1.0 介绍
自动闭环控制系统在金属热加工行业上的应用已经比较常见，可是在铝挤压工厂却不多。直到最近几年，市面上才出现此类自动控制系统，不过质量参差不齐，用户褒贬不一。
过去的系统没有充份考虑异常或者断续的生产情况，达不到铝挤压所要求的可靠性和适应性。得益于近年来自动化技术的空前发展，成熟的新一代铝挤压反馈控制系统诞生了。这一系统非常容易适应生产中断和生产变化，同时还因其简雅的配置而更易被全行业接受。
包括早期的版本在内，温度过程控制系统（TPC）已经在全世界安装了超过43条生产线，在各种工况下，该系统保持了提高每条生产线10%-24%生产率的良好成绩。最近加入的“最优操作准则”功能被证实让挤压机操作更为稳定；TPC系统是用生产配方来运行挤压机的，“最优操作准则”加强了系统对挤压机内置生产配方的分析和优化。在东宾夕法尼亚州的一个挤压工厂告诉我们，他们安装了TPC系统以后，总生产率提高了18%，这是他们至今为止公司做过的最好的投资。
不同的安装条件下产生的结果是不同的，但是使用TPC系统最普遍的收益有以下几点：
１ 提升产品质量，表面光洁度更好，少瑕疵，少次品。
２ 提高挤压速度，典型地缩短了10%-24%的挤压时间。这一改进不论在短期或是长期都是存在的。
３ 稳定生产状态，使用优化的生产配方进行生产，不受操作人员变换的影响。
４ 减少挤压机停车时间，实时的图像查看和报警提醒操作者注意挤压机上的异常情况。
５ 多出的挤压能力可以被充分利用到生产更多的订单，使订单计划更具灵活性。
６ 在有液氮冷却模具的生产线上，TPC可以控制液氮流量，减少40%的液氮消耗。
2.0 铝材挤压过程的优化
2.1 实施最优操作准则
在如今激烈的全球市场环境中，铝材挤压厂要保持竞争力，必须要保证产品的高质量和生产的高效率。要实现这样的目标，最基本的是要投入人力和技术来推动整个组织机构的改进。大多数的过程改进程序都配合使用“最优操作准则”，把提速、执行和管理的优化贯穿整个组织机构。如下图1所示，实施“最优操作准则”，可以快速提高工厂的产出、质量和收益率。
最优操作准则程序的概念很简单：定义和维持操作的标准，然后持续提高标准，实现持久的产量和质量收益。
实现这些目标最具挑战性的地方就是开发一个灵活好用、细节完美的系统。早期设计的系统太过复杂而且可靠性差，现在有了先进的技术，使最优操作准则更健全、更便捷实用。
最有效的连续的过程优化程序，通过管理生产关键环节的最优操作准则的实施、优化和评估，实现持续稳定的最优操作。例如：
１ 挤压时间（典型的是65%）：代表了最重要的提高的机会，因为这个时间，挤压杆在挤压铝棒。通过定义和实施最优操作准则来控制主要的挤压参数，就有可能把每天的挤压生产控制得更稳定，并且增加循环生产次数和合格率来大幅的提高工厂的生产率和质量。
２ 停车时间、调试时间和空载时间（典型的35%）：三者合在一起代表了另一个显著的提高的机会，这段时间挤压机没有生产。用一个更好的系统来跟踪这些操作，就有可能给工程师提供更好的信息，来做出更好的决定，以保证过程的顺畅和有更多的挤压时间。
2.2 管理过程温度
优化铝型材挤压生产的机会很多，但是最大的机会在于更好地管理和控制整个生产过程的温度。如下图2简化的挤压极限图表，通过对铝棒和挤压机前梁出口温度的精确控制使产量和品质得到优化。
传统的人工控制过程温度的方式对操作者的技术经验要求很高。可惜的是，这样的生产方式常常变成：要么为保证产品质量，而把挤压速度控制在远低于最佳水平的程度；要么为了最大化挤压速度，而导致产品合格率下降。
有了温度闭环控制系统，则可以在挤压机上实施 “最优操作准则”，让生产过程更有可预测性和稳定性。特别的，因为这个系统优化了铝棒温度，把型材的温度控制在最大的范围内，挤压速度就可以相应大幅的提高，还不牺牲产品质量。这要求系统有如下的能力：
１ 提供一个简单的方法来定义、实施和评估每一个型材的最佳生产配方值。最优值会因挤压机而异，因模具而异，因铝棒材料而异，甚至还因模具副本的状况而异。
