摘要：本文介紹了 LM系列PLC在硫化機(jī)XH-406監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議進(jìn)行上、下位機(jī)通訊，采用PID與PWM相結(jié)合控制方法。實(shí)現(xiàn)了硫化機(jī)自動(dòng)化控制，溫控精度控制在+/-0.5℃范圍內(nèi)，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，提高了硫化機(jī)綜合能源利用水平。

　　關(guān)鍵詞： PLC；監(jiān)控系統(tǒng)；硫化機(jī)

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP29                  

　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

　　The monitoring and controlling system for Vulcanize machine XH-406 based on  LM Series PLC

　　Ye,Jirong

　　Abstract: This paper introduces the application of  LM Series PLC in the monitor and control system for Vulcanize machine XH-406. This system realized auto-controlling for Vulcanize machine XH-406, ensured the temperature precision of the deviation being from -0.5℃ to +0.5℃, to be in a position in front of internal. And it realizes the communication of from master station to slave station by standard composition of MODBUS. The system improved the efficiency of energy used.

　　Keywords: PLC; Monitoring System; Vulcanize Machine

　　1 引言

　　改革開(kāi)放以來(lái)，經(jīng)過(guò)二十多年對(duì)進(jìn)口硫化機(jī)的消化吸收，我國(guó)硫化機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。尤其是近年通過(guò)與世界輪胎巨頭如法國(guó)米其林公司、日本的普利司通公司等的商貿(mào)與交流，我國(guó)硫化機(jī)在精度、可靠性、穩(wěn)定性等方面有了一個(gè)質(zhì)的飛躍，達(dá)到世界先進(jìn)水平之列。但在穩(wěn)定性和可靠性及精度等方面仍有差距。控制系統(tǒng)是輪胎硫化機(jī)的重要組成部份。我國(guó)硫化機(jī)廠家不斷追蹤國(guó)內(nèi)外控制領(lǐng)域的新技術(shù)，不懈努力提高硫化機(jī)的可靠性、穩(wěn)定性及自動(dòng)化程度。外溫控制采用PID閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。觸摸屏工控電腦取代機(jī)械式三針記錄儀，提高了控制精度，減少了維護(hù)費(fèi)用[1]。PLC監(jiān)控已是硫化機(jī)發(fā)展趨勢(shì)。

　　2 監(jiān)控系統(tǒng)概述

　　2.1 硫化機(jī)控制對(duì)象介紹

　　2.1.1溫度控制

　　控溫分為高溫控制和低溫控制，高溫分為兩組，主要控制上下兩塊模板的加熱，作用于模具中的原料，將其溶解。低溫控制為一組，主要控制冷水機(jī)的制冷，再由水泵將冷水抽到冷卻板上，待原料模具從加熱層取出后，放入冷卻層冷卻定型。

　　2.1.2油壓控制

　　油壓分為預(yù)壓和加壓，預(yù)壓就是讓原材料在成型前預(yù)先受熱一定的時(shí)間，使其軟化，壓力較小。加壓是在預(yù)壓的基礎(chǔ)上加大壓力，使原材料成型。

　　2.1.3機(jī)械輔助控制

　　機(jī)械部分主要是輔助油壓系統(tǒng)的動(dòng)作，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)控制，從而達(dá)到對(duì)油路及油壓的輔助控制。

　　2.2 硫化機(jī)控制過(guò)程介紹

　　2.2.1 制冷過(guò)程

　　閉合制冷電源開(kāi)關(guān)后壓縮機(jī)延時(shí)3分鐘啟動(dòng)（保護(hù)壓縮機(jī)不頻繁啟動(dòng)），達(dá)到指定溫度時(shí)壓縮機(jī)停止。同時(shí)，水泵開(kāi)始向冷卻板循環(huán)抽水。

　　2.2.2 壓力控制過(guò)程

　　閉合電源開(kāi)關(guān)后，油泵電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)器處于待機(jī)狀態(tài)。如果沒(méi)有任何上升或者下降的動(dòng)作，為避免油泵電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，20分鐘后油泵電機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。任何時(shí)候按上升或者下降按鈕，油泵電機(jī)重新開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　2.2.3 計(jì)時(shí)控制過(guò)程

