汽车轮胎设计毕业论文.doc

青岛科技大学本科毕业设计 (论文)1 前 言1.1 课题研究的背景和意义随着我国汽车工业的高速发展，国内市场对车用橡胶制品的需求量迅速增加。“十五”期间，国内汽车橡胶市场的年均增长率超过30%；与此同时，我国每年仍有50多亿元的汽车橡胶制品（相当于汽车橡胶行业年销售额的20%）需要从国外进口。这说明我国的汽车橡胶产业目前还满足不了汽车工业发展的要求。从宏观上看，未来几年由于受到国际金融危机的影响，中国国民经济增长速度虽会有所放缓，但在国家实施一系列刺激经济增长措施的保证下，仍将保持较快的增长速度。根据国家高速公路发展规划，到2020 年，全国公路总里程达到260 万至300 万公里，高速公路里程达到7 万公里以上。在中国汽车市场的拉动下，2007 年，国内汽车轮胎销售3.3 亿条，同比增长18%，其中子午胎2.3 亿条，同比增长28%； 另一方面，轮胎子午化率提高带来的升级换代需求也给轮胎企业的发展提供了空间。目前，内外资企业都在国内增加子午胎的生产线，预计在2006 年的基础上子午胎的产量每年保持10%的增长，到2010 年我国子午胎产量将达到5.3 亿条，子午化率85%。综上分析，轮胎橡胶行业的发展状况直接影响到橡胶机械行业的市场空间。轮胎橡胶行业特别是子午胎制造业的持续快速增长为橡胶机械行业的发展创造了良好条件，使橡胶机械行业的市场容量保持稳定增长。1.2课题在国内外的研究现状硫化是轮胎制造的最后一道工序，而硫化机是影响轮胎质量的关键设备之一。 近年来，通过与世界轮胎巨头的合作与交流，我国硫化机在精度、可靠性、稳定性等方面均有了质的飞跃，已达到世界先进水平。目前，国产硫化机可完全取代进口产品，不仅包揽了我国新建轮胎厂所需的所有硫化机，而且还大量出口日本、法国等发达国家，出口型号包括机械式和液压式等10多个规格。如今，世界轮胎巨头前“五强”已有“四强”使用我国生产的硫化机。但目前我国液压硫化机的配套件仍主要依赖进口的品牌产品，如液压站、阀门、开关等大多采用进口件，尤其是液压站、液压缸在相当长时间内将维持使用国外PARKER、VICK-ERS、REXROTH等品牌。对机械式和液压式这两类硫化机在我国的生产、使用情况及各项精度作了介绍和比较。目前通过对机械式硫化机的改进，基本可满足我国对各类高等级轮胎的硫化要求。但是随着轮胎子午化的提高，随着国内液压元件达到国际标准,液压硫化机的成本下降，普遍使用液压硫化机则是必然的趋势，毕竟硫化高等级轮眙使用液压硫化机为好。1.3 轮胎硫化机的发展前景玛莉多米布罗斯基女士是美国阿克隆固特异公司的硫化课题组的一名负责人，她说，固特异所有的硫化机的外模使用蒸汽加热，里面的花纹模使用一种蒸汽混合气体加热。她认为虽然轮胎硫化技术已在相当长的一段时期没有什么变化，但是当代的硫化机的质量非常高。“虽然硫化技术在安全性能方面也进行了改进，”她补充道，“但是，于其说硫化机发生根本的变化，不如说硫化机一直在不断地改进，使轮胎硫化效果又快又好。这主要得益于电子和计算机控制技术的应用。”近年来，通过与世界轮胎巨头的合作与交流，我国硫化机在精度、可靠性、稳定性等方面均有了质的飞跃，目前，我国产的硫化机已可完全取代进口产品，不仅包揽了国内新建轮胎厂所需的所有硫化机，而且还大量出口日本、法国等发达国家，出口型号包括机械式和液压式等l0有了质的飞跃，目前，我国产的硫化机已可完全取代进口产品，不仅包揽了国内新建轮胎厂所需的所有硫化机，而且还大量出口日本、法国等发达国家，出口型号包括机械式和液压式等l0多个规格。如今，世界轮胎巨头前“五强”已有“四强”使用我国生产的硫化机。2 轮胎硫化与硫化机的介绍2.1 硫化的介绍2.1.1 硫化的原理在高分子化学中，硫化（Vulcanization）指的是橡胶胶料通过生胶分子间交联，生成具有三维网络结构的硫化胶的过程。含有双键的弹性体在工业上多采用硫或有机硫化合物来进行硫化交联，因此在橡胶工业中，硫化与交联是同义词。交联的目的是为了使胶料具备高强度、高弹性、高耐磨、抗腐蚀等优良性能，消除永久形变，使橡胶在变形之后，能迅速并完全地恢复原状。因为最早发现的交联剂是硫磺，故得名硫化。硫化”一词有其历史性，因最初的天然橡胶制品用硫磺作交联剂进行交联而得名，随着橡胶工业的发展，现在可以用多种非硫磺交联剂进行交联。因此硫化的更科学的意义应是“交联”或“架桥”，即线性高分子通过交联作用而形成的网状高分子的工艺过程。从物性上即是塑性橡胶转化为弹性橡胶或硬质橡胶的过程。“硫化” 的含义不仅包含实际交联的过程，还包括产生交联的方法。2.1.2 硫化的条件影响硫化过程的主要因素是硫磺用量、硫化温度及硫化时间。(1) 硫磺用量。其用量越大，硫化速度越快，可以达到的硫化程度也越高。硫磺在橡胶中的溶解度是有限的，过量的硫磺会由胶料表面析出，俗称“喷硫”。为了减少喷硫现象，要求在尽可能低的温度下，或者至少在硫磺的熔点以下加硫。