西门子模块6ES7223-1BF22-0XA8产品规格

1  引言

可编程控制器(plc)由于其可靠性高、编程简单、功能完善、使用方便等诸多优点在橡胶工业中也得到了广泛的应用。plc 在轮胎生产线中的应用极大的提高了生产的自动化水平、生产效率和产品的质量。本生产线控制系统就是西门子s7-300 plc 的一个典型的应用。

2  系统设计

本生产线控制系统根据某橡胶厂轮胎生产线的工艺流程、技术要求进行了系统的设计。在系统的硬件设计上考虑到本控制系统的规模、特点结合生产线的工艺和控制要求选用了西门子公司s7-300系列plc，通过profibus总线实现plc 与plc和上位机之间的网络通讯；在软件设计上，采用西门子simatic safety组态和编程软件step7，考虑到系统的工艺流程较为复杂，程序的编程量较大采用了模块化的编程思想，将整个程序分解为若干个子程序和功能块由主程序开始依次调用，这样就方便了程序的编写、修改和维护。

2.1 生产工艺

轮胎生产包括：密炼、挤出、压延、胎圈成型、帘布裁断、硫化等多个复杂的工序。每一个工序都包括非常复杂的工艺过程，如图1所示。

图1  轮胎生产工艺流程图

系统原理：在轮胎生产的过程中，轮胎制造工控主机在接收到工艺参数后，将信号传给密炼机、挤出机、压延机、胎圈成型机、帘布裁断机、硫化机等机器的可编程控制器(plc)，各可编程控制器再将信号通过其输出口传出，使机器在系统控制下执行整个密炼、挤出、压延、胎圈成型、帘布裁断、硫化等过程，完成工作。在密炼周期中的每个阶段，主电机的速度由工艺参数设定。在密炼过程中可编程控制器记录一些工艺数据及设备是否完好的情况，并将密炼数据传给plc作为plc控制密炼动作及密炼周期结束的依据。同时，系统根据密炼情况自动调整挤出机的速度并自动将压辊和挤出机头间的压力调整到设定值，随着料斗中胶料的增加，挤出机的速度也加快，机头压力增加，压延机也会自动增加速度，使压力保持在设定值，直到挤出机的速度增加到大，压延机速度大。当挤出机料斗的料位上升到上限时，挤出机会要求密炼机暂时停机，等料位下降到中位后，密炼机继续工作。在胶部件准备工序中，压延机将轮胎所需骨架材料压入橡胶中，并根据plc主机预设定参数将橡胶压制成一定形状。在轮胎成型过程中，机器根据设定参数自动完成定长、裁断、同步贴合、整形等工序，这样轮胎就基本成型了。为了加强轮胎的耐磨、抗轧能力，需要进行硫化以增强轮胎的强度。轮胎在进行硫化时的压强和温度的变化直接影响轮胎硫化的质量，这就要求在轮胎进行硫化时，控制系统严格监测和控制硫化的温度和压强使之按照预设值进行，并在温度和压强不足时，采取自动延时硫化的方法进行温度和压强的补偿。

2.2 系统硬件设计

控制系统以plc和工控机为硬件基础，以setp7为开发平台开发其数据通道，完成数据总线的软硬件设计，从而将工业现场的各种需要采集的信号通过各种传感器进行采集，然后输入给现场监控节点，在通过总线向上位机传递，上位机发送数据信息和控制命令，监控节点根据控制命令对现场的执行器进行控制操作。

图2  系统网络结构图

系统功能：

控制密炼过程中的压强、温度、时间、功率等。

控制挤出的速度、压力、料斗料位等。

控制压延的形状、速度、质量等。

控制裁剪的长度、同步贴合等。

控制硫化的时间、温度、压强、质量等。

可检查断线、保险跳闸、中线断线等故障，并可检测线电压。

可对系统数据进行修改，进行数据热备份。

可进行故障报警，并能输出实时数据。

由于simatic s7-300能够承受高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有高的工业环境适应性，所以本系统采用simatic s7-300。

simatic s7-300 plc系统配置：

硬件:simatic s7-300 cpu315c-2dp；

伺服电机定位模块simatic 6es7 354；

继电器输出单元simatic 6es7 322；

高速计数模块simatic s7-300 6es7 fm350；

电源模块simatic s7-300 ps3075a；

接口模块im153；

数字量输入输出模块simatic 6es7 321；

人机界面tp170a；

通讯处理器cp342-5 ；

profibus是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化。profibus根据应用特点分为profibus-dp、profibus-fms、profibus-pa三个兼容版本。其中profibus-dp是一种高速(数据传输速率9.6kbit/s～12mbit/s)的经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散i/o之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求；profibus-pa采用iecii58-2标准，传输速率为31.25kbit/s，并提供本质安全特性，适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合；profibus-fms主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务。

