引言
眾所周知，國內(nèi)輪胎業(yè)外胎硫化定時控制仍較普遍地存在著以下問題：①使用機(jī)械式程序定時器，操作工可隨意變更硫化時間；②由于用于硫化加熱的過熱水溫度是變化的，這又要求操作工根據(jù)過熱水溫度變化的情況調(diào)整硫化時間，而實際上操作工為追求產(chǎn)量，往往縮短硫化時間，或?qū)^熱水溫度的持續(xù)降低不給以足夠的延時；③實際上人工確實很難確定很合適的硫化延時。因為即使根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則來確定延長時間，也需要綜合考慮過熱水溫度和模溫在硫化中的整個變化過程以及輪胎本身的種種情況。對于這些問題，國內(nèi)已做了大量的工作，目前已有不少輪胎廠采用可編程控制器(PC)或其它計算機(jī)控制設(shè)備來進(jìn)行硫化定時控制，特別是采用PC已得到了普遍的肯定。但是由于普通PC其軟件的局限性，對于根據(jù)過熱水溫度變化等因素而自動調(diào)整硫化定時這個關(guān)鍵問題(也即所謂的等效硫化控制問題)仍未能很好地解決。
從自動控制技術(shù)的角度看，輪胎自動定時硫化控制是個包含著溫度(及/或壓力)測量調(diào)節(jié)與時序邏輯控制的混合控制問題。為此我們采用了國產(chǎn)的擅長于混合控制的可混合編程的可編程控制器(以下簡稱HPC)，獲得了成功。HPC的主要特點(diǎn)是：可以來用其所提供的各種軟件功能塊與梯形圖混合編程。因為梯形圖擅長于處理邏輯量控制，而軟件功能塊擅長于模擬量控制。通過兩種方式的混合編程，處理模擬量與邏輯量兼有且相互關(guān)聯(lián)的混合控制問題就特別方便而PC具有可編程的數(shù)字顯示和運(yùn)行操作儀表面板，可以很方便地通過表格指定多個數(shù)據(jù)如溫度、時間在運(yùn)行中顯示；HPC的核心硬件是功能很強(qiáng)的16位單片微機(jī)8098，因為8098片內(nèi)帶有A/D及D/A轉(zhuǎn)換功能，所以HPC對模擬量控制的硬件成本就很低。
2 硫化自動定時的控制任務(wù)及硬件配置
2.1 控制任務(wù)
根據(jù)廣州輪胎廠寶力公司的實際情況，確定HPC的控制任務(wù)如下。
(1)根據(jù)過熱水溫度的變化，自動對硫化時間進(jìn)行調(diào)整。
(2)對硫化全過程進(jìn)行時間順序控制。
(3)測量并顯示模溫和過熱水溫度，其中原來接于三針記錄儀的兩個鉑電阻改接于HPC，而由HPC把鉑電阻測溫信號經(jīng)軟件線性化處理后，以4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號傳送給三針記錄儀。
(4)對模溫進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，HPC輸出4～20mA的電流信號給電氣轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而操縱氣動調(diào)節(jié)閥。
(5)對過熱水溫和模溫進(jìn)行監(jiān)視，對超過規(guī)定時間的溫度超限進(jìn)行報警及邏輯處理。
這里需要說明的是，就HPC功能而言，所取的調(diào)節(jié)對象不一定是模溫，也可以是蒸汽壓力等。所配接的記錄儀不必拘泥于三針記錄儀，也可以是其它類型的記錄儀，或者板式微型打印機(jī)，在使用多臺HPC時，則可通過RS485通訊鏈路與個人計算機(jī)相連，進(jìn)行高級的數(shù)據(jù)集中管理。
2.2 硬件配置
根據(jù)上述測控任務(wù)而配置的硬件包括：電源插件、主機(jī)插件、多動能輸入輸出插件，16點(diǎn)繼電器輸出插件和可編程數(shù)據(jù)顯示器。多功能輸入輸出插件包括：
