（机械电子工程专业论文）轮胎胶囊硫化机网络群控系统的研究.pdf

摘要 随着计算机网络技术的发展，工业控制向网络化分布式发展成为一种趋势， 组态软件网络功能的完善更加促进了工业自动化生产远程监控的进步。为提高轮 胎胶囊生产的自动化程度和管理信息化水平，本文以山东省教育厅项目“基于网 络的轮胎胶囊c a d 和成型控制系统( j 0 7 w j 0 8 ) 为依托，对轮胎胶囊硫化机网络 群控系统进行了研究和开发。 通过计算机和p l c 组成上、下位机控制系统，实现轮胎胶囊硫化机的网络群 控。计算机作为上位机，以组态软件w e b a c c e s s 为开发平台，可实现数据动态显 示、存储、查询、报警等功能；p l c 作为下位机，对硫化机工作过程进行控制。 基于模糊控制策略实现硫化机温度的控制，给出了模糊控制器的设计。系统界面 友好，与单机控制相比，群控系统可以提高生产效率，提高生产管理信息化水平。 关键词：轮胎胶囊硫化机；可编程控制器；群控； w e b a c c e s s 硕士研究生王新建( 机械电子工程) 指导教师邢建国教授 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e i o p m e n to ft h ec o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h ed i s t r i b u t e d n e t w o r ki n d u s t r i a lc o n t r o lb e c o m e sat r e n d t h ep r o m o t i o no fn e t w o r kf u n c t i o no f c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ec o n s u m m a t e st h er e m o t em o n i t o r i n go fi n d u s t r i a la u t o m a t i o r h i no r d e rt oi m p r o v et h ed e g r e eo fa u t o m a t i o na n d t h el e v e l o fm a n a g e m e n t i n f o r m a t i z a t i o n ，t h ep a p e rd or e s e a r c ho nt h et y r ec a p s u l ev u l c a n i z e rn e t w o r k g r o u pc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h et y r eb l a d d e rc a da n dm o i d i n gf o rn e t w o r k sw h i c h i ss u b s i d i z e db yt h ee d u c a t i o nd e p a r t m e n to fs h a n d o n gp r o v i n c e t h r o u g ht h ec o m p u t e ra n dp l cr e a li z et h et i r ec a p s u l ev u l c a n i z e rn e t w o r kg r o u p c o n t r 0 1 t h ec o m p u t e rw a st a k e na sh o s tc o m p u t e r w e b a c c e s sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e w a sa p p l l e da sd e v e l o p m e n tp l a t f o r m - h o s tc o m p u t e rc a nr e a l i z ed y n a m i cd i s p l a y o fd a t a ，s t o r a g e ，q u e r y ，s t a t i s t i c sa n do t h e rf u n c t i o n s ：p l cw a sa d o p t e da ss l a v e m a c h i n et oc o n t r o lv u l c a n i z e r t h et e m p e r a t u r eo fv u l c a n i z e rw a sc o n t r o l l e dw i t h f u z z yc o n t r o ls t r a t e g y a n dt h ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g y w a sg i v e n t h eg r o u pc o n t r o l s y s t e mh a sf r i e n d l yi n t e r f a c e c o m p a r e dw i t hs