本生产线控制系统采用profibu -s现场总线技术的分布式系统，将控制模块安置在工业现场，通过总线传输数据，比传统的控制系统更具有灵活性，同时可以节省大量的布线，以及降低成本。西门子simatic s7-300集成了profibus分布式系统的组态功能。基于profibus的分布式i/o可实现全集成自动化。通过组态可以方便地由plc中获取整个监控系统的状态参数及运行数据。可以实时监测各个现场数据、报警状态；显示与打印测量数据等各种曲线及报表，并将数据存人实时数据库中。

2.3 系统软件设计

该系统软件的开发环境为siemens simatic s7 step7编程软件，用模块式结构程序方式编程，这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作；又能使数据库结构统一。可实现整机的手动、自动、整线联机等基本功能；程序内置系统启停周期和运行时间。主要实现以下功能：

(1) 控制操作：能对被控设备进行在线实时控制，如启停某一设备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置plc的某些参数等。 

(2) 显示功能：用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数。 

(3) 数据管理：依据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据库，存储生产原始数据，供统计分析使用。利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化生产线的控制系统，并把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去。

(4) 报警功能： 当某一模拟量测量值超过给定范围或某一开关量(如电机启停、阀门开关)发生变位时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。 

(5) 打印功能： 可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为：定时打印、事件触发打印。

3  结束语

本控制系统充分利用了plc、profibus现场总线技术等先进技术，系统采用分布式开放结构，响应速度快，组态灵活，控制功能完善，操作简单规范。该套基于profibus现场总线的控制系统安全可靠，故障率低，产品完全满足高标准要求，具有较高的生产和管理自动化水平，提高了生产效率，创造了较好的经济效益。

1  引言

改革开放以来，经过二十多年对进口硫化机的消化吸收，我国硫化机制造取得了长足的进步。尤其是近年通过与世界轮胎巨头如法国米其林公司、日本的普利司通公司等橡胶工业巨头的商贸交流，虽然国产硫化机在精度、可靠性、稳定性等方面开始进入世界先进水平之列，但是国产硫化机稳定性和可靠性及精度等方面仍有差距。硫化机厂家正在不断追踪国内外控制领域的新技术，不懈努力提高硫化机的可靠性、稳定性及自动化程度。控制系统是轮胎硫化机的重要组成部份。外温控制采用pid闭环调节系统，触摸屏工控电脑取代机械式三针记录仪，提高了控制精度，减少了维护费用。plc监控已成为国产硫化机自动化系统的发展趋势。

2  工艺监控系统分析

2.1 硫化机控制对象

(1) 温度控制。控温分为高温控制和低温控制，高温分为两组，主要控制上下两块模板的加热，作用于模具中的原料，将其溶解。低温控制为一组，主要控制冷水机的制冷，再由水泵将冷水抽到冷却板上，待原料模具从加热层取出后，放入冷却层冷却定型。

(2) 油压控制。油压分为预压和加压，预压就是让原材料在成型前预先受热一定的时间，使其软化，压力较小。加压是在预压的基础上加大压力，使原材料成型。

(3) 机械辅助控制。机械部分主要是辅助油压系统的动作，主要是实现对阀门控制，从而达到对油路及油压的辅助控制。

2.2 硫化机控制过程

(1) 制冷过程。闭合制冷电源开关后压缩机延时3分钟启动(保护压缩机不频繁启动)，达到指定温度时压缩机停止。同时，水泵开始向冷却板循环抽水。

(2) 压力控制过程。闭合电源开关后，油泵电机开始运转，机器处于待机状态。如果没有任何上升或者下降的动作，为避免油泵电机在长时间运行，20分钟后油泵电机自动停止运转。任何时候按上升或者下降按钮，油泵电机重新开始运转。

(3) 计时控制过程。在计时器的电源开关闭合的状态下，计时器分段计时，段默认为预压时间，一段时间到达后，计时器自动转到第二段计时状态，同时将压力调整到加压压力设定值，二段时间到达后，计时器停止计时，同时下降电磁阀导通。当油缸降到底时，触发位置开关，油站恢复待机状态，计时器复位，下次动作是自动计时。

