【斯派莎克】電氣比例閥代替電動閥門執(zhí)行器 

一、問題的提出 斯派莎克硫化是目前輪胎生產(chǎn)過程中的最后一道工序，一般通過熱硫化將成型的胎胚變成了輪胎成品。目前的硫化方式基本都是根據(jù)硫化內(nèi)溫的介質(zhì)不同來區(qū)分，而外溫實現(xiàn)方式（或稱熱板溫度、模溫）一般都是注入一定壓力的蒸汽進行溫度控制。 斯派莎克本文將主要討論輪胎硫化過程中的外溫變溫控制技術，有關內(nèi)溫調(diào)控技術則將在后續(xù)報告中再進行詳細闡述。 外溫和外壓是輪胎硫化的主要工藝參數(shù)，其控制的好壞直接影響硫化輪胎的質(zhì)量。外溫的實現(xiàn)通常使用蒸汽作為加熱介質(zhì)，而蒸汽一般都是飽和蒸汽。

飽和蒸汽的一個重要特性是其溫度與壓力之間一一對應，即飽和蒸汽的溫度始終由其壓力決定，而輪胎硫化外溫蒸汽加熱工藝就是利用此特征來調(diào)整蒸汽壓力以實現(xiàn)對蒸汽溫度的精密控制。 在目前的大多數(shù)蒸汽溫度控制過程中，

如圖1所示，基本都采用的是典型的單閉環(huán)PID控制方法，使用了復雜笨重的電動減壓閥來控制飽和蒸汽溫度，即采用一個溫度傳感器將信號發(fā)送給PID控制器，控制器向電動閥門定位器發(fā)送命令信號，斯派莎克閥門定位器控制閥門所需開度以使得溫度接近設定溫度。這種控制的結(jié)果是閥門必須一直工作以保持溫度，循環(huán)打開和關閉等同于磨損閥門部件，最大的問題是這種帶有閥門定位器形式的電動減壓閥的運行速度很慢，對PID控制器的控制信號有很大的響應滯后，如果觀察熱電偶的信號輸出，則會在目標溫度周圍出現(xiàn)正弦波形，而不會出現(xiàn)平滑、平坦的溫度信號，因此這種控制方式往往呈現(xiàn)出蒸汽溫度波動較大的現(xiàn)場。 針對上述目前電動定位器和電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)形式的減壓閥在輪胎硫化蒸汽溫度控制中存在響應時間長、控溫波動大和磨損引起壽命短等問題，本文將介紹采用電氣比例閥和氣動減壓閥組合的替代方案，通過超高精度的串級控制PID控制器，此替代方案可大幅度提高蒸汽溫度的控制速度和精度，并延長減壓閥的使用壽命。此解決方案還可以推廣應用到其它蒸汽加熱設備。 

二、解決方案 在上述傳統(tǒng)的飽和蒸汽溫度控制過程中，采用的是一個典型的閉環(huán)控制回路，即作為執(zhí)行機構(gòu)的帶閥門定位器的電動減壓閥與PID控制器和溫度傳感器構(gòu)成一個閉環(huán)控制。 新的解決方案則是采用了雙閉環(huán)PID控制回路組成的串級控制法，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2 采用超高精度PID控制器、電氣比例閥和氣動減壓閥的串行控制結(jié)構(gòu)及其溫度波動 在圖2所示解決方案中，采用了經(jīng)典的串級控制結(jié)構(gòu)，即溫度傳感器、氣動減壓閥、電氣比例閥和串級PID調(diào)節(jié)器組成一個雙回路閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中自帶壓力傳感器和PID控制板的電氣比例閥與氣動減壓閥構(gòu)成次回路，用于調(diào)節(jié)氣動減壓閥的開度；溫度傳感器、串級PID控制器和次級回路再構(gòu)成主回路，主回路采集硫化箱溫度，經(jīng)PID計算后輸出控制信號給次回路中的電氣比例閥，這里的次回路此時相當于主回路的執(zhí)行器。 