i n g l ec o n t r o ls y s t e m , t h es y s t e m 、c a ni m p r o v et h ec a p s u l eq u a l i t y ，p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y a n dt h e l e v e lo f a u t o m a t i o n k e y w o r d s ：t - y r ec a p s u l ev u l c a n i z e r ；p l c ；c o m p u t e rg r o u pc o n t r o l ：w e b a c c e s s g r a d u a t es t u d e n t ：w a n gx i n j i a n ( m e c h a n i c s & e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o x i n gj i a n g u o 青岛大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪论弟一早殖比 2 0 11 年全国机动车总保有量达2 1 7 亿辆，私家车保有量也己经超过7 2 0 0 万 辆，并且数量在逐年增长，因此对轮胎的需求量会越来越大，同时对轮胎的安全 性提出了更高的要求。轮胎胶囊是轮胎硫化生产的重要附件及消耗品，所以，对 它的数量及质量要求也越来越高。在轮胎的生产过程中，轮胎胶囊要经受反复的 膨胀和收缩、拉伸等变形，还要经受急剧的升温和冷却，其质量的好坏直接影响 到所生产轮胎的品质。轮胎胶囊的生产方式多为注射式生产，传统的轮胎胶囊硫 化机一般是采用单机控制，生产过程中需要对温度，压力，硫化时间等重要数据 进行记录，无论使用有纸记录仪，还是无纸记录仪，并且记录精度差，数据保存 困难；单机控制在修改系统工作参数时，需要电气维修人员通过p l c 手操器或者 通过笔记本电脑连接p l c 进行程序的修改，速度慢，而且容易出错。轮胎胶囊硫 化机仍然采用单机控制显示出其不足，在确保轮胎胶囊质量的前提下，如何提高 生产管理效率，提高生产过程的自动化程度，是轮胎胶囊制造业中需要解决的一 大问题。 基于w e b h c c e s s 组态软件和p l c 的轮胎胶囊硫化机的网络群控系统可以对硫 化机的运行状态远程监控，通过监控节点对各台硫化机的生产数据进行实时地数 据采集，掌控企业运作状态，使坐落在不同地区的企业各部门之间交流生产信息， 使出差在外的决策者及时了解生产情况，实现对生产现场的远程调度，指挥决策， 提高管理效率和管理水平，达到安全生产管理目的。同时硫化机网络群控系统中 还集成丰富的功能，包括生产管理、设备管理和人员管理；实现了生产信息无纸 化；硫化曲线实时监控，同时显示多台硫化机的温、压曲线信息；硫化生产信息、 设备状态信息后台采集、存储；硫化生产信息历史记录查询；通过人机交互界面， 操作员可以方便对生产过程进行控制，实现了技术信息管理的网络化，在很大程 度上提高了生产效率。 轮胎胶囊硫化机群控技术与传统的单独控制相比有着无可比拟的优越性，群 控技术的应用使得轮胎胶囊的生产效率都得到了很大的提高，同时也很大程度的 降低运行成本和能源消耗，群控技术是轮胎胶囊生产制造行业发展的要求和趋势， 对轮胎胶囊生产企业实现自动化管理以及网络化制造等方面具有重要的意义。 第一章绪论 1 2 轮胎胶囊硫化机的发展 1 2 1 轮胎胶囊模压成型硫化机u 1 模压成型法是将模具打开，把预成型或预定量的胶坯放入模中，然后由压机 ( 平板硫化机) 把模具压( 锁) 紧，硫化后取出橡胶制品。这种方法设备简单，初始 投资低，目前仍然在普遍使用。模压式胶囊硫化机是一从下向上的压力机，生产 时把环形胶料放在下模料槽内，是柱塞( 或活塞) 上升，下芯模与上芯模相遇一起 往上移动。此时上芯模液压缸同时往下加压，将上下芯模压紧。柱塞继续上升至 全部压合时，则胶料充满全部模腔并开始硫化。胶囊硫化结束后柱塞下降开模， 这时上芯模推动下芯模下降，上芯模及胶囊一起脱离上模。从上芯模的中心管道 向胶囊与上芯模之间通入压缩空气，使胶囊与上芯模脱开。上芯模上升与胶囊脱 离；柱塞下降到下限位置后，下芯模上升，把胶囊从下模中推出。 1 2 2 轮胎胶囊注射成型硫化机 国际上，一些制造商在7 0 年代开始橡胶注射机的研制开发，像法国的r e p 公 司从1 9 7 4 年开始把其业务集中在橡胶注射机的开发、制造和商品化上；美国h i e 公司1 9 7 1 年对橡胶注射机进行研究，1 9 7 6 年向客户提供实验室用小型产品，1 9 8 5 年向市场推出液压驱动、程序控制的橡胶注射硫化机。进入9 0 年代后，由于液 压技术的发展，推进了橡胶注射硫化机的开发，一次注射量大大提高，使轮胎硫化 胶囊用注射法生产成为现实。现在发达国家已经普及这种新式胶囊硫化机，并生 产出设备销售往发展中国家。晗， 2 0 世纪9 0 年代中期，国外的供应商多次到我国进行宣传、展览、推销轮胎 胶囊注射硫化机。除了美国h i e 公司与上海轮胎公司达成的一次合作之外，其 他收效甚微。这主要是由于当时我国轮胎行业出现不景气的状况所致。