西门子6ES7214-1BD23-0XB8产品型号
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tigao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，tigao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，tigao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。
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。
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。
1 引言
环境因子(光照强度、温度、湿度、土壤水分含量、浓度等)对农作物生长和成熟起着关键性作用。现代温室可以根据作物的生长条件，利用环境控制设备对温室内的环境条件进行监控。温室可以不受地点和气候的影响，设置不同地区的环境条件。它能够有效地改善农业生态和生产条件，使农业资源得到科学合理的开发和利用。
由于温室环境因子的自动控制系统是一个典型的大惯量、大时滞系统。这就要求控制系统的算法简单、鲁棒性强、可靠性高。而pid控制规律是当今工控行业的主导控制方式，无论复杂、简单的控制任务，pid控制都能取得满意的控制效果。本文就如何运用s7-200plc，实现温室环境因子的pid控制系统进行阐述。
2 pid算法简介
比例、积分、微分调节是闭环模拟量控制中的传统调节方式，它在改善控制系统品质，保证系统偏差达到预定指标，使系统实现稳定状态方面具有良好的效果。pid调节控制的原理基于下面的方程式，它描述了输出m(t)作为比例项、积分项和微分项的函数关系。即：
以上各量都是连续量，项为比例项，后一项为微分项，中间两项为积分项。其中，e是回路的误差(给定值与过程变量之差)；kc为pid回路的增益；mintial为pid回路输出的初始值。
为了能让计算机处理这个控制算式，连续的算式必须离散化为周期采样偏差算式，同时各信号也要离散化。离散表达式：
+
利用计算机处理的迭代运算，即可以化简以上表达式为：
+
再对以上公式进行组合、简化，可得到公式：
式中：mn、mpn、mpn、mdn为第n个采样时刻的计算值、比例项值、积分项值、微分项值。
3 pid算法在plc上的实现
s7-200 plc提供了内置pid运算指令。在进行模拟量闭环控制时，使用模拟量扩展模块(如em231、em232、em235)来完成pid 控制。只需设定好pid参数，运行pid控制指令，就能求得输出控制值，实现模拟量闭环控制。
3.1 参数介绍
由前面的公式介绍可知，plc计算pid回路输出值的实际公式为：
mn=kc×(spn－pvn)+
+
应用时只需在plc的内存中填写一张pid控制参数表(见附表)，再执行pid指令即可完成pid运算。通常，表中的第2、4、5、6、7号参数是定值，可在plc主程序中设定；第1、3、8、9号参数是变量，必须在调用pid指令时才填入；第3、8、9号参数既是本次运算的输入(执行pid指令之前)，又是本次运算的输出(执行pid指令之后)，还是下次运算的输入。
3.2 pid指令
该指令利用回路表中的信息，进行pid运算。梯形图的指令盒中有2个数据输入端：tbl，回路表的起始地址，是由vb指定的字节型数据；指令loop，回路号，是0～7的常数。
指令格式：pid tbl，loop
例：pid vb100，0
3.3 数值转换
运算时要把pid运算所需的9个参数进行标准化处理，用程序将各种数据转化为pid运算所要求的双字实数。例如把从aiw采集来的16位整数转化为0.0～1.0之间的双字实数。
3.4 选择pid回路的类型
在大部分模拟量的控制中，使用的回路控制类型并不是比例、积分和微分三者俱全。通过对参数的设置，可以实现选择不同的回路类型。
(1) 关闭微分回路：把积分时间ti设置为无穷大，此时虽然由于有初值mx使积分项不为零，但积分作用可以忽略。
(2) 关闭微分回路：把微分时间td设置为0，微分作用即可关闭。
(3) 关闭比例回路：把比例增益kc设置为0，则可关闭比例回路。
3.5 pid控制器的参数整定
pid控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定pid控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。pid控制器参数整定的方法很多，但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行后调整与完善。
(1) 整定步骤
● 首先预选择一个足够短的采样周期让系统作；
● 仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
● 在一定的控制度下通过公式计算得到pid控制器的参数。
(2) 在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。不同系统的经验值为：
● 温度系统：p(%)20～60，i(min)3～10，d(min)0.5～3；
● liuliang系统：p(%)40～100，i(min)0.1～1；
● 压力系统：p(%)30～70，i(min)0.4～3；
● 液位系统：p(%)20～80，i(min)1～5。
4 温室环境监控系统设计
本系统采用plc作为控制器，负责现场参数的直接检测和对现场调节机构的直接控制。它能随时接收上位机的指令，以中断处理的方式应对上位机的各种操作。
以pc机作为上位机，针对不同作物生长环境的地区性、季节性差异，负责控制模型的调度和设置，使整个系统更具灵活性和适应性。同时，上位机还具有实时监控功能。另外，在上位机上建立数据库，用于对植物生长周期内综合生长环境的跟踪记录、查询、分析和打印报表，以及供种植人员的技术咨询。可以实现环境参数设定，实时反映室外的温度、湿度、光照强度；温室内的温度、湿度、co2浓度，并提供温度曲线等历史资料还具有自动报警功能。
4.1 硬件组成
附图 系统结构图
系统的结构图如附图所示。控制器为西门子公司的s7-200plc，以及两个模拟量扩展单元em235。进入扩展模块em235的6路模拟量包括温室外的温度、湿度、光照强度；温室内的温度、湿度和co2浓度。采集到这些数据后，经过plc运算，输出8路开关量，控制开窗电机、遮阳电机等8种执行机构。用带有rs-485/rs-232转换功能的pc/ppi电缆，将pc机与plc互联，实现pc机对plc的实时控制。
4.2 pid参数设定
以温度控制为例，温度设定值为spn，实测值为pvn，则e=spn-pvn，设定值与现实值比较，当e>0时打开暖气加热阀；当e<0时，则打开遮阳电机通风电机。由于温度控制惯性大、时滞大，在e=0的附近，可能会造成降温、加热设备的频繁切换，从而会引起系统振荡，这是控制中所不希望的，因此采带死区的pid控制，其控制算式为：
式中x为一可调参数，若此值过小，使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；若此值太大，则系统将产生大的滞后。
5 结束语
由plc和pc机组成的温室环境自动监控系统，避免了人工操作的主观性和随意性，tigao了温室环境监控的精度和效率。系统中运用pid控制，使系统的动作准确、稳定性高，对温室环境调节过程平滑，能满足作物对生长环境的要求，tigao了土地的产率和社会经济效益。关于pid算法对于大滞后系统的目标收敛性和控制参数整定的理论与实践方法还有许多的讨论，限于本文论题不再赘述。
