【正文】 。 作為橡膠硫化主要設(shè)備的平板硫化機必須具備控制硫化條件的能力，也即對硫化溫度、硫化時間和硫化壓力進(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。另一方面，平板硫化機的加熱分方式的好壞、自動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的重要指標(biāo)。在工業(yè)生產(chǎn)中，這種交聯(lián)反應(yīng)是在一定溫 度、時間和壓力的條件下完成的，這寫條件被稱為硫化條件。如何制定硫化條件，以及在生產(chǎn)中的實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。而硫化溫度的控制的控制精度是最為重要的。但在實際生產(chǎn)中，普遍存在溫度控制系統(tǒng)精度不高，達(dá)不到硫化國家標(biāo)準(zhǔn)的問題。這兩個要 2 求也是本設(shè)計主要要實現(xiàn)的。 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（如 ： 150 度）放入磨具。 加內(nèi)容 本章小結(jié) 本章主要介紹了硫化工藝，以及溫度控制對硫化產(chǎn)品的影響，和本次設(shè)計的主要要求。據(jù)不完全統(tǒng)計，在工業(yè)過程控制和航空航天控制等領(lǐng)域，應(yīng) 用 PID 控制占80%以 上 。 本課 題的設(shè)計是基于 PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于以上情況，本設(shè)計以對 PID 控制（模擬和數(shù)字）理論深入研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計基于 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 的具體型號以及設(shè)計 I/O 接口的分配，本系統(tǒng)以晶閘管調(diào)壓模塊接 PLC 的輸出信號用來控制加熱棒的加熱功率，從而達(dá)到實時控制。 PID 控制方案簡介 在 工程實際中，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，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對象的結(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，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 PID控制，實際中也有 PI 和 PD控制。 (1)比例（ P）控制 4 比例控制是一種最簡單的控制方式。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加 ， 積分項會增大。因此 ， 比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。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，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 e(n) — 第 n 次采樣時刻輸入的偏差 。 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)。 采用階躍相應(yīng)法，根據(jù)柯恩 — 庫恩整定公式，初步測得參數(shù)為： KP = 2 ， Ti= 10 ， Td=2， KP = 3， Ti= 5， Td=1。 與其 他高級語言相比 , MATLAB 提供了一個人機交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán) 境 ， 可以大大節(jié)省編程時間。 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)字問題 ,正是由于 MATLAB 的強大 功能 ,受到國內(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。 7 （ 1）當(dāng) KP =2， Ti=10， Td=2。 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)過短暫調(diào)節(jié)后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且沒有誤差， 而當(dāng) Td=2， KP =3， Ti=5， Td=1 時波動較大而且在達(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)。本系統(tǒng)要求的測溫范圍為 0～ 200℃，因此選用熱電阻， 在此選用 PT100 熱電阻，需要強調(diào)的是基于熱平衡原理，在本設(shè)計中采用接觸式測溫， 測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)。該產(chǎn)品 Pt100 傳感器由用戶自己配備 ， 變送器內(nèi)有線性化和長線補償功能 ， 出廠時按照 Pt100 國標(biāo)分度表校正，完全達(dá)到 級精度要求。產(chǎn)品采用 DIN35 國際標(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)。 