根据橡胶制品的使用要求，硫磺在软质橡胶中的用量一般不超过3，在半硬质胶中用量一般为20左右，在硬质胶中的用量可高达40以上。(2) 硫化温度。若温度高10，硫化时间约缩短一半。由于橡胶是不良导热体，制品的硫化进程由于其各部位温度的差异而不同。为了保证比较均匀的硫化程度，厚橡胶制品一般采用逐步升温、低温长时间硫化。(3) 硫化时间。这是硫化工艺的重要环节。时间过短，硫化程度不足（亦称欠硫）。时间过长，硫化程度过高（俗称过硫）。只有适宜的硫化程度(俗称正硫化)，才能保证最佳的综合性能。2.1.3 硫化的过程通过胶料定伸强度的测量（或硫化仪）可以看到，整个硫化过程可分为硫化诱导，预硫，正硫化和过硫（对天然胶来说是硫化返原）四个阶段。(1) 硫化诱导期硫化诱导期（焦烧时间）内，交联尚未开始，胶料有很好的流动性。这一阶段决定了胶料的焦烧性及加工安全性。这一阶段的终点，胶料开始交联并丧失流动性。硫化诱导期的长短除与生胶本身性质有关，主要取决于所用助剂，如用迟延性促进剂可以得到较长的焦烧时间，且有较高的加工安全性。(2) 预硫化阶段硫化诱导期以后便是以一定速度进行交联的预硫化阶段。预硫化期的交联程度低，即使到后期硫化胶的扯断强度，弹性也不能到达预想水平，但撕裂和动态裂口的性能却比相应的正硫化好。(3) 正硫化阶段到达正硫化阶段后，硫化胶的各项物理性能分别达到或接近最佳点，或达到性能的综全平衡。(4) 过硫化阶段正硫化阶段（硫化平坦区）之后，即为过硫阶段，有两种情况：天然胶出现“返原”现象（定伸强度下降），大部分合成胶（除丁基胶外）定伸强度继续增加。(5) 交联现象与其影响对任何橡胶来说，硫化时不只是产生交联，还由于热及其它因素的作用产生产联链和分子链的断裂。这一现象贯穿整个硫化过程。在过硫阶段，如果交联仍占优势，橡胶就发硬，定伸强度继续上升，反之，橡胶发软，即出现返原2.2 硫化机工作原理硫化机在工作循环中，轮胎硫化需长时间保压（主要是加力缸和中心缸的保压），以确保轮胎质量。保压性能的好坏，直接影响到轮胎硫化的质量，在设计时，拟定了两种保压方式。1. 用液控单向阀保压。在油缸的进油路上串联一个液控单向阀，利用单向阀锥形阀座的密封性来实现保压。它在200mpa压力下，10min内压力降不超过2mpa。2. 用蓄能器保压。蓄能器与主缸相通，补偿系统漏油，并且在蓄能器出口设单向节流阀，其作用是防止换向阀切换时，蓄能器突然泄压而造成冲击。采用蓄能器保压24小时内，压力降不超过12bar。 2.3 轮胎硫化机的工艺概述2.3.1 硫化机的工艺流程硫化机的工艺流程主要有:装胎、定型、合模、打内压、硫化(必要时延时硫化)、内冷、外冷、开模、取胎、吹风等过程,其控制系统核心部分是硫化过程控制和程序控制。2.3.2 传统的等压等温轮胎硫化工艺目前轮胎制造过程中，硫化工艺大多数是采用传统的等压等温轮胎硫化工艺。在硫化轮胎的胶囊内通入一定温度和压力的介质（如蒸汽或过热水）、并持续一定时间，再向硫化轮胎的胶囊内通入过热水，在整个正硫化过程中，过热水保持一定的压力和温度不间断地循环流动，即正硫化过程中始终保持等压等温。这个过程需要消耗大量能源，轮胎硫化过程是轮胎生产中最大的能量消耗过程。实际上循环的过热水的热量被轮胎所吸收的只是一小部分，大量的热水是无效地循环。同时传统硫化工艺因正硫化时间长，易造成过硫。过硫使胶料的物理性能大幅度降低，影响轮胎质量。 2.3.3 新型等压变温轮胎硫化工艺新型等压变温轮胎硫化工艺的主要原理是：硫化初始，在硫化轮胎的胶囊内通入比一般常规硫化温度高出15%25%的高温蒸汽，保压一段时间；再向胶囊内通入过热水，保持一定的温度和压力，短时间的循环；之后，让过热水在胶囊内停止循环，持续到硫化结束。此过程压力不变，而温度在硫化过程中下降，故称为等压变温过程。该轮胎硫化工艺优点为： 轮胎硫化时间缩短了5%10%，提高生产率和产量，也提高设备利用率； 由于正硫化阶段开始后再没有热量补充，有效的防止了过硫阶段轮胎发生焦烧的现象，轮胎质量明显提高，所跑的里程数较等温、等压硫化工艺的轮胎提 高5%10%左右。大量减少了轮胎硫化过程中过热水的循环时间，节约了加热大量过热水所需的能源，也节约了过热水循环输送过程中的能源,使轮胎硫化过程的能耗大大降低.2.4 轮胎硫化机的分类轮胎硫化机可分为单模定型轮胎硫化机、胶囊定型硫化机、双模定型硫化机、液压式轮胎硫化机以及机械式轮胎硫化机。汽车轮胎的硫化从50年代起推广应用了胶囊定型硫化机。硫化室内径在65以下的轮胎,即全部乘用车轮胎和轻型、中型卡车轮胎的硫化基本上都采用双模定型硫化机。65以上的则采用单模定型硫化机或硫化罐。双模定型硫化机首先普遍应用的是机械式硫化机,采用曲柄齿轮连杆(或称四连杆)结构,机构原理简单。在合模瞬间就加上合模力,以较小的电机功率可获得较大的合模力。合模以后电机不再工作,而合模力可始终保持到重新开模。