大部分轮 胎企业处于微利甚至亏损的状态，资金匮乏。不仅设备改造费用严重不足，而且 有些单位连基本的生产维持都困难。跨入2 l 世纪，随着国民经济的好转，橡胶轮 胎行业产品结构调整逐步到位，情况已在逐渐好转。1 近些年，国内加强与世界 拥有先进轮胎制造技术的企业交流，如法国米其林公司、美国固特异公司、日本 的普利司通公司，使我国的胶囊硫化机在工艺和设备等方面有了很大的进步。2 0 0 6 年，青岛科技大学还开发成功一种电动的一步法注射式硫化胶囊硫化机，把胶囊成 型与硫化合为一道工序，并实现了硫化机自动化。这种设备可以采用单工位、双 工位和多工位的形式，每次能硫化l 2 个甚至多个，既提高生产效率又提升了产 品质量，为节能降耗、省人省力、方便操作提供了一条新的途径。h 1 2 青岛大学硕士学位论文 1 3 轮胎胶囊硫化机的控制技术的发展现状 轮胎胶囊硫化机的控制系统是胶囊硫化机的重要组成部分，它的发展大概经 历了三个阶段。 第一阶段，胶囊硫化机的控制系统由定时器、继电器、时间继电器等部件组 成，并使用带有p i d 调节功能的三针记录仪完成外温，外压的控制。继电器耗电 大、失真大、控制精度低、不便于电路的集成化；三针记录仪是机械式结构，对 温度信号的采集是通过毛细管内液体根据热膨胀原理完成的，对压力信号的采集 是通过压力弹簧管的受压变形来完成的，测量误差大，动作反应慢，存在很大的 滞后性；p i d 调节器的参数调节采用机械螺杆由手工调节，没有精确的参数设定， 并且非常复杂；机械结构在使用一段时间后，经常出现螺杆位移造成比例失调的 现象，需要进行重新调整；硫化生产现场多为高温多尘的恶劣环境，经常会出现 记录笔笔尖堵塞的现象，造成原始记录缺项，直接影响轮胎胶囊的生产控制；另 外，三针记录仪在使用过程中需要及时的更换记录墨水和记录纸。晦 第二阶段，轮胎胶囊硫化机采用可编程控制器控制，随着可编程控制器技术 的发展，其在工业控制过程中使用越来越广泛，在橡胶行业工业设备的电气控制 中也越来越多地采用p l c ，并取得了很好的效果。胶囊硫化机控制系统采用p l c 控制具有可靠性高、功能强、抗干扰性能好，故障诊断能力强等优点。如美国的 n r m 公司采用p l c 作为控制器和可编程序终端显示器( 触摸屏) 作为显示屏的控制 方案，该机可以贮存几十种硫化工艺，界面比较完善并且易于操作，通过触摸方 式可以很方便的查询及修改硫化工艺。日本普利司通公司采用平板液晶显示电脑 ( p p c ) 代替原触摸屏和三针记录仪，除了具有原触摸屏功能外，还能把硫化的温度、 压力等各种参数存储在电脑的硬盘里，实现无纸记录，并能保存各种参数的历史 曲线以供查询；p l c 控制系统外扩模拟量输入输出模块，能实现硫化机压力、温 度的p i d 控制。旧 第三阶段，硫化机分布式控制系统，随着控制技术的发展，一些硫化机制造 厂商也开发出具有自主知识产权的群控系统，如桂林橡胶机厂开发的群控系统， 其原理是通过平板电脑连接各硫化机p l c ，通过路由器将平板机采集的数据传送 到上位机；青岛黄海橡胶在桂林橡胶厂群控系统的基础上做了一定的改进，采用 通信模块代替平板电脑，组成星形网络，每台硫化机单独与上位机通信。青岛软 控自主开发的一套拥有自主知识产权的硫化机网络群控系统，该系统实现了对硫 化机群的网络集中管理控制，对每个轮胎进行记录，将每个轮胎的生产数据存储 3 第一章绪论 起来，方便查询，同时可以将数据存储到网络数据库中，通过网络可实现生产数 据的远程查询。 桂林橡胶厂研发的g r ml i n k 硫化机群控系统在国内具有领先水平，该网络控 制系统由硬件和软件两大部分组成。该厂现已成功开发三种类型的g r ml i n k ，即 g r ml i n k l 0 、工业现场总线控制系统g r ml i n k 2 0 、以太网多机控制系统g r m l i n k 3 0 。g r ml i n k 系统采用了网络技术、p l c 技术、p p c 技术、p i d 技术等。 江永富哺1 等提出采用研华工控机作为操作控制上位机，通过r s - 4 8 5 总线与多 台温度控制器组成一个总线集散控制系统，对硫化车间3 6 台硫化机的温度、压力 数据采集控制。 游利灿1 提出一种基于w i n d o w sx p 环境下的新一代分散控制一集中管理式中 央监控系统，它集设备自动分散控制、集中监控、数据分析、数据管理于一体， 采用全图形界面、全中文人机界面，实现对多台设备的联网控制和集中监控管理。 该系统将分布于生产现场的1 8 0 台硫化机通过高速以太网络分别与6 个上位机现 场监控站连接，然后将个监控站点与中央计算机监控站连接，每个监控站在2 5 s 的时间内对所监控的3 0 台硫化机采集一次硫化全部实时数据并保存，同时监控站 向中央站传送该段数据，中央监控站可以随时对网内的任一机台下载硫化工艺参 数以控制硫化过程。 徐元昌吲等提出了用于多台塑料注塑机控制的群控系统方案，用p c 机作为 上位机并用其串行通讯口与下位机8 0 9 8 通讯控制塑机，从而实现了主机指挥监督 从机的功能。用计算机c 语言编写了p c 机操作界面作为人机接口，实现了塑机顺 序动作和温度、速度、压力等工艺参数的控制。 