轮胎生产压力温度控制系统设计分析报告.docx
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轮胎生产压力温度控制系统设计分析报告
轮胎生产压力温度控制系统设计分析报告
摘要
硫化是轮胎生产过程中的一个重要环节。
温度和压力是本轮胎硫化的两个重要因素。
采用传统的人工手动控制很难达到预期效果。
本文介绍的是轮胎硫化生产自动控制系统的软硬件设计。
本设计中采用上位计算机和下位PLC来实现轮胎硫化生产过程中温度和压力的监控，温度控制精确度为±1℃。
本系统采用接在同一台计算机上的两台PLC可独立的实现对两套硫化生产系统的控制。
硫化中的温度数据由热电阻Pt100采来后，经EM231转换，再送到CPU224。
压力数据由远传压力表采集后，经EM235，再送到CPU224。
控制参数都是通过上位机设定并于生产前传到CPU224的。
生产中，上位机完成数据接收，数据存储，温度压力曲线绘制，生产管理等任务。
PLC完成PID控制，PID控制结果被用来调整进气阀的开度及排气阀的开闭。
当温度要求不能得到很好满足，但误差在允许范围内时，PLC自动完成等效硫化处理并报警。
当设定与实际偏差太大时，也会报警同时结束硫化。
当自动控制系统出现问题时，系统可由操作器通过手动控制实现。
MCGS这个版本的数据库没有足够大的空间进行存储，数据数量达到MCGS数据库的最大容量时就会把以前存储的数据丢失。
而SQL数据库，有足够大的空间，可以避免这样的问题。
所以要将其MCGS数据库形式转换为SQL数据库，以此来扩大存储空间。
第一章引言
轮胎产业是国民经济支柱产业之一。
我国近几年来的汽车、轮胎工业已取得了较好的发展和成绩。
硫化工序是轮胎生产中的最后一道工序，硫化三要素（温度、压力、时间）的有效控制直接关系最终产品的质量。
传统硫化工序的控制一般只实现综合管理控制，采用单点联动控制硫化的压力、温度和时间，电气控制的系统中有大量的按钮、开关和信号灯等，而这些参数记录、存取、打印和最终产品条形码的控制则很难实现或不够普遍。
本项目不但能实现综合管理控制，而且还能实现智能控制。
采用先进的PLC中型机进行相应的压力、温度的处理，并实现硫化过程的机械手和小车动作的自动控制和所有硫化介质的切换；利用上位机通过组态软件实现所有设备硫化过程及设备状态的中央集中监控和远程控制，硫化过程中的时间、压力、温度这些重要的参数，上位机除实现监控的功能外，还实现记录、存储和打印的功能。
利用组态软件实现硫化时间、压力、温度变量分析，并根据变量函数关系实现变量自动调整，最后实现最终产品的监控记录、存储和打印等。
整条生产线可实现机械化、自动化、智能化。
第二章工艺及设备
2.1设备生产线主要内容
设备要满足硫化时间、温度、压力曲线，硫化曲线中各段时间及温度可调。
数据与曲线可同时显示在上位机上，并可同时实现现场控制和远程控制。
上位机采用MCGS组态软件制作并完成工艺监视界面、设定值输入、报表输入输出和趋势曲线显示。
下位机则用了PLCS7-200实现对硫化温度、压力的自动化控制。
整个硫化过程的数据以报表形式生成、存储。
2.2主要技术参数
1、工件类型：
轮胎
2、硫化控制的过程：
全自动
3、使用条件：
电压：
220V±15%，工频50Hz
环境温度：
0～55℃
4、材料参数：
各种混炼胶
2.2.1工艺要求
（1）温度控制精度为±1℃（0～160℃）
（2）蒸汽压力控制精度±0.02Mpa
（3）测温输入点为9点，即罐体上，中，下各三点
（4）罐体上、下的温度差超过输入的设定值时，自动排放灌底冷凝水，保证硫化罐体内的温度平衡性、均匀性。
（5）温度达不到要求时，根据公式自动计算等效硫化时间，自动进行等效硫化。
等效硫化公式（气质硫化温度系数可调）如下：
公式如下：
（1-1）
τ1—温度为t1的硫化时间
τ2—温度为t2硫化时间
K—硫化温度系数（该系统根据产品不同为可变值）
图2.1温度压力控制曲线
时间段1——升温段1
时间段2——恒温段1
时间段3——升温段2
时间段4——恒温段2
时间段5——升温段3
时间段6——恒温段3
时间段7——降压段1
时间段8——恒压段1
时间段9——降压段2
2.2.2设备要求
2.2.2.1上位机要求：
（1）各种输入数据可导出的Access格式电子文件与网络数据库中。
（2）上位机可控制两台硫化罐同时或单独进行自动生产。
（3）上位机可实时单独或同时显示两台硫化罐的工作参数和趋势曲线。
（4）上位机留有与生产调度系统的接口功能，可自由的与产生系统交换各种信息。
（5）根据要求，将输入的数据与生产产生的数据输出。