图1  xh-406平板硫化机监控界面

(4) 测试过程。如图1所示，监控界面的左边是对温度和压力设定与显示，右边上半部分是开关点输出的显示，下半部分是控制区域。打开电源开关，机台得电后测试过程如下：

● 设定好温度，打开温控开关按钮，包括上模加热、下模加热以及制冷开始加热或制冷按钮。

● 温度到达后，打开油压控制开关按钮，油泵电机运转，机器处于待机状态。

● 设定好预压的压力及时间，加压的压力及时间。将模具放入加热模板内，按上升键同时打开计时器开关按钮，机台自动完成预压、加压及下降的动作。

● 将模具从加热模板内取出再放到冷却板内，重复以上动作。油缸再次下降后，取出模具。测试结束。

3  hollias监控系统设计

监控系统要实现功能主要是：

(1) 温度、压力以及控制参数的设置；

(2) 状态和数据显示；

(3) 对xh-406硫化机的控制；

(4) 历史曲线及报表输出。

本系统采用主、从站方式，通过modbus标准协议实现该监控系统的通讯功能，其中主站选用组态软件来实现。考虑到控制系统的安全性和抗干扰性要求，结合plc的特点，该系统控制部分采用plc控制。从站选用国产hollias lm系列小型plc(lm3106 cpu)解决方案，控制示意图如图1所示。从输入/输出点要求考虑，本系统配置为lm3106 cpu 14点输入，10点输出，4通道模拟量输入1通道模拟输出模块lm3330，4通道热电偶输入模块lm3311。 

4  程序设计

4.1 主站程序设计

mcgs组态软件，负责系统的在线监控、操作、控制、调试、维护。完成数据显示、数据分析和操作员操作三类功能，细分为以下几个方面：

(1) 参数设定、实时数据的收集处理和显示及命令控制界面，如图2所示。由本地监控站收集和处理来自各现场控制站的实时数据，形成上层人机界面的实时数据库。

图2  xh-406硫化机控制示意图

(2) 为保证监控系统的安全性，对于某些特殊的控制参数只能是负责人或工程师才能通过密码确认的情况下进入设定。如图3所示。

图3  xh-406平板硫化机参数设置界面

(3) 报表输出。完成数据的采集、处理；并以报表的形式输出采集到的数据。

(4) 历史数据管理和趋势查看。完成历史数据的收集处理；在趋势画面上显示点值的历史变化曲线或实时变化曲线，可以设置趋势组，每一副趋势画面可显示多条曲线，同时可以查看曲线上每一采样时刻的具体值。

4.2 温度控制

硫化温度选用基于pid算法的pwm(脉宽调制)输出控制。pwm是以脉冲的方式来控制被控对象，pwm通过改变(固体开关)周期和占空比这两个参数来实现对被控对象的(电加热)控制。如图4 所示，本控制系统中的被控对象是(电)加热器，要控制好温度精度，也就是对加热器的加热时间的控制，结合加热效率和温控精度两方面考虑，采用了pid与pwm相结合的控制方法加热，保证温控精度基本控制在±0.5℃以内。满足了控温精度在±1℃内的要求。

图4  pid与pwm相结合控制图

在过程控制中，按偏差的比例(p)、积分(i)和微分(d)进行运算的pid算法是应用为广泛的一种自动控制算法。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；pid调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活(pi、pd)。

(1) 

式中

kp   —— 比例系数

ti   —— 积分系数

td   —— 微分系数

u    —— pid运算输出

比例p对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；p偏大，振荡次数加多，调节时间加长；p太大时，系统会趋于不稳定；p太小，又会使系统的动作缓慢。积分i控制对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，i小(积分作用强)会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。微分控制d对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，d偏大时，超调量较大，调节时间较短；d偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有d合适，才能使超调量较小，减短调节时间。

5  结束语

本监控系统发挥plc可靠性好、抗干扰性强、逻辑性强等优点，采用了标准modbus通讯协议进行通讯，使上、下位机实现通讯简单可靠，实现了对硫化机的一体化监控，结合了pid与pwm的控制方法，实现高精度温度控制，平衡了对外界温度响应速度与温控精度的，同时达到了节约能源，控制温度准确可靠等效果。