①模擬量輸入2路鉑電阻輸入和2路標(biāo)準(zhǔn)電流/電壓信號輸入；
②模擬量輸出：4路光隔，其中調(diào)節(jié)輸出1路，溫度記錄輸出2路，備用1路；
③開關(guān)量輸入輸出為直流光隔型，輸入和輸出各8點(diǎn)，用于按鈕輸入和狀態(tài)提示燈輸出。
16點(diǎn)繼電器輸出用于驅(qū)動7個雙控電磁閥和2個外部聯(lián)鎖。
3 控制應(yīng)用軟件
針對上述控制任務(wù)而確定的軟件功能塊組態(tài)見圖1，下面對圖1作簡單介紹。
3.1 符號表示
整個應(yīng)用軟件組態(tài)采用了8種13個軟件功能塊。圖中軟件功能塊形象地以方塊表示，每一功能塊與其它功能塊的互連是通過賦予其端子S1、S2、P1、P2以信號代碼來實現(xiàn)。HPC對包括每一功能塊輸出信號在內(nèi)的各種內(nèi)部外部信號都賦以唯一的信號代碼，圖中各功能塊端子所標(biāo)注的三位數(shù)字即是該端子所連信號的代碼。功能塊右下角標(biāo)注的數(shù)字是該功能塊運(yùn)算的先后次序。圖中左側(cè)豎線表示輸入信號界面，右側(cè)豎線表示輸出信號界面。為便于通過編程鍵盤輸入，把圖1用表1來表示。表中一行為一個功能塊的登記項，共5項：包括功能塊的編號，四個端子S1、S2、P1、P2所軟連接的信號代碼。未有定義的端子項下無須填信號代碼，以符號“—”表示，也可填以數(shù)字“0”。各功能塊填寫的順序與圖1標(biāo)注的順序號一致。最后一行的功能塊編號項下填以0，表示程序結(jié)束。因篇幅有限，其它表格如輸入表、輸出表、顯示表、實數(shù)參數(shù)表、整數(shù)參數(shù)表、PID參數(shù)表等省略。
3.2 模溫PID調(diào)節(jié)
圖中PID調(diào)節(jié)功能塊與MAN(手動操作)塊相互連接構(gòu)成了外溫調(diào)節(jié)器。其中PID塊的S2端軟連接經(jīng)過輸入軟件處理(由輸入表指定)的模溫輸入信號005，經(jīng)MAN塊的輸出軟連接于模擬量輸出端A01(由輸出表格指定)，接于PID塊S1端的外溫給定值由實參數(shù)表第4項203決定。PID塊的其它參數(shù)在PID參數(shù)表中指定。
表1 軟件功能塊組態(tài)
| 運(yùn)算符號 |
功能塊編號 |
端子信號代碼 |
| S1 |
S2 |
P1 |
P2 |
| 1 |
12 |
205 |
006 |
925 |
0 |
| 2 |
10 |
600 |
200 |
300 |
920 |
| 3 |
12 |
200 |
006 |
921 |
0 |
| 4 |
13 |
602 |
201 |
202 |
0 |
| 5 |
11 |
746 |
923 |
301 |
603 |
| 6 |
12 |
203 |
005 |
922 |
0 |
| 7 |
13 |
605 |
204 |
202 |
0 |
| 8 |
11 |
746 |
924 |
303 |
606 |
| 9 |
02 |
203 |
005 |
609 |
743 |
| 10 |
03 |
608 |
0 |
743 |
0 |
| 11 |
07 |
001 |
0 |
0 |
0 |
| 12 |
07 |
002 |
- |
- |
- |
| 13 |
01 |
- |
- |
- |
- |
| 14 |
00 |
- |
- |
- |
- |
3.3 過熱水溫與模溫的線性校正
為了精確地記錄過熱水和模子的溫度，采用了12點(diǎn)折線變換功能塊TBL對鉑電阻與溫度間的非線性關(guān)系以及輸入輸出電路的非線性統(tǒng)一進(jìn)行校正。把通過實驗測定的溫度(鉑電阻)輸入與電流輸出間的標(biāo)定點(diǎn)值輸入第2號折線表(第1號折線表己用于校正連接于PID塊S2端的外溫輸入信號)，即可實現(xiàn)輸出電流與輸入溫度間的線性變換。由于兩個溫度通道的非線性一致，故在組態(tài)圖上，2號折線塊使用了兩次，其輸入分別接于信號001(模溫)和002(過熱水溫)，其輸出分別軟連接于模擬輸出端子2(A02)和(A03)，這由輸出表格中指定。