A．第一种输入报表1，随时输入
表2.1输入报表1
输入要求
零件名称
5-30位文本
生产年份
08-99等年份
生产月份
1-12数字
喷砂操作者
工号数字6位
刷胶粘剂操作者
工号数字6位
第一遍刷胶粘剂批次
数字7位
第二遍刷胶粘剂批次
数字7位
第三遍刷胶粘剂批次
数字7位
成型日期
1-31数字
使用胶料名称
5-10文本
使用胶料滚次
1-20数字
使用胶料日期
1-31数字
备注
30个汉字
硫化日期
1-31数字
硫化操作者
工号数字
硫化罐次
1-12数字
硫化胎号
1-999数字
通过输入的生产年份、生产月份、硫化胎号生成7位唯一的胎号。
例如：
0801001（后3位数字为硫化胎号）
B．第二种输入报表2，操作者直接输入。
通过零件名称、生产年份、生产月份、硫化胎号与报表1看直接调用报表3的输入工艺与报表4输入的参数。
当没有输入参数时，提问取消操作或是开始非自动生产，上位机自动记录数据。
表2.2输入报表2
输入要求
零件名称
5-30文本
生产年份
08-99等年份
生产月份
1-12数字
硫化操作者
工号数字
硫化日期
1-31数字
硫化罐次
1-12数字
硫化胎号1（起始范围）
1-9999数字
硫化胎号2（结束范围）
1-9999数字
硫化胎号2应大于硫化胎号1输入错误自动校验。
C．工艺输入报表3
表2.3输入报表3
操作顺序
温度
时间
升压蒸汽压力到
保持蒸汽压力到
升高温度到
保持温度
升高温度到
保持温度
降低蒸汽压力到
保持蒸汽压力
降低蒸汽压力到
其中操作顺序用下拉式菜单按以上几种选取。
D．参数设定报表4
使用胶料名称、硫化热量参数（等效硫化参数）
（7）输出报表：
A．按生产年份、生产月份、硫化日期分别统计产量。
B．轮胎输出报表1所有输入数据生成唯一胎号。
C．按生产的胎号范围输出此范围内报表2所有数据以及工作实时生成的温度与压力曲线。
D．非自动生产时的报表2所有数据与实时生产的温度压力曲线。
（8）下位机程序出现问题时，可由上位机下传至下位机，维护其正常使用。
（9）上位机系统能够对生产情况同时进行现场和远程的实时监控。
（10）当进入等效硫化时，系统提供15秒报警功能。
（11）同一层热电阻的误差超过设定值时，进行30秒的报警。
（12）硫化温度低于硫化曲线设定值输入要求时，进行1分钟报警。
2.2.2.2下位机PLC要求：
（1）应满足甲方提供的硫化时间、温度、压力曲线。
各段时间、温度、压力参数可调。
（2）当温度达不到要求的时候，根据实时温度，按给定公式和设定的硫化温度系数自动计算等效硫化时间，PLC能自动实现等效硫化功能。
第三章设计整体思路
3.1设计原理图
图3.1设计原理总图
本系统采用接在同一台计算机上的两台PLC可独立的实现对两套硫化生产系统的控制。
硫化中的温度数据由热电阻Pt100采来后，经EM231转换，再送到CPU224。
压力数据由远传压力表采集后，经EM235，再送到CPU224。
控制参数都是通过上位机设定并于生产前传到CPU224的。
3.2上位机介绍
硫化过程中，上位机完成数据的传递，绘制图形，数据存储，产量统计等功能。
1、数据传递
（1）硫化过程中数据的传递是双向、分明进行的，且具有周期性。
上位机和下位机通过电缆RS232、RS485实现数据的传递和通信。
（2）MCGS状态下，通过在设备窗口建立通道连接，可将实时数据库中的数据装入下位机CPU224对应的寄存器中。
其中变量寄存器（V），位寄存器（M）和输出映象寄存器（Q）可读可写，输入映象寄存器（I）为只读。
（3）本工艺中，上位机在硫化开始前，要向下位机传送温度给定信号的三个跃变点的值（如130℃，140℃，150℃，随工艺要求而定），压力的两个跃变点值（如0.3Mpa，0.1Mpa，随工艺要求而定），九段硫化时间值，PID参数，等效硫化系数等数据。
（4）硫化过程中，上位机要接收来自下位机的实时信号：
八个热电阻的温度值，一个压力传感器的压力值，还有上、中、下层的平均温度值、实际值，三个报警状态，启动、停止、复位状态，硫化结果信号等。
上位机将根据设备通道中的设置，对它们进行周期性采样，并读入到实时数据库中进行进一步处理。
2、绘制曲线、实时曲线和历史曲线
硫化过程中各种曲线和报表是把实时数据库和历史数据库中的数据对象的值以时间为横轴的形式绘制出来，通过对实时曲线的监控，可以看到当前设备运行的情况，并且操作者还可以调用历史曲线和数据，能够知道过去一段时间内的生产情况，便于发现问题。
3、数据的提取和报表的输出
生产过程中各种报表（包括产量统计报表）的输出都应用到了MCGS中的数据处理和报表输出功能，因此为了完成显示，还要编写相应的脚本程序。
