机电专业 橡胶硫化设备监控系统设计和实现

1、橡胶硫化设备监控系统设计摘 要本文通过对橡胶(护舷)硫化过程及其工艺条件深入研究的基础上，提出丫一种等效硫化时间控制方案，并设计硫化控制系统。现场长期运行结果表明，该系统的鲁棒性好，能适应外界条件变化，具有较强的抗干扰能力。针刈橡胶硫化过程的非线性及时变特性等特点，为进一步改善硫化控制效果，作者义提出J7一种神经网络控制方案，并进行实验仿真研究：(1)首先基于RBF神经网络辨识橡胶硫化控制参数，并建立其预测模型；(2)针对其已建立的模型设计基于BP神经网络的先进的PID控制器。仿真研究表明该控制算法具有更为理想的控制效果。此外，为校验橡胶护舷硫化性能指标，作者又设计了橡胶护舷力学参数测试系统，

2、该系统可对护舷反弹力及吸能量等重要力学参数进行实时测量并-_YFF其输出曲线。关键词：橡胶护舷；硫化效应；反弹力；吸能量目 录 TOC o 1-3 h z HYPERLINK l _Toc515482579 摘 要 PAGEREF _Toc515482579 h I HYPERLINK l _Toc515482580 第一章 绪论 PAGEREF _Toc515482580 h 1 HYPERLINK l _Toc515482581 1.课题的意义 PAGEREF _Toc515482581 h 1 HYPERLINK l _Toc515482582 2.国内外研究概况 PAGEREF _To

3、c515482582 h 1 HYPERLINK l _Toc515482583 3.本课题研究内容 PAGEREF _Toc515482583 h 2 HYPERLINK l _Toc515482584 第二章 橡胶硫化 PAGEREF _Toc515482584 h 3 HYPERLINK l _Toc515482585 1.橡胶硫化历程 PAGEREF _Toc515482585 h 3 HYPERLINK l _Toc515482586 1.1一硫化诱导期 PAGEREF _Toc515482586 h 4 HYPERLINK l _Toc515482587 1.2预硫阶段 PAGER

4、EF _Toc515482587 h 4 HYPERLINK l _Toc515482588 1.3正硫化阶段 PAGEREF _Toc515482588 h 4 HYPERLINK l _Toc515482589 1.4过硫阶段 PAGEREF _Toc515482589 h 4 HYPERLINK l _Toc515482590 2.正硫化及正硫化点的测定 PAGEREF _Toc515482590 h 5 HYPERLINK l _Toc515482591 3.硫化条件 PAGEREF _Toc515482591 h 6 HYPERLINK l _Toc515482592 3.1硫化温度

5、 PAGEREF _Toc515482592 h 6 HYPERLINK l _Toc515482593 3.2硫化压力 PAGEREF _Toc515482593 h 6 HYPERLINK l _Toc515482594 3.3硫化时间 PAGEREF _Toc515482594 h 7 HYPERLINK l _Toc515482595 4.硫化介质和硫化热效应 PAGEREF _Toc515482595 h 8 HYPERLINK l _Toc515482596 4.1硫化介质 PAGEREF _Toc515482596 h 8 HYPERLINK l _Toc515482597 4.

6、2硫化热效应 PAGEREF _Toc515482597 h 9 HYPERLINK l _Toc515482598 第三章橡胶硫化控制系统的设计 PAGEREF _Toc515482598 h 11 HYPERLINK l _Toc515482599 1.系统组成及功能 PAGEREF _Toc515482599 h 11 HYPERLINK l _Toc515482600 1.1硫化控制系统组成 PAGEREF _Toc515482600 h 11 HYPERLINK l _Toc515482601 1.2主要功能 PAGEREF _Toc515482601 h 11 HYPERLINK