1 4 主要研究内容和章节安排 1 4 1 本文的主要研究内容 本论文是山东省教育厅项目“基于网络的轮胎胶囊c a d 和成型控制集成化系 统( j 0 7 w j 0 8 ) 的进一步深化研究，旨在开发基于研华a d v a n t e c hw e b a c c e s s 组 态软件和p l c 的胶囊硫化机的网络群控系统，以计算机作为整个控制系统的上位 机，p l c 作为下位机对轮胎胶囊硫化机进行控制。上位机的作用是通过组态软件 对管理的多台胶囊硫化机工作过程的参数进行采集、处理和显示。p l c 除完成硫 化机顺序动作过程控制，还通过温度、压力传感器来采集工作现场的温度和压力 值，采集来的温度和压力值带入到程序中进行运算，得出控制结果，对硫化机进 行控制，同时，温度和压力等参数通过上下位机通信，传送到上位机中，通过组 态监控界面进行显示。通过监控界面还可以是实现对硫化机动作的控制，对硫化 4 青岛大学硕士学位论文 参数进行设置，同时可以记录硫化机工作数据的实时趋势和历史趋势，对温度和 压力实现报警功能。监控界面中还包括手动操作界面，通过手动操作界面可以完 成对硫化机的手动控制。通过访问工程节点所在计算机的i p 地址，可以实现对硫 化机的远程监控。 论文的主要研究内容：争 ( 1 ) 综述轮胎胶囊硫化机网络群控系统的研究背景和意义，综合分析国内外 研究现状，给出本文的研究目的。 ( 2 ) 给出系统的整体控制方案，硬件的选型。 ( 3 ) 对轮胎胶囊硫化机网络群控系统下位机软件进行设计，建立轮胎胶囊硫 化机硫化过程中温度的模糊控制和压力的控制。 ( 4 ) 对轮胎胶囊硫化机网络群控系统上位机组态软件进行设计，包括工程的 建立及监控界面的设计，实现对轮胎胶囊硫化机硫化温度、压力等参数的设置、 实时监控、记录、报警、查询、打印以及实时趋势和历史趋势的显示等功能。 ( 5 ) 轮胎胶囊硫化机网络群控系统功能的实现。 1 4 2 本文的章节安排 本文的论文章节安排如下： 1 5 本章小结 本章首先介绍了本课题研究的意义，进而对轮胎胶囊硫化机及其控制技术的 发展进行了阐述，给出了本文的主要研究内容。 5 青岛大学硕士学位论文 第二章群控系统的总体方案设计 2 1 系统的功能分析 系统的设计对象是轮胎胶囊硫化机的群控系统，通过研华w e b a c c e s s 组态软 件对多台轮胎胶囊硫化机的工作数据进行采集和监控，将轮胎胶囊硫化机的工作 中的硫化温度、硫化压力、硫化时间等重要参数采集到计算机中，并在显示器上 实时显示采集的数据，能够实现以实时趋势、历史趋势的记录，温度、压力报警 等功能。工程师可以通过人机交互界对生产过程中的数据进行监控，高效地对硫 化机群进行管理。整个系统采用上位机和下位机结构，w e b a c c e s s 组态软件作为 上位机的主控软件，对下位机进行统筹管理，下位机采用p l c 作为轮胎胶囊硫化 机的控制器件，通过对p l c 进行编程，完成硫化机工作过程的控制。本群控系统 所要达到的目的是集中、高效的管理整个生产过程以及硫化设备，将整个车间里 所有硫化设备和生产过程纳入统一管理。 在群控系统中，轮胎胶囊硫化机的单机控制具有相对的独立性，每台轮胎胶 囊硫化机分别通过单独的p l c 进行控制，这样即使在上位机出现故障的情况下， 各单机也能正常运行。在轮胎胶囊硫化生产过程中，通过电热丝加热，达到所需 的硫化温度，电热丝在工作过程中具有很强的非线性特性，若采用常规的p i d 控 制，p i d 参数将难以整定。所以，本系统采用模糊控制方法解决轮胎胶囊硫化过 程中温度控制的问题。 系统中的输入、输出点的名称和功能分别如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 输入点名称和功能表 输入点 功能 上芯模上升启动 控制上芯模上升的开关信号 上芯模下降启动 控制上芯模下降的开关信号 下模上升启动 控制下模上升的开关信号 下模下降启动 控制下模下降的开关信号 下芯模上升启动 控制下芯模上升的开关信号 下芯模下降启动 控制下芯模下降的开关信号 上芯模上升限位开关 在开模的过程中上芯模的开关量控制信号 上芯模下降限位开关 在合模的过程中上芯模的开关量控制信号 下芯模上升限位开关 在开模的过程中下芯模的开关量控制信号 下芯模下降限位开关 在合模的过程中下芯模的开关量控制信号 第二章群控系统的总体方案设计 硫化完成，将轮胎胶囊吹出的过程中，下芯模上升 下芯模上升限位开关1 到预定位置，限位开关发出控制信号 下模上升限位开关 在合模的过程中下模的开关量控制信号 下模下降限位开关 在开模的过程中下模的开关量控制信号 温度传感器 通过温度传感器采集来的模拟量信号 压力传感器 通过压力传感器采集来的模拟量信号 注射上升限位开关 控制注射装置在预定位置停止的输入信号 注射下降限位开关 注射装置下降到底部时与注射口对接输入信号 送料限位开关等信号 控制送料机构运动到指定位置的信号 表2 2 输出点名称和功能表 输出点功能 送料电机送料电机输出信号，制螺栓挤压电机工作，完成送料 上芯模上升上芯模上升合模信号 下模上升下模上升合模信号 ，下芯模上升下芯模上升合模信号 上芯模下降上芯模下降开模信号 下模下降下模下降开模信号 下芯模下降下芯模下降开模信号 注射装置上升注射装置的上升和下降控制信号 注射装置下降注射装置的下降控制信号 注射注射装置注射胶料控制信号 排气模具抽真空控制信号 增压胶料注射完成后，模具进行增压信号 加热 控制电加热丝加热信号 减压模具泄压控制信号 监控系统实现的功能： 1 ) 用户可以通过本地客户端直接对现场设备工作状态进行监控，同时远程 客户端可以通过i n t e r n e t i n t r a n e t 实现远程监控； 2 ) 对硫化温度、压力工作参数实现高、低温报警和高、低压报警，以及实 时趋势、历史趋势、报表、数据的储存等功能。 