第四章MCGS组态软件
4.1MCGS组态软件概述
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系统。
MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整报告和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。
使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。
MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。
目前，MCGS组态软件已经成功推出了MCGS通用版组态软件、MCGSWWW网络版组态软件和MCGSE嵌入版组态软件。
三类产品风格相同，功能各异，三者完美结合，融为一体，形成了整个工业监控系统的从设备采集、工作站数据处理和控制、上位机网络管理和web浏览的所有功能，很好的实现了自动控制一体化的功能。
4.2MCGS组态软件的整体结构
MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。
组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。
运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。
图4.1组态环境与运行环境的关系图
MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。
4.2.1MCGS组态软件五大组成部分
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。
主控窗口：
是工程的主窗口或主框架。
在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。
主要的组态操作包括：
定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
设备窗口：
是连接和驱动外部设备的工作环境。
在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
用户窗口：
本窗口主要用于设置工程中的人机交互界面，诸如：
生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图标等。
实时数据库：
是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。
在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
运行策略：
本窗口主要完成工程运行流程的控制。
包括编写控制程序（if…then脚本程序），选用各种功能构件，如：
数据提取、定时器、配方操作、多媒体输出等。
与国内外同类产品相比，MCGS组态软件具有以下特点：
①全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统。
②庞大的标准图形库、完备的绘图工具、22种不同形式的渐进色填充功能以及丰富的多媒体支持，使您能够快速的开发出集图像、声音、动画等于一体的丰富多样、精美的工程画面。
③全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、通用棒图等等，使您能够更方便、更灵活的处理、显示生成数据。
④简单易学的Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统。
⑤强大的网络功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各种网络和无线电台等多种网络体系结构。
⑥提供了WWW浏览功能，能够方便地实现生产现场控制与企业管理的集成。
在整个企业范围内，只使用IE浏览器就可以在任意一台计算机上方便地浏览与生产现场一致的动画画面，实时和历史的生产信息，包括历史趋势，生产报表等等，并提供完善的用户权限控制。
4.3主控窗口组态
MCGS的主控窗口是组态工程的主窗口，是所有设备窗口和用户窗口的父窗口。
它相当于一个大的容器，可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责这些窗口的管理和调度，并调度用户策略的运行。
