轮胎硫化电气控制系统设计与制作.doc

1 绪论近年来，随着我国汽车工业的发展，与之处于同一产业链的轮胎工业也得到了相应的提高，但综观我国汽车轮胎配套的子午化率与国外发达国家还是有一定的差距，存在这种差距的原因有很多，其中最关键的原因之一就是生产设备的跟不上。在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起这愈来愈重要的作用，自动化水平也越来越高。轮胎硫化过程是轮胎制造过程中的一道重要工序，其硫化效果是影响轮胎质量的关键因数之一。随着我国制轮胎行业规模的不断发展，轮胎呈现出种类数目不断增多与剂型不断丰富的局面。尤其是轮胎硫化质量的不断提高，对轮胎硫化技术提出了更高的要求，特别是对轮胎硫化机提出了更新更高的要求。在当前各种多功能全自动硫化机逐渐进入各轮胎制造企业的情况下，人们有必要对国产轮胎硫化机的应用现状及发展作进一步探讨。1.1 我国轮胎硫化机的发展历程我国早期的轮胎硫化硫化工序主要是采用手工硫化，后来随着科学技术的发展，人们逐渐采用机械化硫化。我国最早使用的硫化机主要是从国外进口的，20 世纪70 年代中期，制轮胎厂就曾经进口过意大利硫化的全自动硫化机，但由于当时我国硫化材料的质量及硫化制作工艺等都达不到机器硫化的要求，使得全自动硫化机一直无法正常使用。所以，全自动硫化机在我国的应用一直无法得到广泛的推进，以致我国轮胎硫化在很长的一段时间内不得不放弃自动硫化机而采用手工操作，使硫化硫化效率极端低下。20 世纪80 年代后，相关技术水平获得了飞速发展，轮胎硫化材料的质量及硫化制作工艺等方面的技术有了明显的进步，全自动硫化机开始得到了应用与推广。也正是此时，轮胎硫化机改变了国外产品一统天下的局面，国产轮胎硫化机开始面市并获得了广泛的应用。汽车轮胎的硫化从50年代起推广应用了胶囊定型硫化机。硫化室内径在65以下的轮胎,即全部乘用车轮胎和轻型、中型卡车轮胎的硫化基本上都采用双模定型硫化机。65以上的则采用单模定型硫化机或硫化罐。 双模定型硫化机首先普遍应用的是机械式硫化机,采用曲柄齿轮连杆(或称四连杆)结构,机构原理简单。在合模瞬间就加上合模力,以较小的电机功率可获得较大的合模力。合模以后电机不再工作,而合模力可始终保持到重新开模。目前世界上所采用的机械式硫化机虽硫化厂家不同、规格型号各异,而且经过多年不断改进,但基本结构都一样,也都没有变化。 在机械式硫化推广应用的同时,也出现了液压式硫化机。但由于开始时液压式硫化机对机械式硫化机的优越性不很明显,而且当时液压技术还不很成熟,轮胎厂对液压式硫化机的维修保养还不很适应,因此在一段时间内液压式硫化机没有象机械式硫化机那样得到普遍推广。但随着汽车工业和轮胎工业的不断发展,对轮胎的均匀性提出了越来越高的要求,也对硫化机的工作精度提出了越来越高的要求,液压式硫化机的优越性就充分地显示出来了。同时液压技术也日趋成熟,维修保养也不再成为大问题。所以现在世界上主要轮胎公司已逐步采用液压式硫化机来代替传统的机械式硫化机。他们在建设新厂或对老厂进行技术改造时,已基本上采用液压式硫化机。液压式硫化机替代机械式硫化机已成为无可置疑的发展趋势。 机械式硫化机有其结构特点,但这种结构也同时带来了一些固有的弱点。 机械式硫化机的合模力是依靠各受力构件的弹性变形而获得的。在合模并加上合模力时,上横梁两端向下挠曲,底座两端向上挠曲,连杆被拉长且其两端向外挠曲,曲柄齿轮及连杆下端向外偏移,见图1。因此,即使是全新的硫化机,制造质量良好,没有磨损,在合模时这些挠曲变形都一定发生。硫化工位的轴线将偏离理论的垂直位置而被扭弯,而且这轴线从理论垂直位置到被扭弯位置每开合模一次就重复发生一次。也就是说,这轴线在开合模瞬间是带有角转运动的。 由于受力构件的挠曲变形,模具受到的合模力沿圆周方向不是均匀分布的,终是外侧的受力大于中间。有的硫化机制造厂针对这一问题采取了一些补救措施,例如在未合模时使曲柄齿轮下端预先内倾(曲柄齿轮轴向外下倾一微小角度),以及在上横梁上采用楔形填片等,这对某一特定规格的轮胎并在硫化机没有磨损时起到一定的补偿作用,但在变换轮胎规格时或硫化机零件有磨损时,这种补偿作用就大大降低。 此外,机械式硫化机的合模力是在曲柄销到达下死点瞬间由各受力构件的弹性变形量所决定的。而温度变化将使受力构件尺寸发生变化,合模力也将随之而变化。因此机械式硫化机的合模力对温度是比较敏感的。在投入使用前或停机一段时间重新开动时一定要预热。