玉溪西门子S7-200代理商

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首先详细阐述了轮胎硫化机的工艺特点和控制要求，以及国内现行硫化机控制的一些常见问题，并对其进行了系统的分析。然后通过对横河FA-M3系列PLC的特点说明和分析，结合横河FA-M3系列PLC在轮胎硫化机中的实际应用，与现行PLC控制方式和效果进行了综合分析比较，从理论和实际两个方面深入剖析和论证了横河FA-M3系列PLC在轮胎硫化机控制上的特点，对国内现有轮胎硫化机控制具有很好的参考价值。

［关键词］：硫化机；横河PLC；温度控制；高速控制 横河PLC在轮胎硫化机中的应用 郝世刚 天津罗升企业有限公司 ,机器视觉 ,烟草机械

可编程逻辑控制器（PLC）在中国是九十年代快速发展起来的新一代工业控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物，在现代控制系统中，PLC已经成为重要的基本控制单元之一，在工业控制领域中应用越来越广泛。

日本横河（YOKOGAWA）电机公司的FA-M3系列PLC是横河公司基于DCS技术基础经过多年研发于1992年推出的高性能产品，作为日本大的工业控制集团，横河FA-M3系列PLC自诞生起便始终引领着日本PLC业界的发展潮流，短短几年便跃居日本中大型PLC市场占有率的第二位。



轮胎生产的过程中，轮胎在模型内部进行硫化时的压力和温度的变化直接影响轮胎的质量，随着我国汽车工业的发展，轮胎生产企业的不断增加，新建设的高速公路不断地投入使用，现实需要我们不断提高轮胎的质量。这就要求在轮胎进行硫化时，严格按照工艺规定的温度进行控制和监控，而PLC正是当前硫化机的控制器。

现代硫化机的基本要求：高质，高产，可靠长寿，高质---保证硫化质量，降低次品率；高产---在尽可能短的时间内完成硫化过程；可靠长寿---故障率低，使用寿命长，年维修费用少。

而现行硫化机面临的问题主要有：

一．高温高湿带来的可靠性不足：1）造成控制器运行不稳定，多故障，增加次品率及维护；2）缩短了使用寿命，增加备件费用。

硫化环境的高温高湿，加上腐蚀性(含硫)气体，超出一般PLC的许容范围。高温导致CPU异常，高湿加上腐蚀性(含硫)气体则使PLC线路腐蚀，造成停车故障，使生产停顿，增加备件及维修费用，损害机械，缩短使用寿命。很多轮胎厂实际控制柜(PLC+电脑)平均寿命约3年甚至更短。

而横河FA-M3系列PLC采用的横河DCS高可靠性技术，从以下三个方面解决上述问题。1）电路高集成优化设计：低功耗、少部件（如容性、感性元件）、少接点、长寿命部件的设计选材原则从结构上保证了高可靠性。2）安装散热铝板，保证高温运行。3）使用塑脂封装线路板，防腐防潮。

横河F3SP38型CPU的电路基板及三项技术措施示意图如下：

实践证明使用横河PLC后使硫化机具备极高抗环境能力，即使在夏季也能保证不停机，保证生产；减少故障率/废品率，降低维修成本；延长硫化机的运行使用寿命。

二．温度控制不良：1)温度检测分辨率不够使实际温度超过或低于工艺要求造成过硫或欠硫。2）温度控制响应慢导致升温时间过长，延长了硫化时间；3）硫化机外温升温时易超调、不稳定，外温发生扰动时温度控制器调整慢、易超调。

温度/压力/时间被称为硫化的三要素, 其中尤以温度控制为关键且较复杂。衡量温控好坏主要看恒温特性和追从特性(实时性)。恒温特性：硫化过程通常要求热板和胶囊保持170度左右的高温，误差要求在±2度内。温度过高会“烤糊”轮胎, 温度过低则会发生欠硫。如果使用温控精度不足, 会造成实际温度超过范围而不被控制, 从而影响轮胎质量。追从特性：硫化过程需要在启动加热和发生温度偏差时能以短时间达到170度的恒温状态。温控性能不足会使响应变慢, 延长升温时间, 同时在温度出现扰动时不能及时调整造成轮胎质量不稳定。

目前国内应用比较多的PLC控制模式有两种。一种采用热电阻+信号转换器+AD模块+CPU计算+DA模块+阀门的模式；一种采用热电阻+温度模块+CPU计算+DA模块+阀门的模式。