技術(shù)參數(shù) 序 號參數(shù)名稱測試條件 Min Typ Max 單位備注 100Ω0 ℃ FSR% 級 12,15,24 V 177。 11 第三章 硫化機硬件電路設(shè)計 硫化機控制系統(tǒng)的組成 硫化機控制系統(tǒng)主要由基于 PLC 的溫度 PID 控制部分，測量電路部分，輸出調(diào)壓電路部分和供電 電源部分組成。在可編程序控制器的系統(tǒng)設(shè)計時也應(yīng)該把這個問題放到首位。 （ 1）滿足要求 最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設(shè)計控制系統(tǒng)的首要前提。 這就要求設(shè)計人員在設(shè)計前就要深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究。同時要注意 要和現(xiàn)場的工程管理人員、工程技術(shù) 人員、現(xiàn)場工程操作人員緊密配合， 擬定控制方案，共同解決設(shè)計中的重點問題和疑難問題。這就要求設(shè)計要考慮控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定運行。比如說，在硬件和軟件的設(shè)計上應(yīng)該保證 PLC 程序不僅在正常條件下能正 確運行，而且在一些非正常情況下（如突然掉電再上電，按鈕按錯）， 也能正常工作。 （ 3）經(jīng)濟 實用 經(jīng)濟運行也是系統(tǒng)設(shè)計的一項重要原則。但是，新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護也會導(dǎo)致工程的投入和運行資金的增加。這就要求，不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護即方便又低成本。因此，在控制 系統(tǒng)的設(shè)計時要考慮到今后的發(fā)展、完善。這需要用戶去選擇最適合自己要求的產(chǎn)品。 A. 根據(jù)系統(tǒng)類型選擇機型 從選機型的角度看，控制系統(tǒng)可以分成單體控制小系統(tǒng)、慢過程大系統(tǒng)和快速控制大系統(tǒng)。 單體控制的小系統(tǒng)：這種系統(tǒng)一般使用一臺可編程序控制器就能 完成控制要求，控制對象常常是一臺設(shè)備或多臺設(shè)備中的一個功能。這種系統(tǒng)對可編程序控制器間的通信問題要求不高，甚至沒有要求。對這類系統(tǒng)的機型選擇要注意三種情況。這時需選用局部式結(jié)構(gòu)，低電壓高密度輸入輸出模板。這時需選用離散式結(jié)構(gòu)，高電壓低密度輸入輸出模板。這時輸入輸出容量 不是關(guān)鍵參數(shù)，更重要的是控制速度功能，選用高速計數(shù)功能模板。對這一類型對象，一般不選用大型機，因為它編程、調(diào)試都不方便，一旦發(fā)生故障，影響面也大。由于現(xiàn)代生產(chǎn)的控制器多為插件式模板結(jié)構(gòu)，它的價格是隨輸入輸出板數(shù)和智能模板數(shù)的 多少決定的。所以一般使用網(wǎng)絡(luò)相連后就不必要選大型機。例如東北建筑設(shè)計院和東北大學(xué)為鞍山市小型砌塊廠和鞍鋼礦碴廠設(shè)計的砌塊自動生產(chǎn)線就是采取這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制的。在這個系統(tǒng)中每個生產(chǎn)設(shè)備都由一臺可編程序控制器完成控制任務(wù)，然后用網(wǎng)絡(luò)把整個系統(tǒng)管理起來。從總體上看是合理的，可滿足系統(tǒng)要求，價格也便宜。在這樣的系統(tǒng)中即使選用輸入輸出容量大、運行速度快、計算功能強的一臺大型可編程序控制器也難以滿足控制要求。采用可靠的高速網(wǎng)能滿足系統(tǒng) 信息快速交換的要求。 對信息交換速度要求高，但交換的信息又不太多的系統(tǒng)，也可以采用可編程序控制器的輸出端口與另一臺可編程序控制器的輸入端口硬件互聯(lián)，通過輸出輸入直接傳送信息，這樣傳送速度快而且可靠。 B. 根據(jù)控制對象選擇機型： 對控制對象要求進(jìn)行估計，對確定機型十分重要。根據(jù)控制對象的特殊要求，可以估計出 PLC 的性能。有了這些初步估計，會使得機型選擇的可行性更大了。 對輸入 /輸出點數(shù)的估計：為了正確地估計輸入 /輸出點數(shù)，需要了解下面問題 ： ，按參數(shù)等級分類統(tǒng)計。 /輸入，按點數(shù)進(jìn)行粗估。 ？ 應(yīng)速度有何要求。其一是 PLC 可帶 I/O 點數(shù)。其二是 PLC 通訊距離和速度。但遠(yuǎn)程 I/O 板的 I/O 反應(yīng)速度大大下降，一般為 波特率。 。 。 程序中的各條指令最后都是以機器語言的形式存放在內(nèi)存中。 內(nèi)存利用率與編程水平有關(guān)。 從上面內(nèi)容的綜合可以選擇出合適的機型。在校驗電源容量時，要注意 PLC系統(tǒng)所需電流一定要在電源限定電流之內(nèi)。其一是更換電源。其三是更換 PLC 系統(tǒng)。 PLC 的接口設(shè)備的選擇如何，對控制系統(tǒng)的功能至關(guān)重要。這里所說的接口設(shè)備包含兩類。對于 PLC 自身的模塊的選擇主要注意兩個問題。這一點請注意模塊的型 號、規(guī)格要配套。