李會朝,任焱凱,陳展鵬

(1.昊華工程有限公司鄭州化工設(shè)計中心 ,河南鄭州 450000;2.北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司 ,北京 100000)

基于HOLLiASLM系列 PLC的硫化機監(jiān)控系統(tǒng)

李會朝1,任焱凱1,陳展鵬2

(1.昊華工程有限公司鄭州化工設(shè)計中心 ,河南鄭州 450000;2.北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司 ,北京 100000)

介紹了HOLLiASLM系列 PLC在硫化機XH-406監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議進行上、下位機通訊,采用 P ID與 PWM相結(jié)合控制方法。實現(xiàn)了硫化機自動化控制,溫控精度控制在 ±0.5℃范圍內(nèi),達到國內(nèi)領(lǐng)先水平,提高了硫化機綜合能源利用水平。

PLC;監(jiān)控系統(tǒng) ;硫化機

1 引言

改革開放以來,經(jīng)過二十多年對進口硫化機的消化吸收,我國硫化機取得了長足的進步。尤其是近年通過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(mào)與交流,我國硫化機在精度、可靠性、穩(wěn)定性等方面有了一個質(zhì)的飛躍,達到世界先進水平之列。但在穩(wěn)定性和可靠性及精度等方面仍有差距?？刂葡到y(tǒng)是輪胎硫化機的重要組成部分。我國硫化機廠家不斷追蹤國內(nèi)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(wěn)定性及自動化程度。外溫控制采用 P ID閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。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(jiān)控已是硫化機發(fā)展趨勢。

2 監(jiān)控系統(tǒng)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(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 機械輔助控制

機械部分主要是輔助油壓系統(tǒng)的動作,實現(xiàn)對閥門控制,從而達到對油路及油壓的輔助控制。

2.2 硫化機控制過程介紹

2.2.1 制冷過程

閉合制冷電源開關(guān)后壓縮機延時 3 min啟動(保護壓縮機不頻繁啟動),達到指定溫度時壓縮機停止;同時,水泵開始向冷卻板循環(huán)抽水。

2.2.2 壓力控制過程

閉合電源開關(guān)后,油泵電機開始運轉(zhuǎn),機器處于待機狀態(tài)。如果沒有任何上升或者下降的動作,為避免油泵電機在長時間運行,20 min后油泵電機自動停止運轉(zhuǎn)。任何時候按上升或者下降按鈕,油泵電機重新開始運轉(zhuǎn)。

2.2.3 計時控制過程

在計時器的電源開關(guān)閉合的狀態(tài)下,計時器分段計時,第一段默認(rèn)為預(yù)壓時間,一段時間到達后,計時器自動轉(zhuǎn)到第二段計時狀態(tài),同時將壓力調(diào)整到加壓壓力設(shè)定值,二段時間到達后,計時器停止計時,同時下降電磁閥導(dǎo)通。當(dāng)油缸降到底時,觸發(fā)位置開關(guān),油站恢復(fù)待機狀態(tài),計時器復(fù)位,下次動作是自動計時。

2.2.4 測試過程

①設(shè)定好溫度,打開溫控開關(guān)按鈕,包括上模加熱、下模加熱以及制冷開始加熱或制冷按鈕;②溫度到達后,打開油壓控制開關(guān)按鈕,油泵電機運轉(zhuǎn),機器處于待機狀態(tài);③設(shè)定好預(yù)壓的壓力及時間,加壓的壓力及時間。將模具放入加熱模板內(nèi),按上升鍵同時打開計時器開關(guān)按鈕,機臺自動完成預(yù)壓、加壓及下降的動作;④將模具從加熱模板內(nèi)取出再放到冷卻板內(nèi),重復(fù)以上動作。油缸再次下降后,取出模具,測試結(jié)束。

3 監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 PLC介紹

3.1.1 PLC工作原理

PLC工作方式分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)行一次稱為一個掃描周期,其掃描的工作過程如下：

①讀輸入：將物理輸入點上的狀態(tài)復(fù)制到輸入過程映像寄存器中;②執(zhí)行邏輯控制程序：執(zhí)行程序指令并將數(shù)據(jù)存儲在變量存儲區(qū)中;③處理通訊請求：即執(zhí)行通訊任務(wù);④執(zhí)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;⑤寫輸出：在輸出過程映像寄存器中存儲的數(shù)據(jù)被復(fù)制到物理輸出點。中斷方式是指當(dāng)中斷事件發(fā)生時則立即執(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,從而進一步提高了 PLC控制的可靠性。中斷事件不發(fā)生時,不掃描中斷服務(wù)程序,這樣可以節(jié)約掃描時間,減少掃描周期。

