基于WinAC的橡膠連續硫化機組的控制系統設計

橡套電線電纜是我國煤炭、礦產、鐵路、海底通信等傳輸的主干線，其生產工藝極其復雜，最為關鍵的一個工藝便是將混煉好的生橡膠擠制在電線電纜上，作為電線電纜的絕緣或外護套（俗稱擠橡工藝）。這一工藝需要在一定的溫度和壓力下，經過一定的時間硫化，因此，在這一工藝中溫度、壓力、時間這三個工藝參數需要根據工藝特性實時控制。以往，電線電纜生產廠家擋車師傅們主要根據以往經驗加以控制，硫化效果往往欠佳，導致電線電纜存在欠硫或過硫等質量問題，極大影響了其使用壽命。為了提高其工藝執行率，我們采用SIEMENS公司的S7-300型PLC、分布式測控模塊ET－200M以及基于PC的測控系統WinAC為山東韓譽電線電纜股份公司（中韓合資）根據該電線電纜生產工藝的特點，對整個硫化過程實施實時監控，對各段的溫度、鹽浴壓力進行PID調節，使生產的電線電纜的合格率大幅上升，并實現了少人值守、工人勞動強度大幅度下降，深受工廠喜愛，該套系統后又在山西某電纜廠投入運行，效果較好。本文主要從系統結構、溫控策略、系統可靠性設計等方面對橡套電纜擠橡工藝溫控系統闡述。

2 系統體系結構

圖1：系統結構示意圖

系統采用德國西門子S7-300 PLC可編程控制器、分布式I/OET200M和工控機（裝載WinAC和PROFIBUS－DP適配卡CP5611）構成DCS系統，系統結構框圖見1所示。PROFIBUS－DP 作為設備控制層網絡平臺；WinCC、MPI網作為監控層的人機接口及系統維護（網絡編程、人機接口備用站）平臺；以太網作為數據管理、生產及設備管理層的網絡平臺。
其中四臺S7-300PLC可編程控制器作為下位來實現所有信號的采集、運算、調節，分別為：溫度控制、牽引控制、壓力控制以及輔助控制現地單元，S7－300的特點是：模塊化、無排風結構、易于實現分布、運行可靠、性價比高。工控機主要安裝WinAC適配器以及機組狀態監視、工藝數據存取、機組系統控制、與車間級的工藝控制服務器和生產計劃服務器相連，以便與廠級的MIS系統無縫連接。其中CP5611卡為 S7－300型PLC與工控機的通訊接口卡。同時，為便于與車間級以及廠級的MIS系統相連，在WinAC控制器（工業控制計算機）內安裝了D－LINK的網卡，通過Ethernet與車間級的工藝控制服務器、生產計劃服務器以及車間服務器相連。
在生產線上，需要控制的參數與量為：

· 牽引電機：包括牽引前電機、牽引后電機、張力控制電機以及六臺熔巖電機泵。其中牽引前電機、牽引后電機、張力控制電機由牽引控制PLC的D/A模塊為MicroMaster420變頻器提供模擬輸入信號，然后由變頻器控制三相異步電機的運行，同時由繼電器輸入/輸出模塊控制各臺電機的起與停。

· 溫度控制：電纜連續鹽浴硫化機組共要監測32點溫度信號，同時還要控制10臺工業電爐為無機物加溫并使之熔化。硫化管上安裝由熱電偶以及溫度變送器，將1800～2200℃的溫度信號轉換為標準的0～10V信號，備PLC的AI模塊采集，同時利用繼電器輸出啟動無觸點功率模塊開關，使電爐通電升溫，同時實時監測熔鹽溫度，構成一溫度閉環控制系統，其中電爐的電流采用PID控制方法。

· 壓力控制：橡膠經過橡膠擠出機組機制在電纜上后，經過牽引前電機、后電機以及張力控制電機的配合，進入熔巖硫化管內，硫化管內的熔巖的多寡決定了其壓力的大小。管壁上安裝了20各壓力傳感器和變送器，其輸出信號供壓力控制PLC的AI模塊采集。

· 在連續硫化機組中，還有許多的數字計量表和電氣開關狀態需要實時采集和控制，因此，這些量的采集與控制由輔助控制PLC完成。

· 電控柜中需要實時監測單元信號、柜內溫度信號（防止個別繼電器短路而引起著火）、濕度信號、煙霧度等信號，因此采用SIEMENS的新型分布式I/O產品ET－200M作為機柜現地監控單元。

四個現地控制單元的基本配置與模塊為：
· 電源模塊：PS307－lK，120／230VAC， 24VDC／10A；
· CPU318—2：512K字節I／0可擴展至l024點?？稍O定第2個Profibus—DP接口。它完成運行狀態參數的實時監測監測，實時進行邏輯判斷，CPU318有4種操作選擇：RUN—P、RUN、STOP和MRES運行方式；
· 模擬量輸入模塊：SM331(8路輸入)。它把溫度、壓力變送器輸出的模擬量轉換為數字信號，并將數字信號送到PLC的控制單元，供PLC做出狀態參數的邏輯判斷；
· 數字量輸入模塊：SM321。16路輸入2個，32路輸入1個，完成電機運行狀態監測和PLC電機分批自啟動系統運行、調試狀態監側，電機運行狀態信號通過電機操作回路中的接觸器輔助接點接至該模塊；
· 數字量輸出模塊：SM322(輸出8路)。接受PLC控制單元的指令，完成電機驅動信號輸出，通過出口中間繼電器，驅動電機操作回路，完成電機分批自啟動；
· 模擬量輸出模塊：SM332（AO 2 x 12 位），主要給變頻器提供0～10V控制信號，實時控制三相異步電機的運行。
· 分布式IO使用ET200M，包括以下部件：電源PS307，Profibus模塊ET200M，數字量輸入，數字量輸出，模擬量輸入。
PLC采用了四個框架，在RTU信號柜內有三個，其中一個為備用擴展框架；另一個在操作臺內，通過IM361擴展連接，這樣簡化了接線，大大地提高可靠性。