8 青岛大学硕士学位论文 2 2 系统的设计原理 为实现上述功能，设计了一闭环控制系统。通过温度传感器和压力传感器测 得轮胎胶囊硫化机在工作过程中的硫化温度和压力，并传送给下位机p l c ，通过 p l c 实现温度和压力的控制。温度采用模糊控制，将采集进来的精确温度数值进 行模糊化处理后，查询模糊控制查询表，得出控制结果并输出，控制硫化温度的 变化。上位机通过m o d b u s 协议与p l c 进行通讯，实现对现场数据的采集和对下位 机p l c 的控制。下位机具有独立的控制程序，可以脱离上位机对轮胎胶囊硫化机 进行独立地控制，所以，即使上位机出现故障也不会影响到轮胎胶囊硫化机的正 常生产，只不过相应的生产数据不会被记录下来。远程客户端通过i n t e r n e t 连接 到工程节点的i p 地址，可以实现工程的远程访问和管理。 2 3 监控系统的网络构架 监控系统上位机组态软件由工程节点，监控节点，客户端组成，其中客户端 包括本地客户端和远程客户端。工程节点以a s p 原理工作，是一个集中的中央 a c c e s s 数据库和w e b 服务器，担当工程管理员的作用，实现系统的设置和存储系 统的数据，为监控节点和客户端提供初始连接，通过下载将编辑结果传送给监控 节点，客户端通过访问工程节点，实现对现场设备的监控。监控节点向上连接工 程节点和客户端，向下连接下位机p l c ，通过与p l c 的通信，完成实时的数据、 报表和趋势的记录，报警等，同时通过网络监控节点将采集的数据传送给工程节 点和客户端。客户端是以i e 浏览器为基础的客户端计算机程序，以t c p i p 协议 访问i n t e r n e t 或i n t r a n e t 和监控节点的计算机进行连接。隋1 网络构架图如图2 1 所示。 由于w e b a c c e s s 的客户端软件是基于i e 浏览器的，所以本系统可以在任何一 台装有i e 浏览器的计算机上，通过访问监控节点所在的计算机i p 地址，实现远 程监控。通过监控节点与下位机的实时通信，将下位机数据实时的显示在监控节 点、本地客户端或远程客户端的监控画面上，并且能够完成报警、实时趋势、历 史趋势的显示，同时监控节点的控制信号或者工程管理员通过本地客户端、远程 客户端发出的控制信号可以通过网络传送给下位机，实现对下位机的远程操作和 控制。 2 4 群控系统硬件选型 9 第二章群控系统的总体方案设计 2 4 1上位机 w e b a c c e s s 组态软件对硬件的最低要求如下：采用奔腾、赛扬或a t h l o n 处 理器，推荐使用s c s i 硬盘，要求具有固定的网络地址，显示分辨率为1 0 2 4 x 7 6 8 或更高；对软件的要求如下：操作系统为w i n d o w s 2 0 0 0 、x p 或者w i n 7 系统，安装 了i i s 服务及a s p 和a c t i v e 控件，支持虚拟专用网络( v p n ) ，提供安全密码与快 速传输，w e b 浏览器为i e 6 0 或更高版本，在浏览器安全等级中设置为中等。n 上述配置对于现在主流配置的计算机均可满足其要求，本系统工程节点和监 控节点同时安装在一台计算机上，计算机的配置为i n t e l 酷睿处理器，5 0 0 g 硬盘， 2 g 内存，操作系统为w i n 7 ，系统己安装i i s 服务及a s p 和a c t i v e 控件，屏幕分 辨率1 3 6 6 x 7 6 8 ，计算机设有固定的i p 地址，远程客户端通过该地址对工程进行 访问和管理。 图2 1 监控系统的网络构架图 2 4 2 下位机 下位机为p l c 的选型为三菱公司生产的f x 。系列p l c ，f 系列是f x 系列中 最先进的系列，f x 。一系列p l c 具有3 0 0 0 多点辅助寄存器、1 0 0 0 点状态、2 0 0 多点 定时器、8 0 0 0 多点1 6 位数据寄存器；同时，具有1 2 8 种功能指令，具有数学运 算、浮点运算、p i d 运算、脉冲输出、比较触点等功能。n 妇 1 0 青岛大学硕士学位论文 p l c 基本单元的选型：本系统使用的p l c 基本单元的型号为f x 孙- 1 2 8 m t ， f x 翻- 1 2 8 m t 为晶体管输出，输入、输出总点数为1 2 8 个，其中输入点数为6 4 个， 输出点数为6 4 个，可以满足本系统的需求。n 玎 扩展模块的选择：扩展模块包括a d 、d a 转换模块和通信模块。 a d 转换模块包括温度采集用的f x 。一4 a d - p t 特殊模块和用于压力数据采集用 的f x 铡- 4 a d 特殊模块；d a 转换模块选用的是f x 州- 4 d a 特殊模块，通信模块选用 的是f x 2 n - 4 8 5 p c i f 和f x 荆- 4 8 5 b d 。 