3.1.2 PLC特點

①PLC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;②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現(xiàn)不同的功能;③編程語言豐富,可以采用不同語言編寫程序,HOLLiAS LM系列 PLC支持 6種編程語言,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)。給編寫程序帶來很大方便。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)方案

監(jiān)控系統(tǒng)要實現(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 XH-406硫化機的控制。④歷史曲線及報表輸出。本系統(tǒng)采用主、從站方式,通過MODBUS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實現(xiàn)該監(jiān)控系統(tǒng)的通訊功能,其中主站選用組態(tài)軟件來實現(xiàn)?？紤]到控制系統(tǒng)的安全性和抗干擾性要求,結(jié)合 PLC的特點,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1所示。

從輸入/輸出點要求考慮,本系統(tǒng)配置為LM3106 CPU 14點輸入,10點輸出,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 1 XH-406硫化機控制示意圖

4 程序設(shè)計

4.1 主站程序設(shè)計

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。完成數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析和操作員操作三類功能,細(xì)分為以下幾個方面：

①參數(shù)設(shè)定、實時數(shù)據(jù)的收集處理和顯示及命令控制界面。由本地監(jiān)控站收集和處理來自各現(xiàn)場控制站的實時數(shù)據(jù),形成上層人機界面的實時數(shù)據(jù)庫。②為保證監(jiān)控系統(tǒng)的安全性,對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密碼確認(rèn)的情況下進入設(shè)定。③報表輸出。完成數(shù)據(jù)的采集、處理,并以報表的形式輸出采集到的數(shù)據(jù)。④歷史數(shù)據(jù)管理和趨勢查看。完成歷史數(shù)據(jù)的收集處理;在趨勢畫面上顯示點值的歷史變化曲線或?qū)崟r變化曲線,可以設(shè)置趨勢組,每一副趨勢畫面可顯示多條曲線,同時可以查看曲線上每一采樣時刻的具體值。

4.2 P ID與 P WM算法

在過程控制中,按偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分(D)進行運算的 P ID算法是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制算法。它具有原理簡單,易于實現(xiàn),適用面廣,控制參數(shù)相互獨立,參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點;P ID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法,它的參數(shù)整定方式簡便,結(jié)構(gòu)改變靈活(PI、PD)。

式中：KP——比例系數(shù);

Tt——積分系數(shù);

TD——微分系數(shù);

U——P ID運算輸出。

比例 P對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大,使系統(tǒng)的動作靈敏,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)時間加長;P太大時,系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定;P太小,又會使系統(tǒng)的動作緩慢。

積分 I控制對系統(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)會使系統(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對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性,D偏大時,超調(diào)量較大,調(diào)節(jié)時間較短;D偏小時,超調(diào)量也較大,調(diào)節(jié)時間也較長;只有D合適,才能使超調(diào)量較小,減短調(diào)節(jié)時間[2]。PWM是以脈沖的方式來控制被控對象,PWM可以通過改變周期和占空比這兩個參數(shù)來實現(xiàn)對被控對象的控制。

本控制系統(tǒng)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間的控制,結(jié)合加熱效率和溫控精度兩方面考慮,采用了 P ID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。

5 結(jié)束語

本監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮 PLC可靠性好、抗干擾性強、邏輯性強等優(yōu)點,采用了標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊協(xié)議進行通訊,使上、下位機實現(xiàn)通訊簡單可靠,實現(xiàn)了對硫化機的一體化監(jiān)控,結(jié)合了 P ID與 PWM的控制方法,實現(xiàn)高精度溫度控制,平衡了對外界溫度響應(yīng)速度與溫控精度的,同時達到了節(jié)約能源,控制溫度準(zhǔn)確可靠等效果。

圖2 P ID與 PWM相結(jié)合控制圖

[1] 李東平,陳維芳.中國硫化機現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.

[2] 模糊參數(shù)自整定 P ID溫控系統(tǒng)的設(shè)計與研究,2007年7月。

[3] 溫控系統(tǒng) P ID算法.

[4] HOLL IASLM系列小型一體化 PLC軟件手冊,指令手冊,硬件手冊。

TQ056

：A

：1003-3467(2010)14-0028-03

2010-06-21

李會朝(1967-),男,工程師,主要從事自控專業(yè)設(shè)計工作,E-mail：yankairen2000@sina.com。