3 系統實施策略

3.1 溫度控制策略
電纜橡膠硫化的溫度、壓力由有機物熔化并作載體實現，而熔鹽的熔化由工業電爐控制，實時控制工業電路的電流也就實現了溫度的實時控制。溫控采用PID調節時，在進行PID調節時，比例調節反映系統偏差的大小，只要有偏差存在，比例調節就會產生控制作用，以減少偏差。微分調節根據偏差的變化趨勢來產生控制作用，它可以改善系統的動態響應速度。積分調節根據偏差積分的變化來產生控制作用，對系統的控制有滯后的作用，可以消除靜態誤差。增大積分時間常數可提高靜態精度，但積分作用太強，特別是在系統偏差較大時會使系統超調量較大，甚至引起振蕩。因此，本系統中，我們采用如下溫控策略，組成智能控制系統
· 實際溫度低于Ｔ1時，為加快響應速度，全功率加熱。
· 實際溫度位于[Ｔ1～Ｔ2]范圍內時，為避免積分飽和，分離積分項，采用ＰＤ控制。
· 實際溫度位于[Ｔ2～Ｔ3]范圍內時，采用PID控制。
· 實際溫度位于[Ｔ3～Ｔ4]范圍內時，采用自適應PID控制。
· 當實測溫度Ｔ>Ｔ0+ξ且在采樣周期中，溫度持續上升，則繼電器斷開
· 在采樣周期中，溫度持續下降，則繼電器接通，其它情況實行PID控制。(死區閥值ξ本系統取為1℃)。這種控制方法不僅考慮了實測溫度和設定溫度的偏差，而且考慮了實測溫度的變化趨勢，可減少超調和波動，具有自適應的效果。
· 實測溫度大于Ｔ4時，接通風扇電源，強制制冷。Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3的選擇為：
Ｔ1=Ｔ0×87％，Ｔ2=Ｔ0×95%，Ｔ3=Ｔ0－20℃，Ｔ4=Ｔ0＋20℃。(Ｔ0：設定溫度)

3.2 系統可靠性設計

3.2.1 PLC輸出端的可靠性措施
PLC輸出模塊內的小型繼電器的觸點很小，斷弧能力很差，不能直接用于廠級AC220V～380V電路中，必須用PLC驅動外部繼電器，用外部繼電器的觸點驅動DC220v的負載。同時較多的AC220V～380V電磁閥內部有與其線圈串聯的限位開關常閉觸點，電磁閥線圈通電，閥芯動作后，是用閥內部的觸點來斷開電路的。在這種情況下，要選用觸點較小的小型繼電器來轉接PLC的輸出信號。

3.2.2 安裝與布線的注意事項
由于本系統PROFIBUS－DP要完成所有數據通信，因此對通信電纜要求可靠性高應選用SIEMENS推薦并提供的專用電纜。
由于本系統中用到了大功率可控硅裝置，PLC應遠離強干擾源。PLC不能與高壓電器安裝在同一個開關柜內，在柜內PLC應遠離動力線(二者之間的距離應大于200mm)。與PLC裝在同一個開關柜內的電感性元件，如繼電器、接觸器的線圈，應并聯RC消弧電路。PLC的I/O線與大功率線應分開走線，如必須要在同一線槽中布線，信號線應使用屏蔽電纜。交流線與直流線應分別使用不同的電纜，開關量、模擬量I/O線應分開敷設，后者應采用屏蔽線。不同類型的線應分別裝入不同的電纜管或電纜槽中，并使其有盡可能大的空間距離。

4 系統軟件設計
測控軟件是本系統的關鍵核心所在，同時也是難點。包括上位機測量軟件及PLC 控制軟件2 大塊，測量軟件主要由人機界面程序模塊、數字信號處理程序模塊、數據庫程序模塊等組成，均采用Visual C＋＋編程，在控制過程中，主程序可隨時通過DAO 利用SQL 查詢語句讀寫數據庫中的相關數據。在生產結束之后，可以進行工藝闡述數據統計操作，可以任意選擇統計開始時間和結束時間，計算機自動對該時間段的所有測量數據進行分類統計。并可以用條狀圖或者餅狀圖的形式直觀的顯示出來，相關數據可以進行備份、刪除、導出、打印報表等操作，以利于廠家了解產品質量狀況并采取有效措施改進生產工藝。
在上位機上，以WinCC 為人機接口的WinAC 系統，通過WinCC將時間取樣數據和事件記錄在數據庫,可通過趨勢曲線的形式反映溫度、壓力的歷史記錄。它具備完善的監控功能。包括設備運行狀態、檢測與執行器件工作狀態、網絡工作狀態、過程參數、故障診斷及定位、各類報警信息、設備/器件狀態信息等等。同時配置SQL Server 2000 數據庫服務系統，是系統數據存貯、處理、分析及服務中心。數據庫服務器向上連接生產管理部門（如工藝部、生產部），向下連接各個WinAC 系統，實現了生產任務、工藝指標的下發調度及實際過程參數的采集、歸檔，并最終生產出生產報表和質量分析報表，為車間、生產管理部門及決策部門提供依據。