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1、青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)1 前 言1.1 課題研究的背景和意義隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，國內(nèi)市場對(duì)車用橡膠制品的需求量迅速增加。“十五”期間，國內(nèi)汽車橡膠市場的年均增長率超過30%；與此同時(shí)，我國每年仍有50多億元的汽車橡膠制品（相當(dāng)于汽車橡膠行業(yè)年銷售額的20%）需要從國外進(jìn)口。這說明我國的汽車橡膠產(chǎn)業(yè)目前還滿足不了汽車工業(yè)發(fā)展的要求。從宏觀上看，未來幾年由于受到國際金融危機(jī)的影響，中國國民經(jīng)濟(jì)增長速度雖會(huì)有所放緩，但在國家實(shí)施一系列刺激經(jīng)濟(jì)增長措施的保證下，仍將保持較快的增長速度。根據(jù)國家高速公路發(fā)展規(guī)劃，到2020 年，全國公路總里程達(dá)到260 萬至300 萬公里，高速公路里

2、程達(dá)到7 萬公里以上。在中國汽車市場的拉動(dòng)下，2007 年，國內(nèi)汽車輪胎銷售3.3 億條，同比增長18%，其中子午胎2.3 億條，同比增長28%； 另一方面，輪胎子午化率提高帶來的升級(jí)換代需求也給輪胎企業(yè)的發(fā)展提供了空間。目前，內(nèi)外資企業(yè)都在國內(nèi)增加子午胎的生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)在2006 年的基礎(chǔ)上子午胎的產(chǎn)量每年保持10%的增長，到2010 年我國子午胎產(chǎn)量將達(dá)到5.3 億條，子午化率85%。綜上分析，輪胎橡膠行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r直接影響到橡膠機(jī)械行業(yè)的市場空間。輪胎橡膠行業(yè)特別是子午胎制造業(yè)的持續(xù)快速增長為橡膠機(jī)械行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好條件，使橡膠機(jī)械行業(yè)的市場容量保持穩(wěn)定增長。1.2課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)

3、狀硫化是輪胎制造的最后一道工序，而硫化機(jī)是影響輪胎質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備之一。 近年來，通過與世界輪胎巨頭的合作與交流，我國硫化機(jī)在精度、可靠性、穩(wěn)定性等方面均有了質(zhì)的飛躍，已達(dá)到世界先進(jìn)水平。目前，國產(chǎn)硫化機(jī)可完全取代進(jìn)口產(chǎn)品，不僅包攬了我國新建輪胎廠所需的所有硫化機(jī)，而且還大量出口日本、法國等發(fā)達(dá)國家，出口型號(hào)包括機(jī)械式和液壓式等10多個(gè)規(guī)格。如今，世界輪胎巨頭前“五強(qiáng)”已有“四強(qiáng)”使用我國生產(chǎn)的硫化機(jī)。但目前我國液壓硫化機(jī)的配套件仍主要依賴進(jìn)口的品牌產(chǎn)品，如液壓站、閥門、開關(guān)等大多采用進(jìn)口件，尤其是液壓站、液壓缸在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)將維持使用國外PARKER、VICK-ERS、REXROTH等品牌。對(duì)

4、機(jī)械式和液壓式這兩類硫化機(jī)在我國的生產(chǎn)、使用情況及各項(xiàng)精度作了介紹和比較。目前通過對(duì)機(jī)械式硫化機(jī)的改進(jìn)，基本可滿足我國對(duì)各類高等級(jí)輪胎的硫化要求。但是隨著輪胎子午化的提高，隨著國內(nèi)液壓元件達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn),液壓硫化機(jī)的成本下降，普遍使用液壓硫化機(jī)則是必然的趨勢，畢竟硫化高等級(jí)輪眙使用液壓硫化機(jī)為好。1.3 輪胎硫化機(jī)的發(fā)展前景瑪莉多米布羅斯基女士是美國阿克隆固特異公司的硫化課題組的一名負(fù)責(zé)人，她說，固特異所有的硫化機(jī)的外模使用蒸汽加熱，里面的花紋模使用一種蒸汽混合氣體加熱。她認(rèn)為雖然輪胎硫化技術(shù)已在相當(dāng)長的一段時(shí)期沒有什么變化，但是當(dāng)代的硫化機(jī)的質(zhì)量非常高。“雖然硫化技術(shù)在安全性能方面也進(jìn)行了改進(jìn)

5、，”她補(bǔ)充道，“但是，于其說硫化機(jī)發(fā)生根本的變化，不如說硫化機(jī)一直在不斷地改進(jìn)，使輪胎硫化效果又快又好。這主要得益于電子和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用?！苯陙恚ㄟ^與世界輪胎巨頭的合作與交流，我國硫化機(jī)在精度、可靠性、穩(wěn)定性等方面均有了質(zhì)的飛躍，目前，我國產(chǎn)的硫化機(jī)已可完全取代進(jìn)口產(chǎn)品，不僅包攬了國內(nèi)新建輪胎廠所需的所有硫化機(jī)，而且還大量出口日本、法國等發(fā)達(dá)國家，出口型號(hào)包括機(jī)械式和液壓式等l0有了質(zhì)的飛躍，目前，我國產(chǎn)的硫化機(jī)已可完全取代進(jìn)口產(chǎn)品，不僅包攬了國內(nèi)新建輪胎廠所需的所有硫化機(jī)，而且還大量出口日本、法國等發(fā)達(dá)國家，出口型號(hào)包括機(jī)械式和液壓式等l0多個(gè)規(guī)格。如今，世界輪胎巨頭前“五強(qiáng)”已有

6、“四強(qiáng)”使用我國生產(chǎn)的硫化機(jī)。2 輪胎硫化與硫化機(jī)的介紹2.1 硫化的介紹2.1.1 硫化的原理在高分子化學(xué)中，硫化（Vulcanization）指的是橡膠膠料通過生膠分子間交聯(lián)，生成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的硫化膠的過程。含有雙鍵的彈性體在工業(yè)上多采用硫或有機(jī)硫化合物來進(jìn)行硫化交聯(lián)，因此在橡膠工業(yè)中，硫化與交聯(lián)是同義詞。交聯(lián)的目的是為了使膠料具備高強(qiáng)度、高彈性、高耐磨、抗腐蝕等優(yōu)良性能，消除永久形變，使橡膠在變形之后，能迅速并完全地恢復(fù)原狀。因?yàn)樽钤绨l(fā)現(xiàn)的交聯(lián)劑是硫磺，故得名硫化。硫化”一詞有其歷史性，因最初的天然橡膠制品用硫磺作交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)而得名，隨著橡膠工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在可以用多種非硫磺交聯(lián)劑進(jìn)

7、行交聯(lián)。因此硫化的更科學(xué)的意義應(yīng)是“交聯(lián)”或“架橋”，即線性高分子通過交聯(lián)作用而形成的網(wǎng)狀高分子的工藝過程。從物性上即是塑性橡膠轉(zhuǎn)化為彈性橡膠或硬質(zhì)橡膠的過程。“硫化” 的含義不僅包含實(shí)際交聯(lián)的過程，還包括產(chǎn)生交聯(lián)的方法。2.1.2 硫化的條件影響硫化過程的主要因素是硫磺用量、硫化溫度及硫化時(shí)間。(1) 硫磺用量。其用量越大，硫化速度越快，可以達(dá)到的硫化程度也越高。硫磺在橡膠中的溶解度是有限的，過量的硫磺會(huì)由膠料表面析出，俗稱“噴硫”。為了減少噴硫現(xiàn)象，要求在盡可能低的溫度下，或者至少在硫磺的熔點(diǎn)以下加硫。根據(jù)橡膠制品的使用要求，硫磺在軟質(zhì)橡膠中的用量一般不超過3，在半硬質(zhì)膠中用量一般為20左

