CN1289670A

CN1289670A - 橡胶硫化温度在线预测控制仪及其预测控制方法

Info

Publication number: CN1289670A
Application number: CN 00117452
Authority: CN
Inventors: 黄茜
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2001-04-04
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: CN1173814C

Abstract

本发明是橡胶硫化温度在线预测控制仪及其预测控制方法。预测控制仪由机壳、电路板、指示灯、显示管、键盘、传感器组连接构成,电路板装于机壳内,指示灯、显示管、键盘装于机壳面板及操作台板上并分别与电路板相应点连接,传感器组与电路板放大电路相应点连接;电路由放大电路、A/D转换电路、单片机、显示电路、报警电路、键盘控制电路、D/A转换电路、执行机构控制电路通过各自信号线连接构成。本发明克服和解决了现有技术存在的缺点和问题,智能化程度高、准确性可靠性高、使用维护方便、速度快、效率高。

Description

橡胶硫化温度在线预测控制仪及其预测控制方法

本发明是橡胶硫化温度在线预测控制仪及其预测控制方法，属橡胶硫化控制技术及设备。

长期以来橡胶硫化的过程完成与否、硫化是否出现过硫或欠硫等质量问题，一直是凭经验或粗略的估算来进行判断。现有的等效硫化时间控制方法是一种为保证产品硫化程度一致、使硫化后产品达到较好性能水平、提高硫化生产效率的方法，但硫化过程中，赖以进行等效硫化控制的制品内部硫化温度的测定却一直是实施等效硫化控制的关键和难点。一种解决方式是采用探针式热电耦进行在线温度实测，该方法测温准确度虽高，但在实际生产中，这种实测的方法却有许多缺点和问题，如对原有设备结构需进行较大改造，工艺复杂；测温探针在生产过程中须反复拔插，使其拔插机构极易损坏；另外深入制品内部测温的探针在制品上留下的针孔既影响制品的质量又影响外观。另一种解决方式是近年来提出的无探针等效硫化方法，这种方式多采用热传导原理，通过测量硫化时的外围温度，建立硫化过程中制品内部的温度场和热传导数学模型，经过大规模的模拟和计算，得到硫化制品内部温度的估算值。由于橡胶是热的不良导体，硫化过程中的稳定性和均衡性都非常差，使得由此建立的模型不但计算量非常大，而且准确率不高，直接影响在线温度预测的速度和预测的准确性。

本发明的目的就是为了克服和解决现有技术用探针式热电耦进行在线温度实测方法时存在需要大范围改造设备结构、工艺复杂、探针拔插机构易损坏、针孔影响制品质量和外观，或用建立温度场和热传导数学模型的方法时存在的计算量大、速度慢、准确性差等的缺点和问题，研究发明一种既能降低工艺复杂性、保证系统结构的可靠性和安全性，又能确保不影响制品外观、提高硫化制品的质量，同时简化数学模型、简化计算，提高计算速度和准确度，提高硫化的生产效率，实现无探针等效硫化方法的橡胶硫化温度在线预测控制仪及其预测控制方法。

本发明是通过下述技术方案来实现的：橡胶硫化温度在线预测控制仪的外形结构示意图如图1所示，其电路方框图如图2所示，其电路原理图如图3所示，其温度在线预测控制程序流程框图如图4所示。本橡胶硫化温度在线预测控制仪由机壳1、电路板以及装置于机壳上的发光指示灯2、数码显示管3、控制键盘4、传感器组6共同连接构成，其相互位置及连接关系为：电路板装于机壳1内，发光指示灯2装于机壳的正面面板上并通过导线与电路板上的执行机构控制电路相应点相连接；数码显示管3、控制键盘4均分别装于机壳1的操作台板上并分别通过导线分别与机壳内电路板上的显示电路、键盘控制电路相应点相连接；电源插口5开设于机壳右侧，电路板上电源线从电源插口5引出并与电源装置相连接；包括多个探针式热电耦传感器、压力传感器、蒸汽温度传感器的传感器组6从机壳右边孔洞引进并分别与电路板上的放大电路相应点相连接，机壳顶部开设有执行机构的控制线接线口7；其电路由放大电路、A／D转换电路、单片机、显示电路、报警电路、键盘控制电路、D／A转换电路、执行机构控制电路共同连接构成；其相互连接关系是：放大电路分别通过传感信号线、放大输出信号线分别与传感器组6的各传感器、A／D转换电路相电气连接；单片机分别通过A／D转换输出信号线、显示信号线、报警信号线、键盘控制信号线、D／A转换输入信号线分别与A／D转换电路、显示电路、报警电路、键盘控制电路、D／A转换电路相电气连接；执行机构控制电路分别通过D／A转换输出信号线、执行机构控制信号线分别与D／A转换电路、执行机构相电气连接。