种模式中遇到的主要问题有：信号转换器的精度通常在±0.2%-0.5%，AD模块的精度±0.5-0.9% F.S.。两者相加差不多有±1%的误差，200度量程也要有2度以上的误差，所以即使PLC读取数据显示170度实际温度很可能已在168-172度以外；热电阻使用时间久会老化，普通PLC没有补偿功能，无法对热电阻的偏差和老化进行调整；此外，由于采用CPU做PID运算控制，一旦CPU故障出错即会造成温控失控，十分危险。同时，由于CPU在做PID的同时还要执行其他程序造成扫描周期长短不一，每一次PID执行间隔就会发生不同。 以扫描周期为300ms，PID周期设为500ms为例，两次PID间隔可能为500ms也可能为800ms， PID执行间隔不同使积分和微分发生很大偏差，特别是微分的偏差会使系统产生突发的温 度波动，或使温度无法快速整定。

第二种模式中遇到的问题和种大同小异。其中普通PLC温度模块的分辨率为1度，即小于1度的变化根本无法探知。一般常识要保证±2度的控制,系统通常要能检测到0.2度的变化。另外普通PLC温度模块的精度也在±0.5% F.S.，在硫化机中使检测值与实际值可能发生1度以上的误差，无法保证硫化过程的高质量要求。普通PLC温度模块的采样周期为0.5-1秒, 若完成1次PID控制至少也要0.5-1秒。

综上问题，再加上普通PLC处理速度通常较慢的影响，在系统出现扰动时较难迅速整定，将极大影响轮胎的硫化质量。

而以上问题，在横河PLC应用到硫化机领域后都迎刃而解。因为横河PLC的高速处理能力，以及温度PID控制模块拥有的如下独特性能，很适合硫化机的控制要求。

1．高精度：输入转换精度±0.1% F.S.，1000度以上0.1℃分辨率（5 位表示）。

2．高响应/高重复性：100ms/2ch的独立PID回路控制，不受主CPU扫描时间影响。

3．高可靠性: 内置CPU独立运行，即使主CPU故障时也能保证正常运行。

4．丰富强大的软件控制功能：可软件设定温度补偿、滤波等多种功能，独有的Super自动PID控制功能可以大限度地抑制超调，缩短稳定时间。（见下图）

5．专用ToolBox温控软件：bbbbbb界面，填表式输入，参数设定不再需要梯形图编程；实时监视调节PID或自整定，可同时观察通道，实现同时调节；数据记录功能，记录结果可以Excel形式保存。使操作、参数设定及监视十分方便。

处理速度对控制效果也有影响，硫化过程有大量的机械动作需要由PLC控制。比如：盖的开合，各种蒸汽、热水、压缩空气阀门的开关等等。PLC性能不足主要体现在从信号发生到响应的延迟上。PLC由于使用扫描方式,只在扫描开始时一次读入信号，而在扫描过程中对信号的变化无法感知。一般以为这些延迟比较小可以不记，然而使用普通PLC，由于速度较慢一次扫描要上百甚至几百毫秒，且CPU由于使用单个处理器，在与上位电脑或触摸屏通信时不得不暂停程序运行，又要占用不少时间（视通讯量大小而定）。这种互相影响在加剧了扫描延迟的同时，更使系统运行的实时性大打折扣。

这样的延迟对系统的影响还是较大的。处理过慢会导致应该闭合的阀门不能及时闭合，应该停止的轴承转动不能及时停止，电机该停的时候不能马上停，胶囊过度充压或抽真空不足等等。长久下来会引发阀门漏气，造成轴承磨损，机械碰撞，加剧机械损害，缩短使用寿命。

而横河FA-M3系列PLC的CPU模块内部并行3枚处理器，一枚处理器负责主程序的高速扫描处理（平均扫描速度高达20,000step/ms，基本指令快0.017us/step），一枚负责外部瞬时信号的高速捕捉并支持高速定时程序（快200us），还有一枚专门负责与外设（电脑、触摸屏等）的通讯，也就是说触摸屏等外设通信不再占用扫描时间，各处理器按功能区分实现协调控制，充分保证系统的快速响应。同时横河FA-M3系列PLC的基本直流输入模块的输入响应可达100us，相当于普通PLC中断输入模块的响应，高速型更是可达10us。横河FA-M3系列PLC从结构、软件、硬件多方面力求优化，实现真正的高速化控制。

数千台硫化机实际应用效果表明，使用横河FA-M3系列PLC的系统温度能控制在±0.2度左右，开机后开始加热到170度恒温的时间缩短了60%，系统温度出现扰动时的响应也要快速平稳的多（查看记录仪数据），平均次品率减少约0.1%，。

三．PLC网络通用性不强，性能和稳定性不足：一些PLC产品使用自己的通信标准，难以与其他设备或产品兼容，性能原因造成通讯效率低，故障率高，不利于未来联网扩展。

横河FA-M3系列PLC的网络通讯功能和开放性也是极为出色的，可以使用光缆或双绞线的FA-bbbb 提供机组间快速通信，也可以通过Ethernet，Profibus，FL-net等多种通信方式与PLC或上位机方便的联网，还可以通过E-mail实现远程维护、操作，提高服务效率，节省差旅等售后成本。