硫化过程中环境温度或工作温度的波动都将造成合模力的波动。1.2 国产轮胎硫化机的发展现状 我国轮胎生产量2006年已达4.33亿条,其中汽车轮胎2.8亿条,已超过美、欧、日,稳居世界首位。全国有大小500多家轮胎企业,生产汽车轮胎的工厂约200家,产量占到80%。尤其载重轮胎在汽车轮胎中的比例非常大,比发达国家多一倍以上,因而,轮胎硫化机的需求数量也相应要大12倍。另一方面,我国轮胎工业的技术装备水平较低,仍有1/3左右使用着硫化罐,急需更新换代为硫化机。目前硫化机的控制系统的核心主要是PLC，通过程控硫化机的动作和温度压力的控制，然而通常使用的PLC并不是属于安全产品，为了在可编程控制器或其它影响可编程控制器操作的外部因素引起异常时确保系统安全，外部电路中要设置安全措施，否则可能导致严重事故。 （1） 在外部控制电路中必须设有紧急停止电路、联锁电路、限位电路以及类似的安全措施。 （2） 在自诊断功能检测任何错误时或在执行严重故障报警（FALS）指令时，PLC输出会将所有的输出置OFF状态。为了保证系统的安全，必须设有外部安全措施。 （3） 由于输出继电器的卡死、烧坏或是输出晶体管的损坏，可编程控制器可能保持在ON或OFF状态。作为这个问题的防范措施，必须提供外部安全措施以保证系统安全。 （4） 在24V直流输出（可编程控制器的工作电源）超载或是短路时，电压可能下降并使输出变为OFF。为了保证系统的安全，必须设有外部安全措施，作为这个问题的防范措施。 针对硫化机合模时被挤压的危险，通常都会采用抬安全杠方法，或是站在控制柜前的人按紧急停止按钮。现在国内的硫化机都是采用PLC作为紧急停止的核心，当人为的抬安全杠或是按下紧急停止按钮时，向PLC内输入信号，在由PLC控制输出。但是PLC本身不是安全产品，PLC出错停止运行时或是出现上面所说的输出继电器卡死、烧坏或是输出晶体管的损坏时则有可能产生严重的后果。另外，安全杆上通常是采用两个普通的微动限位开关，开关极易损坏，只要疏忽检查，安全杠失灵成为一个安全隐患，这比PLC出错或是输出继电器烧坏更严重。1.3 轮胎硫化机的发展趋势1.3.1 更符合人机工程学人机工程学属于一种综合性的边缘学科，现已广泛地应用于产品设计中，使产品设计更注重人的因素，它的最终目的是达到“人产品环境”的和谐统一。那么轮胎硫化设备作为一种为了降低人的劳动强度的产品来说更应该考虑人的因素，且应该将这种观念贯穿于机械设计的每一个细节，如操作台面的高低、操作程序的合理化、操作界面的视觉效果（视疲劳的产生程度）、操作的安全性、维修的方便性、调整的方便性等。制轮胎厂家由于各种因素对轮胎更新换代比较频繁，那么一种型号的硫化设备就不能只用于一种产品的硫化。由于不同轮胎的态、特性，即使硫化工艺相同，也会涉及到模具不同、加料方式不同等问题。现今市场上的轮胎硫化设备兼容性较小，适用也不广泛，一般为一对一的硫化，既使可以包不同的轮胎，更换模具也不是很方便。如果把硫化工序相同或类似的硫化机械做成一种或几种标准设备，需要更换的部位做成能独立运行的基本单元体，通过接口相连实现和主机的连机，使其和主机成为一个共同体（类似积木的形式，可以根据要求进行组合），在实际应用中根据自己的需要对基本单元体进行自行组合就行了。如果能实现这种设计，既方便操作者更换模具，又可以极大的减少浪费，同时增大了机器的灵活性和适用性。1.3.2 实现硫化自动化硫化自动化已成为一种必然的趋势，而且我们也正朝着这个方向努力。但现在的硫化自动化只能说是相对的，要实现真正的自动化我们的路还很长，会碰到诸如检测、自动调整等一系列问题。对形态各异、物理特性各不相同的轮胎在检测过程中所碰到的问题会更多，而检测之后数据的传输和处理，对控制系统的要求也不会就停留在当前的程度上。这需要电子行业和硫化行业的共同努力，需要医轮胎硫化机械能够将新的电子技术及时的应用到实践中来，需要两个行业的共同探索。有些制轮胎机械企业已经开始用伺服电机控制代替传统的传动系统，这种替代就是对传统框框的一种改革和突破。用伺服系统控制的传动系统即可以通过程序的编写来控制整个动作的同步问题，又可以消除传统传动系统容易形成积累误差的缺点，在调试的过程还可以对每个动作单独控制，也节省了调试所形成的浪费。在自动化的设计中我们强调“模块化”设计，将相关动作分解开来，由系统独立控制，并可方便地实现整体控制，实际上是增加了机械运行和调节的灵活性，提高了自动化。