２ 自动补偿因模具、盛锭筒、铝棒和铝型材温度的变化而产生的变化，以避免在高挤压速度下极易产生的质量问题。
３ 自动补偿生产过程中异常状况下产生的问题，如加热炉或者泵设备上的问题。
2.3 闭环温度控制下无与伦比的表现
随着技术的发展，铝挤压厂已经有能力使用系统来直接控制挤压过程的温度。威廉姆逊温度过程控制系统（TPC）就是其中之一。这个系统内置一个配方数据库，可以通过在线温度反馈来控制挤压生产。如图3所示，TPC系统把红外线测温仪、PLC、计算机和SQL数据库连接起来，并与工厂在用的控制器整合。另外，图示化的界面让操作者更容易回顾、执行和评估“最优操作准则”在每一个挤压过程中的实施情况。
基于速度和压力的控制系统，仅依靠温度选择合适的控制模式，与此不同，TPC系统使用实时的温度输入来控制生产，并能在挤压状态大幅度变动的时候，仍使挤压过程遵循最优操作准则。详细的TPC控制内容包括：
１ 自动调节挤压速度，使型材在挤压机前梁出口保持最佳温度。如图2所示，这一温度对确保最佳挤压速度和质量是决定性的。
２ 自动调节铝棒加热炉的温度设定值，来优化铝棒温度和挤压突破时间，使挤压压力和速度最大化。
３ 高级选项包括自动控制梯度加热炉系统，淬火系统和液氮冷却系统
TPC的柔性设计使它非常便于组态并可与多种控制系统兼容。例如，TPC的PLC模块可以通过模拟信号与较老型号的挤压控制系统连接，也可以通过PLC的网络接口与较新型号的挤压机控制系统通讯。另外，TPC模块化的软件设计让它与现有的挤压机、加热炉和牵引机的控制器可以很容易的整合起来。因此，当现场准备工作完成后，只要一周时间就可完成整个TPC系统的安装、调试和培训，并且几乎不需要停车。
现场的前期准备（大约4周时间完成）
1、确定项目负责人——（管理层、IT部、工艺专家和第一联络人）
2、制作详细的安装计划
3、开发配方数据库的详细规范，该配方定义了挤压生产的最优操作准则
4、根据基本信息建立配方数据库
5、安装系统硬件，完成PLC和传感器接线。
系统组态和测试（大约1周完成）
1、完成系统硬件的装配和测试
2、完成应用软件的安装与测试
3、进行系统测试
4、完成操作培训
3.0 一个简单的实施最优操作准则的方法
3.1高效地管理，持续地改善
TPC控制系统的基础就是配方数据库，它是对挤压机最优操作准则进行系统、科学的定义、执行和评估的途径（如图4）。在安装系统时，配方数据库都经过评估和调试，来适应相应的一台挤压机的综合过程参数设置（见表1）。默认配方是根据模具副本设置的，作为配方优化的基础。因为有了默认的配方，可以注意到，TPC系统控制下的挤压生产过程，比人工控制的有显著的改善，生产过程也变得非常稳定，不受操作者变化的影响。配方的参数在每一个模具生产过程中是不断优化的，这也更进一步的提高了产量，保证了品质。
如图4所示，TPC系统轻松地将最优操作准则与日常的挤压机操作融合在一起。重要的功能包括：
1 配方管理：让操作者更容易定义和保存某模具所对应的独有的综合操作参数，让优化的结果一致连贯。
2 订单管理：根据订单的确切规格可顺利生成详细的生产配方，在挤压机上管理群订单。
3 控制模块：利用实时的温度反馈，进行铝棒温度和型材前梁出口温度的自动闭环控制，任何操作者在挤压机工作状态大幅变化的情况下,都能得到最优的生产结果。
4 标准对比监控（R2S）、最佳挤压分析、在线图表和报告：提供了实际生产条件下详细的信息，便于分析和调节配方参数来提高产量。这些新的配方参数将被储存在配方数据库里，在未来新订单上使用。
表 1
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TPC最优操作准则范例 |
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主要过程参数 |
主要性能指标 |
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铝棒预设温度 实际铝棒料温度 型材目标温度 平均型材温度 最小淬火率 平均淬火率 模具温度