8、右，在硬質(zhì)膠中的用量可高達(dá)40以上。(2) 硫化溫度。若溫度高10，硫化時(shí)間約縮短一半。由于橡膠是不良導(dǎo)熱體，制品的硫化進(jìn)程由于其各部位溫度的差異而不同。為了保證比較均勻的硫化程度，厚橡膠制品一般采用逐步升溫、低溫長時(shí)間硫化。(3) 硫化時(shí)間。這是硫化工藝的重要環(huán)節(jié)。時(shí)間過短，硫化程度不足（亦稱欠硫）。時(shí)間過長，硫化程度過高（俗稱過硫）。只有適宜的硫化程度(俗稱正硫化)，才能保證最佳的綜合性能。2.1.3 硫化的過程通過膠料定伸強(qiáng)度的測量（或硫化儀）可以看到，整個(gè)硫化過程可分為硫化誘導(dǎo)，預(yù)硫，正硫化和過硫（對(duì)天然膠來說是硫化返原）四個(gè)階段。(1) 硫化誘導(dǎo)期硫化誘導(dǎo)期（焦燒時(shí)間）內(nèi)，交聯(lián)尚未開

9、始，膠料有很好的流動(dòng)性。這一階段決定了膠料的焦燒性及加工安全性。這一階段的終點(diǎn)，膠料開始交聯(lián)并喪失流動(dòng)性。硫化誘導(dǎo)期的長短除與生膠本身性質(zhì)有關(guān)，主要取決于所用助劑，如用遲延性促進(jìn)劑可以得到較長的焦燒時(shí)間，且有較高的加工安全性。(2) 預(yù)硫化階段硫化誘導(dǎo)期以后便是以一定速度進(jìn)行交聯(lián)的預(yù)硫化階段。預(yù)硫化期的交聯(lián)程度低，即使到后期硫化膠的扯斷強(qiáng)度，彈性也不能到達(dá)預(yù)想水平，但撕裂和動(dòng)態(tài)裂口的性能卻比相應(yīng)的正硫化好。(3) 正硫化階段到達(dá)正硫化階段后，硫化膠的各項(xiàng)物理性能分別達(dá)到或接近最佳點(diǎn)，或達(dá)到性能的綜全平衡。(4) 過硫化階段正硫化階段（硫化平坦區(qū)）之后，即為過硫階段，有兩種情況：天然膠出現(xiàn)“返原

10、”現(xiàn)象（定伸強(qiáng)度下降），大部分合成膠（除丁基膠外）定伸強(qiáng)度繼續(xù)增加。(5) 交聯(lián)現(xiàn)象與其影響對(duì)任何橡膠來說，硫化時(shí)不只是產(chǎn)生交聯(lián)，還由于熱及其它因素的作用產(chǎn)生產(chǎn)聯(lián)鏈和分子鏈的斷裂。這一現(xiàn)象貫穿整個(gè)硫化過程。在過硫階段，如果交聯(lián)仍占優(yōu)勢，橡膠就發(fā)硬，定伸強(qiáng)度繼續(xù)上升，反之，橡膠發(fā)軟，即出現(xiàn)返原2.2 硫化機(jī)工作原理硫化機(jī)在工作循環(huán)中，輪胎硫化需長時(shí)間保壓（主要是加力缸和中心缸的保壓），以確保輪胎質(zhì)量。保壓性能的好壞，直接影響到輪胎硫化的質(zhì)量，在設(shè)計(jì)時(shí)，擬定了兩種保壓方式。1. 用液控單向閥保壓。在油缸的進(jìn)油路上串聯(lián)一個(gè)液控單向閥，利用單向閥錐形閥座的密封性來實(shí)現(xiàn)保壓。它在200mpa壓力下，10

11、min內(nèi)壓力降不超過2mpa。2. 用蓄能器保壓。蓄能器與主缸相通，補(bǔ)償系統(tǒng)漏油，并且在蓄能器出口設(shè)單向節(jié)流閥，其作用是防止換向閥切換時(shí)，蓄能器突然泄壓而造成沖擊。采用蓄能器保壓24小時(shí)內(nèi)，壓力降不超過12bar。 2.3 輪胎硫化機(jī)的工藝概述2.3.1 硫化機(jī)的工藝流程硫化機(jī)的工藝流程主要有:裝胎、定型、合模、打內(nèi)壓、硫化(必要時(shí)延時(shí)硫化)、內(nèi)冷、外冷、開模、取胎、吹風(fēng)等過程,其控制系統(tǒng)核心部分是硫化過程控制和程序控制。2.3.2 傳統(tǒng)的等壓等溫輪胎硫化工藝目前輪胎制造過程中，硫化工藝大多數(shù)是采用傳統(tǒng)的等壓等溫輪胎硫化工藝。在硫化輪胎的膠囊內(nèi)通入一定溫度和壓力的介質(zhì)（如蒸汽或過熱水）、并持續(xù)

12、一定時(shí)間，再向硫化輪胎的膠囊內(nèi)通入過熱水，在整個(gè)正硫化過程中，過熱水保持一定的壓力和溫度不間斷地循環(huán)流動(dòng)，即正硫化過程中始終保持等壓等溫。這個(gè)過程需要消耗大量能源，輪胎硫化過程是輪胎生產(chǎn)中最大的能量消耗過程。實(shí)際上循環(huán)的過熱水的熱量被輪胎所吸收的只是一小部分，大量的熱水是無效地循環(huán)。同時(shí)傳統(tǒng)硫化工藝因正硫化時(shí)間長，易造成過硫。過硫使膠料的物理性能大幅度降低，影響輪胎質(zhì)量。 2.3.3 新型等壓變溫輪胎硫化工藝新型等壓變溫輪胎硫化工藝的主要原理是：硫化初始，在硫化輪胎的膠囊內(nèi)通入比一般常規(guī)硫化溫度高出15%25%的高溫蒸汽，保壓一段時(shí)間；再向膠囊內(nèi)通入過熱水，保持一定的溫度和壓力，短時(shí)間的循環(huán)；

13、之后，讓過熱水在膠囊內(nèi)停止循環(huán)，持續(xù)到硫化結(jié)束。此過程壓力不變，而溫度在硫化過程中下降，故稱為等壓變溫過程。該輪胎硫化工藝優(yōu)點(diǎn)為： 輪胎硫化時(shí)間縮短了5%10%，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)量，也提高設(shè)備利用率； 由于正硫化階段開始后再?zèng)]有熱量補(bǔ)充，有效的防止了過硫階段輪胎發(fā)生焦燒的現(xiàn)象，輪胎質(zhì)量明顯提高，所跑的里程數(shù)較等溫、等壓硫化工藝的輪胎提 高5%10%左右。大量減少了輪胎硫化過程中過熱水的循環(huán)時(shí)間，節(jié)約了加熱大量過熱水所需的能源，也節(jié)約了過熱水循環(huán)輸送過程中的能源,使輪胎硫化過程的能耗大大降低.2.4 輪胎硫化機(jī)的分類輪胎硫化機(jī)可分為單模定型輪胎硫化機(jī)、膠囊定型硫化機(jī)、雙模定型硫化機(jī)、液壓式輪胎硫化