7、l _Toc515482602 2.硬件设计 PAGEREF _Toc515482602 h 12 HYPERLINK l _Toc515482603 2.1变送器选型 PAGEREF _Toc515482603 h 12 HYPERLINK l _Toc515482604 参考文献 PAGEREF _Toc515482604 h 15 HYPERLINK l _Toc515482605 致谢 PAGEREF _Toc515482605 h 16第一章 绪论1.课题的意义橡胶由于具有其独特的高弹性能、优异的疲劳强度、极好的电绝缘性和耐磨性等，被广泛用于国防工业、交通运输、机械制造以及农业、医学

8、卫生，甚至于在我们的日常生活方面，橡胶都有着极其广泛的用途。然而，不同的应用场合需要具有不同性能的橡胶制品。如本课题将主要讨论应用于码头的橡胶护舷，便利用橡胶独特的应力一应变性能，能够贮存大量的能量(为同重量的回火弹簧钢的150倍)，并在回缩时释放出其绝大部分能量：绝缘电缆则利用橡胶其优异的电绝缘性能：还有很多诸如可燃性、透气性、绝热性、摩擦性等性质，均有其应用场合。然而，橡胶的上述性质取决于橡胶制品加工工艺，特别是橡胶硫化过程。硫化过程控制的效果直接影响产品质量。因此，提高硫化过程控制质量指标是改善橡胶制品性能的关键因素。2.国内外研究概况由于橡胶硫化过程属于非线性、大时滞、多变量控制对象，

9、欲达到最优控制硫化过程并非易事。从硫化的优化控制出发，近年来只有少量的报道介绍了这方面的研究情况。Autrique L和Souza De Cursi E对硫化反应过程研究了一种随 机方法来识别硫化时胶料的性能，这种方法有助于优化硫化过程，提高橡胶硫化后的机械性能，但不是一种直接控制的方法。后来，他们基于控制机理，通过温度和胶料的州状组织率建立非线性模型，但文中并没有给出其用于硫化控制的结果。为了进一步估计硫化的质量，他们又通过能量方程和热力学方程描述了合成橡胶在硫化过程中的热性能。文中仅将二维模型与一维模型进行了比较。Le Brizaut J S也用类式的方法将普通微分方程与非线性热传导方程相

10、结合优化控制，包括有热交换的化学反应，文中给出了两种材料应用的实验数据结果。Scanlan J C和Goldbart P M从改善硫化性能方面对硫化的反应结构进行了研究。RwLoBo列硅橡胶电缆的硫化生产进行了探索。国内，化工部闩动化研究所，北京橡胶工业研究设计院，上海轮胎集团有限公司等单位对无探针等效硫化技术进行了研究。他们根据热传导理论，采用有限元方法对硫化过程中的各种硫化条件进行了大规模的模拟与计算，最后测定硫化过程中橡胶制品内部的温度场，然后将结果回归，利用单片机进行多元函数计算，以确定硫化程度。但是这种方法实时控制的效果并没有报道。最近人们结合最新发展起来的知识体系，如神经元网络理论

11、、模糊理论、专家系统等，在橡胶硫化智能控制方面也作了有益的探索，把橡胶硫化控制发展到了一个新的阶段。3.本课题研究内容本课题的目的是对橡胶(护舷)硫化以及硫化条件、硫化控制参数等作深入探索的基础上，设计出硫化控制系统，并对其控制方案进行一些智能算法的研究。主要工作是：(1)在探讨橡胶硫化原理基础上，分析确定橡胶护舷硫化的硫化参数，并设计其硫化控制系统；(2)设计橡胶护舷力学参数测试系统，应用于橡胶护舷硫化控制系统的性能检验。针对橡胶硫化过程的非线性及时变特性等特点，并为得到更好的硫化控制效果，提出了一种神经网络控制方案，并进行仿真研究：(1)首先基于RBF神经网络辨识橡胶硫化参数，并建立其预测

12、模型；(2)针对其已建立的模型设计基于BP神经网络的先进的PD控制器。课题研究的主要内容关系如图l 1所示。图1 1 课题研究内容关系图第二章 橡胶硫化在橡胶制品生产中，硫化是最后的一道加工工序。其目的在于改善胶料的物理机械性能及其它性能，使橡胶制品能更好地适应和满足使用的要求。在加热条件下，胶料中的生胶与硫化剂发生化学反应，使橡胶由线性结构的大分子交联成为立体网状结构的大分子，导致该胶料的物理机械性能及其它性能有明显的改善。在硫化过程中，胶料的一系列性能发生了显著的变化，取不同硫化时间的试片作各种物理机械性能实验，可得出如图2 1所示的曲线。图2 l 硫化过程胶料性能的变化一抗张强度：2一定

