輪胎生產線控制系統中PLC的應用與技術分析

孫祥光

摘要：隨著我國人民物質和精神生活水平的不斷提高，許多城市的工廠、事業單位和居民小區里都能看到各種形式的基于PLC（Programmable Logic Controller）的生產控制系統。與此同時，工業經濟在大踏步的前進后，越來越需要提升生產效率，而生產系統的智能化、自動化程度起著決定性的作用。PLC自問世以來，經過多年的發展，早已取代繼電器控制系統在工控行業的絕對統治地位，在全世界發達國家中已經產生巨大的經濟推動作用。PLC在各行業也有了舉足輕重的發展，技術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換代，PLC控制系統愈加智能化。

關鍵詞：PLC自動化；輪胎生產；控制系統

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

1、系統設計

本生產線控制系統根據某橡膠廠輪胎生產線的工藝流程、技術要求進行了系統的設計。在系統的硬件設計上考慮到本控制系統的規模、特點結合生產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PLC 與PLC和上位機之間的網絡通訊；在軟件設計上，采用西門子SIMATIC Safety組態和編程軟件STEP7，考慮到系統的工藝流程較為復雜，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用，這樣就方便了程序的編寫、修改和維護。

1.1 生產工藝

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

系統原理：在輪胎生產的過程中，輪胎制造工控主機在接收到工藝參數后，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，使機器在系統控制下執行整個密煉、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設定。在密煉過程中可編程控制器記錄一些工藝數據及設備是否完好的情況，并將密煉數據傳給PLC作為PLC控制密煉動作及密煉周期結束的依據。同時，系統根據密煉情況自動調整擠出機的速度并自動將壓輥和擠出機頭間的壓力調整到設定值，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，使壓力保持在設定值，直到擠出機的速度增加到最大，壓延機速度最大。當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，密煉機繼續工作。在膠部件準備工序中，壓延機將輪胎所需骨架材料壓入橡膠中，并根據PLC主機預設定參數將橡膠壓制成一定形狀。在輪胎成型過程中，機器根據設定參數自動完成定長、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量，這就要求在輪胎進行硫化時，控制系統嚴格監測和控制硫化的溫度和壓強使之按照預設值進行，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 系統硬件設計

控制系統以PLC和工控機為硬件基礎，以Setp7為開發平臺開發其數據通道，完成數據總線的軟硬件設計，從而將工業現場的各種需要采集的信號通過各種傳感器進行采集，然后輸入給現場監控節點，在通過總線向上位機傳遞，上位機發送數據信息和控制命令，監控節點根據控制命令對現場的執行器進行控制操作。

系統功能：

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。

可對系統數據進行修改，進行數據熱備份。

可進行故障報警，并能輸出實時數據。

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環境適應性，所以本系統采用SIMATIC S7-300。

SIMATIC S7-300 PLC系統配置：

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；

高速計數模塊：SIMATIC S7-300 6ES7 FM350；

電源模塊：SIMATIC S7-300 PS3075A；

接口模塊：IM153；

數字量輸入輸出模塊：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、不依賴于生產商的現場總線標準，廣泛應用于工業自動化。PROFIBUS根據應用特點分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三個兼容版本。其中PROFIBUS-DP是一種高速（數據傳輸速率9.6kbit/s～12Mbit/s）的經濟的設備級網絡，主要用于現場控制器與分散I/O之間的通信，可滿足交直流調速系統快速響應的時間要求；PROFIBUS-PA采用IECII58-2標準，傳輸速率為31.25kbit/s，并提供本質安全特性，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或非循環數據交換任務。

本生產線控制系統采用PROFIBUS現場總線技術的分布式系統，將控制模塊安置在工業現場，通過總線傳輸數據，比傳統的控制系統更具有靈活性，同時可以節省大量的布線，以及降低成本。西門子SIMATIC S7—300集成了PROFIBUS分布式系統的組態功能。基于PROFIBUS的分布式I/O可實現全集成自動化。通過組態可以方便地由PLC中獲取整個監控系統的狀態參數及運行數據。可以實時監測各個現場數據、報警狀態；顯示與打印測量數據等各種曲線及報表，并將數據存人實時數據庫中。

2.3系統軟件設計

該系統軟件的開發環境為SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 編程軟件，用模塊式結構程序方式編程，這樣既可增強程序的可讀性，方便調試和維護工作；又能使數據庫結構統一。可實現整機的手動、自動、整線聯機等基本功能；程序內置系統啟停周期和運行時間。主要實現以下功能：

（1）控制操作： 能對被控設備進行在線實時控制，如：啟停某一設備，調節某些模擬輸出量的大小，在線設置PLC的某些參數等。

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

（3）數據管理：依據不同運行參數的變化快慢和重要程度，建立生產歷史數據庫，存儲生產原始數據，供統計分析使用。利用實時數據庫和歷史數據庫中的數據進行比較和分析，得出一些有用的經驗參數，有利于優化生產線的控制系統，并把一些必要的參數和結果顯示到實時畫面和報表中去。

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

（5）打印功能： 可以實現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、事件觸發打印。

3、結束語

本控制系統充分利用了PLC、PROFIBUS現場總線技術等先進技術，系統采用分布式開放結構，響應速度快，組態靈活，控制功能完善，操作簡單規范。該套基于PROFIBUS現場總線的控制系統安全可靠，故障率低，產品完全滿足高標準要求，具有較高的生產和管理自動化水平，提高了生產效率，創造了較好的經濟效益。

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