【斯派莎克】電氣比例閥代替電動(dòng)閥門執(zhí)行器 

一、問(wèn)題的提出 斯派莎克硫化是目前輪胎生產(chǎn)過(guò)程中的最后一道工序，一般通過(guò)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(lái)區(qū)分，而外溫實(shí)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(jìn)行溫度控制。 斯派莎克本文將主要討論輪胎硫化過(guò)程中的外溫變溫控制技術(shù)，有關(guān)內(nèi)溫調(diào)控技術(shù)則將在后續(xù)報(bào)告中再進(jìn)行詳細(xì)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(shí)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(gè)重要特性是其溫度與壓力之間一一對(duì)應(yīng)，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(lái)調(diào)整蒸汽壓力以實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽溫度的精密控制。 在目前的大多數(shù)蒸汽溫度控制過(guò)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(fù)雜笨重的電動(dòng)減壓閥來(lái)控制飽和蒸汽溫度，即采用一個(gè)溫度傳感器將信號(hào)發(fā)送給PID控制器，控制器向電動(dòng)閥門定位器發(fā)送命令信號(hào)，斯派莎克閥門定位器控制閥門所需開(kāi)度以使得溫度接近設(shè)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(kāi)和關(guān)閉等同于磨損閥門部件，最大的問(wèn)題是這種帶有閥門定位器形式的電動(dòng)減壓閥的運(yùn)行速度很慢，對(duì)PID控制器的控制信號(hào)有很大的響應(yīng)滯后，如果觀察熱電偶的信號(hào)輸出，則會(huì)在目標(biāo)溫度周圍出現(xiàn)正弦波形，而不會(huì)出現(xiàn)平滑、平坦的溫度信號(hào)，因此這種控制方式往往呈現(xiàn)出蒸汽溫度波動(dòng)較大的現(xiàn)場(chǎng)。 針對(duì)上述目前電動(dòng)定位器和電動(dòng)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(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、控溫波動(dòng)大和磨損引起壽命短等問(wèn)題，本文將介紹采用電氣比例閥和氣動(dòng)減壓閥組合的替代方案，通過(guò)超高精度的串級(jí)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(zhǎng)減壓閥的使用壽命。此解決方案還可以推廣應(yīng)用到其它蒸汽加熱設(shè)備。 