在对医疗硫化机械进行自动化上，我们对自动化定义越来越广，越来越细，研究的也越来越深，从一种机械自动化上升到整个硫化车间的自动化，从硫化的一部分工序到整个硫化过程，整条硫化线及整个车间的设计将成为一种必然的趋势。整体自动化硫化车间的设计，实际上是对轮胎硫化提供一套完整的硫化解决方案，是对自动化一种全新的飞跃，随着这种趋势的发展，工业也会加入其中，发挥它强大的功能。1.3.3 注重环保从绿色设计的角度看待硫化机械，我们需要改进的地方还很多。泡罩硫化采用的无边冲裁，就是成功的典型一例，它既是轮胎厂家的节约之举，也是社会资源的节约，同时还减少了环境污染。刚刚修订过的固体环境污染防治法草案,草案的实施对过度硫化问题提出了具体的限制，虽然仍不完善，但这说明国家已经将硫化所引起的环境问题提到日程上来了。据统计，硫化垃圾已经占到生活垃圾的30%，而这些垃圾绝大部分都是过度硫化。顺着这个思路思考一下医轮胎硫化机械的整体状况，就会发现我们距离“绿色硫化”有多远。我们应当遵守这样一条原则：减少一切可以避免的，一切废品都是浪费，都可能对环境造成污染。在这条原则的下，我们可以从结构、工艺组合及原材料等方面来考虑我们的硫化机械。1.3.4 程序的设计思路PLC的编程语言有梯形图语言；助记符语言；流程图（SFC）语言。本系统设计的思路是先弄清楚硫化机的工作过程，然后按硫化机工作要求画出整个系统的大概流程示意图，最后再使用梯形图语言编程序。系统流程见图1-1，详细程序梯形图见附录2。主电机开模开模极限机械手转入放置轮胎机械手转出主电机合模合模极限硫化结束主电机开模卸胎杆卸胎输送轮胎轮胎计数结束延时硫化要延时硫化?硫化 Y N图 1.1 硫化机工作流程图2 PLC原理介绍及设计思路介绍2.1 PLC发展历程可编程序控制器的英文为Programmable Controller，在二十世纪七十至八十年代一直简称为PC。由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。 1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。 在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，如表1，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占有一定的百分比。 国内PLC生产厂约三十家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，因此可以说PLC在我国未形成制造产业。作为原理、技术和工艺均无尖端技术难度的产品，只要努力，是能形成制造产业的。 在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。我国市场上流行的有如下几家PLC产品： 施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品； 罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等产品； 西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品； GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。 PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调查表明，PLC配套的机电一体化产品的比例42%，采用继电器、接触器控制尚有24%。所以说，需要应用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。 2.2 PLC 的应用现状自20世纪60年代中期以来PLC产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用, 尤其近20年来计算机和信息技术的飞速发展,不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格, 使PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足进步, 也使PLC的广泛应用成为可能。下面通过两组数据(引自工控网)说明PLC的应用现状。