000.
• Класс точности: Необходимо использовать класс A или AA (согласно DIN EN 60751). Класс AA обеспечивает максимальную точность (например, ±0.15 °C при 100 °C), минимизируя инструментальную погрешность.
• Размещение: Датчики должны быть установлены в нескольких точках (минимум 8) каждой вулканизационной плиты для контроля равномерности нагрева и предотвращения температурных градиентов, которые могут вызвать неоднородность вулканизации.

2. Измерение давления:
Для контроля давления в гидросистеме (16–16,5 МПа) используются тензорезистивные или пьезоэлектрические датчики избыточного давления с аналоговым выходом (4–20 мА) и классом точности не ниже 0.5.

3. Исполнительные механизмы:

• Гидравлическая система: Используются высокоскоростные электромагнитные клапаны (для быстрого сброса и подачи давления) и, при необходимости, пропорциональный клапан для точного регулирования усилия сжатия на стадии прессования.
• Нагрев: Для управления электрическими ТЭНами используются твердотельные реле (SSR) с ШИМ-управлением от ПЛК. Это позволяет плавно регулировать мощность нагрева, что критически важно для точной работы ПИД-регулятора.

Разработка человеко-машинного интерфейса (HMI/SCADA)

Человеко-машинный интерфейс (HMI) и система диспетчерского управления (SCADA) обеспечивают оператору необходимую информацию и инструменты для контроля и диагностики процесса. Разве не от удобства и полноты этого интерфейса зависит скорость реакции оператора на внештатные ситуации?

Функционал HMI/SCADA:

1. Визуализация процесса: Графическое отображение текущего состояния пресса (открыт/закрыт, давление, температура плит) и активной стадии циклограммы.
2. Управление рецептами: Возможность выбора, редактирования и сохранения программ прессования. Система должна поддерживать до 100 уникальных рецептов с защитой от несанкционированного изменения.
3. Отображение параметров: Индикация текущих и заданных значений температуры (T), давления (P) и оставшегося времени выдержки (t).
4. Архивирование данных (Критически важно): Система должна осуществлять непрерывный сбор и архивирование всех ключевых технологических параметров (T, P) с интервалом не более 1 секунды.
   • Архивация необходима для построения графиков-трендов («Усилие-время», «Температура-время»). Анализ этих трендов позволяет технологу подтвердить, что процесс прошел в строгом соответствии с t₉₀, и является основой для анализа причин брака.
5. Система аварийной сигнализации (Алармы): Регистрация и отображение аварийных событий (превышение T, падение P, сбой датчика) с привязкой ко времени.

Заключение и технико-экономическое обоснование

Разработанная структура АСУ ТП для вулканизационных прессов представляет собой комплексное инженерное решение, основанное на принципах высокой точности, надежности и строгом соответствии технологическим требованиям. В результате этого проекта предприятия получают инструмент для стабильного производства качественной продукции.

В ходе работы были выполнены следующие ключевые этапы:

1. Установлена прямая зависимость качества вулканизации от трехмерного контроля параметров (T, P, t), с акцентом на использование технологических маркеров t_s и t₉₀.
2. Спроектирована иерархическая архитектура АСУ ТП, легитимизированная российскими стандартами (ГОСТ 34.601-90, ГОСТ 24.701-86).
3. Разработано алгоритмическое обеспечение, включающее многошаговую циклограмму и дискретный позиционный ПИД-регулятор. Была представлена явная формула регулирования и метод настройки коэффициентов по Циглеру-Никольсу.
4. Обоснован выбор высокоточных аппаратных средств, включая термометры сопротивления Pt100/Pt1000 класса A/AA и отказоустойчивые ПЛК (например, REGUL R500/R600 или ПЛК210).
5. Определен функционал SCADA/HMI, критически важный для контроля и архивирования данных процесса.

Технико-экономическое обоснование (ТЭО)

Внедрение разработанной АСУ ТП обеспечивает существенный технический и экономический эффект:

1. Повышение качества продукции (Снижение брака): Достижение точности регулирования температуры ±0.5 °C и точное соблюдение времени выдержки t₉₀ устраняет основные причины недо- или переотверждения. Прогнозируемое снижение процента брака, связанного с нарушениями режима, составляет от 15% до 30%.
2. Увеличение производительности: Сокращение непроизводительных простоев за счет автоматической диагностики и ускорения переходных процессов при выходе на рабочий режим. Возможность быстрого переключения между 50–100 программами прессования сокращает время наладки.
3. Снижение эксплуатационных расходов: Своевременное архивирование аварийных событий и трендов позволяет проводить предиктивное обслуживание оборудования и оптимизировать потребление энергоресурсов (за счет точного ПИД-регулирования мощности нагрева).

Таким образом, АСУ ТП вулканизационных прессов, разработанная с учетом строгих инженерных и академических требований, является не только технически обоснованным, но и экономически выгодным проектом модернизации цеха формовой техники.

Список использованной литературы

1. Раздобреев, М. М. Проектирование систем автоматизированного управления : учеб. пособие / Новосиб. электротехн. ин-т. – Новосибирск, 1989.
2. Раздобреев, М. М. Функциональная обработка информации : в 2 ч. Ч. 1. Проектирование и реализация алгоритмов на языке Турбо Си : учеб. пособие / Новосиб. гос. техн. ун-т. – Новосибирск, 1994. – 130 с.
3. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы : утверждены Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 30 мая 2003 года.
4. СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.
5. Смирнова, Г. Н. Проектирование экономических информационных систем : учебник / Г. Н. Смирнова, А. А. Сорокин, Ю. Ф. Тельнов. – Москва : Финансы и Статистика, 2002. – 512 с.
6. СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение. – Москва : Информ. реклам. издат., 1995. – 35 с.
7. Хомоненко, А. Delphi 7 в подлиннике. – Санкт-Петербург : BHV, 2003. – 1216 с.
8. Delphi 7 на примерах / под ред. Ю. С. Ковтанюка. – Киев : Юниор, 2003. – 384 с.
9. Архангельский, А. Я. Delphi 6. Справочное пособие. — Москва : Бином, 2001. — 1024 с.
10. Архангельский, А. Я. Программирование в Delphi 6. — Москва : Бином, 2001. — 564 с.
11. Архангельский, А. Я. Язык SQL в Delphi 5. — Москва : Бином, 2000. — 205 с.
12. Карпова, Т. Базы данных: модели, разработка, реализация. — Санкт-Петербург : Питер, 2001. – 304 с.