同时，主控窗口又是组态工程结构的主框架，可在主控窗口内建立菜单系统，创建各种菜单命令，展现工程的总体概貌和外观，设置系统运行流程及特征参数，方便用户的操作。
图4.2主控窗口组态
在MCGS单机版中，一个应用系统只允许一个主控窗口，主控窗口是作为一个独立的对象存在的，其强大的功能和复杂的操作都被封装在对象的内部，组态时只需对主控窗口的属性进行正确的设置即可。
4.4设备窗口组态
设备窗口是MCGS系统的重要组成部分，负责建立系统与外部硬件设备的连接，使得MCGS能从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。
MCGS实现设备驱动的基本方法是：
在设备窗口内配置不同类型的设备构件，并根据外部设备的类型和特征，设置相关的属性，将设备的操作方法，如硬件参数配置、数据转换、设备调试等都封装在构件之内，以对象的形式与外部设备建立数据的传输通道连接。
系统运行过程中，设备构件由设备窗口统一调度管理，通过通道连接，向实时数据库提供从外部设备采集到的数据，从实时数据库查询控制参数，发送给系统其它部分，进行控制运算和流程调度，实现对设备工作状态的实时检测和过程的自动控制。
MCGS的这种结构形式使其成为一个与设备无关的系统，对于不同的硬件设备，只需定制相应的设备构件，放置到设备窗口中，并设置相关的属性，系统就可对这一设备进行操作，而不需要对整个系统结构作任何改动。
图4.3设备窗口组态图
在MCGS单机版中，一个用户工程只允许有一个设备窗口，设置在主控窗口内。
运行时，由主控窗口负责打开设备窗口。
设备窗口是不可见的窗口，在后台独立运行，负责管理和调度设备驱动构件的运行。
4.5用户窗口组态
MCGS系统组态的一项重要工作就是生动的图形界面、逼真的动画效果来描述实际工程问题。
在用户窗口中，通过对多种图形对象的组态设置，建立相应的动画连接，用清晰生动的画面反映工业控制控制。
用户窗口是由用户来定义的、用来构成MCGS图形界面的窗口。
用户窗口是组成MCGS图形界面的基本单位，所有的图形界面都是由一个或多个用户窗口组合而成的，它的显示和关闭由各种策略构件和菜单命令来控制。
用户窗口相当于一个“容器”，用来放置图元、图符和动画构件等各种图形对象，通过对图形对象的组态设置，建立与实时库的连接，来完成图形界面的设计工作。
图4.4用户窗口组态图
用户窗口内的图形对象是以“所见即所得”方式来构造，也就是说，组态时，用户窗口内的图形是什么样，运行时就是什么样，同时打印出来的结果也是这样的。
因此，用户窗口除了构成图形界面以外，还可以作为报表的一页来打印。
把用户窗口视区的大小设置成对应的纸张大小，就可以打印出各种复杂图形组成的报表。
4.6实时数据库
在MCGS中的数据不同于传统意义的数据或变量，它不只包含了变量的数值特征，还将与数据相关的其它属性（如数据的状态、报警限值等）以及对数据的操作方法（如存盘处理、报警处理等）封装在一起，作为一个整体，以对象的形式提供服务。
这种把数值、属性和方法定义成一体的数据称为数据对象。
MCGS用数据对象来表述系统中的实时数据，用对象变量代替传统意义的值变量。
把用数据库技术管理的所有数据对象的集合称为实时数据库。
实时数据库是MCGS的核心，是应用系统的数据处理中心，如下图所示，系统各个部分均以实时数据库为公用区交换数据，实现各个部分协调动作。
设备窗口通过设备构件驱动外部设备，将采集的数据送入实时数据库；由用户窗口组成的图形对象，与实时数据库中的数据对象建立连接关系，以动画形式实现数据的可视化；运行策略通过策略构件，对数据进行操作和处理。
图4.5实时数据库和其它组态之间的关系
图4.6实时数据库组态图
4.7运行策略组态
到目前为止，经各个部分组态配置生成的组态工程，只是一个顺序执行的监控系统，不能对系统的运行流程进行自由控制，这只能适应简单工程项目的需要。
对于复杂工程，监控系统必须设计成多分支、多层循环嵌套式结构，按照预定的条件，对系统的运行流程及设备的运行状态进行有针对性的选择和精确地控制。
为此，MCGS引入运行策略的概念，用以解决上述问题。
所谓“运行策略”，是用户为实现对系统控制流程自由控制所组态生成一系列功能模块的总称。
MCGS为用户提供了进行策略组态的专用窗口和工具箱。
运行策略的建立，使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，控制用户窗口的打开、关闭以及设备构件的工作状态，从而实现对系统工作过程精确控制及有序调度管理的目的。