目前世界上所采用的机械式硫化机虽生产厂家不同、规格型号各异,而且经过多年不断改进,但基本结构都一样,也都没有变化。在机械式硫化推广应用的同时,也出现了液压式硫化机。但由于开始时液压式硫化机对机械式硫化机的优越性不很明显,而且当时液压技术还不很成熟,轮胎厂对液压式硫化机的维修保养还不很适应,因此在一段时间内液压式硫化机没有象机械式硫化机那样得到普遍推广。但随着汽车工业和轮胎工业的不断发展,对轮胎的均匀性提出了越来越高的要求,也对硫化机的工作精度提出了越来越高的要求,液压式硫化机的优越性就充分地显示出来了。同时液压技术也日趋成熟,维修保养也不再成为大问题。所以现在世界上主要轮胎公司已逐步采用液压式硫化机来代替传统的机械式硫化机。他们在建设新厂或对老厂进行技术改造时,已基本上采用液压式硫化机。液压式硫化机替代机械式硫化机已成为无可置疑的发展趋势。2.5 轮胎硫化机结构组成2.5.1 总体结构(l)机体为固定的框架,结构紧凑,刚性良好,安装运输方便。(2)开合模时上模部分只有垂直上下运动,靠前后和左右滚轮在导轨上滚动。滚轮带有偏心套,对中度可精确调整。滚轮与导轨之间基本上没有间隙,可保持很高的对中精度和重复精度。(3)虽然液压式硫化机也是双模腔的,但从受力角度看,只是两台单模硫化机连结在一起。合模力依靠液压缸加在模具中心的力和二侧框架对称的弹性伸长而获得,模具圆周方向受力均匀。在整个操作过程中硫化工位轴线能始终保持理论垂直,没有角转运动。(4)由于合模力决定于合模油缸油压,不受环境温度或工作温度影响,可保持恒定的合模力。(5)运动零件动作时其滑动表面或滚动表面没有法向负荷,磨损极小,可保持长时间的操作精度。(6)由于改进了机械结构和隔热层的设计,辐射热损耗比机械式硫化机降低3050%。(7)由于开合模动作简化,开合模时间缩短30%左右,提高了机器的生产率。(8)因为没有上模的翻转运动,对保持活络模的精度和延长其使用寿命有利。(9)由于取消了全部蜗轮减速器、大小齿轮、曲柄齿轮和大连杆等运动件和易损件,维护保养工作量减少。(10)由于整机重量减轻,且机器在开合模时重心轴线不偏移,机器的基础处理可大大简化。(11)机器的运动精度提高,可达到:上下热板同心度0.3mmTIR上下热板平行度0.3mm/m装胎器对下热板的同心度0.3mmTIR装胎器对下热板的平行度0.5mm/m卸胎器对下热板的同心度1mmTIR卸胎器对后充气环的同心度1mmTIR上述精度是机械式硫化机很难达到的,特别是重复精度难以保证。当生产H级或V级轮胎时,要想得到高的一级品率,机械式硫化机已很难胜任。2.5.2 胶囊操作结构(中心机构)传统的中心机构主要有三种型式,即原美国NRM公司开发的Autoform(我国简称为A型),美国McNei1公司开发的Bag-O-Matic型(我国简称为B型),和德国Herbert公司开发的AUB0型(我国简称为AB型或C型)。其他型式可以说都是这三种基本型的改型。现三菱重工采用的中心机构称为RIB(RollingInBladder)翻入胶囊型,这是在A型的基础上吸收了其他型式的优点而开发的,且RIB型本身也在不断改进。在固定的中心机构筒体内装有一升降囊井,由二个垂直油缸操纵上下运动。轮胎下钢圈固定在此囊井顶部。囊井上升时将硫化好的轮胎顶出。胶囊下夹环高度可通过一专用电机及一套链轮链条装置调节以适应不同尺寸的轮胎。中心机构下部为一横梁,由二个垂直气缸操纵横梁上下运动。胶囊上夹环操纵油缸及更换胶囊的油缸固定在此横梁上。胶囊上夹环除了随横梁上下运动外,还可由它自己的油缸操纵上下运动。横梁运动共有三个位置。中间位置为硫化位置。硫化时由二个水平闭锁气缸将横梁运动锁住,硫化结束后横梁上升到最高位置,然后闭锁气缸松锁。卸胎时横梁在最低位置,胶囊收缩在囊井内。需更换胶囊或调节下夹环高度时可将横梁提到最高位置。此时如启动更换胶囊操作泊缸,下夹环松开,即可更换胶囊,换好后再重新压紧。2.5.3 装胎器除了A型硫化机采用平移式的装胎机构外,其他均采用摇臂式装胎机构。PC-X硫化机的装胎机构也属摇臂式,但有其结构特点。其装胎器在回转时由二个回转中心而不是由一个回转中心控制。这使装胎定位依靠一个三角形珩架ABC,而不是依靠一单梁。有效地增加了定位刚性,保证定位精度。2.5.4 合模力的获得液压式硫化机合模力的获得完全来源于油的压力。一般均用较低压力、较快速度、较长行程的油缸控制开合模。合模以后用一定的方式(插销、锁环、或锁紧块)将上下模部分锁住,组成一个闭环受力系统,然后再用高压、短行程的油缸使上下模受到合模力。2.5.5 卸胎器和后充气装置卸胎器抓起轮胎后直接送到后充气工位或卸胎工位,动作简单可靠并定位准确。在后充气装置上轮胎处于完全水平位置,有利于轮胎的均匀冷却。2.5.6 活络模操作油缸操作油缸与活络模的啮合与脱开利用一手柄转动一锁环装置完成。简单易行。2.5.7 电气控制系统硫化机的控制系统由PLC控制系统、回转编码器垂直升降定位控制系统、MAC-5000程序控制系统、仪表显示控制系统等组成。