PLC 在冶金行业的市场将持续增加2003 年中国的工业出现了快速增长, 工业产值同比增长在12%以上, 而且中国的最大钢铁出口对象美国在2003 年下半年取消了钢铁附加税, 中国钢材对其出口也将迅速回升。这些有利因素刺激了中国冶金行业的投资。据调查, 中国冶金行业对设备的投资同比增长接近50%。冶金设备的大量增长带动了PLC在该行业的增长, 2003年PLC 在冶金行业的市场达到216亿元, 2004 年有望达到3亿元。PLC 在纺织行业的应用分析。在中国, PLC在纺织机械上的运用已经有17 年的历史了, 从最早的进口合成纤维硫化设备到目前的中小型纺机, PLC 无处不在。占各类纺织机械60%以上的织机平均每台带有一个小型的PLC, 主要用于检测、报警、速度控制和机器启停控制。纺机的比例在纺织机械中不到5% , 却用到更多的PLC, 单台纺纱机最多用到17台PLC, 主要是60个IO点以下的微型产品。梳棉机也用小型PLC 控制。其它各类纺织机械基本上都采用PLC控制, 只有一些相对简单的设备采用单片机或者其它控制方式。纺织机械的辅助设备也主要由PLC控制, 如循环水系统、空调系统、蒸气系统、废水处理系统、硫化线等。实际上PLC在中国的应用已分布到各行各业, 根据工控网的调查, 2003年中国控制类产品市场PLC的占有率已超过50% , 而且保持着10% 15%的发展速度。2.3 PLC 的发展前景现在, 虽然出现了性能更加优越的 DCS 和 FCS 控制系统, PLC 控制也终将会被先进的 FCS 控制所取代,但是目前以及今后相当长的一段时间, PLC 还会与 DCS 和 FCS 共存,这主要基于以下原因:(1) 现在企业的确正在朝着自动化、信息化、开放化的方向发展,但这并不意味着要将现有控制系统推倒重来。企业投入大量的人力和财力建立起来的 PLC 控制系统已经成型,如果要完全推翻再建立新的 DCS 或 FCS 控制系统,需要更大的资金投入,将造成很大的浪费。(2) 基于以上市场需求,许多软件厂商(例如: 华富惠通软件公司) 正在考虑如何利用企业已经成型的控制系统及新建的厂级网络,开发控制系统软件,帮助企业实现工厂自动化、信息化,为企业提供控制系统与管理网络的集成。(3) 目前, PLC 的功能增强、结构优化, IO 模块趋向分散化、智能化,编程工具和编程语言更具标准化和高级化。(4) PLC 的联网通信能力增强, 向高速度、多层次、大信息量、高可靠性及开放式的通信发展。(5) 现在的 PLC 系统与 DCS 技术、现场总线IO技术相结合,结构开放、扩展方便、技术先进、价格低廉。由以上分析可以预见,未来 PLC 将朝着多功能化、集成化、智能化、标准化、开放化的方向发展,故 PLC 虽然面临其它自动化控制系统的挑战,但同时也在吸收它们的优点, 互相融合,不断创新,在今后一段时间内将与其它先进控制方式并存,共同发展。2.4 CPU的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。2.4.1 CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2.4.2 I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。2.4.3 电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。2.4.4 PLC系统的其它设备编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。2.4.5 PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送硫化和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。2.5 机型的选择2.5.1 PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。2.5.2 输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。2.5.3 电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。2.5.4 存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。