14、機(jī)以及機(jī)械式輪胎硫化機(jī)。汽車輪胎的硫化從50年代起推廣應(yīng)用了膠囊定型硫化機(jī)。硫化室內(nèi)徑在65以下的輪胎,即全部乘用車輪胎和輕型、中型卡車輪胎的硫化基本上都采用雙模定型硫化機(jī)。65以上的則采用單模定型硫化機(jī)或硫化罐。雙模定型硫化機(jī)首先普遍應(yīng)用的是機(jī)械式硫化機(jī),采用曲柄齒輪連桿(或稱四連桿)結(jié)構(gòu),機(jī)構(gòu)原理簡單。在合模瞬間就加上合模力,以較小的電機(jī)功率可獲得較大的合模力。合模以后電機(jī)不再工作,而合模力可始終保持到重新開模。目前世界上所采用的機(jī)械式硫化機(jī)雖生產(chǎn)廠家不同、規(guī)格型號(hào)各異,而且經(jīng)過多年不斷改進(jìn),但基本結(jié)構(gòu)都一樣,也都沒有變化。在機(jī)械式硫化推廣應(yīng)用的同時(shí),也出現(xiàn)了液壓式硫化機(jī)。但由于開始時(shí)液壓

15、式硫化機(jī)對(duì)機(jī)械式硫化機(jī)的優(yōu)越性不很明顯,而且當(dāng)時(shí)液壓技術(shù)還不很成熟,輪胎廠對(duì)液壓式硫化機(jī)的維修保養(yǎng)還不很適應(yīng),因此在一段時(shí)間內(nèi)液壓式硫化機(jī)沒有象機(jī)械式硫化機(jī)那樣得到普遍推廣。但隨著汽車工業(yè)和輪胎工業(yè)的不斷發(fā)展,對(duì)輪胎的均勻性提出了越來越高的要求,也對(duì)硫化機(jī)的工作精度提出了越來越高的要求,液壓式硫化機(jī)的優(yōu)越性就充分地顯示出來了。同時(shí)液壓技術(shù)也日趨成熟,維修保養(yǎng)也不再成為大問題。所以現(xiàn)在世界上主要輪胎公司已逐步采用液壓式硫化機(jī)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式硫化機(jī)。他們?cè)诮ㄔO(shè)新廠或?qū)蠌S進(jìn)行技術(shù)改造時(shí),已基本上采用液壓式硫化機(jī)。液壓式硫化機(jī)替代機(jī)械式硫化機(jī)已成為無可置疑的發(fā)展趨勢。2.5 輪胎硫化機(jī)結(jié)構(gòu)組成2.

16、5.1 總體結(jié)構(gòu)(l)機(jī)體為固定的框架,結(jié)構(gòu)緊湊,剛性良好,安裝運(yùn)輸方便。(2)開合模時(shí)上模部分只有垂直上下運(yùn)動(dòng),靠前后和左右滾輪在導(dǎo)軌上滾動(dòng)。滾輪帶有偏心套,對(duì)中度可精確調(diào)整。滾輪與導(dǎo)軌之間基本上沒有間隙,可保持很高的對(duì)中精度和重復(fù)精度。(3)雖然液壓式硫化機(jī)也是雙模腔的,但從受力角度看,只是兩臺(tái)單模硫化機(jī)連結(jié)在一起。合模力依靠液壓缸加在模具中心的力和二側(cè)框架對(duì)稱的彈性伸長而獲得,模具圓周方向受力均勻。在整個(gè)操作過程中硫化工位軸線能始終保持理論垂直,沒有角轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(4)由于合模力決定于合模油缸油壓,不受環(huán)境溫度或工作溫度影響,可保持恒定的合模力。(5)運(yùn)動(dòng)零件動(dòng)作時(shí)其滑動(dòng)表面或滾動(dòng)表面沒有法

17、向負(fù)荷,磨損極小,可保持長時(shí)間的操作精度。(6)由于改進(jìn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)和隔熱層的設(shè)計(jì),輻射熱損耗比機(jī)械式硫化機(jī)降低3050%。(7)由于開合模動(dòng)作簡化,開合模時(shí)間縮短30%左右,提高了機(jī)器的生產(chǎn)率。(8)因?yàn)闆]有上模的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),對(duì)保持活絡(luò)模的精度和延長其使用壽命有利。(9)由于取消了全部蝸輪減速器、大小齒輪、曲柄齒輪和大連桿等運(yùn)動(dòng)件和易損件,維護(hù)保養(yǎng)工作量減少。(10)由于整機(jī)重量減輕,且機(jī)器在開合模時(shí)重心軸線不偏移,機(jī)器的基礎(chǔ)處理可大大簡化。(11)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)精度提高,可達(dá)到:上下熱板同心度0.3mmTIR上下熱板平行度0.3mm/m裝胎器對(duì)下熱板的同心度0.3mmTIR裝胎器對(duì)下熱板的平行度0

18、.5mm/m卸胎器對(duì)下熱板的同心度1mmTIR卸胎器對(duì)后充氣環(huán)的同心度1mmTIR上述精度是機(jī)械式硫化機(jī)很難達(dá)到的,特別是重復(fù)精度難以保證。當(dāng)生產(chǎn)H級(jí)或V級(jí)輪胎時(shí),要想得到高的一級(jí)品率,機(jī)械式硫化機(jī)已很難勝任。2.5.2 膠囊操作結(jié)構(gòu)(中心機(jī)構(gòu))傳統(tǒng)的中心機(jī)構(gòu)主要有三種型式,即原美國NRM公司開發(fā)的Autoform(我國簡稱為A型),美國McNei1公司開發(fā)的Bag-O-Matic型(我國簡稱為B型),和德國Herbert公司開發(fā)的AUB0型(我國簡稱為AB型或C型)。其他型式可以說都是這三種基本型的改型。現(xiàn)三菱重工采用的中心機(jī)構(gòu)稱為RIB(RollingInBladder)翻入膠囊型,這是在

19、A型的基礎(chǔ)上吸收了其他型式的優(yōu)點(diǎn)而開發(fā)的,且RIB型本身也在不斷改進(jìn)。在固定的中心機(jī)構(gòu)筒體內(nèi)裝有一升降囊井,由二個(gè)垂直油缸操縱上下運(yùn)動(dòng)。輪胎下鋼圈固定在此囊井頂部。囊井上升時(shí)將硫化好的輪胎頂出。膠囊下夾環(huán)高度可通過一專用電機(jī)及一套鏈輪鏈條裝置調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同尺寸的輪胎。中心機(jī)構(gòu)下部為一橫梁,由二個(gè)垂直氣缸操縱橫梁上下運(yùn)動(dòng)。膠囊上夾環(huán)操縱油缸及更換膠囊的油缸固定在此橫梁上。膠囊上夾環(huán)除了隨橫梁上下運(yùn)動(dòng)外,還可由它自己的油缸操縱上下運(yùn)動(dòng)。橫梁運(yùn)動(dòng)共有三個(gè)位置。中間位置為硫化位置。硫化時(shí)由二個(gè)水平閉鎖氣缸將橫梁運(yùn)動(dòng)鎖住,硫化結(jié)束后橫梁上升到最高位置,然后閉鎖氣缸松鎖。卸胎時(shí)橫梁在最低位置,膠囊收縮在囊