13、伸强度：3一弹性：4一硬度：5一伸长度：6一永久变形从图中可看出，抗张强度、定神强度、弹性等性能达到峰值后，硫化时间再延长，其峰值出现下降，而硬度则保持不变。伸长率、永久变形等性能随硫化时间的延长而渐减，并到达最低值后，继续硫化又缓慢上升。其他性能如耐热性、耐磨性、抗溶胀性等都随硫化时间的增加而有所改善，并在正硫化阶段性能达到最佳。硫化过程胶料性能的变化，是由于硫化过程分子结构发生变化的结果。未硫化的生胶是线性结构大分子，其分子链具有运动的独立性，而表现出可塑性大、伸长率较高，并具有可溶性；经硫化后的橡胶大分子，在分子链之间生成横键成为空间网状结构。因而在分子间除次价键力外，在分子链彼此结合处

14、还有主价键力发生作用，所以硫化胶比生胶的抗张强度大、定伸强度高、伸长率小而弹性大，并失去可溶性而只有有限的溶胀。1.橡胶硫化历程 通过测定胶料在硫化过程中物理机械性能的变化可以看出，整个硫化过程可分为四个阶段，即硫化诱导阶段、预硫阶段、正硫化阶段及过硫化阶段。1.1一硫化诱导期在此阶段内，交联尚未开始，胶料在模内有良好的流动性，在模压硫化中，胶料的流动、充模在此刻进行。此阶段的长短决定胶料的焦烧性能及操作安全性。从此阶段的终点起，胶料开始发硬并丧失流动性，在模压硫化中，胶料在模内停止流动。对要求具有较长的诱导期和较好的操作安全性的胶料，可配用后效性促进剂。1.2预硫阶段继诱导阶段之后，交联便以

15、一定的速度开始进行。在预硫阶段的初期，交联程度较低，即使到达此阶段的后期，硫化胶的主要物理机械性能如抗张强度、弹性等尚未达到预期的要求，而有些性能如抗撕裂、抗动态裂口等性能却超过正硫化阶段的相应值。1.3正硫化阶段在这一阶段，硫化胶的主要物理机械性能均达到或接近于最佳值，或者说硫化胶的综合性能达到最佳值。这一阶段所取的温度和时间，分别称为正硫化温度和正硫化时问，总称为正硫化条件。正硫化是一个阶段，即在这一阶段中，胶料各项物理机械性能基本上保持恒定，或变化很少，所以正硫化阶段也称硫化平坦期。橡胶是一种不良的导热体，与其他材料相比，其导热系数小、比热大、导温系数小，传热时间长。故硫化时，胶料本身升

16、温慢，而硫化后其散热降温也慢，在这过程中交联仍在进行，甚至延续到成品的贮存期，这种现象称为“后硫化”。对于厚制品如本课题的橡胶护舷，后硫化在整个硫化过程中所占的比例更大，在选择正硫化条件时，需要将其考虑进去。为了加速硫化过程的进行，一般可选用平坦性好而无损于制品质量的快速硫化的硫化体系；或采用对半成品进行预热的方法，如高频预热、微波预热等，以缩短硫化时间，减少硫化过程中制品的内外温差，使硫化程度达到一致；对于厚壁中空制品，电可调节各部件的配方，使其硫化速度不同，从而导致最厚的部位和最薄的部位同时达到正硫化。1.4过硫阶段正硫化后，继续硫化便进入过硫化阶段。在过硫化阶段中，不同的橡胶会出现不同的