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平均挤压杆/挤压速度 成品率 生产率 型材温度附和程度 标准对比附和程度
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为快速推动挤压过程改进，首先要优化生产最多的型材的配方。有了TPC系统，可以很简单地实现以下目标：
1 在保证型材质量的同时，逐步提高型材的挤压速度，系统地控制型材目标温度。
2 利用最优挤压分析功能模块来评估和升级配方的最优参数。这一功能自动保存了每一个模具排在前五位的表现最好时的生产参数。这也便于评估平均挤压杆速度、每个订单的成品率和保存新配方到TPC数据库。
要使TPC系统推动型材质量的改善，还要综合考虑表面光洁度、尺寸公差或金相属性，所以要根据每一个模具的特殊情况来控制生产过程。潜在的过程限制包括：
1 模具的设计
2 加热炉的加热能力
3 挤压机速度或压力的最大值
4 冷却和搬运系统的能力
5 铝棒或者型材的温度上限
6 为达到金属属性而要求的淬火率
利用TPC配方管理模块，我们可以锁定和追踪系统优化后的配方。管理层可据此做出更改设备或者工艺的决定。例如，如果大量配方因加热炉的能力有限而被锁定，TPC的报告就会提示一个购置新加热炉方案，来解决这一瓶颈。如果这一限制被解除了，配方可以更进一步的得到优化。
3.2 高效分析和优化挤压过程
3.2.1 标准对比监控(R2S)
TPC系统包括很多先进的工具和报告，可以很轻松地分析和优化配方，确定过程瓶颈，实施过程改进，从而把生产过程提高到一个新的水平。如图5所示，标准对比监控给操作者提供一个直观的挤压机表现示图，自动对比实际操作和标准操作的主要数据。R2S监控也包括状态灯和反馈与标准差异的统计数据。例如，如果配方被优化及锁定了，R2S监控的订单状态栏就会根据每个铝棒的生产状况有以下的显示：
1 绿灯表示过程参数在最优操作准则的标准范围内，红灯表示过程值超出了标准范围。
2 系统自动计算并显示每一个参数的状态，计算和显示绿灯数量占整个参照数的比例。
3.2.2 其他用于分析生产的功能模块
1 最佳挤压分析：某模具编号下的挤压生产中，挤压杆平均速度和成品率这两个指标最好的五个配方被自动记录下来，操作者可以参考这些记录，快速地分析和更新每个配方的最佳值。
2 在线图示：提供直观的现场生产趋势图和产出情况
3 报告模块：收集重要数据促进生产全过程的持续改善。数据可以根据铝棒、订单、换班、模具或日期来提取。数据可以用excel表格软件或其他软件来分析和排列，非常简便。
4 在线报警：当挤压机发生异常的时候，系统会跳出文本信息，提示出错，帮助操作者发现问题。
5 高级报告功能：提供极为宝贵的信息，有助于管理者在改善挤压生产的其它环节时做出明智的决定，这些特别的环节有：
6 模具更换监测：每一次更换模具的时候，操作者都必须在提示窗口里选择更换模具的原因。默认的选项是“正常更换”，模具更换的原因列表还可以自定义。（如图6）
7 停车监测：有一个计时器会在挤压机停止时间过长时跳出来（典型的是每挤压完后2分钟）。操作者可以选择一个自定义的原因表来说明停车原因（见表6），系统则会自动记录下停车的精确时间和时长。
8 过程监控：如果在使用一个被锁定的配方生产，有一个可定制的开关来打开标准对比监控数据。当过程表现低于开关的限制，它会激活一个弹出的窗口，带有一个可客户定制的控制代码，随着事件被记录下来。
4.0 用于改善过程控制的自动化闭环系统的设计
4.1 基于温度的创新闭环控制系统的设计
依赖TPC系统先进的闭环控制能力，每条生产线上的每位操作人员都能保证挤压生产始终遵守最优操作准则。产生如此突破性进展的关键，是系统独一无二的快速简单的适应各种挤压操作条件的能力。与基于速度和压力的控制系统不同，TPC使用实时温度和自我学习的架构来控制挤压机生产，实现全生产过程的协调，维持最佳状态。
