輪胎生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中PLC的應(yīng)用與技術(shù)分析

孫祥光

摘要：隨著我國人民物質(zhì)和精神生活水平的不斷提高，許多城市的工廠、事業(yè)單位和居民小區(qū)里都能看到各種形式的基于PLC（Programmable Logic Controller）的生產(chǎn)控制系統(tǒng)。與此同時，工業(yè)經(jīng)濟在大踏步的前進后，越來越需要提升生產(chǎn)效率，而生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化、自動化程度起著決定性的作用。PLC自問世以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，早已取代繼電器控制系統(tǒng)在工控行業(yè)的絕對統(tǒng)治地位，在全世界發(fā)達國家中已經(jīng)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟推動作用。PLC在各行業(yè)也有了舉足輕重的發(fā)展，技術(shù)含金量也得到了廣闊的提升。隨著新型模塊和各種新式元件的不斷推出，編程語言的不斷完善，匯編工具的不斷更新?lián)Q代，PLC控制系統(tǒng)愈加智能化。

關(guān)鍵詞：PLC自動化；輪胎生產(chǎn)；控制系統(tǒng)

PLC 在輪胎生產(chǎn)線中的應(yīng)用極大的提高了生產(chǎn)的自動化水平、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。可編程控制器由于其可靠性高、編程簡單、功能完善、使用方便等諸多優(yōu)點在石油、鋼鐵、電力、機械等各個行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，在橡膠工業(yè)中也得到了很好的應(yīng)用。本生產(chǎn)線控制系統(tǒng)就是西門子S7 - 300 PLC 的一個典型的應(yīng)用。

1、系統(tǒng)設(shè)計

本生產(chǎn)線控制系統(tǒng)根據(jù)某橡膠廠輪胎生產(chǎn)線的工藝流程、技術(shù)要求進行了系統(tǒng)的設(shè)計。在系統(tǒng)的硬件設(shè)計上考慮到本控制系統(tǒng)的規(guī)模、特點結(jié)合生產(chǎn)線的工藝和控制要求選用了西門子公司S7 - 300 系列PLC，通過PROFIBUS總線實現(xiàn)PLC 與PLC和上位機之間的網(wǎng)絡(luò)通訊；在軟件設(shè)計上，采用西門子SIMATIC Safety組態(tài)和編程軟件STEP7，考慮到系統(tǒng)的工藝流程較為復(fù)雜，程序的編程量較大采用了模塊化的編程思想，將整個程序分解為若干個子程序和功能塊由主程序開始依次調(diào)用，這樣就方便了程序的編寫、修改和維護。

1.1 生產(chǎn)工藝

輪胎生產(chǎn)包括：密煉、擠出、壓延、胎圈成型、簾布裁斷、硫化等多個復(fù)雜的工序。每一個工序都包括非常復(fù)雜的工藝過程。

系統(tǒng)原理：在輪胎生產(chǎn)的過程中，輪胎制造工控主機在接收到工藝參數(shù)后，將信號傳給密煉機、擠出機、壓延機、胎圈成型機、簾布裁斷機、硫化機等機器的可編程控制器（PLC），各可編程控制器再將信號通過其輸出口傳出，使機器在系統(tǒng)控制下執(zhí)行整個密煉、擠出、壓延、胎圈成型、簾布裁斷、硫化等過程，完成工作。在密煉周期中的每個階段，主電機的速度由工藝參數(shù)設(shè)定。在密煉過程中可編程控制器記錄一些工藝數(shù)據(jù)及設(shè)備是否完好的情況，并將密煉數(shù)據(jù)傳給PLC作為PLC控制密煉動作及密煉周期結(jié)束的依據(jù)。同時，系統(tǒng)根據(jù)密煉情況自動調(diào)整擠出機的速度并自動將壓輥和擠出機頭間的壓力調(diào)整到設(shè)定值，隨著料斗中膠料的增加，擠出機的速度也加快，機頭壓力增加，壓延機也會自動增加速度，使壓力保持在設(shè)定值，直到擠出機的速度增加到最大，壓延機速度最大。當(dāng)擠出機料斗的料位上升到上限時，擠出機會要求密煉機暫時停機，等料位下降到中位后，密煉機繼續(xù)工作。在膠部件準(zhǔn)備工序中，壓延機將輪胎所需骨架材料壓入橡膠中，并根據(jù)PLC主機預(yù)設(shè)定參數(shù)將橡膠壓制成一定形狀。在輪胎成型過程中，機器根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動完成定長、裁斷、同步貼合、整形等工序，這樣輪胎就基本成型了。為了加強輪胎的耐磨、抗軋能力，需要進行硫化以增強輪胎的強度。輪胎在進行硫化時的壓強和溫度的變化直接影響輪胎硫化的質(zhì)量，這就要求在輪胎進行硫化時，控制系統(tǒng)嚴格監(jiān)測和控制硫化的溫度和壓強使之按照預(yù)設(shè)值進行，并在溫度和壓強不足時，采取自動延時硫化的方法進行溫度和壓強的補償。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)以PLC和工控機為硬件基礎(chǔ)，以Setp7為開發(fā)平臺開發(fā)其數(shù)據(jù)通道，完成數(shù)據(jù)總線的軟硬件設(shè)計，從而將工業(yè)現(xiàn)場的各種需要采集的信號通過各種傳感器進行采集，然后輸入給現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點，在通過總線向上位機傳遞，上位機發(fā)送數(shù)據(jù)信息和控制命令，監(jiān)控節(jié)點根據(jù)控制命令對現(xiàn)場的執(zhí)行器進行控制操作。