二、解決方案 在上述傳統(tǒng)的飽和蒸汽溫度控制過(guò)程中，采用的是一個(gè)典型的閉環(huán)控制回路，即作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的帶閥門定位器的電動(dòng)減壓閥與PID控制器和溫度傳感器構(gòu)成一個(gè)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(jí)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(dòng)減壓閥的串行控制結(jié)構(gòu)及其溫度波動(dòng) 在圖2所示解決方案中，采用了經(jīng)典的串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，即溫度傳感器、氣動(dòng)減壓閥、電氣比例閥和串級(jí)PID調(diào)節(jié)器組成一個(gè)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(dòng)減壓閥構(gòu)成次回路，用于調(diào)節(jié)氣動(dòng)減壓閥的開(kāi)度；溫度傳感器、串級(jí)PID控制器和次級(jí)回路再構(gòu)成主回路，主回路采集硫化箱溫度，經(jīng)PID計(jì)算后輸出控制信號(hào)給次回路中的電氣比例閥，這里的次回路此時(shí)相當(dāng)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(jí)控制法的蒸汽溫度控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了串級(jí)控制的特點(diǎn)，有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)： （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(shè)定曲線非常接近，蒸汽溫度達(dá)到穩(wěn)定可節(jié)省幾十分鐘。 （2）對(duì)于高壓飽和蒸汽的壓力擾動(dòng)具有較迅速和較強(qiáng)的克服能力。 （3）可消除次回路（氣動(dòng)減壓閥和電氣比例閥）的非線性特性的影響。 （4）氣動(dòng)減壓閥可采用不同規(guī)格的氣動(dòng)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(shí)現(xiàn)不同規(guī)格輪胎硫化中任意設(shè)定溫度的自動(dòng)控制。 （5）先進(jìn)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(zhǔn)的繁復(fù)操作，不再需要儀表空氣而只需加裝氣體過(guò)濾器即可，也不會(huì)不斷排放空氣減少壓縮控制的浪費(fèi)，重要的是控制精度可以達(dá)到任何設(shè)定點(diǎn)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(shù)的升級(jí)換代，可大幅提高輪胎硫化過(guò)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(yīng)用到其它蒸汽加熱領(lǐng)域。 一、問(wèn)題的提出 硫化是目前輪胎生產(chǎn)過(guò)程中的最后一道工序，一般通過(guò)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(lái)區(qū)分，而外溫實(shí)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(jìn)行溫度控制。 本文將主要討論輪胎硫化過(guò)程中的外溫變溫控制技術(shù)，有關(guān)內(nèi)溫調(diào)控技術(shù)則將在后續(xù)報(bào)告中再進(jìn)行詳細(xì)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(shí)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(gè)重要特性是其溫度與壓力之間一一對(duì)應(yīng)，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(lái)調(diào)整蒸汽壓力以實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽溫度的精密控制。 在目前的大多數(shù)蒸汽溫度控制過(guò)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(fù)雜笨重的電動(dòng)減壓閥來(lái)控制飽和蒸汽溫度，即采用一個(gè)溫度傳感器將信號(hào)發(fā)送給PID控制器，控制器向電動(dòng)閥門定位器發(fā)送命令信號(hào)，閥門定位器控制閥門所需開(kāi)度以使得溫度接近設(shè)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(kāi)和關(guān)閉等同于磨損閥門部件，最大的問(wèn)題是這種帶有閥門定位器形式的電動(dòng)減壓閥的運(yùn)行速度很慢，對(duì)PID控制器的控制信號(hào)有很大的響應(yīng)滯后，如果觀察熱電偶的信號(hào)輸出，則會(huì)在目標(biāo)溫度周圍出現(xiàn)正弦波形，而不會(huì)出現(xiàn)平滑、平坦的溫度信號(hào)，因此這種控制方式往往呈現(xiàn)出蒸汽溫度波動(dòng)較大的現(xiàn)場(chǎng)。 針對(duì)上述目前電動(dòng)定位器和電動(dòng)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(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、控溫波動(dòng)大和磨損引起壽命短等問(wèn)題，本文將介紹采用電氣比例閥和氣動(dòng)減壓閥組合的替代方案，通過(guò)超高精度的串級(jí)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(zhǎng)減壓閥的使用壽命。此解決方案還可以推廣應(yīng)用到其它蒸汽加熱設(shè)備。 二、解決方案 在上述傳統(tǒng)的飽和蒸汽溫度控制過(guò)程中，采用的是一個(gè)典型的閉環(huán)控制回路，即作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的帶閥門定位器的電動(dòng)減壓閥與PID控制器和溫度傳感器構(gòu)成一個(gè)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(jí)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(dòng)減壓閥的串行控制結(jié)構(gòu)及其溫度波動(dòng) 在圖2所示解決方案中，采用了經(jīng)典的串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，即溫度傳感器、氣動(dòng)減壓閥、電氣比例閥和串級(jí)PID調(diào)節(jié)器組成一個(gè)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(dòng)減壓閥構(gòu)成次回路，用于調(diào)節(jié)氣動(dòng)減壓閥的開(kāi)度；溫度傳感器、串級(jí)PID控制器和次級(jí)回路再構(gòu)成主回路，主回路采集硫化箱溫度，經(jīng)PID計(jì)算后輸出控制信號(hào)給次回路中的電氣比例閥，這里的次回路此時(shí)相當(dāng)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(jí)控制法的蒸汽溫度控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了串級(jí)控制的特點(diǎn)，有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)： （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(shè)定曲線非常接近，蒸汽溫度達(dá)到穩(wěn)定可節(jié)省幾十分鐘。 （2）對(duì)于高壓飽和蒸汽的壓力擾動(dòng)具有較迅速和較強(qiáng)的克服能力。 （3）可消除次回路（氣動(dòng)減壓閥和電氣比例閥）的非線性特性的影響。 （4）氣動(dòng)減壓閥可采用不同規(guī)格的氣動(dòng)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(shí)現(xiàn)不同規(guī)格輪胎硫化中任意設(shè)定溫度的自動(dòng)控制。 （5）先進(jìn)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(zhǔn)的繁復(fù)操作，不再需要儀表空氣而只需加裝氣體過(guò)濾器即可，也不會(huì)不斷排放空氣減少壓縮控制的浪費(fèi)，重要的是控制精度可以達(dá)到任何設(shè)定點(diǎn)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(shù)的升級(jí)換代，可大幅提高輪胎硫化過(guò)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(yīng)用到其它蒸汽加熱領(lǐng)域。 