與傳統(tǒng)單回路控制相比，這種結(jié)合了電氣比例閥和高精度PID調(diào)節(jié)器，并采用了串級控制法的蒸汽溫度控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了串級控制的特點，有以下幾方面的優(yōu)勢： （1）可明顯改善蒸汽溫度控制精度和速度，控制溫度的變化曲線平攤且與設定曲線非常接近，蒸汽溫度達到穩(wěn)定可節(jié)省幾十分鐘。 （2）對于高壓飽和蒸汽的壓力擾動具有較迅速和較強的克服能力。 （3）可消除次回路（氣動減壓閥和電氣比例閥）的非線性特性的影響。 （4）氣動減壓閥可采用不同規(guī)格的氣動圓頂加載壓力調(diào)節(jié)器，可與各種精度和流量的電氣比例閥組合實現(xiàn)不同規(guī)格輪胎硫化中任意設定溫度的自動控制。 （5）先進的電氣比例閥替代了傳統(tǒng)的電氣轉(zhuǎn)換器（I/P和E/P），不再需要定期重新校準的繁復操作，不再需要儀表空氣而只需加裝氣體過濾器即可，也不會不斷排放空氣減少壓縮控制的浪費，重要的是控制精度可以達到任何設定點的±0.1%。 總之，上述解決方案是目前大多數(shù)蒸汽溫度控制技術的升級換代，可大幅提高輪胎硫化過程中蒸汽溫度的控制精度和速度，此解決方案完全可以推廣應用到其它蒸汽加熱領域。 一、問題的提出 硫化是目前輪胎生產(chǎn)過程中的最后一道工序，一般通過熱硫化將成型的胎胚變成了輪胎成品。

目前的硫化方式基本都是根據(jù)硫化內(nèi)溫的介質(zhì)不同來區(qū)分，而外溫實現(xiàn)方式（或稱熱板溫度、模溫）一般都是注入一定壓力的蒸汽進行溫度控制。 本文將主要討論輪胎硫化過程中的外溫變溫控制技術，有關內(nèi)溫調(diào)控技術則將在后續(xù)報告中再進行詳細闡述。 外溫和外壓是輪胎硫化的主要工藝參數(shù)，其控制的好壞直接影響硫化輪胎的質(zhì)量。外溫的實現(xiàn)通常使用蒸汽作為加熱介質(zhì)，而蒸汽一般都是飽和蒸汽。飽和蒸汽的一個重要特性是其溫度與壓力之間一一對應，即飽和蒸汽的溫度始終由其壓力決定，而輪胎硫化外溫蒸汽加熱工藝就是利用此特征來調(diào)整蒸汽壓力以實現(xiàn)對蒸汽溫度的精密控制。 在目前的大多數(shù)蒸汽溫度控制過程中，如圖1所示，基本都采用的是典型的單閉環(huán)PID控制方法，使用了復雜笨重的電動減壓閥來控制飽和蒸汽溫度，即采用一個溫度傳感器將信號發(fā)送給PID控制器，控制器向電動閥門定位器發(fā)送命令信號，閥門定位器控制閥門所需開度以使得溫度接近設定溫度。這種控制的結(jié)果是閥門必須一直工作以保持溫度，循環(huán)打開和關閉等同于磨損閥門部件，最大的問題是這種帶有閥門定位器形式的電動減壓閥的運行速度很慢，對PID控制器的控制信號有很大的響應滯后，如果觀察熱電偶的信號輸出，則會在目標溫度周圍出現(xiàn)正弦波形，而不會出現(xiàn)平滑、平坦的溫度信號，因此這種控制方式往往呈現(xiàn)出蒸汽溫度波動較大的現(xiàn)場。 針對上述目前電動定位器和電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)形式的減壓閥在輪胎硫化蒸汽溫度控制中存在響應時間長、控溫波動大和磨損引起壽命短等問題，本文將介紹采用電氣比例閥和氣動減壓閥組合的替代方案，通過超高精度的串級控制PID控制器，此替代方案可大幅度提高蒸汽溫度的控制速度和精度，并延長減壓閥的使用壽命。此解決方案還可以推廣應用到其它蒸汽加熱設備。 二、解決方案 在上述傳統(tǒng)的飽和蒸汽溫度控制過程中，采用的是一個典型的閉環(huán)控制回路，即作為執(zhí)行機構(gòu)的帶閥門定位器的電動減壓閥與PID控制器和溫度傳感器構(gòu)成一個閉環(huán)控制。 新的解決方案則是采用了雙閉環(huán)PID控制回路組成的串級控制法，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