f x 翻一4 a d _ p t 特殊模块，其为专门为p t - 1 0 0 铂温度传感器用的4 通道1 2 位模 拟量输入扩展模块，该模块将从温度传感器采集来的输入信号放大，并将数据转 换成1 2 位的可读数据，存储在主处理单元( m p u ) 中，读分辨率为0 2 0 3 c 。h 刁 f x 烈- 4 a d 特殊模块，具有四个输入通道，其作用是将模拟信号转化为数字信 号，最大分辨率是1 2 位，可以选择电压或电流量作为输入，电压的模拟量的范围 - 1 0 i o v d c ( 分辨率为5 m v ) ，电流范围为4 2 0 m a ( 分辨率为2 0 pa ) 。u 刁 f x 渊- 4 d a 特殊模块，具有四个输出通道，最大分辨率为1 2 位，输出的模拟量 范围可以是- 1 0 1 0 v d c ( 分辨率为5 m v ) ，或者是4 2 0 m a ( 分辨率为2 0 a ) ，每个通 道可以单独选择。u 副 通讯模块，系统中计算机和p l c 通过r s - 4 8 5 通信方式实现1 ：n 的通信，通 信模块选用为f x 2 n - 4 8 5 p c - i f 和f x 州- 4 8 5 b d ，通过f ) ( 2 一一4 8 5 p c i f 完成r s 一4 8 5 到 r s - 2 3 2 c 的通信转换，实现p l c 与计算机的通信，f x 。- 4 8 5 b d 实现p l c 的通信。通 信电缆使用屏蔽双绞线，电缆的特性为a w g 2 2 ，否则不能正常进行通讯，通过该 方式组成的通信网络，l 台计算机最多可与1 6 台p l c 实现通信。 2 5 系统的总体方案 系统采用计算机作为上位机，三菱f x 铡- 1 2 8 m t 作为下位机，通过通讯模块 f x 烈- 4 8 5 b d 和通讯转换模块f x ：h - 4 8 5 p c - i f 实现p l c 和计算机的串行通讯， f x 捌- 4 8 5 b 特殊模块实现p l c 的互联通信；f x ：。- 4 8 5 p c - i f 模块实现r s 一4 8 5 转换为 r s - 2 3 2 通信，实现p l c 与计算机的通信连接；温度传感器采集的电压、或电流信 号，通过f x 。一4 a d p t 特殊模块，转换为p l c 能够进行处理的数字信号，存储到 p l c 中，等待程序处理调用；温度传感器采集的电压、或电流信号，通过f x 。n - - 4 m 特殊模块，转换为p l c 能够进行处理的数字信号，存储到p l c 中，等待程序处理 调用；f x 2 。- 4 d a 特殊模块将p l c 内部的数字信号转化为模拟信号输出，控制相关 执行机构动作。系统的总体结构图如图2 2 所示。 第二章群控系统的总体方案设计 2 6 软件结构的设计 系统的软件设计包括上位机组态设计和下位机p l c 的程序设计两个方面。上 位机组态软件的设计提供一个人机交互的平台，通过用户监控界面，实现人机对 话，配合下位机实现对现场设备的控制，同时对下位机的数据进行采集及处理， 实现生产的统筹管理。下位机对输入、输出信号作出正确的响应，实现对生产过 程中硫化温度的模糊控制、压力控制以及其他硫化机动作，达到对轮胎胶囊硫化 机生产过程控制的目的。 l计算机l = r 之岁纠晰k 妙 残r 为b d段“_ 巧b d 工工丁t f x a r l 2 8 m t i ： c ：e r l 2 8 m t no 介。 气f 亍 e了t f x a a d llii f x , ”4 a d 靠4 黼 之岁竺 e om l o 善m 岁 f x s - 4 a i ) - p t 百了t 丁穰一匿 信信 _ 号号 号 r “嶙队 1 广t 丁 i 温度惜慝嚣压力传盛暑压力传感暑滠度惜感嚣 11 1r1r 气尹v ，7可r1 广 轮胎胶寞磕化机轮胎胶裹磕化机 图2 2 系统的总体结构图 2 6 1 上位机w e b a c c e s s 组态软件的设计 监控系统主要对硫化机在生产过程中的硫化温度、硫化压力、硫化时间等进 行监控，上位机组态软件需要对监控画面、实时趋势、历史趋势等进行设计。监 控系统的设计如下： 设计的基本步骤： ( 1 ) 建立新的工程，需要设置工程节点名称和工程节点i p ( 工程节点i p 即 为工控机的i p 地址) ，其他选择默认设置即可。 1 2 青岛大学硕士学位论文 ( 2 ) 添加监控节点，根据需要监控点的数量来添加监控节点的数量，并设置 个监控节点的参数，在监控节点中添加通讯端口，以实现与设备的通信，添加各 种点，报警以及实时趋势和历史趋势。 ( 3 ) 添加设备，该系统中下位机p l c 为三菱f x ：。系列p l c ，通过l o d b u s 协 议与上位机通信。完成设备的添加后，将下位机p l c 中的输入、输出点的添加到 工程中去，完成点的添加后，点击监控节点界面的下载，将工程下载到监控节点， 完成工程的建立。 ( 4 ) 设计监控画面，监控界面包括登录界面和控制操作界面。在登录界面输 入账户名和密码进入系统操作界面，控制操作界面又分为主界面、二级界面和手 动操作界面。