這樣才能使對 接的方便、可靠、 穩(wěn)定。這就考慮到模塊和外部設(shè)備要匹配，要性能匹配、速度匹配、電平匹配。 在系統(tǒng)的硬件選定之后，主要的問題是程序設(shè)計。 (3) 分配輸入輸出點 機型選好之后，系統(tǒng)設(shè)計人員需慎重考慮輸入輸出定義問題。 可編程控制器 1969 年， 在美國出現(xiàn)第一臺可編程序邏輯控制器（ Programmable Logic Controller－ PLC）以來，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為一種最重要、高可靠性、應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制微型計算機?？删幊绦蚩刂破饕押蛿?shù)控技術(shù)及工業(yè)機器人并列為工業(yè)自動化的三大支柱。隨著微電子技術(shù) 16 的發(fā)展， PLC 以微處理器為核心，適用于開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量的控制，它已進(jìn)入過程控制和位置控制等場合的控制領(lǐng)域。在許多場合，可編程序 控制器可以構(gòu)成各種綜合控制系統(tǒng)，列如構(gòu)成邏輯控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、圖形工作站等等。 可 靠性是用戶選用的首位依據(jù)，因此，每個 PLC 生產(chǎn)廠都將可靠性作為第一指標(biāo)而加以研制，以單片機為核心，在硬件和軟件上采取大量的抗干擾措施，使 PLC 的平均無故障時間達(dá)到 30 萬小時以上，使用壽命更長。 PLC 具有邏輯判斷 、計數(shù)、定時、步進(jìn)、跳轉(zhuǎn)、移位、記憶、四則運算和數(shù)據(jù)傳送等功能， 可以實現(xiàn)順序控制、邏輯控制、位置控制和過程控制等。 PLC 采用與繼電器電路相似的梯形圖編程，比較直觀，易懂易編，深受電氣技術(shù)人員和電工的歡迎，容易推廣應(yīng)用。 （ 4）使用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，抗干擾能力強。 （ 6）采用積木式結(jié)構(gòu)或模塊式結(jié)構(gòu)，具有較大的靈活性和可擴展性，擴展靈活方便。 PLC 上有 I/O 指示燈（ LED），哪個 I/O 元件有故障，一目了然。 可編程控制器的工作原理 17 圖 7 PLC 是一種微機控制系統(tǒng)，其工作原理也與微機相同，但在應(yīng)用時，可不必用計算機的概念去做深入的了解，只需將它看成是由普通的繼電器、定時器、計數(shù)器、移位器等組成的裝置， 從而把 PLC 等效成輸入、輸出和內(nèi)部控制電路 。它以緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的擴展性、強大的指令功能、低廉的價格，已經(jīng)成為當(dāng)代各種小型控制工程的理想控制器。其控制規(guī)?？梢詮膸c上到幾百點。 S7200的編程軟件 STEP7Micro/WIN32可以方便地在 Windows環(huán)境下對 PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控，使得 PLC 的編程更加方便、快捷。 S7200 有四種 CPU，其性能差異很大。 S7200 的技術(shù)指標(biāo) 目前 S7200 系列 PLC 主要有 CPU22 CPU22 CPU224 和 CPU226 四種。檔次最高的應(yīng)屬 CPU226，CPU226 集成了 24 點輸入／ 16點輸出，共有 40 個數(shù)字量 I/O。 S7200 系列 PLC 四種 CPU 的外部結(jié)構(gòu)大體相同，見圖 7。 18 存儲卡 接口可以插 入存儲卡。 頂部端子蓋下邊為輸出端子和 PLC 供電電源端子。底部端子蓋下邊為輸入端子和傳感器電源端子。 前蓋下面有運行、停止開關(guān)和接口摸塊插座。將開關(guān)撥向運行位置時，可編程序控制器處于運行狀態(tài)，此時不能對其編寫程序。接口插座用于連接擴展模塊實現(xiàn)I/O 擴展 。它可連接 7 擴展模塊，最大擴展至 168 點數(shù)字量 I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點。 CPU224 配有 1 個 RS485 通訊／編程口，具有 PPI 通訊、 MPI 通訊和自由方式通訊能力，是具有較強控制能力的 小型控制器。 24VDC 的負(fù)極接公共端 1M 或 2M。 DC 輸出端由 1M、 1L+、 ～ 為 第 1 組， 2M、 2L+、 ～ 為第 2 組組成。 第 1 組 24V DC 的負(fù)極接 1M 端， 正極接 1L+端。第 2 組的接線與第 1 組相似 。 繼電器輸出端由 3 組構(gòu)成，其中 N()、 1L、 ～ 為第 1 組， N()、 2L、～ 為第 2 組， N()、 3L、 ～ 為第 3 組。 20 第 1 組負(fù)載電源的一端 N 接負(fù)載的 N()端，電源的另外一端 L(+)接繼電器輸出端的 1L 端。第 2 組、第 3 組的接線與第 1 組相似。輸入信號的范圍可以由 SW SW2 和 SW3 設(shè)定。 表 2 EM231技術(shù)指標(biāo)表 型號 EM231模擬量輸入模塊 總體特性 外形尺寸： *80*62mm 功耗 ： 3W 輸入特性 本