3 系统的设计可编程控制器（Programmable Logical Controller）是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置，由于它具有功能强，可靠性高，配置灵活，使用方便以及体积小，重量轻等优点，使其在自动化控制的各个领域得到了广泛的应用。近年来由于微电子技术的发展和进步，使具有完全功能的超大规模集成电路的价格日趋便宜，同样也促进可编程控制器成本大大降低，对于采用可编程控制器来代替传统继电器接触器电气控制的系统来改造传统机床，无论从经济上，还是可靠性，维修性，工作寿命上来说，都是十分经济和划算的，也是可行的优选方案。鉴于以上原因，本文设计了一个基于PLC的轮胎自动硫化机。3.1 PLC的选取及介绍由于本文设计采用的机型是FX2-64MR可编程控制器，下面对它进行简单介绍。3.1.1 FX2-64MR可编程控制器（1）PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。（2）CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。（3）I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。（4）电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。3.2 AD模块FX2N-4AD（1）特点AD模块FX2N-4AD是三菱公司生产的特殊扩展模块，它用于将模拟量输入转化为数字量，并将数据传送到PLC，这样PLC就可以像处理开关量一样，同样方便地处理模拟量。其模块有如下几个特点： FX2N-4AD模拟特殊模块有四个输入通道。输入通道接收模拟信号并将其转换成数字量，这称为A/D转换。FX2N-4AD最大分辨率是12位。 基于电压或电流的输入/输出的选择通过用户配线来完成，可选用的模拟值范围是-10V到10VDC（分辨率：5mV），并且/或者4到20mA，-20到20mA（分辨率：20A）。 FX2N-4AD和FX2N主单元之间通过缓冲存储器交换数据，FX2N-4AD共有32个缓冲存储器（每个16位）。 FX2N-4AD占用FX2N扩展总线的8个点。这8个点可以分配成输入或输出。FX2N-4AD消耗FX2N主单元5V电源槽30mA的电流。（2）性能指标FX2N-4AD的性能技术指标如表3.1所示。表3.1 FX2N-4AD性能指标项目电压输入电流输入电压或电流输入的选择基于实际对端子的选择，一次可同时使用4个输入点模拟输入范围DC -10V到10V（输入阻抗：200K），注意：如果输入电压超过15V，单元会被损坏。DC -20mA到20mA（输入阻抗:250）,注意：如果输入电流超过32mA，单元会被损坏。数字输出12位的转换结果以16位二进制补码方式存储。最大值：+2047，最小值：-2048分辨率5mV（10V默认范围：1/2000）20A（20mA默认范围：1/1000）总体精度1%（对于-10V到10V的范围）1%（对于-20mA到20mA的范围）转换速度15ms/通道（常速），6ms/通道（高速）（3）缓冲寄存器（BFM）编号特殊功能模块FX2N-4AD的缓冲寄存器BFM，是FX2N-4AD同PLC基本单元进行数据通信的区域，这一缓冲寄存器由32个16位的寄存器组成，编号为BFM #0#31。FX2N-4AD模拟分配表如表3.2所示。表3.2 FX2N-4AD模块BFM分配表BFM内容*#0通道初始化 默认设定值=0000 *#1通道1平均取样次数 默认值=8*#2通道2*#3通道3*#4通道4#5通道1平均值#6通道2#7通道3#8通道4#9通道1当前值#10通道2#11通道3#12通道4#13#19不能使用*#20重置为默认设定值 默认设定值=H0000*#21禁止零点和增益调整 默认设定值=0，1（允许）*#22零点、增益调整b7b6b5b4b3b2b1b0G4O4G3O3G2O2G1O1*#23零点值 默认设定值=0*#24增益值 默认设定值=5000#25#28空置#29出错信息#30识别码K2010#31不能使用表中带*号的缓冲寄存器中的数据可由PLC通过TO指令改写。改写带*号的BFM的设定值即可改变FX2N-4AD模块的运行参数，调整其输入方式、输入增益和零点等。从指定的模块量输入模块读入数据前应先将设定值写入，否则按默认设定值执行。