橫河PLC在輪胎硫化機(jī)中的應(yīng)用

橫河PLC在輪胎硫化機(jī)中的應(yīng)用

首先詳細(xì)闡述了輪胎硫化機(jī)的工藝特點(diǎn)和控制要求，以及國(guó)內(nèi)現(xiàn)行硫化機(jī)控制的一些常見(jiàn)問(wèn)題，并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。然后通過(guò)對(duì)橫河FA-M3系列PLC的特點(diǎn)說(shuō)明和分析，結(jié)合橫河FA-M3系列PLC在輪胎硫化機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用，與現(xiàn)行PLC控制方式和效果進(jìn)行了綜合分析比較，從理論和實(shí)際兩個(gè)方面深入剖析和論證了橫河FA-M3系列PLC在輪胎硫化機(jī)控制上的特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有輪胎硫化機(jī)控制具有很好的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：硫化機(jī)；橫河PLC；溫度控制；高速控制

可編程邏輯控制器（PLC）在中國(guó)是九十年代快速發(fā)展起來(lái)的新一代工業(yè)控制裝置，是自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，PLC已經(jīng)成為最重要的基本控制單元之一，在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

日本橫河（YOKOGAWA）電機(jī)公司的FA-M3系列PLC是橫河公司基于DCS技術(shù)基礎(chǔ)經(jīng)過(guò)多年專(zhuān)業(yè)研發(fā)于1992年推出的高性能產(chǎn)品，作為日本最大的工業(yè)控制集團(tuán)，橫河FA-M3系列PLC自誕生起便始終引領(lǐng)著日本PLC業(yè)界的發(fā)展潮流，短短幾年便躍居日本中大型PLC市場(chǎng)占有率的第二位。

輪胎生產(chǎn)的過(guò)程中，輪胎在模型內(nèi)部進(jìn)行硫化時(shí)的壓力和溫度的變化直接影響輪胎的質(zhì)量，隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，輪胎生產(chǎn)企業(yè)的不斷增加，新建設(shè)的高速公路不斷地投入使用，現(xiàn)實(shí)需要我們不斷提高輪胎的質(zhì)量。這就要求在輪胎進(jìn)行硫化時(shí)，嚴(yán)格按照工藝規(guī)定的溫度進(jìn)行控制和監(jiān)控，而PLC正是當(dāng)前硫化機(jī)的首選控制器。

現(xiàn)代硫化機(jī)的基本要求：高質(zhì)，高產(chǎn)，可靠長(zhǎng)壽，高質(zhì)---保證硫化質(zhì)量，降低次品率；高產(chǎn)---在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成硫化過(guò)程；可靠長(zhǎng)壽---故障率低，使用壽命長(zhǎng)，年維修費(fèi)用少。

而現(xiàn)行硫化機(jī)面臨的問(wèn)題主要有：

一．高溫高濕帶來(lái)的可靠性不足：1）造成控制器運(yùn)行不穩(wěn)定，多故障，增加次品率及維護(hù)；2）縮短了使用壽命，增加備件費(fèi)用。

硫化環(huán)境的高溫高濕，加上腐蝕性(含硫)氣體，超出一般PLC的許容范圍。高溫導(dǎo)致CPU異常，高濕加上腐蝕性(含硫)氣體則使PLC線路腐蝕，造成停車(chē)故障，使生產(chǎn)停頓，增加備件及維修費(fèi)用，損害機(jī)械，縮短使用壽命。很多輪胎廠實(shí)際控制柜(PLC+電腦)平均壽命約3年甚至更短。

而橫河FA-M3系列PLC采用世界領(lǐng)先的橫河DCS高可靠性技術(shù)，從以下三個(gè)方面解決上述問(wèn)題。1）電路高集成優(yōu)化設(shè)計(jì)：低功耗、少部件（如容性、感性元件）、少接點(diǎn)、長(zhǎng)壽命部件的設(shè)計(jì)選材原則從結(jié)構(gòu)上保證了高可靠性。2）安裝散熱鋁板，保證高溫運(yùn)行。3）使用塑脂封裝線路板，防腐防潮。

橫河F3SP38型CPU的電路基板及三項(xiàng)技術(shù)措施示意圖如下：

三項(xiàng)技術(shù)示意圖

實(shí)踐證明使用橫河PLC后使硫化機(jī)具備極高抗環(huán)境能力，即使在夏季也能保證不停機(jī)，保證生產(chǎn)；減少故障率/廢品率，降低維修成本；延長(zhǎng)硫化機(jī)的運(yùn)行使用壽命。

