摘要：本文介紹了LM系列PLC在硫化機XH-406監控系統中的應用。通過(guò)標準MODBUS協(xié)議進(jìn)行上、下位機通訊，采用PID與PWM相結合控制方法。實(shí)現了硫化機自動(dòng)化控制，溫控精度控制在+/-0.5℃范圍內，達到國內領(lǐng)先水平，提高了硫化機綜合能源利用水平。

　　關(guān)鍵詞： PLC；監控系統；硫化機

　　中圖分類(lèi)號：TP29                  

　　文獻標識碼：B

　　文章編號：

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

　　Abstract: This paper introduces the application of HOLLiAS 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)二十多年對進(jìn)口硫化機的消化吸收，我國硫化機取得了長(cháng)足的進(jìn)步。尤其是近年通過(guò)與世界輪胎巨頭如法國米其林公司、日本的普利司通公司等的商貿與交流，我國硫化機在精度、可靠性、穩定性等方面有了一個(gè)質(zhì)的飛躍，達到世界先進(jìn)水平之列。但在穩定性和可靠性及精度等方面仍有差距?？刂葡到y是輪胎硫化機的重要組成部份。我國硫化機廠(chǎng)家不斷追蹤國內外控制領(lǐng)域的新技術(shù)，不懈努力提高硫化機的可靠性、穩定性及自動(dòng)化程度。外溫控制采用PID閉環(huán)調節系統。觸摸屏工控電腦取代機械式三針記錄儀，提高了控制精度，減少了維護費用[1]。PLC監控已是硫化機發(fā)展趨勢。

　　2 監控系統概述

　　2.1 硫化機控制對象介紹

　　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

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

　　2.1.3機械輔助控制

　　機械部分主要是輔助油壓系統的動(dòng)作，主要是實(shí)現對閥門(mén)控制，從而達到對油路及油壓的輔助控制。

　　2.2 硫化機控制過(guò)程介紹

　　2.2.1 制冷過(guò)程

　　閉合制冷電源開(kāi)關(guān)后壓縮機延時(shí)3分鐘啟動(dòng)（保護壓縮機不頻繁啟動(dòng)），達到指定溫度時(shí)壓縮機停止。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，油泵電機開(kāi)始運轉，機器處于待機狀態(tài)。如果沒(méi)有任何上升或者下降的動(dòng)作，為避免油泵電機在長(cháng)時(shí)間運行，20分鐘后油泵電機自動(dòng)停止運轉。任何時(shí)候按上升或者下降按鈕，油泵電機重新開(kāi)始運轉。

　　2.2.3 計時(shí)控制過(guò)程

　　在計時(shí)器的電源開(kāi)關(guān)閉合的狀態(tài)下，計時(shí)器分段計時(shí)，第一段默認為預壓時(shí)間，一段時(shí)間到達后，計時(shí)器自動(dòng)轉到第二段計時(shí)狀態(tài)，同時(shí)將壓力調整到加壓壓力設定值，二段時(shí)間到達后，計時(shí)器停止計時(shí)，同時(shí)下降電磁閥導通。當油缸降到底時(shí)，觸發(fā)位置開(kāi)關(guān)，油站恢復待機狀態(tài)，計時(shí)器復位，下次動(dòng)作是自動(dòng)計時(shí)。

　　2.2.4 測試過(guò)程

圖1 XH-406 平板硫化機監控界面

　　如圖1所示，監控界面的左邊是對溫度和壓力設定與顯示，右邊上半部分是開(kāi)關(guān)點(diǎn)輸出的顯示，下半部分是控制區域。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，機臺得電后測試過(guò)程如下：

　?。?）設定好溫度，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。

　?。?）溫度到達后，打開(kāi)油壓控制開(kāi)關(guān)按鈕，油泵電機運轉，機器處于待機狀態(tài)。

　?。?）設定好預壓的壓力及時(shí)間，加壓的壓力及時(shí)間。將模具放入加熱模板內，按上升鍵同時(shí)打開(kāi)計時(shí)器開(kāi)關(guān)按鈕，機臺自動(dòng)完成預壓、加壓及下降的動(dòng)作。

　?。?）將模具從加熱模板內取出再放到冷卻板內，重復以上動(dòng)作。油缸再次下降后，取出模具。測試結束。

　　3 監控系統方案設計

　　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始的執行一系列任務(wù)。任務(wù)循環(huán)執行一次稱(chēng)為一個(gè)掃描周期，其掃描的工作過(guò)程如下：

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

　?。?）執行邏輯控制程序：執行程序指令并將數據存儲在變量存儲區中。

　?。?）處理通訊請求：即執行通訊任務(wù)。

　?。?）執行CPU自診斷：檢測固件、程序存儲器和擴展模塊是否工作正常。

　?。?）寫(xiě)輸出：在輸出過(guò)程映像寄存器中存儲的數據被復制到物理輸出點(diǎn)。

中斷方式是指當中斷事件發(fā)生時(shí)則立即執行一次相應的中斷服務(wù)程序，不受掃描周期的影響，響應速度快，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，這樣可以節約掃描時(shí)間，減少掃描周期。