PLC用FROM指令可将不带*号的BFM内的数据读入。 在BFM #0中写入十六进制4位数字H使各通道初始化，最低位数字控制通道1，最高位控制通道4，各位数字的意义如下：=0：设定输入范围-10+10V=1：设定输入范围+4+20mA=2：设定输入范围-20+20mA=3：关闭该通道例如：BFM #0=H3310，则CH1：设定输入范围-10+10VCH2：设定输入范围+4+20mACH3、CH4：关闭该通道 输入的当前值送到BFM #9#12，输入的平均值送到BFM #5#8。 各通道平均值取样次数分别由BFM #1#4来指定。取样次数范围从14096，若设定值超过该数值范围时，按默认设定值8处理。 当BFM #20被置1时，整个FX2N-4AD的设定值均恢复到默认设定值。这是快速地擦除零点和增益的非默认设定值的方法。 若BFM #21的b1、b0分别置为（1，0），则增益和零点的设定值禁止改动。要改动零点和增益的设定值时必须令b1、b0的值分别为（0，1）。默认设定为（0，1）。 在BFM #23和BFM #24内的增益和零点设定值会被送到指定的输入通道的增益和零点寄存器中，需要调整的输入通道由BFM #22的G、O（增益、零点）位的状态来指定。例如：若BFM #22的G1、O1位置1，则BFM #23和#24的设定值即可送入通道1的增益和零点寄存器。各通道的增益和零点既可统一调整，也可独立调整。 BFM #23和#24中设定值以mV或A为单位，但受FX2N-4AD的分辨率影响，其实际响应以5mV/20A为步距。 BFM #30中存的是特殊功能模块识别码，PLC可用FROM指令读入。FX2N-4AD的识别码为K2010。用户在程序中可以方便地利用这一识别码在传送数据前先确认该特殊功能模块。 BFM #29中各位的状态是FX2N-4AD运行正常与否的信息。例如：b2为OFF时，表示DC24V电源正常，b2为ON时，则电源有故障。用FROM指令将其读入，即可作相应处理。3.2.1 文本显示器文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。3.3 总体结构设计：硫化系统PLC接线图示意图如图3.1所示。图 3.1 PLC控制接线图3.4 数码显示部分设计在PLC上有很多指示灯，可以观察PLC的CPU单元，I/O单元，特殊单元及通信单元的工作情况。但PLC的内部数据PLC本身无法显示。为此，要用PLC的外设如简易编程器，数据访问器，高档及低档人机界面等，可以通过PLC的外设口与PKC相连，用以显示与修改PLC的内部数据。但是这些设施价格较贵，而且使用不方便。此外，还可以使用输出点驱动数码管做数据显示，而且数码管还可以通过数据脉冲选通的方法显示数据，以节省输出点的使用。数码管显示分为动态显示和静态显示，为了接生I/O口，我们采用动态数码显示。接口如图3-5从图知，每个数码管都有4个8421二进制码输入端，每个管的这4个端又分别相连。8421端与PLC的4个半导体的输出点相接（继电器触点速度低，而且不适合经常通断，故不适于显示数据）.图中每个数码管分别有一个选通信号输入端，图3.2数码管显示图如StrobeA,StrobeB等。硬件设计成当选通信号有效时，8421端的当时数据有效；当选通信号无效时，8421端的原数据保持。有此硬件，用8个PLC的输出点，4个用于接8421端，4个用与接4个选通端，即可实现一个字的数据显示。计数显示梯形图如图3.3示。批子定位检测传感器仍然使用光电传感器，把定位光电传感器安装在下轮胎口正下方的偏右半个批底直径的距离，这样在批子挡住发射器发出的红外线时，批口中心刚好在下轮胎口正下方。当挡住红外线时，红外线接收机输出高电平，即PLC的I0.4口在输入的上升沿就是M2停止，M1转动的时候。图3.3 计数显示梯形图4 硫化机电机控制系统的设计4.1 硫化机电气控制的主要电气设备4.1.1 电机的选取经过查阅资料对比， Y系列电动机作为硫化机的主要起动电机。Y系列电动机适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的一般场所和无特殊要求的机械如:金属切削机床、泵、风机、运输机械、搅拌机、农业机械和食品机械等，由于电动机有较好的起动性能，因此也适用于某些对起动转矩有较高要求的机械，如压缩机等。 其功率范围：11-200KW电动机中心高H160-315。Y系列（IP44）电动机是我国统一设计的系列产品。