二．溫度控制不良：1)溫度檢測(cè)分辨率不夠使實(shí)際溫度超過(guò)或低于工藝要求造成過(guò)硫或欠硫。2）溫度控制響應(yīng)慢導(dǎo)致升溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，延長(zhǎng)了硫化時(shí)間；3）硫化機(jī)外溫升溫時(shí)易超調(diào)、不穩(wěn)定，外溫發(fā)生擾動(dòng)時(shí)溫度控制器調(diào)整慢、易超調(diào)。

溫度/壓力/時(shí)間被稱(chēng)為硫化的三要素, 其中尤以溫度控制為關(guān)鍵且較復(fù)雜。衡量溫控好壞主要看恒溫特性和追從特性(實(shí)時(shí)性)。恒溫特性：硫化過(guò)程通常要求熱板和膠囊保持170度左右的高溫，誤差要求在±2度內(nèi)。溫度過(guò)高會(huì)“烤糊”輪胎, 溫度過(guò)低則會(huì)發(fā)生欠硫。如果使用溫控精度不足, 會(huì)造成實(shí)際溫度超過(guò)范圍而不被控制, 從而影響輪胎質(zhì)量。追從特性：硫化過(guò)程需要在啟動(dòng)加熱和發(fā)生溫度偏差時(shí)能以最短時(shí)間達(dá)到170度的恒溫狀態(tài)。溫控性能不足會(huì)使響應(yīng)變慢, 延長(zhǎng)升溫時(shí)間, 同時(shí)在溫度出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)不能及時(shí)調(diào)整造成輪胎質(zhì)量不穩(wěn)定。

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較多的PLC控制模式有兩種。一種采用熱電阻+信號(hào)轉(zhuǎn)換器+AD模塊+CPU計(jì)算+DA模塊+閥門(mén)的模式；一種采用熱電阻+溫度模塊+CPU計(jì)算+DA模塊+閥門(mén)的模式。

第一種模式中遇到的主要問(wèn)題有：信號(hào)轉(zhuǎn)換器的精度通常在±0.2%-0.5%，AD模塊的精度±0.5-0.9% F.S.。兩者相加差不多有±1%的誤差，200度量程也要有2度以上的誤差，所以即使PLC讀取數(shù)據(jù)顯示170度實(shí)際溫度很可能已在168-172度以外；熱電阻使用時(shí)間久會(huì)老化，普通PLC沒(méi)有補(bǔ)償功能，無(wú)法對(duì)熱電阻的偏差和老化進(jìn)行調(diào)整；此外，由于采用CPU做PID運(yùn)算控制，一旦CPU故障出錯(cuò)即會(huì)造成溫控失控，十分危險(xiǎn)。同時(shí)，由于CPU在做PID的同時(shí)還要執(zhí)行其他程序造成掃描周期長(zhǎng)短不一，每一次PID執(zhí)行間隔就會(huì)發(fā)生不同。 以掃描周期為300ms，PID周期設(shè)為500ms為例，兩次PID間隔可能為500ms也可能為800ms， PID執(zhí)行間隔不同使積分和微分發(fā)生很大偏差，特別是微分的偏差會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生突發(fā)的溫 度波動(dòng)，或使溫度無(wú)法快速整定。

第二種模式中遇到的問(wèn)題和第一種大同小異。其中普通PLC溫度模塊的分辨率為1度，即小于1度的變化根本無(wú)法探知。一般常識(shí)要保證±2度的控制,系統(tǒng)通常要能檢測(cè)到0.2度的變化。另外普通PLC溫度模塊的精度也在±0.5% F.S.，在硫化機(jī)中使檢測(cè)值與實(shí)際值可能發(fā)生1度以上的誤差，無(wú)法保證硫化過(guò)程的高質(zhì)量要求。普通PLC溫度模塊的采樣周期為0.5-1秒, 若完成1次PID控制至少也要0.5-1秒。

綜上問(wèn)題，再加上普通PLC處理速度通常較慢的影響，在系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)較難迅速整定，將極大影響輪胎的硫化質(zhì)量。

而以上問(wèn)題，在橫河PLC應(yīng)用到硫化機(jī)領(lǐng)域后都迎刃而解。因?yàn)闄M河PLC的高速處理能力，以及溫度PID控制模塊擁有的如下獨(dú)特性能，很適合硫化機(jī)的控制要求。

1．高精度：輸入轉(zhuǎn)換精度±0.1% F.S.，1000度以上0.1℃分辨率（5 位表示）。

2．高響應(yīng)/高重復(fù)性：100ms/2ch的獨(dú)立PID回路控制，不受主CPU掃描時(shí)間影響。

3．高可靠性: 內(nèi)置CPU獨(dú)立運(yùn)行，即使主CPU故障時(shí)也能保證正常運(yùn)行。

4．豐富強(qiáng)大的軟件控制功能：可軟件設(shè)定溫度補(bǔ)償、濾波等多種功能，獨(dú)有的Super自動(dòng)PID控制功能可以最大限度地抑制超調(diào)，縮短穩(wěn)定時(shí)間。（見(jiàn)下圖）