橡胶硫化温度在线预测控制方法：其关键是采用人工神经网络模型，通过离线对硫化温度的实测数据进行学习、记忆，以此产生一组适宜于在不同生产环境下计算的权值，然后利用这组权值，将硫化过程中易测温的多点温度实测值作为神经网络的输入，通过权值映射出硫化中制品内部多个关键的难测温点的温度值，经过20S～60S时间间隔的推移，不同时刻温度值经过映射得到硫化化过程中不同时刻的温度预测值；神经网络进行计算的方法为：针对一组经实验测定的温度变化值，设定其中易测温的多点及时间间隔序列为输入，难测温的四点温度值为理想输出值，首先定出所采用网络模型的层数和各隐含层单元个数，然后根据输入层单元数及隐含层单元数确定权值矩阵和阀值矩阵的行和列，再将随机产生的两组值定为权值和阈值，输入通过权值映射后与阈值的差即为网络的一次输出，利用所得输出值与理想输出值比较的差值，按误差的梯度计算方法算出一组新的权值和阈值，然后再进行第二次相同运算；不断循环，当最后得到一组输出值与理想输出值的差值在设定的误差范围之内，最后所得阈值和权值就是所求阈值和权值，将其存储，用于在线预测的神经网络计算。

本橡胶硫化温度在线预测控制程序如下：通过多个探针式热电耦传感器和一个压力传感器及一个蒸汽温度传感器，进行第一步数据采集，在与设定的数据比较后，判断是否符合硫化初始条件，如任一通道的测试值超过设定的误差范围，控制仪则通过LED数码管显示报警信号，提示硫化设备重新调整初始条件；如果数据检测完全符合硫化初始条件，便进入选择程序步骤，即选择神经网络启动的初始条件，该条件主要是根据环境温度和蒸汽温度把网络权值及阈值设定在适用范围，然后采用对应的权值和阈值，经过10～25分钟延时，待硫化进入相对平稳阶段后，神经网络开始工作；首先对实测数据初始化，即将神经网络的输入数据归一到[0，1]之间，映射计算后，输出预测结果，然后经反归一处理，检测数据是否达到正硫化时的温度值，若未达到，则重复预测和检测过程；直至达到正硫化温度后，则控制硫化设备停止加热，进入保温阶段，预测程序结束。