1  引言

随着车辆发动机性能的改进和路面条件改善，车辆高速行驶时轮胎噪声已成为主要的交通噪声源。轮胎噪声跟轮胎花纹有很大关系，主要有花纹块的撞击噪声、花纹沟的泵浦噪声、随机沙声、花纹沟内气柱共鸣等。合理地设计轮胎花纹能明显降低轮胎噪声，国内对轮胎花纹的仿声和分析已经取得了一定的进展，武汉理工大学已经开发了集花纹仿真分析和优化设计为一体的tns/ods系统[1]。虽然如此，不同的轮胎因为材料和结构等不同，需要对轮胎噪声进行实测和评判，使得成品轮胎达到低噪声轮胎的标准。

国际上通用的轮胎噪声测试的主要方法分为室内和室外两种。室外的测试常用的有滑行法和拖车法，虽然与轮胎的实际工作状况相近，但很容易受路况、环境，天气等的影响，路面纹理影响轮胎的噪声声级高可达12db[2]。轮胎噪声室内测量采用转鼓实验台，在消声实验室中进行，可以方便地测试轮胎在不同的胎纹、荷载、气压、速度，路况等情况下的噪声。

2  系统概述

2.1 试验台的基本要求

试验台的工作原理如图1所示，转鼓试验台上的滑动台前进，把轮胎压在转鼓的表面上，启动液压伺服系统调节轮胎载荷，载荷范围为0～5t，同时可以调节转鼓的速度，使轮胎被动旋转，以达到模拟轮胎在路面上滚动的工作状态。

图1  转鼓试验台工作原理图

轮胎噪声室内测量的专用试验台采用转鼓实验台，在消声室中进行。将待测轮胎固定在转鼓上，使其以一定的速度模拟在不同粗糙度的路面上滚动，测量的位置距离轮胎1.2米的范围内，获取的信号通过频谱分析仪记录噪声强度和频谱。主要试验仪器采用声强探测器和频谱分析仪等。转鼓台系统具有很好的试验测试能力，可以完成以下测试工作：

(1) 特定花纹的轮胎在不同的车速(转鼓的线速度)下的运行情况。通过转鼓调速，方便解决了建造长距离跑道和外部干扰等问题。

(2) 特定花纹的轮胎在不同模拟路面(光面和粗糙)下运行的情况。只需要将不同的模拟路面的模型套在转鼓表面上，常见的有沥青和水泥等路面的运行情况。

(3) 特定花纹在不同的载荷时的运行情况。载荷由液压系统调节，可以模拟轮胎的不同载荷时候的运行情况。

(4) 不同的轮胎花纹测试。试验台上可以换上不同的轮胎，具有快速简单的优点。

(5) 相同荷载不同轮胎气压测试。

2.2 消声室设计

为了降低环境噪声对测试结果的影响，正确测试评价分析噪声，需要建立消声室。消声室分为全消声室和半消声室，轮胎噪声的室内测试采用半消声室。半消声室是在测试空间建立一个半自由声场(五面吸声，地面反射)，根据iso3745噪声测试规范的要求，结合系统的特点，消声室设计的具体参数指标如下：

(1) 可用空间：。

(2) 本底噪声声功率级spl<40db;门隔声量l>35db。消声室本底噪声指消声室本身的噪声，通常用a计权声压级来表示，在精密级测量中，规定消声室本底噪声必须小于被试产品的噪声值在6-10db以上。

(3) 尖劈的长度l>80cm(适用于1/4波长理论)，满足吸声系数在截止频率以上为0.99(以截z尖劈为例)，截止频率为125hz，墙面半自由场地面的反射系数为95%以上。尖劈选用二劈结构，采用离心喷吹玻璃棉板吸声材料，吸声尖劈双饰面，内层为白色玻纤布，外层为白色酚醛塑料窗纱。

(4) 独立弹性悬浮隔振地基。本底振动(f=10hz～240hz)，s<0.5cm，

， 。

消音室自由声场的鉴定是依据iso3745规定的消声室自由场鉴定方法进行测试。即在125hz以下和4khz 以上采用1/3倍频程中心频率间隔单频信号，在 125hz～4khz 之间采用倍频程中心频率间隔单频信号，测出实测声压级和理论声压级之间的差值，对比iso 3745规定的大允许差值，可确定出允许的测量半径和满足标准的自由声场空间区域。