20、井內(nèi)。需更換膠囊或調(diào)節(jié)下夾環(huán)高度時(shí)可將橫梁提到最高位置。此時(shí)如啟動(dòng)更換膠囊操作泊缸,下夾環(huán)松開,即可更換膠囊,換好后再重新壓緊。2.5.3 裝胎器除了A型硫化機(jī)采用平移式的裝胎機(jī)構(gòu)外,其他均采用搖臂式裝胎機(jī)構(gòu)。PC-X硫化機(jī)的裝胎機(jī)構(gòu)也屬搖臂式,但有其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。其裝胎器在回轉(zhuǎn)時(shí)由二個(gè)回轉(zhuǎn)中心而不是由一個(gè)回轉(zhuǎn)中心控制。這使裝胎定位依靠一個(gè)三角形珩架ABC,而不是依靠一單梁。有效地增加了定位剛性,保證定位精度。2.5.4 合模力的獲得液壓式硫化機(jī)合模力的獲得完全來源于油的壓力。一般均用較低壓力、較快速度、較長行程的油缸控制開合模。合模以后用一定的方式(插銷、鎖環(huán)、或鎖緊塊)將上下模部分鎖住,組成一

21、個(gè)閉環(huán)受力系統(tǒng),然后再用高壓、短行程的油缸使上下模受到合模力。2.5.5 卸胎器和后充氣裝置卸胎器抓起輪胎后直接送到后充氣工位或卸胎工位,動(dòng)作簡單可靠并定位準(zhǔn)確。在后充氣裝置上輪胎處于完全水平位置,有利于輪胎的均勻冷卻。2.5.6 活絡(luò)模操作油缸操作油缸與活絡(luò)模的嚙合與脫開利用一手柄轉(zhuǎn)動(dòng)一鎖環(huán)裝置完成。簡單易行。2.5.7 電氣控制系統(tǒng)硫化機(jī)的控制系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)編碼器垂直升降定位控制系統(tǒng)、MAC-5000程序控制系統(tǒng)、儀表顯示控制系統(tǒng)等組成。3 PLC的介紹與西門子PLC的選擇3.1 PLC 的定義PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller，是

22、指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會(huì)（International Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。3.2 PLC的特點(diǎn)(1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC

23、由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時(shí)間高達(dá)30萬小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。(2) 配套齊

24、全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。(3) 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指

25、令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。(4) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。(5) 體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。3.3 PLC 的分類3.3.1 按性能

26、分類根據(jù)PLC的lO點(diǎn)數(shù) 用戶程序存儲(chǔ)器容量和控制功能的不同，可將其分為小型，中型和大型三類。(1) 小型PLC小型PLC又稱低檔PLC，它的lO點(diǎn)數(shù)小于128點(diǎn)，用戶程序存儲(chǔ)器容量小于41(字，功能簡單， 開關(guān)量控制為主，可實(shí)現(xiàn)零件控制、順序控制、定時(shí)記數(shù)控制。適用于單胡或小規(guī)模生產(chǎn)過程。(2) 中型PLC中型PLC又稱中檔PLC，它的10點(diǎn)數(shù)在128-512 之間，用戶程序存儲(chǔ)器容量為4K-SK字，功能比較豐富、兼有開關(guān)量和模擬量的控制自B力，具有浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算 數(shù)制轉(zhuǎn)換、中斷控制 通信聯(lián)阿和PID調(diào)節(jié)等功能。適用于小型連續(xù)生產(chǎn)過程的復(fù)雜邏輯控制和閉環(huán)過程控制。(3) 大型PLC大型PLC又稱

27、高檔PLC，它的UO點(diǎn)數(shù)在512點(diǎn)以上，用戶程序存儲(chǔ)器容量達(dá)到8K字盥上，控制功能完善，在中 的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大和增加了函數(shù)運(yùn)算 數(shù)據(jù)牽 監(jiān)視 記錄 打印及中斷控制 智能控輔 遠(yuǎn)程控制的功能。適用于大規(guī)模的過程控翩 集散式控制系統(tǒng)和工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。3.3.2 按結(jié)構(gòu)分類根據(jù)PLC的構(gòu)成形式，可將PLC分為整體式和機(jī)架式(模塊式)兩類。(1) 整體式結(jié)構(gòu)整體式結(jié)構(gòu)的PLC是將CPU存儲(chǔ)單元 輸入輸出模塊和電源部件集中配置在個(gè)機(jī)箱內(nèi)。這種PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)少體積小價(jià)格低，便于裝入設(shè)備內(nèi)部。小型PLC通常采用這種結(jié)構(gòu).(2) 機(jī)架式結(jié)構(gòu)機(jī)架式結(jié)構(gòu)的PLC將各單元做成獨(dú)立的模塊，使用的插座上。 構(gòu)成不同的

28、控制系統(tǒng)。這種PLC輸入輸出點(diǎn)效多，配置靈活方便易于擴(kuò)展。大中型PLC通常果用這種結(jié)構(gòu).3.3.3 按應(yīng)甩范圍分類根據(jù)應(yīng)用范圍的不同，可將PLC分為通用型和專用型兩類。通用型PLC作為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制裝置可在各個(gè)領(lǐng)域使用，而專用型PLC是為了某類控制要求專門設(shè)計(jì)的PLC，如數(shù)控機(jī)束專用型，鍋爐設(shè)備專用型，報(bào)警監(jiān)視專用型等。由于應(yīng)用的專性，使其控制質(zhì)量大大提高。3.3 西門子PLC 的結(jié)構(gòu)組成從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或

29、機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。3.3.1 CPUCPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少

30、的組成單元。在使用者看來，不必要詳細(xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對(duì)各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。3.3.2 I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信

31、號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最

32、大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。3.3.3 電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。3.3.4 底板或機(jī)架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。3.3.5 PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備(1) 編程設(shè)備編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控

33、制運(yùn)行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。也就是我們系統(tǒng)的上位機(jī)。(2) 人機(jī)界面最簡單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。(3) PLC的通信聯(lián)網(wǎng)依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出網(wǎng)絡(luò)就是控制器的觀點(diǎn)說法。PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-

34、232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信現(xiàn)在主要采用通過多點(diǎn)接口（MPI）的數(shù)據(jù)通訊、PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。(4) PLC軟件系統(tǒng)及常用編程語言3.4.1 PLC軟件系統(tǒng)PLC軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分組成。系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、編譯程序、診斷程序等，主要用于管理全機(jī)、將程序語言翻譯成機(jī)器語言，診斷機(jī)器故障。系統(tǒng)軟件由PLC廠家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干預(yù)。用戶程序是用戶根據(jù)現(xiàn)場控制要求，用PLC的程序語言編制的應(yīng)用程序（也就是邏輯控制）用來實(shí)現(xiàn)各種控制。STEP7是用于SIMATIC可編程邏輯控制器組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，也就是