如图表7所示，TPC系统是一个真正的基于温度的控制系统，它自动并精确地调整过程参数配方值，从而缩短挤压时间，保持质量稳定。其调控功能主要包括以下几个方面：
1 铝棒温度控制：坯料加热炉末区的温度设定点被附加一个偏移量后自动调整，从而优化挤压突破时间，并使峰值压力最大化。
2 棒温梯度控制：用两个温度设定点的调整来控制料棒的梯度加热，从而保证前梁出口温度在等速挤压时也能达到最佳。
3 动态速度控制：在挤压过程中，挤压机的速度能够以一个偏移量不断进行调整以保持最佳的型材温度。
4 步进速度控制：一个“通过学习得到的”速度偏移量将被加到每块坯料的初始速度。加到全过程的速度偏移总量等于动态偏移量加上步进速度偏移量之和。
4.2 各种动态工况下的补偿
挤压过程是一个动态的升温过程，其内部各要素相互关联、错综复杂，需要连续调节以保证每根铝棒的产出都能达到最优品质。TPC系统可同时连续调节所有需要调整的参数，操作者无需成为热管理专家也能轻松完成挤压过程的优化。此外，TPC系统还包含很多“故障安全防护”功能，它能够识别出一些异常工况，而在这些工况下为保证质量和生产安全，不会采用更多极端的调节。这些功能包括：
1 操作限制：用于限制可通过TPC系统进行的过程调整操作。当中就包括铝棒温度偏移量也就是动态及步进速度偏移量的调控限制。
2 发射率和温度限制：被用于核实控制调节发生前输入系统的温度。一旦测得的发射率和温度超出了合理的极限，系统就会自动停止进一步的调整。
3 系统诊断程序：负责网络监控，并且会在PLC或者TPC各操作系统之间通讯中断的情况下，自动将系统由自动模式切换至手动模式。
正如以下列表所示，每一根挤出的铝棒都会受到多个过程变量的影响。使用“订单管理”程序模块，系统可轻易设置一个细化的配方来为每一个订单确定最优操作准则。接下来则是由TPC控制模块来保证最优生产状态。以下几个因素会对优化效果产生影响：
１ 模具温度：模具加热炉和模具调度的管理必须保证模具温度远高于规定的最低值。
２ 最佳铝棒温度设定点：棒温设定点既要足够低以充份提高挤压能力，又要足够高以符合金相的要求。挤压突破时间和峰值压力可作为优化铝棒温度的两个指标。
３ 精确且可重复的铝棒喂料温度：由于铝棒加热炉的接触式温度探头精确度不高，实际的铝棒温度会产生明显的偏差。迟钝的探头读数低导致铝棒温度高于铝棒的设定点的温度，而当探头受到加热炉内火焰干扰读数偏高时又会导致铝棒的实际温度比设定点低。
４ 铝棒加热的均匀度：尽管铝棒整体都将获得迅速加热，但一些情况经常致使铝棒受热不均。最糟时，当加热炉闸门或者加热装置出现机械故障，或是铝棒长度与加热区的长度不匹配的时候，棒温最终有可能会变成倒梯度。
５ 最佳梯度加热：如果加热炉有梯度加热的能力，这时候，重要的是要保证在进入挤压机时，铝棒仍保持在最佳温度梯度。
６ 最佳型材温度设定点：型材最佳的目标温度会因模具、模具副本与合金的变化而不同。如同图2所示，挤压机出口温度越高挤压速度越快，但由于表面光洁度差，气泡，或是可能出现尺寸公差等问题，其质量风险也会相应增大。
７ 等温控制：这一功能可在单次挤压中保持型材温度恒定。理想状态下，型材能够迅速到达目标温度，并保持这一温度不超。稳定该温度产一个重要因素就是铝棒温度的连续性和均匀度。
８ 淬火率高于最低目标值：为了实现特别的机械性能，型材必须升至目标温度，随后快速冷却以获得令人满意的拉伸属性。针对不同的型材，必须确定最低冷却速率来保证获得其特定的机械性能。
生产正常运行的关键是配方数据库里的最优操作准则，而TPC模块是生产正常运行的保障。为了阐明TPC系统管理挤压生产的流程，图8将手动控制加工的10根铝棒(棒号1 – 10)与TPC系统自动控制下加工的10根铝棒(棒号11 – 20)进行了比较。为了强调一些重要的功能，每根铝棒的下述参数都被跟踪记录下来：
1 对比型材设定点温度和实际温度，以检验是否达到挤压速度和质量的最佳平衡点。
2 对比铝棒温度设定点、由炉内热电偶测得的棒温、以及由炉外非接触式测温仪测得的棒温，可以看出，保持稳定的铝棒喂料温度的难度不小。
