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　　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。通過標準MODBUS協議進行上、下位機通訊，采用PID與PWM相結合控制方法。實現了硫化機自動化控制，溫控精度控制在+/-0.5℃范圍內，達到國內領先水平，提高了硫化機綜合能源利用水平。

　　關鍵詞： PLC；監控系統；硫化機

　　中圖分類號：TP29                  

　　文獻標識碼：B

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

　　Ye,Jirong

　　Abstract: This paper introduces the application of  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

　　改革開放以來，經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與交流，我國硫化機在精度、可靠性、穩定性等方面有了一個質的飛躍，達到世界先進水平之列。但在穩定性和可靠性及精度等方面仍有差距。控制系統是輪胎硫化機的重要組成部份。我國硫化機廠家不斷追蹤國內外控制領域的新技術，不懈努力提高硫化機的可靠性、穩定性及自動化程度。外溫控制采用PID閉環調節系統。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作，主要是實現對閥門控制，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

　　閉合制冷電源開關后壓縮機延時3分鐘啟動（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抽水。

　　2.2.2 壓力控制過程

　　閉合電源開關后，油泵電機開始運轉，機器處于待機狀態。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分鐘后油泵電機自動停止運轉。任何時候按上升或者下降按鈕，油泵電機重新開始運轉。

　　2.2.3 計時控制過程

　　在計時器的電源開關閉合的狀態下，計時器分段計時，第一段默認為預壓時間，一段時間到達后，計時器自動轉到第二段計時狀態，同時將壓力調整到加壓壓力設定值，二段時間到達后，計時器停止計時，同時下降電磁閥導通。當油缸降到底時，觸發位置開關，油站恢復待機狀態，計時器復位，下次動作是自動計時。

　　2.2.4 測試過程

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，右邊上半部分是開關點輸出的顯示，下半部分是控制區域。打開電源開關，機臺得電后測試過程如下：

　　（1）設定好溫度，打開溫控開關按鈕，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，打開油壓控制開關按鈕，油泵電機運轉，機器處于待機狀態。

　　（3）設定好預壓的壓力及時間，加壓的壓力及時間。將模具放入加熱模板內，按上升鍵同時打開計時器開關按鈕，機臺自動完成預壓、加壓及下降的動作。

　　（4）將模具從加熱模板內取出再放到冷卻板內，重復以上動作。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。任務循環執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復制到輸入過程映像寄存器中。

　　（2）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。

　　（3）處理通訊請求：即執行通訊任務。

　　（4）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。

　　（5）寫輸出：在輸出過程映像寄存器中存儲的數據被復制到物理輸出點。

　　中斷方式是指當中斷事件發生時則立即執行一次相應的中斷服務程序，不受掃描周期的影響，響應速度快，從而進一步提高了PLC控制的可靠性。中斷事件不發生時，不掃描中斷服務程序，這樣可以節約掃描時間，減少掃描周期。

　　3.1.2 PLC特點

　　（1）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。

　　（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不同的功能。

　　（3）編程語言豐富，可以采用不同語言編寫程序， LM系列PLC支持6種編程語言，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）。給編寫程序帶來很大方便。

　　3．2  監控系統方案

　　監控系統要實現功能主要是：（1）溫度、壓力以及控制參數的設置；（2） 狀態和數據顯示；（3） 對XH-406硫化機的控制。（4）歷史曲線及報表輸出。本系統采用主、從站方式，通過MODBUS標準協議實現該監控系統的通訊功能，其中主站選用組態軟件來實現。考慮到控制系統的安全性和抗干擾性要求，結合PLC的特點，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/輸出點要求考慮，本系統配置為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組態軟件，負責系統的在線監控、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功能，細分為以下幾個方面：

　　（1）參數設定、實時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自各現場控制站的實時數據，形成上層人機界面的實時數據庫。

　　（2）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密碼確認的情況下進入設定。如圖3所示。

　　（3）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。

　　（4）歷史數據管理和趨勢查看。完成歷史數據的收集處理；在趨勢畫面上顯示點值的歷史變化曲線或實時變化曲線，可以設置趨勢組，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。

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

　　在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行運算的PID算法是應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，適用面廣，控制參數相互獨立，參數的選定比較簡單等優點；PID調節規律是連續系統動態品質校正的一種有效方法，它的參數整定方式簡便，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，使系統的動作靈敏，速度加快，穩態誤差減小；P偏大，振蕩次數加多，調節時間加長；P太大時，系統會趨于不穩定；P太小，又會使系統的動作緩慢。

　　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小（積分作用強）會使系統不穩定，但能消除穩態誤差，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態特性，D偏大時，超調量較大，調節時間較短；D偏小時，超調量也較大，調節時間也較長；只有D合適，才能使超調量較小，減短調節時間[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來實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℃以內。滿足了控溫精度在+/-1℃內的要求。

　　6 結語

　　本監控系統發揮PLC可靠性好、抗干擾性強、邏輯性強等優點，采用了標準MODBUS通訊協議進行通訊，使上、下位機實現通訊簡單可靠，實現了對硫化機的一體化監控，結合了PID與PWM的控制方法，實現高精度溫度控制，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系列小型一體化PLC軟件手冊，指令手冊，硬件手冊。