【正文】 進(jìn)行合理控制，其控制的直接影響著橡膠硫化制品的質(zhì)量好壞?？刂凭仍礁?，則越容易得到質(zhì)量更好的、性能更穩(wěn)定的產(chǎn)品，這在特種橡膠生產(chǎn)上更為重要。另一方面，平板硫化機(jī)的加熱分方式的好壞、自動(dòng)化程度的高低也是直接關(guān)系到橡膠制品質(zhì)量的重要因素，這往往也是橡膠制品生產(chǎn)廠家選擇平板硫化機(jī)的重要指標(biāo)。硫化過(guò)程是橡膠大分子鏈發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程。在工業(yè)生產(chǎn)中，這種交聯(lián)反應(yīng)是在一定溫 度、時(shí)間和壓力的條件下完成的，這寫條件被稱為硫化條件。由于這三個(gè)條件對(duì)橡膠制品的硫化質(zhì)量起著決定性的作用，因此通常又稱之為“硫化三要素 ” 。如何制定硫化條件，以及在生產(chǎn)中的實(shí)施硫化條件都是硫化條件硫化工藝中的重要技術(shù)內(nèi)容。 硫化 的相關(guān)要求 在橡膠工業(yè)中，硫化工藝是最后一個(gè)工藝過(guò)程，也是最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，作為橡膠硫化主要設(shè)備的平板硫化機(jī)必須具備控制硫化條件（硫化溫度、硫化時(shí)間）大額能力，其控制的精度直接影響橡膠硫化制品質(zhì)量的好壞。而硫化溫度的控制的控制精度是最為重要的。硫化溫度控制精度越高，則越容易得 到質(zhì)量更好、性能更加穩(wěn)定的產(chǎn)品。但在實(shí)際生產(chǎn)中，普遍存在溫度控制系統(tǒng)精度不高，達(dá)不到硫化國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。因此實(shí)現(xiàn)高精度的平板硫化機(jī)溫度 控制 ,以提高橡膠制品質(zhì)量對(duì)橡膠工業(yè)生產(chǎn)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義 硫化的相關(guān)要求主要有硫化機(jī)的工藝流程和橡膠硫化的工藝要求。這兩個(gè)要 2 求也是本設(shè)計(jì)主要要實(shí)現(xiàn)的。硫化機(jī)的工藝流程是：硫化 硫化機(jī)升溫到設(shè)定溫度—— 橡膠磨具放入硫化機(jī) —— 橡膠磨具加熱 —— 硫化時(shí)間到汽缸運(yùn)動(dòng)時(shí)出加熱區(qū)。 橡膠硫化的工藝要求是： 當(dāng)加熱區(qū)內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)（如 ： 150 度）放入磨具。 采用基于 PLC 的 PID 控制，使加熱平 板的溫度達(dá)到升溫 —— 保溫的要求。 加內(nèi)容 本章小結(jié) 本章主要介紹了硫化工藝，以及溫度控制對(duì)硫化產(chǎn)品的影響，和本次設(shè)計(jì)的主要要求。 3 第二章 硫化機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)思想 PID 控制是自動(dòng)控制中產(chǎn)生最早的一種控制方法，在實(shí)際控制工程中的應(yīng)用最廣。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)過(guò)程控制和航空航天控制等領(lǐng)域，應(yīng) 用 PID 控制占80%以 上 。本系統(tǒng)是以西門子 S7200PLC 為主要控制原件，利用其內(nèi)部的 PID 指令進(jìn)行模擬量溫度控制，此控制思路不盡設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)易，而且還省去了買 PID 模塊的成本。 本課 題的設(shè)計(jì)是基于 PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于以上情況，本設(shè)計(jì)以對(duì) PID 控制（模擬和數(shù)字）理論深入研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于 PLC 的 PID 溫度控制器，首先整定 PID 控制器控制參數(shù)咬比例、積分、微分系數(shù)）的初值，然后根據(jù)控制要求選擇合適的溫度傳感器，選擇 PLC 的具體型號(hào)以及設(shè)計(jì) I/O 接口的分配，本系統(tǒng)以晶閘管調(diào)壓模塊接 PLC 的輸出信號(hào)用來(lái)控制加熱棒的加熱功率，從而達(dá)到實(shí)時(shí)控制。本課題研究有利于稱補(bǔ)老舊硫化溫度控制精度不高的缺點(diǎn)，推動(dòng) PLC 控制系統(tǒng)在硫化機(jī)上的廣泛應(yīng)用具有一定意義。 PID 控制方案簡(jiǎn)介 在 工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制器問(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD控制。PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 (1)比例（ P）控制 4 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 (2)積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。為了消 除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項(xiàng) ” 。