17、情况，天然橡胶胶料会出现各项物理机械性能下降的现象；而合成橡胶料在过硫阶段中各项物理机械性能变化甚小或保持恒定。交联和氧化断链两种反应贯穿于橡胶硫化过程的始终。在硫化过程的不同阶段，上述两种反所处地位不同，在过硫阶段中氧化断链反应占主导地位，对于天然橡胶胶料，橡胶主链为线性大分子结构，因此，此时表现为物理机械性能下降：而对于大部分合成橡胶，如丁苯、丁腈橡胶等，存在着支链结构，在氧化反应过程起支化反应，因而合成橡胶在过硫阶段的物理性能变化不大。实验测定的硫化曲线是上述两种反应的综合结果。2.正硫化及正硫化点的测定正硫化即为硫化过程中胶料综合性能达到最佳值的阶段。而达到正硫化所需的最短时间称为“正

18、硫化点”：在正硫化阶段中，胶料的物理机械性能保持最高值或略低于最高值，这一阶段所经过的时间称为“硫化平坦时间”，这段硫化曲线称为“硫化平坦线”，如图2 2所示。图22硫化曲线示意图A一正硫化点：AB一硫化平坦线由于在给定的温度下，胶料各种性能达到最佳值的时间不一，为了使橡胶制品获得最佳的性能和确定正硫化条件，必须按制品的性能要求、形状、工特性，选择既能满足制品特殊性能的要求，又有良好的综合性能的最短硫化时间的一点，称为“工艺正硫化点”。般橡胶制品的工艺正硫化点应取应力、应变最高值稍前一点。工艺正硫化点的确定可采用硫化胶物理机械性能测定法、专用仪器法和化学方法。最常用的是物理机械性能法和专用仪器

19、法。这里主要讲述物理机械性能法：在正硫化点测定的各种方法中，测定硫化胶物理机械性能的方法是一种既简单而又实用的方法，其根据是利用胶料在硫化过程中性能变化的特征来确的。通常是测定一定硫化温度下，不同硫化时间所得硫化胶的物理机械性能(抗张强度、定伸强度、伸长率等)，并做出胶料的物理机械性能与硫化时间曲线，再按产品的要求进行综合分析，找出适当的正硫化点。除用上述方法外，正硫化点还常用抗张积来确定。抗张积是抗张强度和扯断伸长的乘积。抗张积的最大值可认为是胶料强伸性能最佳平衡所在，并作为正硫化点。在实际应用中，选用哪些性能作为判断的依据主要取决于产品的要求。若产品的性能要求侧重于强度，应从抗张强度曲线选

20、取；若性能侧重于变形，则应从压缩变形曲线选取：若要兼顾强度和伸长两方面的性能，应从抗张积曲线选取。此外，从强度、定伸和硬度三个正硫化时间求取平均值作为正硫化时间，具有综合平衡的意义。3.硫化条件硫化过程控制的主要硫化条件是硫化温度、时间和压力。3.1硫化温度热硫化本身是一个化学反应过程，反应过程的决定性条件是硫化温度。硫化温度对硫化速度的影响，我们通常用硫化温度系数来描述。硫化温度系数是在特定温度下，橡胶达到一定硫化程度所需的时间与在温度相差10C的条件下所需的相应时间之比。其表达式为:硫化温度系数k随胶料的差异而变化，但通常取k为2或其接近值l 92 l。硫化温度系数用来调节硫化条件。若己知

21、胶料的硫化温度系数，而硫化温度发生变化，可从式(2-1)求出温度变化后的硫化时间。若硫化温度系数为2，硫化温度升高IO。C，则硫化时间为原有硫化时间的一半。因此，可通过提高硫化温度加速硫化过程，达到提高生产效率的目的。但是提高硫化温度还应考虑下列因素：对于厚制品，因橡胶是不良的导热体，高温会增加制品的内外温差，导致硫化程度不一致；对于有纤维的制品，高温会使纺织物强度降低，如纺织物在240。C下连续加热4个小时，导致完全被破坏。此外，对胶料的种类和硫化方法等因素也要考虑。如橡胶护舷这类厚制品和硬质胶制品一般采用逐步升温、低温长时间硫化。但目前橡胶护舷硫化力图通过各种途径，以提高其硫化温度而缩短其

