引言
眾所周知，國(guó)內(nèi)輪胎業(yè)外胎硫化定時(shí)控制仍較普遍地存在著以下問(wèn)題：①使用機(jī)械式程序定時(shí)器，操作工可隨意變更硫化時(shí)間；②由于用于硫化加熱的過(guò)熱水溫度是變化的，這又要求操作工根據(jù)過(guò)熱水溫度變化的情況調(diào)整硫化時(shí)間，而實(shí)際上操作工為追求產(chǎn)量，往往縮短硫化時(shí)間，或?qū)^(guò)熱水溫度的持續(xù)降低不給以足夠的延時(shí)；③實(shí)際上人工確實(shí)很難確定很合適的硫化延時(shí)。因?yàn)榧词垢鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則來(lái)確定延長(zhǎng)時(shí)間，也需要綜合考慮過(guò)熱水溫度和模溫在硫化中的整個(gè)變化過(guò)程以及輪胎本身的種種情況。對(duì)于這些問(wèn)題，國(guó)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(jì)算機(jī)控制設(shè)備來(lái)進(jìn)行硫化定時(shí)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(duì)于根據(jù)過(guò)熱水溫度變化等因素而自動(dòng)調(diào)整硫化定時(shí)這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題(也即所謂的等效硫化控制問(wèn)題)仍未能很好地解決。
從自動(dòng)控制技術(shù)的角度看，輪胎自動(dòng)定時(shí)硫化控制是個(gè)包含著溫度(及/或壓力)測(cè)量調(diào)節(jié)與時(shí)序邏輯控制的混合控制問(wèn)題。為此我們采用了國(guó)產(chǎn)的擅長(zhǎng)于混合控制的可混合編程的可編程控制器(以下簡(jiǎn)稱HPC)，獲得了成功。HPC的主要特點(diǎn)是：可以來(lái)用其所提供的各種軟件功能塊與梯形圖混合編程。因?yàn)樘菪螆D擅長(zhǎng)于處理邏輯量控制，而軟件功能塊擅長(zhǎng)于模擬量控制。通過(guò)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(wèn)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(guò)表格指定多個(gè)數(shù)據(jù)如溫度、時(shí)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?yàn)?098片內(nèi)帶有A/D及D/A轉(zhuǎn)換功能，所以HPC對(duì)模擬量控制的硬件成本就很低。
2 硫化自動(dòng)定時(shí)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(shí)際情況，確定HPC的控制任務(wù)如下。
(1)根據(jù)過(guò)熱水溫度的變化，自動(dòng)對(duì)硫化時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。
(2)對(duì)硫化全過(guò)程進(jìn)行時(shí)間順序控制。
(3)測(cè)量并顯示模溫和過(guò)熱水溫度，其中原來(lái)接于三針記錄儀的兩個(gè)鉑電阻改接于HPC，而由HPC把鉑電阻測(cè)溫信號(hào)經(jīng)軟件線性化處理后，以4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)傳送給三針記錄儀。
(4)對(duì)模溫進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，HPC輸出4～20mA的電流信號(hào)給電氣轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而操縱氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。
(5)對(duì)過(guò)熱水溫和模溫進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)超過(guò)規(guī)定時(shí)間的溫度超限進(jìn)行報(bào)警及邏輯處理。
這里需要說(shuō)明的是，就HPC功能而言，所取的調(diào)節(jié)對(duì)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(lèi)型的記錄儀，或者板式微型打印機(jī)，在使用多臺(tái)HPC時(shí)，則可通過(guò)RS485通訊鏈路與個(gè)人計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行高級(jí)的數(shù)據(jù)集中管理。
2.2 硬件配置
根據(jù)上述測(cè)控任務(wù)而配置的硬件包括：電源插件、主機(jī)插件、多動(dòng)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(hào)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(kāi)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(dòng)7個(gè)雙控電磁閥和2個(gè)外部聯(lián)鎖。
3 控制應(yīng)用軟件
針對(duì)上述控制任務(wù)而確定的軟件功能塊組態(tài)見(jiàn)圖1，下面對(duì)圖1作簡(jiǎn)單介紹。
3.1 符號(hào)表示