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加 ， 積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大 ，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此 ， 比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 (3)微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差 的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “ 比例 ” 項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項(xiàng) ” ，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 PID 參數(shù)的整定 在常規(guī)控制系統(tǒng)中， PID 控制是迄今為止算法比較簡(jiǎn)單、功能比較完善、效果比較好的一種控制算法，其一般形式為 )()()()( neKneKneKnU DIp ????? 式中 n — 采樣序號(hào)； 5 u(n) — 第 n次采樣時(shí)刻的控制器輸出 。 e(n) — 第 n 次采樣時(shí)刻輸入的偏差 。 △ e(n) — 第 n 次采樣時(shí)刻輸入的偏差與第 n1次采樣時(shí)刻輸入的偏差之差； KP — 比例增益； KI— 積分系數(shù)（ 11 TTKK P? ） KD — 微分系數(shù)（ TTKK PD ? ） T — 采樣周期， TI 、 TD分 別為積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。 典型的數(shù)字 PID 控制系統(tǒng)如圖 1 所示，圖中 SP(t)是給定值 PV(t)為反饋量，C(t)為輸出值， PID 控制器的輸入輸出關(guān)系可表示為 ： nnnn MDMIMPM ??? 其中： KC Ki KD 為 PID 比例、積分、微分系數(shù)。 圖 1 并分別用反應(yīng)曲線法求出對(duì)象在各溫區(qū)的近似數(shù)學(xué)模型為 1??TSKGi 反應(yīng)曲線如圖 2 所示 ,Ki ,Ti ,A 可按表 1 經(jīng)驗(yàn)公式求得各溫區(qū)的調(diào)節(jié)器最佳 PI D參數(shù)值 表 1 PID參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式 表 控制方式 比例度 ℅ 積分時(shí)間 STI/ 微分時(shí)間 STD/ P ( TAKiI / )ⅹ 100 PI ( TAKiI / )ⅹ 100 iA PID ( TAKiI / )ⅹ 100 2 iA iA 6 圖 2反應(yīng)曲線 圖 求的加熱系統(tǒng)的特征參數(shù)為： K=1 T=5。 采用階躍相應(yīng)法，根據(jù)柯恩 — 庫(kù)恩整定公式，初步測(cè)得參數(shù)為： KP = 2 ， Ti= 10 ， Td=2， KP = 3， Ti= 5， Td=1。 PID 參數(shù)仿真 MATLAB 軟件簡(jiǎn)介 MATLAB 自 1984 年推向市場(chǎng)以來(lái) ,歷經(jīng)十多年的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)，現(xiàn)已成為國(guó)際認(rèn)可的最優(yōu)化的科技應(yīng)用軟件 。 與其 他高級(jí)語(yǔ)言相比 , MATLAB 提供了一個(gè)人機(jī)交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán) 境 ， 可以大大節(jié)省編程時(shí)間。 MATLAB 語(yǔ)法規(guī)則簡(jiǎn)單、容易掌握、調(diào)試方便 ， 具有高效、簡(jiǎn)單和直觀的特性。 使用者只需輸入一條命令而不用編制大量的程序即可解決許多數(shù)字問(wèn)題 ,正是由于 MATLAB 的強(qiáng)大 功能 ,受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的歡迎和重視 ,他已成為許多大學(xué)生的重要工具。 在這次仿真中我們主要用到 MATLAB軟件中的 SIMULINK交互式仿真集成環(huán)境對(duì)傳遞函數(shù)和整定后的 PID 參數(shù)進(jìn)行仿真。 7 （ 1）當(dāng) KP =2， Ti=10， Td=2。 圖 3 PID控制方框圖 圖 4 仿真波形圖 （ 2）當(dāng) Td=2， KP =3， Ti=5， Td=1。 8 圖 5 PID控制方框圖 圖 6仿真波形圖 從上述兩幅圖圖可以看出系統(tǒng)都有一定的超調(diào)，但是當(dāng) KP =2 ， Ti=10 ， Td=2經(jīng)過(guò)短暫調(diào)節(jié)后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且沒(méi)有誤差， 而當(dāng) Td=2， KP =3， Ti=5， Td=1 時(shí)波動(dòng)較大而且在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后仍然存在誤差，所以選用 KP =2 ， Ti= 10 ， Td=2 這組參數(shù)。 9 測(cè)溫元件及溫度檢測(cè)技術(shù) 目前， 常用的溫度傳感器種類很多：熱電偶傳感器、熱敏電阻傳感器、熱電阻傳感器和半導(dǎo)集成溫度傳感器，但是在微機(jī)溫度控制系統(tǒng)中使用的傳感器必須是能將非電量轉(zhuǎn) 變成電量的傳感器 ,因此使用的就是熱電阻傳感器。本系統(tǒng)要求的測(cè)溫范圍為 0～ 200℃，因此選用熱電阻， 在此選用 PT100 熱電阻，需要強(qiáng)調(diào)的是基于熱平衡原理，在本設(shè)計(jì)中采用接觸式測(cè)溫， 測(cè)溫敏感元件必須與介質(zhì)接觸，使兩者處于同一熱平衡狀態(tài)。 溫度變送器的選擇 Pt100 傳感器測(cè)量溫度的隔離變送器 ， 型號(hào)為 RS3100， 在工業(yè)上主要用于測(cè)量 200~+500℃ 的溫度。