　　在計(jì)時(shí)器的電源開(kāi)關(guān)閉合的狀態(tài)下，計(jì)時(shí)器分段計(jì)時(shí)，第一段默認(rèn)為預(yù)壓時(shí)間，一段時(shí)間到達(dá)后，計(jì)時(shí)器自動(dòng)轉(zhuǎn)到第二段計(jì)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)將壓力調(diào)整到加壓壓力設(shè)定值，二段時(shí)間到達(dá)后，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，同時(shí)下降電磁閥導(dǎo)通。當(dāng)油缸降到底時(shí)，觸發(fā)位置開(kāi)關(guān)，油站恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)，計(jì)時(shí)器復(fù)位，下次動(dòng)作是自動(dòng)計(jì)時(shí)。

　　2.2.4 測(cè)試過(guò)程

圖1 XH-406 平板硫化機(jī)監(jiān)控界面

　　如圖1所示，監(jiān)控界面的左邊是對(duì)溫度和壓力設(shè)定與顯示，右邊上半部分是開(kāi)關(guān)點(diǎn)輸出的顯示，下半部分是控制區(qū)域。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，機(jī)臺(tái)得電后測(cè)試過(guò)程如下：

　　（1）設(shè)定好溫度，打開(kāi)溫控開(kāi)關(guān)按鈕，包括上模加熱、下模加熱以及制冷開(kāi)始加熱或制冷按鈕。

　　（2）溫度到達(dá)后，打開(kāi)油壓控制開(kāi)關(guān)按鈕，油泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)器處于待機(jī)狀態(tài)。

　　（3）設(shè)定好預(yù)壓的壓力及時(shí)間，加壓的壓力及時(shí)間。將模具放入加熱模板內(nèi)，按上升鍵同時(shí)打開(kāi)計(jì)時(shí)器開(kāi)關(guān)按鈕，機(jī)臺(tái)自動(dòng)完成預(yù)壓、加壓及下降的動(dòng)作。

　　（4）將模具從加熱模板內(nèi)取出再放到冷卻板內(nèi)，重復(fù)以上動(dòng)作。油缸再次下降后，取出模具。測(cè)試結(jié)束。

　　3 監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　3．1  PLC介紹

　　3.1．1  PLC工作原理 PLC工作方式又掃描方式和中斷方式，所謂掃描方式是周而復(fù)始的執(zhí)行一系列任務(wù)。任務(wù)循環(huán)執(zhí)行一次稱為一個(gè)掃描周期，其掃描的工作過(guò)程如下：

　　（1）讀輸入：將物理輸入點(diǎn)上的狀態(tài)復(fù)制到輸入過(guò)程映像寄存器中。

　　（2）執(zhí)行邏輯控制程序：執(zhí)行程序指令并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在變量存儲(chǔ)區(qū)中。

　　（3）處理通訊請(qǐng)求：即執(zhí)行通訊任務(wù)。

　　（4）執(zhí)行CPU自診斷：檢測(cè)固件、程序存儲(chǔ)器和擴(kuò)展模塊是否工作正常。

　　（5）寫(xiě)輸出：在輸出過(guò)程映像寄存器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)被復(fù)制到物理輸出點(diǎn)。

　　中斷方式是指當(dāng)中斷事件發(fā)生時(shí)則立即執(zhí)行一次相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，不受掃描周期的影響，響應(yīng)速度快，從而進(jìn)一步提高了PLC控制的可靠性。中斷事件不發(fā)生時(shí)，不掃描中斷服務(wù)程序，這樣可以節(jié)約掃描時(shí)間，減少掃描周期。

　　3.1.2 PLC特點(diǎn)

　　（1）PLC邏輯判斷和控制能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好。PLC從硬件上采用隔離、濾波措施有效地抑制和消除了干擾。

　　（2）擴(kuò)展性和柔性好，且可移植性好，在不改變硬件的情況下，只改變軟件的程序就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

　　（3）編程語(yǔ)言豐富，可以采用不同語(yǔ)言編寫(xiě)程序， LM系列PLC支持6種編程語(yǔ)言，包括：梯形圖（LD）、指令表（IL）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）、功能塊圖（FBD）、順序功能圖（SFC）和連續(xù)功能圖（SFC）。給編寫(xiě)程序帶來(lái)很大方便。