3 每根铝棒的挤压时间都被记录。
在这个例子中，TPC系统自动控制下的挤压总时间被缩短了17%，而最佳型材温度则始终维持恒定，以确保产品质量。以下是关于测试数据的一些要点：
1. 通过自动调整挤压速度使挤压机前梁出口的型材维持在最佳温度后，挤压时间立刻缩短了8-10秒（见铝棒11-13）。
2. 通过自动降低加热炉内的铝棒温度设定点，铝棒喂料温度降低，突破时间得到优化，峰值压力也达到最大。这就额外缩短了13秒的挤压时间（见铝棒15-20）。
3. 铝棒6和13显示了系统如何为保证产品质量，自动调整以适应不同的铝棒喂料温度。在6号铝棒处，操作员并未手动调节挤压速度以适应温度更高的铝棒，结果导致型材温度超出了最佳目标温度。与此同时在13号铝棒处，TPC系统自动降低了挤压速度以保持最佳型材温度。根据6号铝棒的温度超出程度，这根型材很有可能报废。而13号铝棒的挤压速度则得到了自动降低，从而确保了质量。
4.3 更精确可靠的温度测量
TPC系统成功运行的一个基本前提是：由红外测温仪输入的温度信号精确可靠。这也是在挤压过程中连续有效进行热管理的关键。结合了微处理器和红外技术的最高成果，威廉姆逊的PRO系列多波长传感器可在各种各样的工业状况下精确测量铝的温度。
凭借其先进的技术，PRO120已经证明在铝挤压温度测量上更精确可靠。这些多波长的传感器使用ESP算法计算出铝的准确温度和发射率，在计算时还要考虑红外能量、发射率和波长。ESP算法是一个以计算机为基础的经验模型，针对铝挤压过程的各种测温应用，经过大量的在线试验和离线模拟开发出来的。所以对大多常用合金、不同的型材形状以及铝表面的氧化状态，PRO可精确测量其温度，无须现场标定。
为什么说PRO120是完美的铝挤压测温仪表呢？
1 自动补偿铝的复杂的发射率特性
2 实时测量铝的温度和发射率
3 自动对准小的、晃动的型材
4 能够补偿脏污镜头、烟气和水汽对测温结果的影响
5 适应苛刻的工业环境
6 一种型号满足铝挤压的所有应用（棒温、挤压出口温度、淬火温度）
铝材挤压应用给红外测温仪表提出了许多独特的挑战。好在随着技术的升级，我们有能力提供一个精确的温度测量，来帮助严格的控制生产过程，实现产品质量和过程的优化。
5.0 总结-最佳实践之路
自动化系统的高效性已被证实，它技术可靠，能大幅提高生产效率、提升产品质量。最新的自动控制技术使 “最优操作准则”在铝材挤压生产中得以实施，实现了生产的连贯性，不受操作者换班的影响。本文详细叙述了一个创新的自动控制系统，这个系统可以优化铝挤压生产过程。它能提供现场数据，表明自动化控制带来的卓越收益。同时，它也可以提供最佳温度管理的评估报告，为生产制定计划，持续地优化生产过程。
尽管使用红外测温仪监测挤压过程在铝挤压行业已经十分普遍，但借助连续的温度反馈信号优化挤压生产过程的做法却依然少见。结果导致全球范围内的铝制品企业仍旧只关注不同操作员和不同班次之间的延续性，而操作员个人受到奖励和批评的依据也都是他们日常的生产效率水平。作为提供稳定性和生产效率提升的一种有效途径，铝挤压行业中的大部分企业都已经转向“最优操作准则”。但是，在缺少自动化系统参与的情况下，要通过达到“最优操作准则”来获得企业成功已经被证明是异常困难和耗时的。而将“最优操作准则”与温度反馈自动操控系统有效结合的Williamson TPC系统，正是能同时满足稳定性和生产效率两大需求的最佳选择。
TPC系统的效果已经得到验证，因为它将与管理和质量相关的“最优操作准则”与简便、创新且有效的反馈自动操控系统及其他铝挤压流程优化的配套设备相结合。反馈控制系统与“最优操作准则”模型的创新性结合为持续的流程标准化和优化进程提供了无缝对接且直接有效的手段。类似的系统在几年之前或许还让人无法想象，可如今，红外测温仪和铝挤压过程中的反馈控制系统的成熟应用，加之“最优操作准则”的革命性发展，已经使自动化反馈操控系统的应用变得简单易行。当今的市场环境更让这样的系统变得不可或缺。
（译文由深圳市金瑞达实业有限公司提供）