35、用戶程序，我們就是使用STEP7來進(jìn)行硬件組態(tài)和邏輯程序編制，以及邏輯程序執(zhí)行結(jié)果的在線監(jiān)視。(1) STEP7程序的使用創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目就象一個(gè)文件夾，所有數(shù)據(jù)都以分層的結(jié)構(gòu)存在于其中，任何時(shí)候你都可以使用。在創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目之后，所有其他任務(wù)都在這個(gè)項(xiàng)目下執(zhí)行。組態(tài)一個(gè)站，組態(tài)一個(gè)站就是指定你要使用的可編程控制器，例如S7300、S7400等。組態(tài)硬件，組態(tài)硬件就是在組態(tài)表中指定你的控制方案所要使用的模板以及在用戶程序中以什么樣的地址來訪問這些模板，地址一般不用修改由程序自動(dòng)生成。模板的特性也可以用參數(shù)進(jìn)行賦值。組態(tài)網(wǎng)絡(luò)和通訊連接，通訊的基礎(chǔ)是預(yù)先組態(tài)網(wǎng)絡(luò)，也就是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)滿足你的控制方

36、案的子網(wǎng)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)特性、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接特性以及任何聯(lián)網(wǎng)的站所需要的連接。網(wǎng)絡(luò)地址也是程序自動(dòng)生成如果沒有更改經(jīng)驗(yàn)一定不要修改。定義符號(hào)，可以在符號(hào)表中定義局部或共享符號(hào)，在你的用戶程序中用這些更具描述性的符號(hào)名替代絕對(duì)地址。符號(hào)的命名一般用字母編寫不超過8個(gè)字節(jié)，最好不要使用很長的漢字進(jìn)行描述，否則對(duì)程序的執(zhí)行有很大的影響。創(chuàng)建程序，用梯形圖編程語言創(chuàng)建一個(gè)與模板相連結(jié)或與模板無關(guān)的程序并存儲(chǔ)。創(chuàng)建程序是我們控制工程的重要工作之一，一般可以采用線形編程（基于一個(gè)塊內(nèi)，OB1）、分布編程（編寫功能塊FB,OB1組織調(diào)用）、結(jié)構(gòu)化編程（編寫通用塊）。我們最常采用的是結(jié)構(gòu)化編程和分布編程配合使用，很少

37、采用線形編程。下載程序到可編程控制器，完成所有的組態(tài)、參數(shù)賦值和編程任務(wù)之后，可以下載整個(gè)用戶程序到可編程控制器。在下載程序時(shí)可編程控制器必須在允許下載的工作模式下（STOP或RUN-P）, RUN-P模式表示，這個(gè)程序?qū)⒁淮蜗螺d一個(gè)塊，如果重寫一個(gè)舊的CPU程序就可能出現(xiàn)沖突，所以一般在下載前將CPU切換到STOP模式。(2) WINCC程序的使用WINCC是在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。具有控制自動(dòng)化過程的強(qiáng)大功能，是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作監(jiān)視系統(tǒng)，它很容易結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的和用戶的程序建立人機(jī)界面精確的滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。WINCC有兩個(gè)版本RC版（具有組態(tài)和開發(fā)環(huán)境）

38、、RT版（只有運(yùn)行環(huán)境），我們一般使用的是RC版。WINCC簡單使用步驟變量管理，首先確定通訊方式安裝驅(qū)動(dòng)程序，然后定義內(nèi)部變量和外部變量，外部變量是受你買的WINCC軟件授權(quán)限制的最大授權(quán)64K字節(jié)，內(nèi)部變量沒有限制。 畫面生成，進(jìn)入圖形編輯器，圖形編輯器是一種用于創(chuàng)建過程畫面的面向矢量的作圖程序。也可以使用包含在對(duì)象和樣式庫中的眾多的圖形對(duì)象來創(chuàng)建復(fù)雜的過程畫面。可以通過動(dòng)作編程將動(dòng)態(tài)添加到單個(gè)圖形對(duì)象上。 報(bào)警記錄設(shè)置，報(bào)警記錄提供了顯示和操作選項(xiàng)來獲取和歸檔結(jié)果?？梢匀我獾剡x擇消息塊、消息級(jí)別、消息類型、消息顯示以及報(bào)表。為了在運(yùn)行中顯示消息，可以使用包含在圖形編輯器中的對(duì)象庫中的報(bào)警

39、控件。 變量記錄，變量記錄是用來從運(yùn)行過程中采集數(shù)據(jù)并準(zhǔn)備將它們顯示和歸檔。 報(bào)表組態(tài)，報(bào)表組態(tài)是通過報(bào)表編輯器來實(shí)現(xiàn)的。是為消息、操作、歸檔內(nèi)容和當(dāng)前或已歸檔的數(shù)據(jù)定時(shí)器或事件控制文檔的集成的報(bào)表系統(tǒng)，可以自由選擇用戶報(bào)表的形式。 全局腳本的應(yīng)用，全局腳本就是C語言函數(shù)和動(dòng)作的通稱，根據(jù)不同的類型腳本被用于給對(duì)象組態(tài)動(dòng)作并通過系統(tǒng)內(nèi)部C語言編譯器來處理。全局腳本動(dòng)作用于過程執(zhí)行的運(yùn)行中。一個(gè)觸發(fā)可以開始這些動(dòng)作的執(zhí)行。 用戶管理器設(shè)置，用戶管理器用于分配和控制用戶的單個(gè)組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)編輯器的訪問權(quán)限。每建立一個(gè)用戶，就設(shè)置了WINCC功能的訪問權(quán)利并獨(dú)立的分配給此用戶。至多可分配999個(gè)不同

40、的授權(quán)。 交叉表索引，交叉索引用于為對(duì)象尋找和顯示所有使用處，例如變量、畫面和函數(shù)等。使用“鏈接”功能可以改變變量名稱而不會(huì)導(dǎo)致組態(tài)不一致。3.4.3 PLC提供的編程語言PLC所提供的編程語言包括標(biāo)準(zhǔn)語言、梯形圖，語句表語言，邏輯功能圖語言。(1) 標(biāo)準(zhǔn)語言：梯形圖語言的特點(diǎn)它是一種圖形語言，沿用傳統(tǒng)控制圖中的繼電器觸點(diǎn)、線圈、串聯(lián)等術(shù)語和一些圖形符號(hào)構(gòu)成，左右的豎線稱為左右母線。梯形圖中接點(diǎn)（觸點(diǎn)）只有常開和常閉，接點(diǎn)可以是PLC輸入點(diǎn)接的開關(guān)也可以是PLC內(nèi)部繼電器的接點(diǎn)或內(nèi)部寄存器、計(jì)數(shù)器等的狀態(tài)。梯形圖中的接點(diǎn)可以任意串、并聯(lián)，但線圈只能并聯(lián)不能串聯(lián)。內(nèi)部繼電器、計(jì)數(shù)器、寄存器等均不

41、能直接控制外部負(fù)載，只能做中間結(jié)果供CPU內(nèi)部使用。 PLC是按循環(huán)掃描事件，沿梯形圖先后順序執(zhí)行，在同一掃描周期中的結(jié)果留在輸出狀態(tài)暫存器中所以輸出點(diǎn)的值在用戶程序中可以當(dāng)做條件使用。(2) 語句表語言語句表語言，類似于匯編語言。(3) 邏輯功能圖語言邏輯功能圖語言，沿用半導(dǎo)體邏輯框圖來表達(dá)，一般一個(gè)運(yùn)算框表示一個(gè)功能左邊畫輸入、右邊畫輸出。3.4 PLC的工作過程PLC的工作方式采用不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。CPU從第一條指令執(zhí)行開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。PLC就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述