3.4 溫度超限監(jiān)視
運(yùn)算順序號為3、4、5及6、7、8的功能塊分別用于過熱水溫和模溫的超限監(jiān)視，其原理是相同的，現(xiàn)以功能塊3、4、5為例來說明。當(dāng)未進(jìn)入硫化階段時，由梯形邏輯產(chǎn)生的內(nèi)部開關(guān)信號921為0FF(即0)，開關(guān)功能塊SW的輸出為標(biāo)準(zhǔn)過熱水溫設(shè)定值，且大于低限監(jiān)視功能塊LMS的S2端所連的溫度下限信號201(實參數(shù)表第2項)，LMS的輸出為0FF，則超限計時累加器CNT停止累加計數(shù)。當(dāng)進(jìn)入硫化后，信號921為0N，SW功能塊的輸出為過熱水測量值006，只要006大于LMS塊S2端的低限，LMS塊的輸出始終為0FF，CNT功能塊為保持狀態(tài)。一旦006低于201，則LMS輸出為0N，CNT功能塊對其S1端所連的秒脈沖信號746進(jìn)行累加，只要累加的秒脈沖數(shù)小于其P1端子的超限時間預(yù)置信號301的值(整數(shù)參數(shù)表第2項)，則CNT功能塊輸出為0FF，一旦高于此預(yù)置數(shù)，則輸出信號604為ON。此信號在梯形邏輯中將點(diǎn)亮報警燈并對下一次硫化啟動進(jìn)行封鎖。只有用外部確認(rèn)按鈕輸入才能清除CNT并解除封鎖。若CNT塊輸出為0FF，則當(dāng)硫化階段結(jié)束時.由梯形邏輯產(chǎn)生的信號923將把CNT復(fù)位清除。
3.5 自動定時
運(yùn)算序號為1和2的功能塊用于硫化時間的自動定時。迄今國內(nèi)外對外胎硫化的實際過程已進(jìn)行了大量的研究，由于硫化過程中傳熱與溫度分布的動態(tài)過程很復(fù)雜，試圖通過建立精確的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行硫化控制至少在目前還不可能。見之于報導(dǎo)的成功的所謂等效硫化控制，其理論依據(jù)大多是各種積分關(guān)系式，這些積分關(guān)系式本質(zhì)上仍是一種工程化的解析式，在具體實施時需要給出一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)，而這些經(jīng)驗數(shù)據(jù)的確定，本身就很困難且往往附加有一定的限制條件。為了進(jìn)一步簡化問題，往往再做一些假設(shè)，以便把需要給出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)減到最少，這樣計算的結(jié)果偏離實際過程就更遠(yuǎn)了。但盡管如此，由這些簡化的工程化的關(guān)系式計算的結(jié)果還是比人工操作好，通過湊試少量數(shù)據(jù)就能接近經(jīng)驗規(guī)則。因此從工程實用性看，簡化的工程化的關(guān)系式是可以接受的。
我們所采用的計算硫化定時的工程化的關(guān)系式定義如下：
式中ts——工藝規(guī)定的硫化時間；
Cs——以正常的過熱水溫記錄曲線上按矩形面積等效估計得到的平均標(biāo)準(zhǔn)過熱水溫；
f(C)——實際過熱水溫的函數(shù)。