本发明方法的实现电路采用的CPU型号为AT89C51，为51系列的单片机，它一共有4个8位并进行I／O接口：P0、P1、P2、P3，1个全双工串行I／O接口，可多机通信；在本电路中P0口作为数据总线，P1口作为输出口用于显示电路P2口，用作地址线高8位，P3口用作第二功能用。P3．0／RXD口串行输入口，P3．1／TXD为串行输出口，P3．2 INT0外部中断0请求输入端，P3．3 INT1外部中断的1请示输入端，P3．4／TO为定时器／计数器0的计数脉冲输入端。P3．5／T1为定时器／计数器1计数脉冲输入端，P3．6 WR为片外数据存储器写选通信号输出端：P3．7 RD为片外数据存储器，RST为复位端，只需有10ms左右的高电平便可复位。如图，当V_cc接通时，C1两端电压为0，RST输入高电平，然后C1充电，RST电位逐渐降低，但只要R₁C₁足够大，使RST高电平时间维持在10ms以上便可复位；C₂、C₃与Y1组成振荡电路产生时钟频率，选择晶体振荡频率为12MHz，C₂、C₃为30pF，单片机IC₁的P3．6和P2．7通过或非门控制A／D转换器IC₂的START口，P3．7和P2．7通过或非门IC₅、IC₆控制IC₂的OE口，ALE通过U₆分频后接IC₂的CLK脚。键盘输入电路由一个或门，一个扩展输入口IC₃，和8个47K电阻，按钮组成。或门输入端接 RD和P2．6输出端接 1G和 2G，IC₃输出端接P0口，当地址线A14为低电平时又有读信号时，P0口从IC₃读入数据。显示电路由译码器IC₄和数码管组成，IC₄输入端A、B、C、D分接CPU、P1．0、P1．1、P1．2、P1．3，LT、BT接地，LE接+V_cc，S1、S2、S3接P1．4、P1．5、P1．6。A／D转换电路由IC₂非门、可变基准电压电路。ADDA、ADDB、ADDC为选择输入A／D转换端，通过它选择需A／D转换的模拟输入端，IN0～IN7为模拟输入端，D0～D7为数字输出端，REF(-)、REF(+)为比较电压；REF(-)接地，REF(+)接可调比较电压端，START是芯片的起动引脚，其上脉冲的下降沿启动一次A／D转换；EOC是转换结束信号，用于向单片机申请中断或供单片机查询，在这里把它接到CPU中断0向CPU申请中断，CLK为时钟端，因芯片时钟频率最高只可工作于640KB，故由单片机ALE引脚经5分频后接向该引脚，可调比较电压电路中，R2、R3起分压作用，C5起滤波作用，D1是稳压管起稳压作用。D／A转换电路由IC₇、可变基准电压电路、比较电压输出电路共同构成。V_cc、ILE接高电平，ID0～ID7接P1口，WR1、WR2接CPU的WR管脚，CS和XFER同接P2．6管脚。Vref接基准电压，可变基准电压和A／D转换电路中的可变基准电压电路相同。Iout1和Iout2分别接运放器负正极。DGND接地，为减小干扰Iout2和AGND接另一个地(注意是不同地)。运放器输出端接反馈信号输入端Rfb。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果；(1)由于本发明完全采用神经网络预测硫化制品的内部温度，大大减少了在线处理的信息量，使程序运行速度大大提高，并且只需在线测量橡胶硫化时几个易测的温度点便可实现预测，不用对执行机构即硫化机构作较大的改装，克服了现有某些方法必须较大程度地改组硫化设备及其同时存在的传感机构易损坏、可靠性差的缺点，使应用硫化温度实现在线控制成为经济可行的方法；(2)本发明智能化程度高、准确可靠、速度快。通过样本学习成功的神经网络模型，对相应条件下实际硫化温度的预测误差可达到2℃以内；(3)提高橡胶硫化质量。相对于现有技术的硫化时间控制方法，本发明方法预测到的结果较好地反映了硫化过程中难测温点的硫化温度值，由此可及时地控制硫化继续与否，克服了过硫或欠硫所带来的硫化质量和质量不稳定，甚至次品；(4)本发明的预测控制仪易于使用、便于维护，它完全由电子器件组成，简单的键盘操作和观察显示器，便于掌握使用方法。另外电子器件的耐用性好，维护和维修都非常容易实现。

下面对说明书附图进一步说明如下：图1是本橡胶硫化温度在线预测控制仪的外形结构示意图；图2是本橡胶硫化温度在线预测控制仪的电路方框图；图3是本橡胶硫化温度在线预测控制仪的电路原理图；图4是本橡胶硫化温度在线预测控制仪的预测控制程序流程方框图。

本发明的实施方式可为如下：(1)按图1所示，设计、加工本橡胶硫化温度在线预测控制仪的机壳，可用工程塑料或金属采用常用机加工方法加工成160×200×110mm的机壳1，机壳前部操作台板右边装一组便于人工输入数据的12键标准小键盘4；机壳前部操作台板的左边装一套数码显示管3；机壳的右边开设一个电源线插口5和采集数据用的多个顺序排列的传感器组6的进线口；机壳的顶部开设一个执行机构的控制线接线口7，机壳前面板安装两个预测程序工作时的指示灯2，其中一个指示程序是否运行，另一个显示程序的异常状态；②购置三个探针式热电偶传感器以及一个压力传感器和一个蒸汽温度传感器的传感器组6，它们接在本控制仪机壳的外部。例如，热电偶传感器可选德国JUMO公司的E型传感器；压力传感器可选广州森纳士压力仪器有限公司的DG1100型压力传感器；蒸汽温度传感器可选温度传感器集成电路AD590；12键键盘可选用北京金诚信有限公司的GHC511键盘，数码显示管可以选用深圳市超亮电子有限公司的LED数码管；(2)按图2～3所示，绘制印刷电路板，并筛选元件进行安装。例如：单片微机IC1可选用ATMEL公司的AT89C51；晶体振荡器可选用12MHZ的晶体振荡器；A／D转换器IC₂可选用ADC0809，IC₃可选74LS244，D／A转换器IC₇可选用DAC0832，译码电路IC4可以采用MC14511；IC₅、IC₆可选74F02；③把安装好的印刷电路板安装于机壳内，并按上面说明书所述的连接关系用导线把装于机壳上的键盘4，数码显示管3，发光指示灯2以及传感器组6分别与对应的电路相应点相连接；④按图4所示的预测控制程序软件流程方框图编制软件程序，再把安装好的橡胶硫化温度在线预测控制仪加电并用键盘输入参数，经简单调试，再将该仪器的传感器组6的各个传感器及执行机构控制线接到橡胶硫化机对应的三个难于测温的硫化测温点和对应的压力及蒸汽温度检测部位和控制部位，用本发明已编制的控制程序软件进行控制，便能较好地实施本发明。发明人经过几年的研究，已成功地制造出本预测控制仪的样机，并已成功地在某橡胶轮胎厂进行了试验性试用，效果很好，提高了该厂橡胶制品的质量，且性能稳定可靠，完全达到了本发明的目的。