42、循環(huán)掃描的。3.4.1 PLC的工作過程整個(gè)過程可分為以下四個(gè)部分,依次為:上電處理,自診斷處理,通訊服務(wù),程序掃描過程. (1) 上電處理。PLC上電后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次初始化，包括硬件初始化和軟件初始化，停電保持范圍設(shè)定及其他初始化處理等。(2) 自診斷處理。PLC每掃描一次，執(zhí)行次自診斷檢查，確定PLC自身的動(dòng)作是否正常。如CPU、電池電壓、程序存儲(chǔ)器、IO和通訊等是否異?；虺鲥e(cuò)，如檢查出異常時(shí)，CPU面板上的LED及異常繼電器會(huì)接通，在特殊寄存器中會(huì)存入出錯(cuò)代碼。當(dāng)出現(xiàn)致命錯(cuò)誤時(shí)，CPU被強(qiáng)制為STOP方式，所有的掃描便停止。(3) 通訊服務(wù)。PLC自診斷處理完成以后進(jìn)入通訊服務(wù)過程。首先

43、檢查有無通訊任務(wù)，如有則調(diào)用相應(yīng)進(jìn)程，完成與其他設(shè)備的通訊處理，并對(duì)通訊數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理；然后進(jìn)行時(shí)鐘、特殊寄存器更新處理等工作。(4) 程序掃描過程。PLC在上電處理、自診斷和通訊服務(wù)完成以后，如果工作選擇開關(guān)在RUN位置，則進(jìn)人程序掃描工作階段。先完成輸入處理，即把輸入端子的狀態(tài)讀入輸入映像寄存器中，然后執(zhí)行用戶程序，最后把輸出處理結(jié)果刷新到輸出鎖存器中。3.4.2 掃描周期在上述幾個(gè)部分中，通訊服務(wù)和程序掃描過程是PLC工作的主要部分，其工作周期稱為掃描周期?？梢钥闯鰭呙柚芷谥苯佑绊懣刂菩盘?hào)的實(shí)時(shí)性和正確性，為了確保控制能正確實(shí)時(shí)地進(jìn)行，在每個(gè)掃描周期中，通訊任務(wù)的作業(yè)時(shí)間必須被控制在一定

44、范圍內(nèi)。PLC運(yùn)行正常時(shí)，程序掃描周期的長短與CPU的運(yùn)算速度、與I/O點(diǎn)的情況、與用戶應(yīng)用程序的長短及編程情況等有關(guān)。通常用PLC執(zhí)行l(wèi) KB指令所需時(shí)間來說明其掃描速度，一般為零點(diǎn)幾ms到上百ms。值得注意的是，不同指令其執(zhí)行時(shí)間是不同的，從零點(diǎn)幾s到上百s不等，故選用不同指令所用的掃描時(shí)間將會(huì)不同。而對(duì)于一些需要高速處理的信號(hào)，則需要特殊的軟、硬件措施來處理。當(dāng)PLC處于正常運(yùn)行時(shí)，它將不斷重復(fù)掃描過程。3.4.3 掃描過程與其三個(gè)階段分析上述掃描過程，如果對(duì)遠(yuǎn)程I/O、特殊模塊和其他通訊服務(wù)暫不考慮，這樣掃描過程就只剩下“輸入采樣”、“程序執(zhí)行”和“輸出刷新”三個(gè)階段了。這三個(gè)階段是P

45、LC工作過程的中心內(nèi)容。下面就對(duì)這三個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)的分析。（1） 輸入采樣階段PLC在輸入采樣階段，首先掃描所有輸人端點(diǎn)，并將各輸入狀態(tài)存入相對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器中。此時(shí)，輸入映像寄存器被刷新。接著，進(jìn)入程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，在此階段輸入映像寄存器與外界隔離，無論輸入情況如何變化，其內(nèi)容保持不變，直到下一個(gè)掃描周期的輸人采樣階段，才重新寫入輸入端的新內(nèi)容。所以一般來說，輸人信號(hào)的寬度要大于一個(gè)掃描周期，否則很可能造成信號(hào)的丟失。由此可見，輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)完全取決于輸入端子上各輸入點(diǎn)在上一刷新期間的接通和斷開狀態(tài)。（2） 程序執(zhí)行階段根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，一般來說，PLC按從左

46、到右、從上到下的步驟順序執(zhí)行程序。當(dāng)指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時(shí)，PLC就從輸入映像寄存器中“讀入”采集到的對(duì)應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從元件映像寄存器“讀入”對(duì)應(yīng)元件(“軟繼電器”)的當(dāng)前狀態(tài)。然后，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入元件映像寄存器中。對(duì)元件映像寄存器來說，每一個(gè)元件(“軟繼電器”)的狀態(tài)會(huì)隨著程序執(zhí)行過程而變化。（3） 輸出刷新階段在所有指令執(zhí)行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)(接通斷開)在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過輸出端子和外部電源，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。由此可見，輸出映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸出指令的執(zhí)行結(jié)果，輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)由上一次輸出刷新期間輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)決定

47、，而輸出端子的接通和斷開狀態(tài)，完全由輸出鎖存器決定。3.4.4 大中型PLC的掃描周期 隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC的表現(xiàn)形式和功能都已經(jīng)有很大的發(fā)展，從過的那種比較單一獨(dú)立單元時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)展到了現(xiàn)在的模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、分布式控制的PLC，比如象比較有代表性的AB的Controllogix，MODICON的Quantum，都是大型PLC的典型形式。這些大型PLC可以應(yīng)用到比較重要、控制規(guī)模比較大的工業(yè)現(xiàn)場，控制的點(diǎn)數(shù)可以有幾千點(diǎn)，自然，這種情況下，如果仍然沿用過去PLC的工作方式的話就不能很好完成這種情況下的控制任務(wù)，事實(shí)也確實(shí)如此，大中型PLC的工作方式和小型PLC的已經(jīng)有了很大的不同。 大中型P

48、LC的一個(gè)掃描周期分為六個(gè)階段： （1） 自監(jiān)視掃描階段 為了保證工作的可靠性，PLC內(nèi)部具有自監(jiān)視或自診斷功能，自監(jiān)視功能是由監(jiān)視定時(shí)器（WDT，watchdog timer）完成的，WDT是一個(gè)硬件時(shí)鐘，自監(jiān)視過程主要是檢查及復(fù)位WDT，如果在復(fù)位前掃描時(shí)間已經(jīng)超過WDT的設(shè)定值，CPU將停止運(yùn)行，IO復(fù)位，給出報(bào)警信號(hào)，這種故障稱為WDT故障。WDT故障可能由CPU硬件引起，也可能用戶程序執(zhí)行時(shí)間太長，使掃描時(shí)間超過WDT時(shí)間而引起的，用編程器可以消除故障。WDT的設(shè)定一般是150-200ms，一般系統(tǒng)的時(shí)間都小于50-60ms。在大中型PLC中一般可以對(duì)WDT進(jìn)行修改。 （2） 與編程

49、器交換信息階段 用戶使用編程器（計(jì)算集中的編程軟件）對(duì)PLC進(jìn)行用戶程序的上傳、下載或者使用上位機(jī)中的SCADA系統(tǒng)對(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)視控制時(shí)，PLC的CPU交出控制權(quán)，處于被動(dòng)狀態(tài)，上述工作完成或達(dá)到信心交換的規(guī)定時(shí)間后，CPU重新得到總線權(quán)，恢復(fù)主動(dòng)狀態(tài)。 在這一階段中，用戶可以通過編程器修改內(nèi)存的程序，啟停CPU，控制IO。 （3） 與數(shù)字處理器DPU交換信息的階段 當(dāng)配有DPU時(shí)，才會(huì)有這一階段。 （4） 與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的階段 目前的大中型PLC都是用現(xiàn)場總線協(xié)議進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的交換，比如，controllogix使用controlnet，quantum使用MODBUS PLUS，在這一段十