一、問(wèn)題的提出 硫化是目前輪胎生產(chǎn)過(guò)程中的最后一道工序，一般通過(guò)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(lái)區(qū)分，而外溫實(shí)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(jìn)行溫度控制。 斯派莎克本文將主要討論輪胎硫化過(guò)程中的外溫變溫控制技術(shù)，有關(guān)內(nèi)溫調(diào)控技術(shù)則將在后續(xù)報(bào)告中再進(jìn)行詳細(xì)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(shí)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(gè)重要特性是其溫度與壓力之間一一對(duì)應(yīng)，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(lái)調(diào)整蒸汽壓力以實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽溫度的精密控制。 在目前的大多數(shù)蒸汽溫度控制過(guò)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(fù)雜笨重的電動(dòng)減壓閥來(lái)控制飽和蒸汽溫度，即采用一個(gè)溫度傳感器將信號(hào)發(fā)送給PID控制器，控制器向電動(dòng)閥門定位器發(fā)送命令信號(hào)，閥門定位器控制閥門所需開(kāi)度以使得溫度接近設(shè)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(kāi)和關(guān)閉等同于磨損閥門部件，最大的問(wèn)題是這種帶有閥門定位器形式的電動(dòng)減壓閥的運(yùn)行速度很慢，對(duì)PID控制器的控制信號(hào)有很大的響應(yīng)滯后，如果觀察熱電偶的信號(hào)輸出，則會(huì)在目標(biāo)溫度周圍出現(xiàn)正弦波形，而不會(huì)出現(xiàn)平滑、平坦的溫度信號(hào)，因此這種控制方式往往呈現(xiàn)出蒸汽溫度波動(dòng)較大的現(xiàn)場(chǎng)。 

針對(duì)上述目前電動(dòng)定位器和電動(dòng)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(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、控溫波動(dòng)大和磨損引起壽命短等問(wèn)題，本文將介紹采用電氣比例閥和氣動(dòng)減壓閥組合的替代方案，通過(guò)超高精度的串級(jí)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(zhǎng)減壓閥的使用壽命。此解決方案還可以推廣應(yīng)用到其它蒸汽加熱設(shè)備。 二、解決方案 在上述傳統(tǒng)的飽和蒸汽溫度控制過(guò)程中，采用的是一個(gè)典型的閉環(huán)控制回路，即作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的帶閥門定位器的電動(dòng)減壓閥與PID控制器和溫度傳感器構(gòu)成一個(gè)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(jí)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(dòng)減壓閥的串行控制結(jié)構(gòu)及其溫度波動(dòng) 在圖2所示解決方案中，采用了經(jīng)典的串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，即溫度傳感器、氣動(dòng)減壓閥、電氣比例閥和串級(jí)PID調(diào)節(jié)器組成一個(gè)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(dòng)減壓閥構(gòu)成次回路，用于調(diào)節(jié)氣動(dòng)減壓閥的開(kāi)度；溫度傳感器、串級(jí)PID控制器和次級(jí)回路再構(gòu)成主回路，主回路采集硫化箱溫度，經(jīng)PID計(jì)算后輸出控制信號(hào)給次回路中的電氣比例閥，這里的次回路此時(shí)相當(dāng)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(jí)控制法的蒸汽溫度控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了串級(jí)控制的特點(diǎn)，

有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)： （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(shè)定曲線非常接近，蒸汽溫度達(dá)到穩(wěn)定可節(jié)省幾十分鐘。 （2）對(duì)于高壓飽和蒸汽的壓力擾動(dòng)具有較迅速和較強(qiáng)的克服能力。 （3）可消除次回路（氣動(dòng)減壓閥和電氣比例閥）的非線性特性的影響。 （4）氣動(dòng)減壓閥可采用不同規(guī)格的氣動(dòng)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(shí)現(xiàn)不同規(guī)格輪胎硫化中任意設(shè)定溫度的自動(dòng)控制。 （5）先進(jìn)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(zhǔn)的繁復(fù)操作，不再需要儀表空氣而只需加裝氣體過(guò)濾器即可，也不會(huì)不斷排放空氣減少壓縮控制的浪費(fèi)，重要的是控制精度可以達(dá)到任何設(shè)定點(diǎn)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(shù)的升級(jí)換代，可大幅提高輪胎硫化過(guò)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(yīng)用到其它蒸汽加熱領(lǐng)域。