　　3．2  監(jiān)控系統(tǒng)方案

　　監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)功能主要是：（1）溫度、壓力以及控制參數(shù)的設(shè)置；（2） 狀態(tài)和數(shù)據(jù)顯示；（3） 對(duì)XH-406硫化機(jī)的控制。（4）歷史曲線及報(bào)表輸出。本系統(tǒng)采用主、從站方式，通過(guò)MODBUS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)該監(jiān)控系統(tǒng)的通訊功能，其中主站選用組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。考慮到控制系統(tǒng)的安全性和抗干擾性要求，結(jié)合PLC的特點(diǎn)，該系統(tǒng)控制部分采用PLC控制。從站選用LM系列PLC（LM3106 CPU），控制示意圖如圖2所示。從輸入/輸出點(diǎn)要求考慮，本系統(tǒng)配置為L(zhǎng)M3106 CPU 14點(diǎn)輸入，10點(diǎn)輸出，4通道模擬量輸入1通道模擬輸出模塊LM3330，4通道熱電偶輸入模塊LM3311。

圖2 XH-406硫化機(jī)控制示意圖

　　4 程序設(shè)計(jì)

　　4.1  主站程序設(shè)計(jì)

　　MCGS組態(tài)軟件，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的在線監(jiān)控、操作、控制、調(diào)試、維護(hù)。完成數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析和操作員操作三類(lèi)功能，細(xì)分為以下幾個(gè)方面：

　　（1）參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的收集處理和顯示及命令控制界面，如圖1所示。由本地監(jiān)控站收集和處理來(lái)自各現(xiàn)場(chǎng)控制站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，形成上層人機(jī)界面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　（2）為保證監(jiān)控系統(tǒng)的安全性，對(duì)于某些特殊的控制參數(shù)只能是負(fù)責(zé)人或工程師才能通過(guò)密碼確認(rèn)的情況下進(jìn)入設(shè)定。如圖3所示。

　　（3）報(bào)表輸出。完成數(shù)據(jù)的采集、處理；并以報(bào)表的形式輸出采集到的數(shù)據(jù)。

　　（4）歷史數(shù)據(jù)管理和趨勢(shì)查看。完成歷史數(shù)據(jù)的收集處理；在趨勢(shì)畫(huà)面上顯示點(diǎn)值的歷史變化曲線或?qū)崟r(shí)變化曲線，可以設(shè)置趨勢(shì)組，每一副趨勢(shì)畫(huà)面可顯示多條曲線，同時(shí)可以查看曲線上每一采樣時(shí)刻的具體值。

圖3  XH-406 平板硫化機(jī)參數(shù)設(shè)置界面

　　4.2  PLC程序設(shè)計(jì)

　　4.2.1  PID與PWM算法

　　在過(guò)程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行運(yùn)算的PID算法是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制算法。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD）。

圖4 PID與PWM相結(jié)合控制圖

　　（1）式中

　　------- 比例系數(shù)

　　------- 積分系數(shù)

　　------- 微分系數(shù)

　　U  ------- PID運(yùn)算輸出

　　比例P對(duì)系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小；P偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；P太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定；P太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。

　　積分I控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，I小（積分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。

　　微分控制D對(duì)系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，D偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短；D偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)；只有D合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間[2]。

　　PWM 是以脈沖的方式來(lái)控制被控對(duì)象，PWM可以通過(guò)改變周期和占空比這兩個(gè)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。

　　如圖4 所示，本控制系統(tǒng)中的被控對(duì)象是加熱器，要控制好溫度精度，也就是對(duì)加熱器的加熱時(shí)間的控制，結(jié)合加熱效率和溫控精度兩方面考慮，采用了PID與PWM相結(jié)合的控制方法加熱，保證溫控精度，基本控制在+/-0.5℃以內(nèi)。滿足了控溫精度在+/-1℃內(nèi)的要求。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　本監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮PLC可靠性好、抗干擾性強(qiáng)、邏輯性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，采用了標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，使上、下位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊簡(jiǎn)單可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硫化機(jī)的一體化監(jiān)控，結(jié)合了PID與PWM的控制方法，實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制，平衡了對(duì)外界溫度響應(yīng)速度與溫控精度的，同時(shí)達(dá)到了節(jié)約能源，控制溫度準(zhǔn)確可靠等效果。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[4]  LM系列小型一體化PLC軟件手冊(cè)，指令手冊(cè)，硬件手冊(cè)。