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橡胶硫化机 |
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横河PLC在轮胎硫化机中的应用 |
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作者：天津罗升企业有限公司 郝世刚 |
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摘要：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
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已经成为最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技术基础经过多年专业研发于1992年推出的高性能产品，作为日本最大的工业控制集团，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正是当前硫化机的首选控制器。
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采用世界领先的横河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： 
三项技术示意图
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最短时间达到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。
第一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第一种大同小异。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控制功能可以最大限度地抑制超调，缩短稳定时间。（见下图）
5．专用ToolBox温控软件：Window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，基本指令最快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（最快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-Link 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最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，今天，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。
作者简介：郝世刚，男，工程师，天津罗升企业有限公司，主要从事控制和传动设计及工程。 邮编：300060(end)
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(3/6/2006) |
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