由此式可見，等式左邊表示工藝規(guī)定的或正常情況下應(yīng)提供的硫化的熱量，對實際溫度C的函數(shù)變換f(C)經(jīng)過一定時間的積分，當(dāng)所積分的面積(熱量)與式左邊相等時，硫化即可結(jié)束。因篇幅所限，將另文詳述這一關(guān)系并證明這一積分關(guān)系與文[4]所提及的阿累烏尼斯公式是一致的。按照這一關(guān)系，在使用非線性積分定時功能塊ITMR時，需要設(shè)定3個參數(shù)：工藝給定的標(biāo)準(zhǔn)硫化時間ts；從記錄曲線上按圖2的虛線高度確定的平均標(biāo)準(zhǔn)過熱水溫度Cs以及從實際溫度C變換到f(C)的一個變換系數(shù)。
在圖1中，ITMR塊的S1端為輸入溫度006，S2端為Cs值對應(yīng)的信號200(實參數(shù)表第1項)，P1端是ts對應(yīng)的信號300(整數(shù)參數(shù)表第1項)，變換系數(shù)填寫在實參數(shù)表第3項(圖中未注)。當(dāng)積分值等于Csts，ITMR功能塊的輸出信號601為0N，對梯形邏輯部份進(jìn)行了作用。
3.6 時間順序控制
順序號為13的PLB功能塊是整個硫化時序梯形邏輯在功能塊圖上的表示。其具體內(nèi)容是由約200句梯形圖助記符語句組成的，通過編程鍵盤專門輸入。此梯形邏輯通過內(nèi)部信號920～925，601，604，607等與其它功能塊進(jìn)行聯(lián)系，從而完成信號切換、越限超時報警、啟動聯(lián)鎖、清除積分、延時控制等功能。因篇幅所限，圖3中只畫出梯形圖中與功能塊圖有關(guān)聯(lián)的部份，以便于讀者了解梯形圖與功能塊之間如何相互作用。
由圖3可見：
(1)當(dāng)過熱水溫或模溫其中之一超限超時，而使計數(shù)器CNT輸出604或607為0N時，外部啟動按鈕信號800不起作用，必須由外部超限確認(rèn)按鈕按下而產(chǎn)生信號802，使923、924為ON，清除超限時間計數(shù)器CNT，使604、607為0FF后，啟動信號800才能有效。若超限計數(shù)未到預(yù)置數(shù)，則604或607為0FF，在硫化階段之后將依次使921、922為0FF，從而使923、924為0N，復(fù)位并清除超限計數(shù)器CNT。
(2)當(dāng)進(jìn)完一次水并進(jìn)入硫化(進(jìn)高壓過熱水)后，輔助繼電器002為0N，003為0FF，開關(guān)功能塊SW的切換信號921、922被置為0N，功能塊方面開始過熱水溫與模溫的超限監(jiān)視。若過熱水溫未超限，603為0FF，925為0N，開始過熱水溫積分定時。按用戶的工藝規(guī)程，在硫化過程中，若過熱水溫超限，因603為0N，則925為0FF，積分定時器輸入為零信號205(實參數(shù)表第6項)，這等效于停止積分，在此同時，過熱水溫超限計時開始進(jìn)行。若過熱水溫在超限計時到達(dá)預(yù)置數(shù)之前又上升超過低限，則可又開始積分。在進(jìn)過熱水之前，002為0FF，011為0N，或在冷水循環(huán)結(jié)束之后，014為0N，這兩種情況均使920為0N，從而使積分定時器復(fù)位。
(3)積分定時器輸出信號601和硫化預(yù)置定時器觸點(diǎn)501為串聯(lián)，這是應(yīng)用戶的要求進(jìn)行的連鎖，以保證硫化時間不會少于工藝規(guī)定的硫化時間(即定時器501預(yù)置的定時時間)，若取消定時器501，則硫化定時將完全由積分定時器決定。若硫化開始后過熱水溫越限計時到達(dá)預(yù)置數(shù)，CNT輸出604為0N，則將短接601而取消積分定時。這種情況下，硫化定時僅由定時器501決定。在必要時還可啟動一個手動延時(此部份邏輯未畫出)。
(4)當(dāng)積分定時到或溫度監(jiān)視計時到，將分別點(diǎn)亮標(biāo)識燈421、422和423。 |
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