　　3.1.2 PLC特點(diǎn)

　?。?）PLC邏輯判斷和控制能力強，抗干擾能力強，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。

　?。?）擴展性和柔性好，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)現不同的功能。

　?。?）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）、結構化文本（ST）、功能塊圖（FBD）、順序功能圖（SFC）和連續功能圖（SFC）。給編寫(xiě)程序帶來(lái)很大方便。

　　3．2  監控系統方案

　　監控系統要實(shí)現功能主要是：（1）溫度、壓力以及控制參數的設置；（2） 狀態(tài)和數據顯示；（3） 對XH-406硫化機的控制。（4）歷史曲線(xiàn)及報表輸出。本系統采用主、從站方式，通過(guò)MODBUS標準協(xié)議實(shí)現該監控系統的通訊功能，其中主站選用組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現?？紤]到控制系統的安全性和抗干擾性要求，結合PLC的特點(diǎn)，該系統控制部分采用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，本系統配置為L(cháng)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硫化機控制示意圖

　　4 程序設計

　　4.1  主站程序設計

　　MCGS組態(tài)軟件，負責系統的在線(xiàn)監控、操作、控制、調試、維護。完成數據顯示、數據分析和操作員操作三類(lèi)功能，細分為以下幾個(gè)方面：

　?。?）參數設定、實(shí)時(shí)數據的收集處理和顯示及命令控制界面，如圖1所示。由本地監控站收集和處理來(lái)自各現場(chǎng)控制站的實(shí)時(shí)數據，形成上層人機界面的實(shí)時(shí)數據庫。

　?。?）為保證監控系統的安全性，對于某些特殊的控制參數只能是負責人或工程師才能通過(guò)密碼確認的情況下進(jìn)入設定。如圖3所示。

　?。?）報表輸出。完成數據的采集、處理；并以報表的形式輸出采集到的數據。

　?。?）歷史數據管理和趨勢查看。完成歷史數據的收集處理；在趨勢畫(huà)面上顯示點(diǎn)值的歷史變化曲線(xiàn)或實(shí)時(shí)變化曲線(xiàn)，可以設置趨勢組，每一副趨勢畫(huà)面可顯示多條曲線(xiàn)，同時(shí)可以查看曲線(xiàn)上每一采樣時(shí)刻的具體值。

圖3  XH-406 平板硫化機參數設置界面

　　4.2  PLC程序設計

　　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)行運算的PID算法是應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，適用面廣，控制參數相互獨立，參數的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；PID調節規律是連續系統動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數整定方式簡(jiǎn)便，結構改變靈活（PI、PD）。

圖4 PID與PWM相結合控制圖

(1)

　?。?）式中

　　------- 比例系數

　　------- 積分系數

　　------- 微分系數

　　U  ------- PID運算輸出

　　比例P對系統性能的影響：比例系數加大，使系統的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩態(tài)誤差減??；P偏大，振蕩次數加多，調節時(shí)間加長(cháng)；P太大時(shí)，系統會(huì )趨于不穩定；P太小，又會(huì )使系統的動(dòng)作緩慢。

　　積分I控制對系統性能的影響：積分作用使系統的穩定性下降，I?。ǚe分作用強）會(huì )使系統不穩定，但能消除穩態(tài)誤差，提高系統的控制精度。

　　微分控制D對系統性能的影響：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，D偏大時(shí)，超調量較大，調節時(shí)間較短；D偏小時(shí)，超調量也較大，調節時(shí)間也較長(cháng)；只有D合適，才能使超調量較小，減短調節時(shí)間[2]。

　　PWM 是以脈沖的方式來(lái)控制被控對象，PWM可以通過(guò)改變周期和占空比這兩個(gè)參數來(lái)實(shí)現對被控對象的控制。

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

　　6 結語(yǔ)

　　本監控系統發(fā)揮PLC可靠性好、抗干擾性強、邏輯性強等優(yōu)點(diǎn)，采用了標準MODBUS通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，使上、下位機實(shí)現通訊簡(jiǎn)單可靠，實(shí)現了對硫化機的一體化監控，結合了PID與PWM的控制方法，實(shí)現高精度溫度控制，平衡了對外界溫度響應速度與溫控精度的，同時(shí)達到了節約能源，控制溫度準確可靠等效果。

　　參考文獻

　　[1] 中國硫化機現狀與發(fā)展趨勢，李東平，陳維芳。

　　[2] 模糊參數自整定PID溫控系統的設計與研究，2007年7月。

　　[3] 溫控系統PID算法。

　　[4] LM系列PLC軟件手冊，指令手冊，硬件手冊。