通过对MCGS运行策略的组态，用户可以自行组态完成大多数复杂工程项目的监控软件，而不需要繁琐的编程工作。
图4.7运行策略组态图
4.8脚本程序
用户脚本程序是由用户编制的、用来完成特定操作和处理的程序，脚本程序的编程语法非常类似于普通的Basic语言，但在概念和使用上更简单直观，力求做到使大多数普通用户都能正确、快速地掌握和使用。
对于大多数简单的应用系统，MCGS的简单组态就可完成。
只有比较复杂的系统，才需要使用脚本程序，但正确地编写脚本程序，可简化组态过程，大大提高工作效率，优化控制过程。
4.9MCGS数据处理
按照数据处理时间的先后顺序，MCGS组态软件将数据处理过程分为三个阶段：
数据前处理、实时数据处理以及数据后处理，以满足各种类型的需要，如下图所示：
图4.8数据处理示意图
4.10MCGS报表输出
在实际工程应用中，大多数监控系统需要对数据采集设备采集的数据进行存盘，统计分析，并根据实际情况打印出实际报表，所谓数据报表就是根据实际需要以一定的格式将统计分析后的数据显示打印出来，以便对生产过程中系统监控对象的状态进行综合统计和规律总结。
数据报表在工程系统中是必不可少的一部分，是整个工程系统的最终结果输出。
实际中常用的报表形式有实时数据报表和历史数据报表等。
图4.9罐的输入报表1
4.11MCGS曲线显示
在实际生产过程中，对实时数据、历史数据的查看、分析是必不可少的工作。
但对于大量数据仅做定量分析还远远不够，必须根据大量的数据信息，绘制出趋势曲线，从趋势曲线的变化中发现数据的变化规律。
因此，趋势曲线处理在工控系统中成为一个非常重要的部分。
MCGS组态软件能为用户提供强大的趋势曲线。
通过众多功能各异的曲线构件，包括历史曲线、实时曲线、计划曲线，用户能够组态出各种类型的趋势曲线，从而满足工程项目的不同需求。
4.12轮胎硫化组态窗口的介绍
下面来说明本窗口的部分功能：
图4.10罐硫化系统组态图
（1）现场设备
本部分直观的显示了现场工作环境，它由一个硫化罐，一个调节阀，一个排气阀，两段进气管，两段排气管组成。
罐左侧设置了9个温度标签，运行时可实时显示现场的8个热电阻所测温度值。
在进气阀上部设了一个百分比构件，运行环境下可实时显示进气阀的开度，同理，排气阀上的标签构件也可实时显示排气阀的开、关状态。
在百分比构件的属性设置中将它们连接到实时数据库的数据对象上。
（2）操作部分
本部分主要由启动按钮和运行指示灯组成。
在输入完输入报表3和报表4的后，点击按钮，指示灯由红变绿，表示已经开始硫化。
若无参数输入就点击启动按钮，则会弹出无参数输入的提示窗口，并且自动停止运行。
启动按钮在实时数据库中对应的数据对象通过设备窗口和下位机运行标志M0.0连接，故组态窗口中的启动按钮和控制台上的启动按钮是等效的。
（3）报警部分
该部分主要是由同一层热电阻误差报警，等效硫化报警，温度低于设定值报警和一个报警信息浏览按钮组成。
在报警状态下，相应的指示灯由绿色变为红色，点击报警信息浏览按钮，即可打开报警信息浏览窗口，从中可以看到报警时间、类型、应答等信息，通过设定时间范围，还可以看到指定时间范围内的报警信息。
报警灯的颜色变化是通过动画构件属性设置来实现的。
在实时数据库中对应的数据对象值发生变化时，灯就会变色闪烁，数据对象值发生变化的原因是设备窗口中通道所连接的下位机的相应存储单元数据发生了变化。
（4）报表输入输出部分
共有四张输入报表，它们在主控窗口的菜单组态中被存于同一个下拉菜单“输入报表”中。
各报表窗口中都没有进入其它报表的按钮。
输入报表中输入数据是通过输入框构件实现的，输入报表3中为了简化输入工作和适应工艺参数变化，分别设置了罐的硫化温度和时间配方，从整体上装载数据。
报表1为轮胎的相关信息，可随时输入。
报表2主要是为了获得相应时间下胎号的范围。
其中“零件名称”，“生产年份”
等数据由于在实时表元连接中连到了指定的数据对象，因而在报表1和报表2中，这些数据必须是相关的。
只要在报表1中输入，报表2就会显示。
运行时，报表2中的结束胎号必须大于其开始胎号，否则会自动弹出错误提示窗口。
图4.11报表2
输入报表3为工艺报表，此报表给出了工艺要求的温度，压力变化值以及完成这些变化所需的时间，它们已通过数据对象在设备窗口中的通道连接和下位机中的相应的存储单元建立起联系，在硫化开始前必须把数据送给下位机，以便硫化开始后将它们转化为实时给定值。
如不输入本参数硫化系统将无法运行。
图4.12报表3
报表4给出了胶料名称、等效硫化系数，它们也必须在硫化开始之前传给
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