3 PLC的介绍与西门子PLC的选择3.1 PLC 的定义PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。3.2 PLC的特点(1) 可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。(2) 配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。(3) 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。(4) 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。(5) 体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.3 PLC 的分类3.3.1 按性能分类根据PLC的lO点数 用户程序存储器容量和控制功能的不同，可将其分为小型，中型和大型三类。(1) 小型PLC小型PLC又称低档PLC，它的lO点数小于128点，用户程序存储器容量小于41(字，功能简单， 开关量控制为主，可实现零件控制、顺序控制、定时记数控制。适用于单胡或小规模生产过程。(2) 中型PLC中型PLC又称中档PLC，它的10点数在128-512 之间，用户程序存储器容量为4K-SK字，功能比较丰富、兼有开关量和模拟量的控制自B力，具有浮点数运算 数制转换、中断控制 通信联阿和PID调节等功能。适用于小型连续生产过程的复杂逻辑控制和闭环过程控制。(3) 大型PLC大型PLC又称高档PLC，它的UO点数在512点以上，用户程序存储器容量达到8K字盥上，控制功能完善，在中 的基础上，扩大和增加了函数运算 数据牵 监视 记录 打印及中断控制 智能控辅 远程控制的功能。适用于大规模的过程控翩 集散式控制系统和工厂自动化网络。3.3.2 按结构分类根据PLC的构成形式，可将PLC分为整体式和机架式(模块式)两类。(1) 整体式结构整体式结构的PLC是将CPU存储单元 输入输出模块和电源部件集中配置在个机箱内。这种PLC输入输出点数少体积小价格低，便于装入设备内部。小型PLC通常采用这种结构.(2) 机架式结构机架式结构的PLC将各单元做成独立的模块，使用的插座上。 构成不同的控制系统。这种PLC输入输出点效多，配置灵活方便易于扩展。大中型PLC通常果用这种结构.3.3.3 按应甩范围分类根据应用范围的不同，可将PLC分为通用型和专用型两类。通用型PLC作为标准工业控制装置可在各个领域使用，而专用型PLC是为了某类控制要求专门设计的PLC，如数控机束专用型，锅炉设备专用型，报警监视专用型等。由于应用的专性，使其控制质量大大提高。3.3 西门子PLC 的结构组成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。3.3.1 CPUCPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。3.3.2 I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。3.3.3 电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。3.3.4 底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。3.3.5 PLC系统的其它设备(1) 编程设备编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。(2) 人机界面最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。(3) PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS或工业以太网进行联网。(4) PLC软件系统及常用编程语言3.4.1 PLC软件系统PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。(1) STEP7程序的使用创建一个项目结构，项目就象一个文件夹，所有数据都以分层的结构存在于其中，任何时候你都可以使用。在创建一个项目之后，所有其他任务都在这个项目下执行。组态一个站，组态一个站就是指定你要使用的可编程控制器，例如S7300、S7400等。组态硬件，组态硬件就是在组态表中指定你的控制方案所要使用的模板以及在用户程序中以什么样的地址来访问这些模板，地址一般不用修改由程序自动生成。模板的特性也可以用参数进行赋值。组态网络和通讯连接，通讯的基础是预先组态网络，也就是要创建一个满足你的控制方案的子网，设置网络特性、设置网络连接特性以及任何联网的站所需要的连接。