50、進(jìn)之中，PLC和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。 （5） 用戶程序掃描階段 PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，一個(gè)掃描周期中就包含了用戶程序的掃描階段。該階段中，根據(jù)用戶程序中的指令，PLC從輸入狀態(tài)暫存區(qū)和其他軟元件的暫存區(qū)中將有關(guān)狀態(tài)讀出，從第一條指令開始順序執(zhí)行，每一步的執(zhí)行結(jié)果存入輸出狀態(tài)暫存區(qū)。 （6） IO服務(wù)掃描階段 CPU在內(nèi)存中設(shè)置兩個(gè)暫存區(qū)，一個(gè)是輸入暫存區(qū)（輸入映象寄存器），一個(gè)是輸出暫存區(qū)（輸出映象寄存器），執(zhí)行用戶程序時(shí)，用到的輸入值從輸入暫存區(qū)中取得，結(jié)果放在輸出暫存區(qū)。在輸入服務(wù)（輸入采陽及刷新）中，CPU將實(shí)際的輸入端的狀態(tài)讀入到輸入暫存區(qū)；在輸出服務(wù)（輸出刷新與鎖存）中，CPU將輸出

51、暫存區(qū)的值同時(shí)傳送到輸出狀態(tài)鎖存器。 輸入暫存區(qū)的數(shù)據(jù)取決于輸入服務(wù)階段各實(shí)際輸入點(diǎn)的狀態(tài)，在用戶程序執(zhí)行階段，輸入暫存區(qū)的數(shù)據(jù)不在隨輸入端的變化而變化，該階段中，輸出暫存區(qū)根據(jù)執(zhí)行結(jié)果的不同而變化，但輸出鎖存器內(nèi)容不變。3.5 PLC的選購與西門子公司的PLC特點(diǎn)3.5.1 PLC的選購為了獲得最優(yōu)的性價(jià)比，我們?cè)谶x購PLC時(shí)要考慮眾多的因索。這些因素包括PLC的品脾 性能、價(jià)格 PLC在各行業(yè)內(nèi)的使用情況、產(chǎn)品的開放性、公司新產(chǎn)品的開發(fā)能力軻持九競爭力、自己對(duì)這個(gè)品牌產(chǎn)品的熟悉程度和售后服務(wù)。品牌產(chǎn)品不僅意味著占有大的市場份額，使用面廣，而且在技術(shù)上具有代表性和先進(jìn)性。所以選擇一礙在相應(yīng)行

52、業(yè)應(yīng)用廣泛、具有良好口碑的產(chǎn)品也就為控制系統(tǒng)的可靠巨和先進(jìn)眭打下了軟硬件基礎(chǔ)性能則是多方面的綜合體現(xiàn)，它包括I/O點(diǎn)數(shù)的多步、用戶存儲(chǔ)器(舍程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)容量的大小CPU的運(yùn)行速度，指令的種類及條數(shù)、內(nèi)部器件的種類和數(shù)量及擴(kuò)展模塊的種類 功能的強(qiáng)弱等。進(jìn)櫸一種能滿足現(xiàn)在情況并充分考慮將來擴(kuò)展的PLC產(chǎn)品是至關(guān)重要的。當(dāng)各種品牌的PLC產(chǎn)品的性能相當(dāng)時(shí)，價(jià)格的因素就凸顯出來。而選擇在你的行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品也會(huì)給你的工作帶來不少益處：不用考慮產(chǎn)品的適用性，不用一切都從頭開始，有前人積累的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，這樣可以大大提高工程的進(jìn)度或縮短研發(fā)的周期。當(dāng)然了，在一裸樹上吊死是沒有必要的，也

53、是愚蠢的。因此，當(dāng)某廠家的產(chǎn)品不能滿足用戶的所有要求時(shí)，我們需要尋找第三方產(chǎn)品的支持。這時(shí)，產(chǎn)品的可行性(或者說兼容性)就顯得尤其重要了。選擇了兼容性差的產(chǎn)品就等于把自己捆在了一棵樹上，要么等著被新技術(shù)踩死，要么付出沉重代價(jià)弄個(gè)天翻地覆?？茖W(xué)技術(shù)日新月異，產(chǎn)品損壞部分的更換、控制系統(tǒng)的升級(jí)換代和公司的持久競爭力及新產(chǎn)品的開發(fā)能力密切相關(guān)。推倒重來的技術(shù)革新不但要花費(fèi)巨大的人力，財(cái)力 物力，而且生產(chǎn)的停止必將造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。另外，對(duì)一種產(chǎn)品的熟悉程度和產(chǎn)品的售后服務(wù)也是值得關(guān)注的因素.熟練的使用不恒可以加僥工程進(jìn)度、縮短研發(fā)的周期，而且可以充分挖掘產(chǎn)品的潛力，從而達(dá)到用巧、用新，提高性價(jià)比，

54、迅速把產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。而良好的售后服務(wù)為用戶的開發(fā)研究、系統(tǒng)的改造更新提供了必要的技術(shù)和信息支持?？傊?，我們?cè)谶x購產(chǎn)品時(shí)既要物美價(jià)廉，還要考慮現(xiàn)在和將來。3.5.2 西門子公司S5、S7系列PLC西門子公司是歐洲最大的電子電氣制造商，其電子、電氣產(chǎn)品品質(zhì)精良，享譽(yù)中外。在大中型PLC市場上，西門子公司和A-B公司的產(chǎn)品幾乎平分秋邑。在20OO年推出的全新S7系列PLC產(chǎn)品在小型PLC市場上向B本產(chǎn)品提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。(1) S5系列小型s5-90Ut95U：整體式小型SS-100U：模塊式，單處理器運(yùn)行小型SS-10IU：早期產(chǎn)品，功能簡單 已被取代中型S5-115U：模塊式，單處理器運(yùn)行中

55、型S5-115H：由$5-l1515組成的雙機(jī)冗余系統(tǒng)，適用于要求安全可靠性高的場合大型S5-135U：模塊式，多處理器運(yùn)行大型S5-150U：模塊式，單處理器運(yùn)行大型S5-15515：模塊式，可單，多處理器運(yùn)行大型S5-155H：由$5-155U組成的雙機(jī)冗余系統(tǒng)，適用于要求安全可靠性高的場合(2) S7系列S7-200子系列：小型整體式PLC，具有的極高的可靠性，極豐富的指令集，易于掌握，便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時(shí)特性，強(qiáng)勁的通訊能力和豐富的擴(kuò)展橫抉使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能，價(jià)格比。它的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與

56、自動(dòng)檢測自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床機(jī)械，電力設(shè)施民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等.S7-300子系列：小型模塊化PLC，自瞞足中等性能要求的應(yīng)用。它的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有高電磁兼容性和強(qiáng)抗振動(dòng)沖擊性，最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。各種單獨(dú)的模堍之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。S7-300有兩種類型： 標(biāo)準(zhǔn)型(溫度范圍從0到60)和環(huán)境條件擴(kuò)展型(溫度范圍從-25 到+60 ，更強(qiáng)的耐受振動(dòng)和污染特性)。S7-300C是S7-300的緊湊型，其結(jié)構(gòu)更緊湊，指令運(yùn)行時(shí)間更短，機(jī)器運(yùn)行速度更快，生產(chǎn)效率更高。S7-400子系列：模塊化無風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，堅(jiān)固耐用，容易擴(kuò)展和廣泛的通訊能力，容易實(shí)現(xiàn)的分布