系統(tǒng)功能：

控制密煉過程中的壓強、溫度、時間、功率等。

控制擠出的速度、壓力、料斗料位等。

控制壓延的形狀、速度、質(zhì)量等。

控制裁剪的長度、同步貼合等。

控制硫化的時間、溫度、壓強、質(zhì)量等。

可檢查斷線、保險跳閘、中線斷線等故障，并可檢測線電壓。

可對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行修改，進行數(shù)據(jù)熱備份。

可進行故障報警，并能輸出實時數(shù)據(jù)。

由于SIMATIC S7-300 能夠承受高電磁兼容性和強抗振動，沖擊性，使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性，所以本系統(tǒng)采用SIMATIC S7-300。

SIMATIC S7-300 PLC系統(tǒng)配置：

硬件： SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP；

伺服電機定位模塊：SIMATIC 6ES7 354；

繼電器輸出單元：SIMATIC 6ES7 322；

高速計數(shù)模塊：SIMATIC S7-300 6ES7 FM350；

電源模塊：SIMATIC S7-300 PS3075A；

接口模塊：IM153；

數(shù)字量輸入輸出模塊：SIMATIC 6ES7 321；

人機界面：TP170A；

通訊處理器：CP342-5。

PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化。PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三個兼容版本。其中PROFIBUS-DP是一種高速（數(shù)據(jù)傳輸速率9.6kbit/s～12Mbit/s）的經(jīng)濟的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，主要用于現(xiàn)場控制器與分散I/O之間的通信，可滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時間要求；PROFIBUS-PA采用IECII58-2標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率為31.25kbit/s，并提供本質(zhì)安全特性，適用于安全性要求較高以及由總線供電的場合；PROFIBUS-FMS主要解決車間級通信問題，完成中等傳輸速度的循環(huán)或非循環(huán)數(shù)據(jù)交換任務(wù)。

本生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式系統(tǒng)，將控制模塊安置在工業(yè)現(xiàn)場，通過總線傳輸數(shù)據(jù)，比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)更具有靈活性，同時可以節(jié)省大量的布線，以及降低成本。西門子SIMATIC S7—300集成了PROFIBUS分布式系統(tǒng)的組態(tài)功能?；赑ROFIBUS的分布式I/O可實現(xiàn)全集成自動化。通過組態(tài)可以方便地由PLC中獲取整個監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)及運行數(shù)據(jù)?？梢詫崟r監(jiān)測各個現(xiàn)場數(shù)據(jù)、報警狀態(tài)；顯示與打印測量數(shù)據(jù)等各種曲線及報表，并將數(shù)據(jù)存人實時數(shù)據(jù)庫中。

2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境為SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 編程軟件，用模塊式結(jié)構(gòu)程序方式編程，這樣既可增強程序的可讀性，方便調(diào)試和維護工作；又能使數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)統(tǒng)一?？蓪崿F(xiàn)整機的手動、自動、整線聯(lián)機等基本功能；程序內(nèi)置系統(tǒng)啟停周期和運行時間。主要實現(xiàn)以下功能：

（1）控制操作： 能對被控設(shè)備進行在線實時控制，如：啟停某一設(shè)備，調(diào)節(jié)某些模擬輸出量的大小，在線設(shè)置PLC的某些參數(shù)等。

（2）顯示功能：用圖形實時地顯示各現(xiàn)場被控設(shè)備的運行工況，以及各現(xiàn)場的狀態(tài)參數(shù)。

（3）數(shù)據(jù)管理：依據(jù)不同運行參數(shù)的變化快慢和重要程度，建立生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)庫，存儲生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)，供統(tǒng)計分析使用。利用實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比較和分析，得出一些有用的經(jīng)驗參數(shù)，有利于優(yōu)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)，并把一些必要的參數(shù)和結(jié)果顯示到實時畫面和報表中去。

（4）報警功能： 當(dāng)某一模擬量測量值超過給定范圍或某一開關(guān)量（如電機啟停、閥門開關(guān)）發(fā)生變位時，可根據(jù)不同的需要發(fā)出不同等級的報警。

（5）打印功能： 可以實現(xiàn)報表和圖形打印以及各種事件和報警實時打印。打印方式可分為：定時打印、事件觸發(fā)打印。

3、結(jié)束語

本控制系統(tǒng)充分利用了PLC、PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)等先進技術(shù)，系統(tǒng)采用分布式開放結(jié)構(gòu)，響應(yīng)速度快，組態(tài)靈活，控制功能完善，操作簡單規(guī)范。該套基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)安全可靠，故障率低，產(chǎn)品完全滿足高標(biāo)準(zhǔn)要求，具有較高的生產(chǎn)和管理自動化水平，提高了生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益。

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