3  控制系统的设计

3.1 转鼓控制系统

转鼓试验台工作时主要完成试验台的前进与后退、轮胎载荷调节和转鼓线速度的调节等功能。参照国际规范，转鼓直径要求为1.7m，轮胎运转线速度0～300km/h，可以实现无级调速，由于精度要求高，采用西门子6ra70直流调速系统，操作台的移动和荷载调节采用液压伺服控制。控制系统的组成如图2所示，可编程控制器采用西门子s7-200 cpu226，通过port1串口与直流调速系统6ra70串行通讯，采用西门子控制与驱动专用uss(universal serial interface protocol 通用串行接口协议)通讯协议，port0则通过mpi协议与触摸屏和工业电脑ipc组成一从两主的网络，ipc和触摸屏都可以实时监测plc的运行。

图2  系统组成框图

信号的采集和输出控制采用em235扩展模块处理。现场需要测量的模拟信号有液压压力、转速和位移、轮胎温度、油温和室温，模拟输出控制的对象是伺服放大器。plc开关量设计如附表所示，主要分为液压缸操作、直流调速操作和信号指示和报警。

3.2 液压伺服控制系统

采样液压伺服控制能实现轮胎载荷大、精度高，使用简单等要求，液压伺服控制的原理如图3所示。整个液压系统的动力是来自液压泵，通过伺服放大器控制阀门的开度来调节压力的大小，液压缸是按照伺服放大器的规律来执行相应的动作，操纵杆可以方便地切换需要控制的对象，试验台的前进和后退和轮胎的载荷调节都可以独立操作。轮胎载荷的自动调节由plc来控制，plc通过实时测量液压压力的变化，对比轮胎载荷的设定值而得到偏差，再根据偏差来调节伺服放大器的开度。在软件的具体实现采用模糊pd来进行偏差调节，能快速跟踪压力的变化而又不失控制精度。

图3  液压伺服系统原理框图

3.3 直流调速系统

直流调速系统6ra70是西门子全数字紧凑型整流器，可向直流驱动用的电枢和励磁供电，额定电枢电流从15a至2200a不等。配备有g-sst1、g-sst2和g-sst3共三个串行接口。g-sst1的运行在rs232和rs485标准/二线模式，g-sst2和g-sst3采用 rs485标准/二线或四线模式。系统采用g-sst1口和uss协议实现plc与直流调速系统的通讯。uss协议是 siemens传动产品通用的基于串行通讯协议。uss协议是主-从结构的协议，规定了在uss总线上可以有一个主站和多30个从站，从站只对主站发来的报文做出响应并回送报文，从站之间不能直接进行数据通讯。

直流调速系统6ra70的用法跟变频器相似，除了一般的操作参数设置之外，必须正确设置电机参数、编码器参数和通讯参数。以下是编码器和uss1通讯口的参数设置。

旋转编码器参数设置：

p083=2  由脉冲编码器提供的反馈速度值

p140=1 选择相位差90度的二脉冲通道编码器

p141=1024 编码器脉冲数是1024

p142=1 编码器输出 15v信号电压

p143=3000 编码器大运行速度3000转

uss1(pmu：x300)通讯设置： 

p927=6 指定pmu+g-sst1接口修改参数

p780=2 g-sst1接口 选用 uss 协议

p781=2 g-sst1过程数据(pzd)的数量为2 

p782=127 可变数据长度

p783=6  g-sst1接口波特率设为 9600

p785=0 总线终端负载为off，p785=1时为on

p786=2 站地址(1-30)

plc的编程比较简单，在安装了uss protocol的项目中，经过调用uss_init初始化之后，通过uss_r -pm_w和uss_wpm_w对直流调速系统16位无符号整数的读写，32位无符号的整数和浮点数分别采用uss_rpm_d、uss_wpm_d和us -s_rpm_r、uss_wpm_r。

4  结束语

轮胎噪声室内转鼓试验台测试系统可以模拟汽车轮胎在实际路面上的正常滚动，并且对轮胎所发出的噪声进行测试与分析，包括了不同的轮胎(胎面花纹不同)以及轮胎在不同的气压、载荷、速度、路面条件下轮胎噪声的测试。通过功能扩展，此系统还可以进行相关轮胎性能的测试，如滚动阻力、抓地力和耐磨性等的测试，为轮胎橡胶工业提供一体化的轮胎分析测试解决方案，在此基础上为低噪声轮胎的设计与开发提供有效的研究依据。