57、式結(jié)構(gòu)以及用戶友好的操作使S7-400成為中、高檔性能控制領(lǐng)域中首選的理想解決方案。多種級(jí)別(功能逐步升級(jí))的CPU，種類齊全的通用功能的模板，使用戶能根據(jù)需要鉬臺(tái)成不同的專用系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或變得更加復(fù)雜時(shí),不必投入很多費(fèi)用。任何時(shí)候只要適當(dāng)?shù)脑黾右恍M板，便能使系統(tǒng)升級(jí)和充分滿足您的需要。新一代容錯(cuò)控制器S7-400FFH獲得了多項(xiàng)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)TuV的認(rèn)證，同時(shí)全面集成了現(xiàn)場總線技術(shù)提供基于PROFIBUS的容錯(cuò)解決方案PROFISAVE。3.5.3 選擇西門子 S7-200 PLC及其理由在對(duì)比了不同廠家不同型號(hào)的PLC后,我們決定選用西門子S7-200系列的PLC.S7-200

58、系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能，其體積小巧，功能全面 最適應(yīng)于中小機(jī)器設(shè)備的控制；在以下幾方面均有出色的表現(xiàn):極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時(shí)特性、強(qiáng)勁的通訊能力、豐富的擴(kuò)展模塊等。其使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制；應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各鐘機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如: 沖壓機(jī)床、磨床、印刷機(jī)械、橡膠化工機(jī)械、中央空調(diào)、電梯控制、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、紡織機(jī)械、木工機(jī)械、污水處理、包裝機(jī)械等。西門子S7-200系列PLC適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢

59、測、監(jiān)測及控制的自動(dòng)化。強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價(jià)格比。4 輪胎硫化機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試4.1 輪胎硫化機(jī)的控制要求輪胎硫化機(jī)控制系統(tǒng)一個(gè)周期有初始、合模、反料、硫化、放氣和開模這6步組成，它們與S0.0S0.5相對(duì)應(yīng)。在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)合模到位和開模到位限位開關(guān)，（I0.1和I0.2）的故障率較高，容易出現(xiàn)合模、開模已到位，但是相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)不能停機(jī)的現(xiàn)象，甚至可能損壞設(shè)備。為了解決這個(gè)問題，在程序中設(shè)置了診斷和報(bào)警功能，例如在合模時(shí)（S0.1為活動(dòng)步），用T40延時(shí)。在正常情況下，當(dāng)合模到位時(shí)，T40的延時(shí)時(shí)間還沒到就轉(zhuǎn)換

60、到步S0.2，T40被復(fù)位，所以它起不到作用。“合模到位”限位開關(guān)出現(xiàn)故障時(shí)，T40使系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警步S0.6，Q0.0控制的合模電動(dòng)機(jī)斷電，同時(shí)I0.4接通報(bào)警裝置，操作人員按復(fù)位按鈕I0.5后解除報(bào)警。在開模過程中，用T40來實(shí)現(xiàn)保護(hù)延時(shí)。Q0.2在步S0.2和步S0.3均應(yīng)為1狀態(tài)，不能在這兩步的SCR區(qū)內(nèi)分別設(shè)置一個(gè)Q0.2的線圈，必須在各SCR程序段之外，用S0.2和S0.3的常開觸點(diǎn)的并聯(lián)電路來控制一個(gè)Q0.2的線圈。4.2 硫化機(jī)的電路設(shè)計(jì)分析硫化機(jī)的輸入與輸出關(guān)系,得到了輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的列表,如下表4-1.表4-1 輸入和輸出信號(hào)的分析Table 4-1 Analysis o

61、f input and output signals輸 入輸 出電氣名稱電氣元件輸入端子電氣名稱電氣元件輸出端子急停按鈕SB1I0.0電磁閥AYA0Q0.0限位開關(guān)SQ1I0.1電磁閥BYA1Q0.1限位開關(guān)SQ2I0.2電磁閥CYA2Q0.2限位開關(guān)SQ3I0.3電磁閥DYA3Q0.3限位開關(guān)SQ4I0.4限位開關(guān)SQ5I0.5啟動(dòng)按鈕SB2I0.64.3 用順序功能圖描述控制要求用順序功能圖描述輪胎硫化機(jī)控制系統(tǒng)的要求,如圖4-1圖4-1 輪胎硫化機(jī)控制要求的順序功能圖Figure 4-1 Tire curing machine control requirements of the Se

62、quential Function Chart4.4 根據(jù)順序功能圖編寫梯形圖程序4.4.1 PLC的梯形圖編寫PLC的梯形圖編寫如下圖4-2.圖4-2 梯形圖Figure 4-2 Ladder4.4.2 梯形圖程序解釋輪胎硫化機(jī)控制系統(tǒng)的順序功能圖如圖4-1所示.一個(gè)工作周期有初始、合模、反料、硫化、放氣和開模這6步組成，它們與S0.0S0.5相對(duì)應(yīng)。在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)“合模到位”和“開模到位”限位開關(guān)，（I0.1和I0.2）的故障率高，容易出現(xiàn)合模、開模已到位，但是相應(yīng)電動(dòng)機(jī)不能停機(jī)的現(xiàn)象，甚至可能損壞設(shè)備。為了解決這個(gè)問題，在程序中設(shè)置了診斷和報(bào)警功能，例如在合模時(shí)（S0.1為活動(dòng)步），用T4

63、0延時(shí)。在正常情況下，當(dāng)合模到位時(shí)，T40的延時(shí)時(shí)間還沒到就轉(zhuǎn)換到步S0.2，T40被復(fù)位，所以它不起作用?！昂夏５轿弧毕尬婚_關(guān)出現(xiàn)故障時(shí)，T40使系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警步S0.6,Q0.0控制的合模電動(dòng)機(jī)斷電，同時(shí)0.4接通報(bào)警裝置，操作人員按復(fù)位按鈕I0.5后解除報(bào)警。在開模過程中，用T40來實(shí)現(xiàn)保護(hù)延時(shí)。Q0.2在步S0.2和步0.3均應(yīng)為1狀態(tài)，不能在這兩步的SCR區(qū)內(nèi)分別設(shè)置一個(gè)Q0.2的線圈，必須在各SCR程序段之外，用S0.2和S0.3的常開觸點(diǎn)的并聯(lián)電路來控制一個(gè)Q0.2的線圈。（見圖4-2）4.5 PLC控制系統(tǒng)的調(diào)試步驟第一步：PLC通電。第二步：PLC的主回路接線。第三步：PLC的控制回路接線第四步：PLC的程序編輯：在STEP7中編輯PLC的程序。第五步：PLC的通信第六步：PLC的程序下載。第七步：PLC的試運(yùn)行。判斷PLC的動(dòng)作是否滿足控制要求。如不滿足控制要求，進(jìn)行程序修改，直到滿足要求。第八步：調(diào)試結(jié)束。5 總 結(jié)通過學(xué)習(xí)硫化機(jī)及其PLC控制器的基本知識(shí),研究分析出原有輪胎硫化機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題并進(jìn)行了改進(jìn),并對(duì)輪胎硫化機(jī)壓力控制系統(tǒng)的硬件選型和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)