网络地址也是程序自动生成如果没有更改经验一定不要修改。定义符号，可以在符号表中定义局部或共享符号，在你的用户程序中用这些更具描述性的符号名替代绝对地址。符号的命名一般用字母编写不超过8个字节，最好不要使用很长的汉字进行描述，否则对程序的执行有很大的影响。创建程序，用梯形图编程语言创建一个与模板相连结或与模板无关的程序并存储。创建程序是我们控制工程的重要工作之一，一般可以采用线形编程（基于一个块内，OB1）、分布编程（编写功能块FB,OB1组织调用）、结构化编程（编写通用块）。我们最常采用的是结构化编程和分布编程配合使用，很少采用线形编程。下载程序到可编程控制器，完成所有的组态、参数赋值和编程任务之后，可以下载整个用户程序到可编程控制器。在下载程序时可编程控制器必须在允许下载的工作模式下（STOP或RUN-P）, RUN-P模式表示，这个程序将一次下载一个块，如果重写一个旧的CPU程序就可能出现冲突，所以一般在下载前将CPU切换到STOP模式。(2) WINCC程序的使用WINCC是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。具有控制自动化过程的强大功能，是基于个人计算机的操作监视系统，它很容易结合标准的和用户的程序建立人机界面精确的满足生产实际要求。WINCC有两个版本RC版（具有组态和开发环境）、RT版（只有运行环境），我们一般使用的是RC版。WINCC简单使用步骤变量管理，首先确定通讯方式安装驱动程序，然后定义内部变量和外部变量，外部变量是受你买的WINCC软件授权限制的最大授权64K字节，内部变量没有限制。 画面生成，进入图形编辑器，图形编辑器是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图程序。也可以使用包含在对象和样式库中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。可以通过动作编程将动态添加到单个图形对象上。 报警记录设置，报警记录提供了显示和操作选项来获取和归档结果。可以任意地选择消息块、消息级别、消息类型、消息显示以及报表。为了在运行中显示消息，可以使用包含在图形编辑器中的对象库中的报警控件。 变量记录，变量记录是用来从运行过程中采集数据并准备将它们显示和归档。 报表组态，报表组态是通过报表编辑器来实现的。是为消息、操作、归档内容和当前或已归档的数据定时器或事件控制文档的集成的报表系统，可以自由选择用户报表的形式。 全局脚本的应用，全局脚本就是C语言函数和动作的通称，根据不同的类型脚本被用于给对象组态动作并通过系统内部C语言编译器来处理。全局脚本动作用于过程执行的运行中。一个触发可以开始这些动作的执行。 用户管理器设置，用户管理器用于分配和控制用户的单个组态和运行系统编辑器的访问权限。每建立一个用户，就设置了WINCC功能的访问权利并独立的分配给此用户。至多可分配999个不同的授权。 交叉表索引，交叉索引用于为对象寻找和显示所有使用处，例如变量、画面和函数等。使用“链接”功能可以改变变量名称而不会导致组态不一致。3.4.3 PLC提供的编程语言PLC所提供的编程语言包括标准语言、梯形图，语句表语言，逻辑功能图语言。(1) 标准语言：梯形图语言的特点它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。 PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。(2) 语句表语言语句表语言，类似于汇编语言。(3) 逻辑功能图语言逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出。3.4 PLC的工作过程PLC的工作方式采用不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。3.4.1 PLC的工作过程整个过程可分为以下四个部分,依次为:上电处理,自诊断处理,通讯服务,程序扫描过程. (1) 上电处理。PLC上电后对系统进行一次初始化，包括硬件初始化和软件初始化，停电保持范围设定及其他初始化处理等。(2) 自诊断处理。PLC每扫描一次，执行次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常。如CPU、电池电压、程序存储器、IO和通讯等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描便停止。(3) 通讯服务。PLC自诊断处理完成以后进入通讯服务过程。首先检查有无通讯任务，如有则调用相应进程，完成与其他设备的通讯处理，并对通讯数据作相应处理；然后进行时钟、特殊寄存器更新处理等工作。