整個(gè)應(yīng)用軟件組態(tài)采用了8種13個(gè)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(guò)賦予其端子S1、S2、P1、P2以信號(hào)代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。HPC對(duì)包括每一功能塊輸出信號(hào)在內(nèi)的各種內(nèi)部外部信號(hào)都賦以唯一的信號(hào)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(hào)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(hào)界面，右側(cè)豎線表示輸出信號(hào)界面。為便于通過(guò)編程鍵盤(pán)輸入，把圖1用表1來(lái)表示。表中一行為一個(gè)功能塊的登記項(xiàng)，共5項(xiàng)：包括功能塊的編號(hào)，四個(gè)端子S1、S2、P1、P2所軟連接的信號(hào)代碼。未有定義的端子項(xiàng)下無(wú)須填信號(hào)代碼，以符號(hào)“—”表示，也可填以數(shù)字“0”。各功能塊填寫(xiě)的順序與圖1標(biāo)注的順序號(hào)一致。最后一行的功能塊編號(hào)項(xiàng)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(shí)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(dòng)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(guò)輸入軟件處理(由輸入表指定)的模溫輸入信號(hào)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(shí)參數(shù)表第4項(xiàng)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(hào) |
功能塊編號(hào) |
端子信號(hào)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(guò)熱水溫與模溫的線性校正
為了精確地記錄過(guò)熱水和模子的溫度，采用了12點(diǎn)折線變換功能塊TBL對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(hào)折線表(第1號(hào)折線表己用于校正連接于PID塊S2端的外溫輸入信號(hào))，即可實(shí)現(xiàn)輸出電流與輸入溫度間的線性變換。由于兩個(gè)溫度通道的非線性一致，故在組態(tài)圖上，2號(hào)折線塊使用了兩次，其輸入分別接于信號(hào)001(模溫)和002(過(guò)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(hào)為3、4、5及6、7、8的功能塊分別用于過(guò)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(lái)說(shuō)明。當(dāng)未進(jìn)入硫化階段時(shí)，由梯形邏輯產(chǎn)生的內(nèi)部開(kāi)關(guān)信號(hào)921為0FF(即0)，開(kāi)關(guān)功能塊SW的輸出為標(biāo)準(zhǔn)過(guò)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(hào)201(實(shí)參數(shù)表第2項(xiàng))，LMS的輸出為0FF，則超限計(jì)時(shí)累加器CNT停止累加計(jì)數(shù)。當(dāng)進(jìn)入硫化后，信號(hào)921為0N，SW功能塊的輸出為過(guò)熱水測(cè)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(duì)其S1端所連的秒脈沖信號(hào)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(shí)間預(yù)置信號(hào)301的值(整數(shù)參數(shù)表第2項(xiàng))，則CNT功能塊輸出為0FF，一旦高于此預(yù)置數(shù)，則輸出信號(hào)604為ON。此信號(hào)在梯形邏輯中將點(diǎn)亮報(bào)警燈并對(duì)下一次硫化啟動(dòng)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(shí).由梯形邏輯產(chǎn)生的信號(hào)923將把CNT復(fù)位清除。
3.5 自動(dòng)定時(shí)
運(yùn)算序號(hào)為1和2的功能塊用于硫化時(shí)間的自動(dòng)定時(shí)。迄今國(guó)內(nèi)外對(duì)外胎硫化的實(shí)際過(guò)程已進(jìn)行了大量的研究，由于硫化過(guò)程中傳熱與溫度分布的動(dòng)態(tài)過(guò)程很復(fù)雜，試圖通過(guò)建立精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行硫化控制至少在目前還不可能。見(jiàn)之于報(bào)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(shí)施時(shí)需要給出一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而這些經(jīng)驗(yàn)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(jiǎn)化問(wèn)題，往往再做一些假設(shè)，以便把需要給出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)減到最少，這樣計(jì)算的結(jié)果偏離實(shí)際過(guò)程就更遠(yuǎn)了。但盡管如此，由這些簡(jiǎn)化的工程化的關(guān)系式計(jì)算的結(jié)果還是比人工操作好，通過(guò)湊試少量數(shù)據(jù)就能接近經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。因此從工程實(shí)用性看，簡(jiǎn)化的工程化的關(guān)系式是可以接受的。