22、硫化时间，提高效率。3.2硫化压力除某些薄制品在常压下硫化外，般的橡胶制品都要在一定压力下进行硫化。硫化压力可保证制品的致密性，消除气泡。胶料中的生胶和配合剂含有微量的水分和空气，在硫化过程中因加热而会产生气泡；此外，在硫化过程中也会因产生某些挥发性的气体而导致制品产生气泡，所以一般要求一定的硫化压力，以保证制品的质量。硫化压力可促进胶料在模内的流动，使其迅速充满模腔，以制得花纹清晰的制品。特别是在胶料处于未交联状态的硫化诱导期内，硫化压力的作用更为明显，因胶料在此阶段具有良好的流动性。硫化压力可提高制品中各层(胶层与布层或金属层、布层与布层)之间的粘着力和产品的耐屈绕性能。硫化压力的大小由胶

23、料的性质、产品结构和工艺条件等因素而定。对流动性差的胶料、结构和形状复杂的厚制品、硫化压力一般要大些；反之、硫化压力可小些。采用加热硫化介质时，其硫化压力取决于硫化温度，如橡胶护舷采用直接蒸汽硫化，其蒸汽压力为35 kgcm 2。3.3硫化时间硫化是一个交联的过程，需要一定的时间才能完成。上面曾叙述正硫化时间的确定，但当硫化条件变化时，硫化时间如何确定是生产实践中经常面临的问题。硫化时间的长短必须服从于达到正硫化时的硫化效应为准则。时间过短会造成欠硫；过长会导致过硫。l硫化效应和硫化强度硫化强度表示胶料在一定温度下，单位时间所达到的硫化程度，或胶料在一定温度下的硫化速度。硫化速度取决于胶料的硫

24、化温度系数和硫化温度。根据硫化强度和温度系数的关系，可得到不同硫化温度下的硫化强度。硫化效应是硫化强度与硫化时间的乘积，其表达式为硫化效应是衡量硫化程度深浅的尺度。若一种胶料在不同的硫化条件下硫化，只要其硫化效应相同，便可达到同样的硫化程度。在生产条件变更情况下以此原则来调整硫化条件和判断胶料是否达到正硫化。2等效硫化时间为了便于与试片硫化条件相比较，检验它是否达到正硫化，需要换算等效硫化时间。等效硫化时间是胶料在实际生产的硫化效应与该胶料在实验条件下的硫化强度之比。其表达式如下：若计算的等效硫化时间S在该胶料的硫化平坦范围之内，并接近正硫化点，则说明该部位在生产中达到正硫化。4.硫化介质和硫

25、化热效应4.1硫化介质在橡胶制品硫化中，硫化介质是一种载热体。因此评价硫化介质的重要标准，就是要具有良好的传热性和热的分散性，同时还要具有高的蓄热能力。常用的硫化介质有水、空气和蒸汽。水的比热和密度最大，在同一体积内所积蓄的热量也较大。而饱和蒸汽的热量主要来自于蒸发潜热，所以饱和蒸汽无需温度发生变化，就能放出较大的热量。饱和蒸汽放出的热量Q为为充分利用蒸发潜热，蒸汽管道一般设置汽水分离器，以减少冷凝水。饱和蒸汽的温度和压力之间按水的蒸汽压曲线变化，见图2 3。在生产实践中利用这一特点，调节蒸汽压力以达到调节蒸汽温度的目的。从图22曲线看出，当蒸汽压力较高时，蒸汽温度随压力变化的速率较小，所以要

26、求加热温度较高，不采用蒸汽加热，而要选用另外的加热方法；此外，若用饱和蒸汽作为压力介质时，要增大蒸汽压力，同样是不经济的。因此有人认为采用蒸汽一空气混合物时，可以在较高压力下用较低的温度来加热，且比较经济。过热蒸汽是饱和蒸汽在恒定压力下进行过热。过热蒸汽一般可使罐内温度提高40“C左右。过热蒸汽的温度调节不受蒸汽压力的限制，并可减少冷凝水。4.2硫化热效应硫化过程中，生胶与硫磺之间的化学反应是一个放热反应过程。实验证明，在184。C下硫化时，含4硫磺的胶料的反应放热为lo卡克，这种生成热伴随结合硫磺的增加而增加，当结合硫量为32时，产生442卡克热量。所以在软质橡胶中，因含硫量低，这种硫化热效