(4) 程序扫描过程。PLC在上电处理、自诊断和通讯服务完成以后，如果工作选择开关在RUN位置，则进人程序扫描工作阶段。先完成输入处理，即把输入端子的状态读入输入映像寄存器中，然后执行用户程序，最后把输出处理结果刷新到输出锁存器中。3.4.2 扫描周期在上述几个部分中，通讯服务和程序扫描过程是PLC工作的主要部分，其工作周期称为扫描周期。可以看出扫描周期直接影响控制信号的实时性和正确性，为了确保控制能正确实时地进行，在每个扫描周期中，通讯任务的作业时间必须被控制在一定范围内。PLC运行正常时，程序扫描周期的长短与CPU的运算速度、与I/O点的情况、与用户应用程序的长短及编程情况等有关。通常用PLC执行l KB指令所需时间来说明其扫描速度，一般为零点几ms到上百ms。值得注意的是，不同指令其执行时间是不同的，从零点几s到上百s不等，故选用不同指令所用的扫描时间将会不同。而对于一些需要高速处理的信号，则需要特殊的软、硬件措施来处理。当PLC处于正常运行时，它将不断重复扫描过程。3.4.3 扫描过程与其三个阶段分析上述扫描过程，如果对远程I/O、特殊模块和其他通讯服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段了。这三个阶段是PLC工作过程的中心内容。下面就对这三个阶段进行详细的分析。（1） 输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输人端点，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段和输出刷新阶段，在此阶段输入映像寄存器与外界隔离，无论输入情况如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输人采样阶段，才重新写入输入端的新内容。所以一般来说，输人信号的宽度要大于一个扫描周期，否则很可能造成信号的丢失。由此可见，输入映像寄存器的数据完全取决于输入端子上各输入点在上一刷新期间的接通和断开状态。（2） 程序执行阶段根据PLC梯形图程序扫描原则，一般来说，PLC按从左到右、从上到下的步骤顺序执行程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”采集到的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件(“软继电器”)的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件(“软继电器”)的状态会随着程序执行过程而变化。（3） 输出刷新阶段在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态(接通断开)在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过输出端子和外部电源，驱动外部负载。由此可见，输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果，输出锁存器中的数据由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定，而输出端子的接通和断开状态，完全由输出锁存器决定。3.4.4 大中型PLC的扫描周期 随着PLC技术的发展，PLC的表现形式和功能都已经有很大的发展，从过的那种比较单一独立单元时结构发展到了现在的模块化、网络化、分布式控制的PLC，比如象比较有代表性的AB的Controllogix，MODICON的Quantum，都是大型PLC的典型形式。这些大型PLC可以应用到比较重要、控制规模比较大的工业现场，控制的点数可以有几千点，自然，这种情况下，如果仍然沿用过去PLC的工作方式的话就不能很好完成这种情况下的控制任务，事实也确实如此，大中型PLC的工作方式和小型PLC的已经有了很大的不同。 大中型PLC的一个扫描周期分为六个阶段： （1） 自监视扫描阶段 为了保证工作的可靠性，PLC内部具有自监视或自诊断功能，自监视功能是由监视定时器（WDT，watchdog timer）完成的，WDT是一个硬件时钟，自监视过程主要是检查及复位WDT，如果在复位前扫描时间已经超过WDT的设定值，CPU将停止运行，IO复位，给出报警信号，这种故障称为WDT故障。WDT故障可能由CPU硬件引起，也可能用户程序执行时间太长，使扫描时间超过WDT时间而引起的，用编程器可以消除故障。WDT的设定一般是150-200ms，一般系统的时间都小于50-60ms。在大中型PLC中一般可以对WDT进行修改。 （2） 与编程器交换信息阶段 用户使用编程器（计算集中的编程软件）对PLC进行用户程序的上传、下载或者使用上位机中的SCADA系统对PLC进行监视控制时，PLC的CPU交出控制权，处于被动状态，上述工作完成或达到信心交换的规定时间后，CPU重新得到总线权，恢复主动状态。 