我們所采用的計(jì)算硫化定時(shí)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(shí)間；
Cs——以正常的過(guò)熱水溫記錄曲線上按矩形面積等效估計(jì)得到的平均標(biāo)準(zhǔn)過(guò)熱水溫；
f(C)——實(shí)際過(guò)熱水溫的函數(shù)。
由此式可見(jiàn)，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(duì)實(shí)際溫度C的函數(shù)變換f(C)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的積分，當(dāng)所積分的面積(熱量)與式左邊相等時(shí)，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(shí)功能塊ITMR時(shí)，需要設(shè)定3個(gè)參數(shù)：工藝給定的標(biāo)準(zhǔn)硫化時(shí)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(guò)熱水溫度Cs以及從實(shí)際溫度C變換到f(C)的一個(gè)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(duì)應(yīng)的信號(hào)200(實(shí)參數(shù)表第1項(xiàng))，P1端是ts對(duì)應(yīng)的信號(hào)300(整數(shù)參數(shù)表第1項(xiàng))，變換系數(shù)填寫(xiě)在實(shí)參數(shù)表第3項(xiàng)(圖中未注)。當(dāng)積分值等于Csts，ITMR功能塊的輸出信號(hào)601為0N，對(duì)梯形邏輯部份進(jìn)行了作用。
3.6 時(shí)間順序控制
順序號(hào)為13的PLB功能塊是整個(gè)硫化時(shí)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(yǔ)句組成的，通過(guò)編程鍵盤(pán)專(zhuān)門(mén)輸入。此梯形邏輯通過(guò)內(nèi)部信號(hào)920～925，601，604，607等與其它功能塊進(jìn)行聯(lián)系，從而完成信號(hào)切換、越限超時(shí)報(bào)警、啟動(dòng)聯(lián)鎖、清除積分、延時(shí)控制等功能。因篇幅所限，圖3中只畫(huà)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(jiàn)：
(1)當(dāng)過(guò)熱水溫或模溫其中之一超限超時(shí)，而使計(jì)數(shù)器CNT輸出604或607為0N時(shí)，外部啟動(dòng)按鈕信號(hào)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(hào)802，使923、924為ON，清除超限時(shí)間計(jì)數(shù)器CNT，使604、607為0FF后，啟動(dòng)信號(hào)800才能有效。若超限計(jì)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(jì)數(shù)器CNT。
(2)當(dāng)進(jìn)完一次水并進(jìn)入硫化(進(jìn)高壓過(guò)熱水)后，輔助繼電器002為0N，003為0FF，開(kāi)關(guān)功能塊SW的切換信號(hào)921、922被置為0N，功能塊方面開(kāi)始過(guò)熱水溫與模溫的超限監(jiān)視。若過(guò)熱水溫未超限，603為0FF，925為0N，開(kāi)始過(guò)熱水溫積分定時(shí)。按用戶的工藝規(guī)程，在硫化過(guò)程中，若過(guò)熱水溫超限，因603為0N，則925為0FF，積分定時(shí)器輸入為零信號(hào)205(實(shí)參數(shù)表第6項(xiàng))，這等效于停止積分，在此同時(shí)，過(guò)熱水溫超限計(jì)時(shí)開(kāi)始進(jìn)行。若過(guò)熱水溫在超限計(jì)時(shí)到達(dá)預(yù)置數(shù)之前又上升超過(guò)低限，則可又開(kāi)始積分。在進(jìn)過(guò)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(shí)器復(fù)位。
(3)積分定時(shí)器輸出信號(hào)601和硫化預(yù)置定時(shí)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(shí)間不會(huì)少于工藝規(guī)定的硫化時(shí)間(即定時(shí)器501預(yù)置的定時(shí)時(shí)間)，若取消定時(shí)器501，則硫化定時(shí)將完全由積分定時(shí)器決定。若硫化開(kāi)始后過(guò)熱水溫越限計(jì)時(shí)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(shí)。這種情況下，硫化定時(shí)僅由定時(shí)器501決定。在必要時(shí)還可啟動(dòng)一個(gè)手動(dòng)延時(shí)(此部份邏輯未畫(huà)出)。
(4)當(dāng)積分定時(shí)到或溫度監(jiān)視計(jì)時(shí)到，將分別點(diǎn)亮標(biāo)識(shí)燈421、422和423。 |
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