主界面实时显示各轮胎胶囊硫化机的重要工作参数，包括当前硫化 温度和硫化压力的显示，以及状态报警，可以实现硫化温度和硫化压力的历史趋 势的显示；监控二级界用于显示对应轮胎胶囊硫化机的详细数据，包括预压压力 设定，预压时间设定，预热温度设定，硫化温度设定，硫化压力设定，硫化时间 设定，实时硫化温度、硫化压力，低温报警指示灯，高温报警指示灯，低压报警 指示灯，高压报警指示灯，实时趋势，历史趋势，报警记录、报表等功能，主界 面和二级界面之间可以自由切换，随时监控各硫化机的工作；手动操作界面参数 显示与二级界面基本相同，左侧为参数控制面板和实时显示面板，中间为手动操 作控制面板，右侧为轮胎胶囊硫化机工作过程的动画显示。 ( 5 ) 脚本的编写，为了实现系统的功能，需要编写相应的脚本，通过执行相 应的脚本文件来实现对应的功能，本系统选用t c l s c r i p t 脚本语言来进行脚本的 编写。 2 6 2 下位机p l c 程序的设计 除硫化机顺序动作控制程序，p l c 程序还包括以下几个子程序：硫化温度模 糊关系对照表查询子程序、硫化温度模糊规则查询子程序、硫化压力控制子程序。 利用梯形图语言对控制程序进行设计。 轮胎胶囊硫化机顺序动作控制是根据工艺流程自动地进行各个动作，控制系 统监测到硫化机的各工序到位，就接通相应的电路。应用p l c 进行工业控制过程 设计，通常涉及很多因素，本系统设计主要考虑以下原则：( 1 ) 完整性原则，车 需的设计要满足系统的控制要求；( 2 ) 可靠性原则，确保控制系统的可靠性；( 3 ) 经济性原则，力求控制系统简单、实用；( 4 ) 发展性原则，考虑到生产发展和工 艺改进的需要，在i o 接口、通信能力等方面留有余地。 1 3 第二章群控系统的总体方案设计 硫化温度模糊关系对照表查询子程序和硫化温度模糊控制子程序，对 f x 翱一4 a d - p t 特殊模块采集来的温度信号进行运算处理，在p l c 上实现硫化温度的 模糊控制。硫化温度模糊控制子程序的设计思路为：将模糊控制规则查询表、模 糊关系对照表的添加以及根据输入对上述两个表进行查询的功能，通过查询结果 经过解模糊运算，得出最终控制结果。 硫化压力控制子程序，通过f x 。s - 4 a d 特殊模块对压力传感器的数据进行采集， 并通过p l c 完成压力的控制。 2 7 小结 本章介绍了系统实现的功能，并对系统的功能进行了分析，给出了系统的设 计原理，接下来介绍了系统的网络架构，并对系统的硬件进行了选型，根据系统 需要实现的功能给出了系统的整体设计方案，最后介绍了系统软件的设计思想和 步骤。 1 4 青岛大学硕士学位论文 第三章下位机软件设计 下位机选用三菱f x 。s - 1 2 8 m tp l c ，其编程软件为三菱g x d e v e l o p e r ， g x d e v e l o p e r 的功能十分强大，集成了项目管理、程序键入、编译链接、模拟仿 真和程序调试等功能，为编程和调试提供了很大的方便。 在p l c 与计算机的通信中，计算机作为主站，p l c 作为从站，采用r s 一4 8 5 方 式通信，该种通讯方式最多可以连接1 6 台p l c ，在每台p l c 上都装有扩展模块 f x 翱- 4 8 5 - b d ，f x 剁- 4 8 5 - b d 通过f x 蜊- 4 8 5 p c - i f 与计算机连接，每台p l c 设有相应 的编号，即站号，计算机通过站号来区分不同的p l c ，通过站号选择要进行通信 的p l c 。 下位机的软件设计通过梯形图语言进行编写，各单机p l c 需要完成硫化机的 单机控制和通讯功能，而单机控制程序中的温度信号采集子程序、压力信号采集 子程序、硫化温度模糊控制子程序、硫化压力控制子程序、通讯子程序是控制程 序中的几个关键子程序，在本章中给出这些程序的设计方案。 3 1 硫化温度模糊控制子程序的设计 3 1 1 温度信号的采集 温度信号通过f x 。一4 a d p t 进行采集，f x 。厂4 a d p t 中的四个通道c h i c h 4 ，对 4 个p t l 0 0 传感器进行数据采集，通过编程取得c h l c h 4 通道中温度的平均温度 保存到p l c 的寄存器，再求出4 个温度值的平均值作为当前的温度值。 3 1 2 模糊控制技术概述 模糊控制是以模糊数学理论，即模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理等 作为理论基础，以传感器技术、计算机技术和自动控制理论作为技术基础的一种 新型自动控制理论和控制方法。模糊控制的对象一般有三个方面的特点。对象 模型不确定。具有非线性特性。对象具有复杂的任务和要求。u 驯 一般模糊控制系统的基本结构主要由模糊控制器、输入输出接口电路、广义 对象以及传感器系统( 或检测装置) 等四大部分组成，如图3 1 所示。u 引 模糊控制器也称为模糊逻辑控制器。一般模糊控制器的基本结构如图3 2 所 示，主要由模糊化、知识库、模糊推理和清晰化等四部分组成。n 朝 模糊集合与隶属函数是模糊控制中的两个重要概念，模糊集合是由普通集合 推广而来，普通集合a 的特征函数i j ( u ) 的值域为( o ，1 ) ，将普通集合的值域 第三章下位机软件设计 推广到 0 ，1 ，则称a 为模糊集合，l j 域叫做a 的隶属函数，i j ( u ) 表示隶属于 a 的程度。