5．專(zhuān)用ToolBox溫控軟件：Window界面，填表式輸入，參數(shù)設(shè)定不再需要梯形圖編程；實(shí)時(shí)監(jiān)視調(diào)節(jié)PID或自整定，可同時(shí)觀察通道，實(shí)現(xiàn)同時(shí)調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)記錄功能，記錄結(jié)果可以Excel形式保存。使操作、參數(shù)設(shè)定及監(jiān)視十分方便。

處理速度對(duì)控制效果也有影響，硫化過(guò)程有大量的機(jī)械動(dòng)作需要由PLC控制。比如：蓋的開(kāi)合，各種蒸汽、熱水、壓縮空氣閥門(mén)的開(kāi)關(guān)等等。PLC性能不足主要體現(xiàn)在從信號(hào)發(fā)生到響應(yīng)的延遲上。PLC由于使用掃描方式,只在掃描開(kāi)始時(shí)一次讀入信號(hào)，而在掃描過(guò)程中對(duì)信號(hào)的變化無(wú)法感知。一般以為這些延遲比較小可以不記，然而使用普通PLC，由于速度較慢一次掃描要上百甚至幾百毫秒，且CPU由于使用單個(gè)處理器，在與上位電腦或觸摸屏通信時(shí)不得不暫停程序運(yùn)行，又要占用不少時(shí)間（視通訊量大小而定）。這種互相影響在加劇了掃描延遲的同時(shí)，更使系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性大打折扣。

這樣的延遲對(duì)系統(tǒng)的影響還是較大的。處理過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致應(yīng)該閉合的閥門(mén)不能及時(shí)閉合，應(yīng)該停止的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)不能及時(shí)停止，電機(jī)該停的時(shí)候不能馬上停，膠囊過(guò)度充壓或抽真空不足等等。長(zhǎng)久下來(lái)會(huì)引發(fā)閥門(mén)漏氣，造成軸承磨損，機(jī)械碰撞，加劇機(jī)械損害，縮短使用壽命。

而橫河FA-M3系列PLC的CPU模塊內(nèi)部并行3枚處理器，一枚處理器負(fù)責(zé)主程序的高速掃描處理（平均掃描速度高達(dá)20,000step/ms，基本指令最快0.017us/step），一枚負(fù)責(zé)外部瞬時(shí)信號(hào)的高速捕捉并支持高速定時(shí)程序（最快200us），還有一枚專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)與外設(shè)（電腦、觸摸屏等）的通訊，也就是說(shuō)觸摸屏等外設(shè)通信不再占用掃描時(shí)間，各處理器按功能區(qū)分實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，充分保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)。同時(shí)橫河FA-M3系列PLC的基本直流輸入模塊的輸入響應(yīng)可達(dá)100us，相當(dāng)于普通PLC中斷輸入模塊的響應(yīng)，高速型更是可達(dá)10us。橫河FA-M3系列PLC從結(jié)構(gòu)、軟件、硬件多方面力求優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)真正的高速化控制。

數(shù)千臺(tái)硫化機(jī)實(shí)際應(yīng)用效果表明，使用橫河FA-M3系列PLC的系統(tǒng)溫度能控制在±0.2度左右，開(kāi)機(jī)后開(kāi)始加熱到170度恒溫的時(shí)間縮短了60%，系統(tǒng)溫度出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)的響應(yīng)也要快速平穩(wěn)的多（查看記錄儀數(shù)據(jù)），平均次品率減少約0.1%，。

三．PLC網(wǎng)絡(luò)通用性不強(qiáng)，性能和穩(wěn)定性不足：一些PLC產(chǎn)品使用自己的通信標(biāo)準(zhǔn)，難以與其他設(shè)備或產(chǎn)品兼容，性能原因造成通訊效率低，故障率高，不利于未來(lái)聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展。

橫河FA-M3系列PLC的網(wǎng)絡(luò)通訊功能和開(kāi)放性也是極為出色的，可以使用光纜或雙絞線的FA-Link 提供機(jī)組間快速通信，也可以通過(guò)Ethernet，Profibus，F(xiàn)L-net等多種通信方式與PLC或上位機(jī)方便的聯(lián)網(wǎng)，還可以通過(guò)E-mail實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)、操作，提高服務(wù)效率，節(jié)省差旅等售后成本。

橫河FA-M3系列PLC以其高速性、穩(wěn)定性、溫度控制特性、強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能成為全球最大輪胎生產(chǎn)企業(yè)普利斯通公司及其他廠商的指定硫化機(jī)控制器，今天，數(shù)千臺(tái)橫河FA-M3系列PLC活躍在全球輪胎廠，成為各合作伙伴高品質(zhì)產(chǎn)品的重要保障。