 圖2 采用超高精度PID控制器、電氣比例閥和氣動減壓閥的串行控制結(jié)構(gòu)及其溫度波動 在圖2所示解決方案中，采用了經(jīng)典的串級控制結(jié)構(gòu)，即溫度傳感器、氣動減壓閥、電氣比例閥和串級PID調(diào)節(jié)器組成一個雙回路閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中自帶壓力傳感器和PID控制板的電氣比例閥與氣動減壓閥構(gòu)成次回路，用于調(diào)節(jié)氣動減壓閥的開度；溫度傳感器、串級PID控制器和次級回路再構(gòu)成主回路，主回路采集硫化箱溫度，經(jīng)PID計算后輸出控制信號給次回路中的電氣比例閥，這里的次回路此時相當于主回路的執(zhí)行器。 與傳統(tǒng)單回路控制相比，這種結(jié)合了電氣比例閥和高精度PID調(diào)節(jié)器，并采用了串級控制法的蒸汽溫度控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了串級控制的特點，有以下幾方面的優(yōu)勢： （1）可明顯改善蒸汽溫度控制精度和速度，控制溫度的變化曲線平攤且與設定曲線非常接近，蒸汽溫度達到穩(wěn)定可節(jié)省幾十分鐘。 （2）對于高壓飽和蒸汽的壓力擾動具有較迅速和較強的克服能力。 （3）可消除次回路（氣動減壓閥和電氣比例閥）的非線性特性的影響。 （4）氣動減壓閥可采用不同規(guī)格的氣動圓頂加載壓力調(diào)節(jié)器，可與各種精度和流量的電氣比例閥組合實現(xiàn)不同規(guī)格輪胎硫化中任意設定溫度的自動控制。 （5）先進的電氣比例閥替代了傳統(tǒng)的電氣轉(zhuǎn)換器（I/P和E/P），不再需要定期重新校準的繁復操作，不再需要儀表空氣而只需加裝氣體過濾器即可，也不會不斷排放空氣減少壓縮控制的浪費，重要的是控制精度可以達到任何設定點的±0.1%。 總之，上述解決方案是目前大多數(shù)蒸汽溫度控制技術的升級換代，可大幅提高輪胎硫化過程中蒸汽溫度的控制精度和速度，此解決方案完全可以推廣應用到其它蒸汽加熱領域。 

一、問題的提出 硫化是目前輪胎生產(chǎn)過程中的最后一道工序，一般通過熱硫化將成型的胎胚變成了輪胎成品。目前的硫化方式基本都是根據(jù)硫化內(nèi)溫的介質(zhì)不同來區(qū)分，而外溫實現(xiàn)方式（或稱熱板溫度、模溫）一般都是注入一定壓力的蒸汽進行溫度控制。 斯派莎克本文將主要討論輪胎硫化過程中的外溫變溫控制技術，有關內(nèi)溫調(diào)控技術則將在后續(xù)報告中再進行詳細闡述。 外溫和外壓是輪胎硫化的主要工藝參數(shù)，其控制的好壞直接影響硫化輪胎的質(zhì)量。外溫的實現(xiàn)通常使用蒸汽作為加熱介質(zhì)，而蒸汽一般都是飽和蒸汽。飽和蒸汽的一個重要特性是其溫度與壓力之間一一對應，即飽和蒸汽的溫度始終由其壓力決定，而輪胎硫化外溫蒸汽加熱工藝就是利用此特征來調(diào)整蒸汽壓力以實現(xiàn)對蒸汽溫度的精密控制。 在目前的大多數(shù)蒸汽溫度控制過程中，如圖1所示，基本都采用的是典型的單閉環(huán)PID控制方法，使用了復雜笨重的電動減壓閥來控制飽和蒸汽溫度，即采用一個溫度傳感器將信號發(fā)送給PID控制器，控制器向電動閥門定位器發(fā)送命令信號，閥門定位器控制閥門所需開度以使得溫度接近設定溫度。