横河FA-M3系列PLC以其高速性、稳定性、温度控制特性、强大网络功能成为全球大轮胎生产企业普利斯通公司及其他厂商的指定硫化机控制器，，数千台横河FA-M3系列PLC活跃在全球轮胎厂，成为各合作伙伴高品质产品的重要保障

一、引言
随着电子技术，计算机控制技术和通信技术的发展，PLC（可编程序控制器）的功能也愈来愈强大，由原来简单的逻辑控制功能逐渐发展到模拟量控制，高速大容量运算处理，PID闭环控制，运动/定位控制，网络通信等功能，已经成为现代工业控制设备的三大支柱之一。EC20系列PLC(可编程控制器)是艾默生(Emerson)公司致力于工业自动化领域全新推出的新一代可编程控制器，它代表了工业自动化控制的高水平，是新计算机技术与工业控制技术的完美结合。 
自EMERSON EC20系列PLC推向市场以来，以其卓越的性能，高品位的性价比，完善的服务体系受到用户的热烈好评，产品广泛应用于电子，食品饮料行业，空调制冷设备，锅炉行业，物流仓库，科技农业，交通运输，石油化工，供水，玻璃/钢铁行业，纺织机械，线缆机械，塑机，印染包装等各个领域。本文介绍了艾默生公司EC20 PLC在老化房控制系统中的应用并着重介绍该产品的PID闭环功能在恒温控制上的实现和强大的网络通信功能对EMERSON EV2000变频器运行控制的实现。该老化房控制系统是家电，电子，电脑行业产品生产检测的重要设备，也是产品生产合格检查的重要环节。该系统采用EMERSON EC20 PLC和多台EV2000变频器，实现对室内温度和变频器运行的集中控制。
二、老化房控制系统工艺要求：
老化房结构如图所示：

具体要求如下：
1、该系统所控制的老化房面积达16×30M，要求控制范围在20-55℃，控制精度达±5℃，能够在上位机对温度设定/显示/保存；（加湿控制采用单独进行和PLC无关）
2、该系统有3个风机，用于进风，回风和排风；有4个风闸：新风闸，回风闸，排风闸，防火闸；2个防尘过滤网；6个火灾报警点；
在正常情况下（温湿度），关闭进风阀和排风阀，停止进风电机和排风电机，打开回风阀和防火阀，启动回风风机，保持老化房内回风循环；
在高温情况下，排风阀和进风阀打开，启动排风电机和进风电机，抽出部分空气；
在火灾报警情况下，防火阀关闭，回风禁止循环，全部从室内抽出；同时排风阀和进风阀打开，启动排风电机和进风电机，抽出室内空气；
3、其他要求省略；
三、工作原理：
PLC系统结构如下：

EC20PLC设备的I/0接线如图：

工作原理：
根据老化房工艺要求组成如上图控制系统：上位机采用台湾研华IPC（工控计算机）；监控画面采用亚控公司的KINGVIEW软件，该软件操作简单，元件形象丰富，性能稳定；核心控制部分采用EMERSON EC20-2012BTA类型的PLC和4个温度采集模块（EC20-4TC，接受K型温度信号）；传动采用EMERSON EV2000通用型变频器。
在设备连接方面，EC20 PLC充分体现了自身的优势，由于EC20 PLC本身带有2个串行通信口（1个RS232口，集成自由协议/编程协议/MODBUS从站协议，1个RS232/485口，集成自由协议/MODBUS主站/从站协议），EC20 PLC利用COM0口和IPC进行通信（EC20 PLC做从站，设置成MODBUS从站协议），利用COM1和多台变频器组成网络进行集中控制（EC20 PLC的COM1设置成MODBUS主站协议）。
IPC为整个系统的人机接口，IPC读取PLC采集的系统运行状态如各风机的运转状态，各测温点温度，报警状况并显示在监控画面上，IPC又把各种操作命令传给PLC以控制系统的运行，如温度的设定，PID参数设定，各种阀门的开闭，变频器的启动、停止等设定。并且可以实时监控整个系统的工作运行状态、动作过程及故障报警等，IPC还可以根据设定对采集的数据进行保存打印。
在系统设计中，EC20 PLC为整个系统的核心，执行各种系统操作及计算，EC20 PLC根据工艺要求和现场状况进行逻辑判断，开闭各种阀门和启停各风机；同时利用自身的PID功能对温度进行控制，具体方法后面描述。
EV2000系列变频器自带RS485接口的通讯单元，符合RS485通讯规范，用于实现PLC与多台变频器的联网。根据MODBUS通讯协议，我们可以通过RS485网络轻松实现对变频器的运行控制。由于RS485通讯链路传输距离远、配线简单、抗干扰能力强、可靠性高，因此在设计中，我们省略了变频器的外部起停控制线路，对变频器的所有控制都通过RS485通讯链路来完成，达到了经济高效的目的。
四、监控画面
整个系统监控画面主要分为主画面，实时温度监控，PID参数设定，三个部分（其他部分省略），具体如下：