在这一阶段中，用户可以通过编程器修改内存的程序，启停CPU，控制IO。 （3） 与数字处理器DPU交换信息的阶段 当配有DPU时，才会有这一阶段。 （4） 与网络进行通讯的阶段 目前的大中型PLC都是用现场总线协议进行大量数据的交换，比如，controllogix使用controlnet，quantum使用MODBUS PLUS，在这一段十进之中，PLC和网络进行数据的交换。 （5） 用户程序扫描阶段 PLC处于运行状态时，一个扫描周期中就包含了用户程序的扫描阶段。该阶段中，根据用户程序中的指令，PLC从输入状态暂存区和其他软元件的暂存区中将有关状态读出，从第一条指令开始顺序执行，每一步的执行结果存入输出状态暂存区。 （6） IO服务扫描阶段 CPU在内存中设置两个暂存区，一个是输入暂存区（输入映象寄存器），一个是输出暂存区（输出映象寄存器），执行用户程序时，用到的输入值从输入暂存区中取得，结果放在输出暂存区。在输入服务（输入采阳及刷新）中，CPU将实际的输入端的状态读入到输入暂存区；在输出服务（输出刷新与锁存）中，CPU将输出暂存区的值同时传送到输出状态锁存器。 输入暂存区的数据取决于输入服务阶段各实际输入点的状态，在用户程序执行阶段，输入暂存区的数据不在随输入端的变化而变化，该阶段中，输出暂存区根据执行结果的不同而变化，但输出锁存器内容不变。3.5 PLC的选购与西门子公司的PLC特点3.5.1 PLC的选购为了获得最优的性价比，我们在选购PLC时要考虑众多的因索。这些因素包括PLC的品脾 性能、价格 PLC在各行业内的使用情况、产品的开放性、公司新产品的开发能力轲持九竞争力、自己对这个品牌产品的熟悉程度和售后服务。品牌产品不仅意味着占有大的市场份额，使用面广，而且在技术上具有代表性和先进性。所以选择一碍在相应行业应用广泛、具有良好口碑的产品也就为控制系统的可靠巨和先进眭打下了软硬件基础性能则是多方面的综合体现，它包括I/O点数的多步、用户存储器(舍程序存储器和数据存储器)容量的大小CPU的运行速度，指令的种类及条数、内部器件的种类和数量及扩展模块的种类 功能的强弱等。进榉一种能满足现在情况并充分考虑将来扩展的PLC产品是至关重要的。当各种品牌的PLC产品的性能相当时，价格的因素就凸显出来。而选择在你的行业中得到广泛应用的产品也会给你的工作带来不少益处：不用考虑产品的适用性，不用一切都从头开始，有前人积累的经验可供借鉴，这样可以大大提高工程的进度或缩短研发的周期。当然了，在一裸树上吊死是没有必要的，也是愚蠢的。因此，当某厂家的产品不能满足用户的所有要求时，我们需要寻找第三方产品的支持。这时，产品的可行性(或者说兼容性)就显得尤其重要了。选择了兼容性差的产品就等于把自己捆在了一棵树上，要么等着被新技术踩死，要么付出沉重代价弄个天翻地覆。科学技术日新月异，产品损坏部分的更换、控制系统的升级换代和公司的持久竞争力及新产品的开发能力密切相关。推倒重来的技术革新不但要花费巨大的人力，财力 物力，而且生产的停止必将造成大量的经济损失。另外，对一种产品的熟悉程度和产品的售后服务也是值得关注的因素.熟练的使用不恒可以加侥工程进度、缩短研发的周期，而且可以充分挖掘产品的潜力，从而达到用巧、用新，提高性价比，迅速把产品转化为生产力。而良好的售后服务为用户的开发研究、系统的改造更新提供了必要的技术和信息支持。总之，我们在选购产品时既要物美价廉，还要考虑现在和将来。3.5.2 西门子公司S5、S7系列PLC西门子公司是欧洲最大的电子电气制造商，其电子、电气产品品质精良，享誉中外。在大中型PLC市场上，西门子公司和A-B公司的产品几乎平分秋邑。在20OO年推出的全新S7系列PLC产品在小型PLC市场上向B本产品提出了严峻的挑战。(1) S5系列小型s5-90Ut95U：整体式小型SS-100U：模块式，单处理器运行小型SS-10IU：早期产品，功能简单 已被取代中型S5-115U：模块式，单处理器运行中型S5-115H：由$5-l1515组成的双机冗余系统，适用于要求安全可靠性高的场合大型S5-135U：模块式，多处理器运行大型S5-150U：模块式，单处理器运行大型S5-15515：模块式，可单，多处理器运行大型S5-155H：由$5-155U组成的双机冗余系统，适用于要求安全可靠性高的场合(2) S7系列S7-200子系列：小型整体式PLC，具有的极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性，强劲的通讯能力和丰富的扩展横抉使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能，价格比。