模糊子集是由隶属函数唯一确定的，u 一( u ) 的值越接近于1 表明u 隶属于a 的程度越大。隶属程度的思想是模糊数学的基本思想。n y 图3 1 模糊控制系统的基本结构 ：二l 檬煳化l：i 模糊推理卜叫 清晰化h 刊被控对象 _ 一 l- 7。 _o i o tt i i ： 知识库 l i _ - j 图3 2 模糊逻辑控制器的基本结构 3 1 3 模糊控制器的设计 轮胎胶囊硫化机在硫化过程中，硫化温度对轮胎胶囊质量的好坏起到很大的 作用，只有对硫化过程中的温度进行准确的控制，保证硫化温度在生产过程中保 持稳定，才能使生产出的产品具有更高的合格率。轮胎胶囊硫化机的温度控制是 指对轮胎胶囊在硫化过程中保温保压阶段的温度控制，轮胎胶囊硫化过程中的温 度控制在1 8 4 1 9 6 。c 之间，即可保证生产出合格的产品。本系统对硫化温度采用 模糊控制算法进行控制，模糊控制的关键在于模糊控制器的设计，本文的模糊控 制器的设计方法如下： 模糊控制器的设计步骤 1 ) 模糊控制器输入输出量的确定； 2 ) 输入、输出量的论域及参数的确定； 3 ) 模糊控制规则的确定； 4 ) 模糊控制规则查询表； 1 6 青岛大学硕士学位论文 模糊控制器的具体的设计过程如下： 1 模糊控制器的语言变量 本系统采用二维模糊控制器，所谓的二维模糊控制器是指模糊控制有两个输 入量一个输出的模糊控制器。采用温度偏差与温度偏差变化作为模糊控制器的输 入，输出量为电压的变化。二维模糊控制器模型如图3 3 所示。 模糊控制器 r 图3 3 二维模糊控制器 u 轮胎胶囊硫化机硫化过程中的温度t 通过温度传感器采集，经过模数转换模 块，存储到p l c 的寄存器中，通过p l c 的编程，求解出采样温度t ( i ) 与设定温度 标准值t o 之间的偏差，该偏差作为模糊控制器的一输入变量，输入语言变量为e ； 将偏差变化率作为模糊控制器的另一输入变量，输入语言变量为e c 。输出量为电 热丝电压的变化u ，输出语言变量定义为u 。温度偏差e 和偏差变化率e c 二者构 成模糊控制器的二维输入变量，u 是模糊控制器的一维输出变量，为电热丝时间 脉冲信号的导通时间的变化。 2 输入、输出变量模糊语言集以及论域选择。 1 ) 设输入温度偏差e 的基本论域为 - 6 0 ，+ 6 0 ( 把 一6 ，+ 6 扩大l o 倍，以提高系统的灵敏度) ，一般偏差所取的模糊集合论域为x ： - n ，- n + l ， 一l ，- o ，+ o ，+ l ，n 一1 ，n ) ，一般取n 的值为6 或7 ，本系统取n 为7 ，则温度偏差 e 的论域x 为 一6 ，一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，- i ，一0 ，+ 0 ，+ l ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ，+ 6 ) 。由于温度偏 差的变化不是模糊集合论域x 中的元素，需要通过量化因子进行论域变换，定义 温度偏差的量化因子k = 2 n ( e - 。一e i i n ) = 2 * 6 6 0 - ( - 6 0 ) = 1 2 1 2 0 = 1 1 0 。 温度偏差e 在基本论域上的模糊子集为： ( 正大、正中、正小、正零、负零、负小、负中、负大) 即 p b ，p m ，p s ，p z ，n z ，n s ，n m ，n b ) 。 之所以将零分为正零和负零，主要是为了提高系统的稳态精度。 根据生产过程中总结出的生产经验，确定在x 上用于描述模糊子集的隶属函 数，如图3 4 所示。 第三章下位机软件设计 一论 - 6- 5- - 3 、一2- 1 d o 1+ 2 + 了 5嵋 图3 4 温度偏差e 的隶属函数 根据温度偏差的隶属函数u ( x ) 建立温度偏差e 语言变量的赋值表。如表3 1 所示。 表3 1 温度偏差e 的模糊子集隶属度值表 潇巡 - 6- 5- 4- 32- 1- 0+ o+ 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6 掣 语言值、心 n b10 70 300000000000 n m00 510 70 30000000o0 n s000 3 0 710 50 0 0 0 00 00 n z 000000 510000 o0 0 p z 000o000l0 500000 p s 000000000 510 70 300 p m 0000000000 30 710 50 p b 0000o0000000 30 71 2 ) 设输入温度偏差变化e c 的基本论域为 一6 ，+ 6 ，温度偏差变化e c 的论域 y 为 一6 ，一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一1 ，0 ，+ 1 ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ，+ 6 ) ，温度偏差变化e c 的量化因 子k 。= 2 m ( e 。一e 。i 。) = 2 * 6 6 一( 一6 ) = l 。 温度偏差变化e c 在基本论域上的模糊子