這種控制的結(jié)果是閥門必須一直工作以保持溫度，循環(huán)打開和關閉等同于磨損閥門部件，最大的問題是這種帶有閥門定位器形式的電動減壓閥的運行速度很慢，對PID控制器的控制信號有很大的響應滯后，如果觀察熱電偶的信號輸出，則會在目標溫度周圍出現(xiàn)正弦波形，而不會出現(xiàn)平滑、平坦的溫度信號，因此這種控制方式往往呈現(xiàn)出蒸汽溫度波動較大的現(xiàn)場。 

針對上述目前電動定位器和電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)形式的減壓閥在輪胎硫化蒸汽溫度控制中存在響應時間長、控溫波動大和磨損引起壽命短等問題，本文將介紹采用電氣比例閥和氣動減壓閥組合的替代方案，通過超高精度的串級控制PID控制器，此替代方案可大幅度提高蒸汽溫度的控制速度和精度，并延長減壓閥的使用壽命。此解決方案還可以推廣應用到其它蒸汽加熱設備。 二、解決方案 在上述傳統(tǒng)的飽和蒸汽溫度控制過程中，采用的是一個典型的閉環(huán)控制回路，即作為執(zhí)行機構(gòu)的帶閥門定位器的電動減壓閥與PID控制器和溫度傳感器構(gòu)成一個閉環(huán)控制。 新的解決方案則是采用了雙閉環(huán)PID控制回路組成的串級控制法，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2 采用超高精度PID控制器、電氣比例閥和氣動減壓閥的串行控制結(jié)構(gòu)及其溫度波動 在圖2所示解決方案中，采用了經(jīng)典的串級控制結(jié)構(gòu)，即溫度傳感器、氣動減壓閥、電氣比例閥和串級PID調(diào)節(jié)器組成一個雙回路閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中自帶壓力傳感器和PID控制板的電氣比例閥與氣動減壓閥構(gòu)成次回路，用于調(diào)節(jié)氣動減壓閥的開度；溫度傳感器、串級PID控制器和次級回路再構(gòu)成主回路，主回路采集硫化箱溫度，經(jīng)PID計算后輸出控制信號給次回路中的電氣比例閥，這里的次回路此時相當于主回路的執(zhí)行器。 

與傳統(tǒng)單回路控制相比，這種結(jié)合了電氣比例閥和高精度PID調(diào)節(jié)器，并采用了串級控制法的蒸汽溫度控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了串級控制的特點，

有以下幾方面的優(yōu)勢： （1）可明顯改善蒸汽溫度控制精度和速度，控制溫度的變化曲線平攤且與設定曲線非常接近，蒸汽溫度達到穩(wěn)定可節(jié)省幾十分鐘。 （2）對于高壓飽和蒸汽的壓力擾動具有較迅速和較強的克服能力。 （3）可消除次回路（氣動減壓閥和電氣比例閥）的非線性特性的影響。 （4）氣動減壓閥可采用不同規(guī)格的氣動圓頂加載壓力調(diào)節(jié)器，可與各種精度和流量的電氣比例閥組合實現(xiàn)不同規(guī)格輪胎硫化中任意設定溫度的自動控制。 （5）先進的電氣比例閥替代了傳統(tǒng)的電氣轉(zhuǎn)換器（I/P和E/P），不再需要定期重新校準的繁復操作，不再需要儀表空氣而只需加裝氣體過濾器即可，也不會不斷排放空氣減少壓縮控制的浪費，重要的是控制精度可以達到任何設定點的±0.1%。 斯派莎克總之，上述解決方案是目前大多數(shù)蒸汽溫度控制技術的升級換代，可大幅提高輪胎硫化過程中蒸汽溫度的控制精度和速度，此解決方案完全可以推廣應用到其它蒸汽加熱領域。