Claims

1、一种橡胶硫化温度在线预测控制仪，其特征在于：它由机壳(1)、电路板以及装置于机壳上的发光指示灯(2)、数码显示管(3)、控制键盘(4)、传感器组(6)共同连接构成，其相互位置及连接关系为：电路板装于机壳(1)内，发光指示灯(2)装于机壳的正面面板上并通过导线与电路板上的执行机构控制电路相应点相连接；数码显示管(3)、控制键盘(4)均分别装于机壳(1)的操作台板上，并分别通过导线分别与机壳内电路板上的显示电路、键盘控制电路相应点相连接；电源插口(5)开设于机壳右侧，电路板上电源线从电源插口(5)引出并与电源装置相连接；包括多个探针式热电耦传感器、压力传感器、蒸汽温度传感器的传感器组(6)从机壳右边孔洞引进并分别与电路板上的放大电路相应点相连接，机壳顶部开设有执行机构的控制线接线口(7)；其电路由放大电路、A／D转换电路、单片机、显示电路、报警电路、键盘控制电路、D／A转换电路、执行机构控制电路共同连接构成；其相互连接关系是：放大电路分别通过传感信号线、放大输出信号线分别与传感器组(6)的各传感器、A／D转换电路相电气连接；单片机分别通过A／D转换输出信号线、显示信号线、报警信号线、键盘控制信号线、D／A转换输入信号线分别与A／D转换电路、显示电路、报警电路、键盘控制电路、D／A转换电路相电气连接；执行机构控制电路分别通过D／A转换输出信号线、执行机构控制信号线分别与D／A转换电路、执行机构相电气连接。

2、一种橡胶硫化温度在线预测控制方法，其特征在于：其关键是采用人工神经网络模型，通过离线对硫化温度的实测数据进行学习、记忆，以此产生一组适宜于在不同生产环境下计算的权值，然后利用这组权值，将硫化过程中易测温的多点温度实测值作为神经网络的输入，通过权值映射出硫化中制品内部多个关键的难测温点的温度值，经过20S～60S时间间隔的推移，不同时刻温度值经过映射得到硫化过程中不同时刻的温度预测值；神经网络进行计算的方法为：针对一组经实验测定的温度变化值，设定其中易测温的多点及时间间隔序列为输入，难测温度的四点温度值为理想输出值，首先定出所采用网络模型的层数和各隐含层单元个数，然后根据输入层单元数及隐含层单元数确定权值矩阵和阀值矩阵的行和列，再将随机产生的两组值定为权值和阈值，将输入通过权值映射后与阈值的差即为网络的一次输出，利用所得输出值与理想输出值比较的差值，按误差的梯度计算方法算出一组新的权值和阈值，然后再进行第二次相同运算；不断循环，当最后得到一组输出值与理想输出值的差值在设定的误差范围之内，最后所得阈值和权值就是所求阈值和权值，将其存储，用于在线预测的神经网络计算。

3、一种橡胶硫化温度在线预测控制的预测控制程序，其特征在于：通过多个探针式热电耦传感器和一个压力传感器及一个蒸汽温度传感器，进行第一步数据采集，在与设定的数据比较后，判断是否符合硫化初始条件，如任一通道的测试值超过设定的误差范围，控制仪则通过LED数码管显示报警信号，提示硫化设备重新调整初始条件；如果数据检测完全符合硫化初始条件，便进入选择程序步骤，即选择神经网络启动的初始条件，该条件主要是根据环境温度和蒸汽温度把网络权值及阈值设定在适用范围，然后采用对应的权值和阈值，经过10～25分钟延时，待硫化进入相对平稳阶段后，神经网络开始工作；首先对实测数据初始化，即将神经网络的输入数据归一到[0，1]之间，映射计算后，输出预测结果，然后经反归一处理，检测数据是否达到正硫化时的温度值，若未达到，则重复预测和检测过程；直至达到正硫化温度后，则控制硫化设备停止加热，进入保温阶段，预测程序结束。