主画面如上图所示，主要完成对系统状态的监控（如各种风阀的开闭状态，风机的运行状态，报警状态），数据统计（如系统运行的时间，启停系统的次数），温度设定/测量等功能。

实时温度监控画面如上所示，此画面主要用于对温度的实时监控，并描绘出温度曲线趋势，以便判断系统的温度控制是否处于良好状态，同时可以实现对温度进行保存/打印等操作。

PID参数设定画面主要用于比例常数P，积分常数I，微分常数D的设定，同时根据实时温度曲线状况进行调节；同时显示PID控制的输出比例。
五、对温度控制的实现
为便于对整个老化房内温度的控制，同时充分利用EC20 PLC自身PID功能和PWM脉冲输出（Y0，Y1）的优势，室内温度区域分为2个部分（上层和下层各8个测温度点），对温度取平均值作为温度的测量值，并把此平均值送入PID功能块进行运算，同时对加热执行元件（参考EC20 PLC的I/O接线图，固态继电器SSR1，SSR2，SSR3所控制的发热管的功率逐渐加大）也进行了分组处理：温度偏差较小的情况下，进行PID运算，通过Y0输出脉冲给SSR1，同时关闭SSR2，SSR3（即Y1，Y2停止输出）；如果温度偏差较大，则Y1，Y2也参加输出，具体处理思路如下：
偏差值（ER=SV-PV） 处理办法
ER≥3 关闭PID运算，直接输出Y0，Y1，Y2；
3>ER≥1 启动PID运算控制Y0输出，同时启动Y1输出；关闭Y2输出；
1>ER≥-1 启动PID运算控制Y0输出，关闭Y1，Y2输出；
-3>ER>-1 启动PID运算控制Y0输出，同时启动Y1输出；关闭Y2输出；
-3≥ER 关闭PID运算，关闭Y0，Y1，Y2；
通过此法处理可以把温度控制精度保持在±0.3度以内,而且无论提升温度还是下降温度都很快速；同时把PID输出转化为PWM的占空比输出，又大大节省了PLC的资源（充分利用Y0，Y1的高达100KHZ的脉冲输出功能）。
EC20 PLC的编程软件CONTROLSTAR的操作简单方便，指令丰富，功能强大，是一个很的全中文编辑工具。
实现步骤具体如下：首先，在数据块设定PID各参数，其中的重点是设置P，I，D三个参数和输出量的上下限范围，由于PID的输出结果直接和PWM结合在一起，所以设置时要特别注意，在本例子中，按照PWM的周期为4秒（=4000MS）计算，把PID的输出上下限分别设定为4000和0；另外按照逆动作（BIT0=1），输出限定（BIT5=1）的要求对D7911各位进行赋值；
D7910 500 //采样时间S3 采样时间(Ts)范围为1～32767(ms)，比运算周期短的时间数值无法执行；
D7911 16#23 //动作方向 > 逆动作，设输出限定
………………………………………………..//BIT0 0：正动作 1：逆动作；
………………………………………………..//BIT1 0：输入变化量报警无效 1：输入变化量报警有效；
………………………………………………..//BIT2 0：输出变化量报警无效 1：输出变化量报警有效；
………………………………………………..//BIT3-4 没使用；
………………………………………………..//BIT5 0：输出值上下限设定无效1：输出值上下限设定有效；
………………………………………………..//BIT6～BIT15 没使用
D7912 70 //S3+2 输入滤波常数(α)范围0～99[﹪]，为0时没有输入滤波；
D7913 100 //S3+3 比例增益(Kp)范围1～32767[﹪]；
D7914 25 //S3+4 积分时间(TI)范围0～32767(×100ms)，为0时作为∞处理(无积分)；
D7915 0 //S3+5 微分增益(KD)范围0～100[﹪]，为0时无微分增益； 
D7916 63 //S3+6 微分时间(TD)范围0～32767(×10ms)，为0时无微分处理；
D7925 2000 //S3+15 输入变化量(增侧)报警设定值0～32767(S3+1的BIT1=1时)；
D7926 0 //S3+16 输入变化量(减侧)报警设定值0～32767(S3+1的BIT1