27、应对硫化过程影响不大，但在含硫量较高的硬质胶中，这种热效应对硫化过程影响很大，故在制订硫化条件时，需要考虑这种因素的影响。在硫化的开始阶段，因硫磺的熔融需要吸收热量，导致温度降低的现象，但这只是暂时的现象。5.本课题工艺条件的确定橡胶护舷是鼢舶靠岸时，为保护船体同时保护码头而使用的一种橡胶制品。它充分利用了橡胶独特的应力一应变性质，能吸收船靠岸时的绝大部分动能，并具有低反力特性。橡胶护舷硫化属于厚制品硫化，由于厚制品在硫化中各层温度不同，故在相同的硫化时间内，各部件的硫化程度不同，这就有必要将各部件的硫化效应换算成等量硫化时间，然后从中选出处于各层胶料最大与最小硫化效应范围内的硫化时间，作为艺

28、控制的正硫化时间。沧州唯王橡胶制品有限公司配有两个硫化罐，其中，l号硫化罐型号为庐20005000，2号硫化罐型号为矿12003000。经过实验探索，确定出如下硫化工艺条件：1号硫化罐从预硫化到硫化过程完成共需要6小时，预硫化需3小时，正硫化需3小时，其中，预硫化又分为三个阶段；2号硫化罐从预硫化到硫化过程完成共需要15小时，预硫化需05小时，正硫化需l 5小时。具体过程参看表21。第三章橡胶硫化控制系统的设计1.系统组成及功能1.1硫化控制系统组成橡胶硫化计算机控制系统结构，如图3 1所示。1.2主要功能I系统具有压力调节功能，并可根据工艺要求方便、灵活地修改各种参数；2对硫化罐内温度、压力

29、实时自动检测，并可自动显示、打印、存储；3具有等效硫化控制功能。根据硫化罐的温升情况，定量计算等效硫化效应，达到给定值时，自动结束硫化：4对温度、压力的越限声光报警， 5分钟压力未到额定值语言提示；硫化终止语音提示和灯光指示：5具有手动“f动切换功能。该控制系统还配备相应的手动遥控系统，以备紧急状态使用；6系统配置有UPS不间断电源。2.硬件设计如图31所示控制系统由EVOC工业控制机、32通道光隔数据采集卡、4路独立DA转换卡、16路大功率继电器输出板、工业接线端子板、温度变送器、压力变送器、执行器、报警电路等构成。EVOC工业控制机主频200MHz，内存32M，并具有如下特点1双冷却排风扇

30、形成内部正压气流、防尘、降温2封闭式全钢板结构、防空间磁场干扰3防震软硬驱动器固定架、所有插件板均有压杆软锁定、防抖、防摆、耐冲击震动；4电磁兼容性符合FCcBZTA级标准：5安全性满足ULl950D3和IEC950标准；可确保控制系统能够进行实时稳定、精确的测量和控制。2.1变送器选型温度变送器采用香港上润精密仪器公司的WPC801系列的单路数字显示控制仪。该变送器采用Ptl00热电阻(R0=100Q、分辨率为0 l、测量范围为一199 9320 OJ三线制输入，自动补偿引线电阻。其主要技术参数如下：测量精度：O 2FS1字或。为了保证工艺提出的硫化条件，避免因热传导误差以及其它原因所产生的实际罐温低于给定值，采用罐前罐后两个测温点，微机将采集到的两点温度经AD转换成数字量后，以其平均值作为调节参量进行计算、调节，以确保整个罐温不低于给定值。压力变送器采用瑞士Kristal仪器公司生产的MERl8系列陶瓷传感器作为敏感元件组装的一种高性能的工业通用变送器。其技术参数如下：二A1)、DA及IO