具有体积小、重量轻、电气性能良好、经济指标先进等优点，而且结构牢固、使用方便，易于维修、是当前中国最先进的异步电动机、为农业及工矿企业广泛采用的电力拖动设备。表4.1 电机的型号参数：功率（千瓦）（KW）型号电流380V（A）转速转/分（r/min）效率%（n）功率因素（COS中）同步转速1500转/分(4极)50 Hz0.55Y801-41.51390730.762.462.30.75Y802-42.0139074.50.762.362.31.1Y90S-42.71400780.782.36.52.31.5Y90L-43.71400790.792.36.52.32.2Y100L1-45.01420810.822.27.02.33Y100L2-46.8142082.50.812.27.02.34Y112M-48.8144084.50.822.27.02.35.5Y132S-411.6144085.50.842.27.02.37.5Y132M-415.4144085.50.842.27.02.311Y160M-422.61460880.842.27.02.315Y160L-430.3146088.50.852.27.02.318.5Y180M-435.91470910.862.07.02.222Y180L-442.5147091.50.862.07.02.230Y200L-456.8147092.20.872.07.02.237Y225S-469.8148091.80.871.97.02.245Y225M-484.2148092.30.881.97.02.255Y250M-4102.5148092.60.882.07.02.275Y280S-4139.7148092.70.881.97.02.290Y280M-4164.3148093.50.891.97.02.2110Y315S-4201.9148093.50.891.86.82.2132Y315M-4139.71480940.891.86.82.2160Y315L1-4289148094.50.891.86.82.2200Y315L2-4361.3148094.50.891.86.82.2表4.2 DZ15系列塑料外壳式断路器主要技术参数型号壳架额定电流/A额定电压/V极数脱扣器额定电流/ADZ15-40/1DZ15-40/2DZ15-40/3DZ15-40/44022016.10.16.2025.32.40380234DZ15-63/1DZ15-63/2DZ15-63/3DZ15-63/463220110.16.2025.32.4050.63380234DZ15-100/3DZ15-100/41003803480.100根据本次毕业设计要求，设计一个60T双模硫化机控制系统。通过我上网查阅资料和在图书馆找资料得到的相关信息，参照上表一，我选择三相异步电动机作为硫化机的主要电机，其功率型号为：主电机：型号Y160M-4，额定功率=11KW，额定电流=22A，额定转速=1460r/min。机械手电机： 型号 Y112M-4，额定功率=4KW，额定电流=8.8A，额定转速=1440r/min。卸胎杆电机：型号Y100L1-4，额定功率=2.2KW，额定电流=5A，额定转速=1420r/min。输送带电机：型号Y100L2-4，额定功率=3KW，额定电流=6.8A，额定转速=1420r/min。4.1.2接触器的选择(1)选择接触器的类型： 根据电路中负载电流的种类选择。这里的控制系统中是交流负载，直流电动机或直流负载的容量较小，所以选用交流接触器来控制，但触点的额定电流应选得大一些。 (2)选择接触器主触头的额定电压应等于或大于负载的额定电压。 (3)选择接触器主触头的额定电流：被选用接触器主触头的额定电流应不小于负载电路的额定电流。也可根据所控制的电动机最大功率进行选择。 (4)根据控制电路要求确定吸引线圈工作电压和辅助触点容量如果控制线路比较简单，所用接触器的数量较少，则交流接触器线圈的额定电压一般直接选用380V或220V。综上所述，根据表二我选择的主要电机的热继电器及其接触器如下：开模合模电机： 接触器：CJ20-40.63 机械手电机： 接触器：CJ20-10 卸胎杆电机： 接触器：CJ20-10输送带电机： 接触器：CJ20-10主要电路接触器KM0选择CJ20-100.160。4.1.3 断路器低压断路器有DZ系列和DW系列等。DZ5系列为小电流系列，其额定电流为10