該產(chǎn)品 Pt100 傳感器由用戶自己配備 ， 變送器內(nèi)有線性化和長(zhǎng)線補(bǔ)償功能 ， 出廠時(shí)按照 Pt100 國(guó)標(biāo)分度表校正，完全達(dá)到 級(jí)精度要求。輸入、輸出 和輔助電源之間是完全隔離（三隔離） ， 可以承受 2500VDC 的隔離耐壓。產(chǎn)品采用 DIN35 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝方式 ,體積小、精度高 、 性能穩(wěn)定、性價(jià)比高 ， 可以廣泛應(yīng)用在石油、化工、電力、儀器儀表和工業(yè)控制等行業(yè)。 主要特性 （ 1）輸入 ： Pt100(20~+400℃ ) (范圍可選擇 ) （ 2） 輸出信號(hào)： 4~20mA/0~5V （ 3） 精度等級(jí)： 級(jí) (FSR%) （ 4） 內(nèi)含線性化和長(zhǎng)線補(bǔ)償功能 （ 5） 隔離耐壓： 2500VDC(,60S) （ 6） DIN35 導(dǎo)軌安裝 (7) 精度高、性能穩(wěn)定可靠。 技術(shù)參數(shù) 序 號(hào)參數(shù)名稱測(cè)試條件 Min Typ Max 單位備注 100Ω0 ℃ FSR% 級(jí) 12,15,24 V 177。10% 10 +24VDC 16 20mA 20~80℃ 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和 PID 參數(shù)的整定以及對(duì)其模擬仿真和比較。 11 第三章 硫化機(jī)硬件電路設(shè)計(jì) 硫化機(jī)控制系統(tǒng)的組成 硫化機(jī)控制系統(tǒng)主要由基于 PLC 的溫度 PID 控制部分，測(cè)量電路部分，輸出調(diào)壓電路部分和供電 電源部分組成。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在可編程序控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該把這個(gè)問(wèn)題放到首位。 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循以下原則。 （ 1）滿足要求 最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的首要前提。這也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。 這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前就要深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究。 收集控制現(xiàn)場(chǎng)的資料， 收集控制過(guò)程中有效的控制經(jīng)驗(yàn)，收集與本控制系統(tǒng)有關(guān)的先進(jìn)的國(guó)內(nèi)、國(guó)外資料，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)要注意 要和現(xiàn)場(chǎng)的工程管理人員、工程技術(shù) 人員、現(xiàn)場(chǎng)工程操作人員緊密配合， 擬定控制方案，共同解決設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問(wèn)題和疑難問(wèn)題。 （ 2）安全可靠 控制系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行中能否達(dá)到安全、可靠、穩(wěn)定，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計(jì)要考慮控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。為了能達(dá)到這一點(diǎn)，要求在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，器件選擇上，軟件編程上要全面考慮。比如說(shuō)，在硬件和軟件的設(shè)計(jì)上應(yīng)該保證 PLC 程序不僅在正常條件下能正 確運(yùn)行，而且在一些非正常情況下（如突然掉電再上電，按鈕按錯(cuò)）， 也能正常工作。程序能接受并且只能接受合法操作，對(duì)非法操作程序能予以拒絕等等。 （ 3）經(jīng)濟(jì) 實(shí)用 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要原則。一個(gè)新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高產(chǎn)品的數(shù)量，從而為工程帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是，新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護(hù)也會(huì)導(dǎo)致工程的投入和運(yùn)行資金的增加。 12 在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求，不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護(hù)即方便又低成本。 （ 4）適應(yīng)發(fā)展 社會(huì)在不斷地前進(jìn)，科學(xué)在不斷地發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也一定會(huì)不斷地在提高、不斷地在完善。因此，在控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到今后的發(fā)展、完善。這就要求在選擇 PLC 機(jī)型和輸入 /輸出模塊要能適應(yīng)發(fā)展的需要，要適當(dāng)留有余量 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 (1)選擇機(jī)型 目前，可編程序控制器產(chǎn)品種類繁多，同一個(gè)公司生產(chǎn)出的 PLC 也常常推出