它的应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床机械，电力设施民用设施、环境保护设备等.S7-300子系列：小型模块化PLC，自瞒足中等性能要求的应用。它的模块化结构设计使其具有高电磁兼容性和强抗振动冲击性，最高的工业环境适应性。各种单独的模堍之间可进行广泛组合以用于扩展。S7-300有两种类型： 标准型(温度范围从0到60)和环境条件扩展型(温度范围从-25 到+60 ，更强的耐受振动和污染特性)。S7-300C是S7-300的紧凑型，其结构更紧凑，指令运行时间更短，机器运行速度更快，生产效率更高。S7-400子系列：模块化无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展和广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使S7-400成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。多种级别(功能逐步升级)的CPU，种类齐全的通用功能的模板，使用户能根据需要钼台成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或变得更加复杂时,不必投入很多费用。任何时候只要适当的增加一些横板，便能使系统升级和充分满足您的需要。新一代容错控制器S7-400FFH获得了多项国际权威机构TuV的认证，同时全面集成了现场总线技术提供基于PROFIBUS的容错解决方案PROFISAVE。3.5.3 选择西门子 S7-200 PLC及其理由在对比了不同厂家不同型号的PLC后,我们决定选用西门子S7-200系列的PLC.S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能，其体积小巧，功能全面 最适应于中小机器设备的控制；在以下几方面均有出色的表现:极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块等。其使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制；应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各钟机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如: 冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统、纺织机械、木工机械、污水处理、包装机械等。西门子S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。4 轮胎硫化机控制系统设计与调试4.1 轮胎硫化机的控制要求轮胎硫化机控制系统一个周期有初始、合模、反料、硫化、放气和开模这6步组成，它们与S0.0S0.5相对应。在运行中发现合模到位和开模到位限位开关，（I0.1和I0.2）的故障率较高，容易出现合模、开模已到位，但是相应的电动机不能停机的现象，甚至可能损坏设备。为了解决这个问题，在程序中设置了诊断和报警功能，例如在合模时（S0.1为活动步），用T40延时。在正常情况下，当合模到位时，T40的延时时间还没到就转换到步S0.2，T40被复位，所以它起不到作用。“合模到位”限位开关出现故障时，T40使系统进入报警步S0.6，Q0.0控制的合模电动机断电，同时I0.4接通报警装置，操作人员按复位按钮I0.5后解除报警。在开模过程中，用T40来实现保护延时。Q0.2在步S0.2和步S0.3均应为1状态，不能在这两步的SCR区内分别设置一个Q0.2的线圈，必须在各SCR程序段之外，用S0.2和S0.3的常开触点的并联电路来控制一个Q0.2的线圈。4.2 硫化机的电路设计分析硫化机的输入与输出关系,得到了输入信号和输出信号的列表,如下表4-1.表4-1 输入和输出信号的分析Table 4-1 Analysis of input and output signals输 入输 出电气名称电气元件输入端子电气名称电气元件输出端子急停按钮SB1I0.0电磁阀AYA0Q0.0限位开关SQ1I0.1电磁阀BYA1Q0.1限位开关SQ2I0.2电磁阀CYA2Q0.2限位开关SQ3I0.3电磁阀DYA3Q0.3限位开关SQ4I0.4限位开关SQ5I0.5启动按钮SB2I0.64.3 用顺序功能图描述控制要求用顺序功能图描述轮胎硫化机控制系统的要求,如图4-1图4-1 轮胎硫化机控制要求的顺序功能图Figure 4-1 Tire curing machine control requirements of the Sequential Function Chart4.4 根据顺序功能图编写梯形图程序4.4.1 PLC的梯形图编写PLC的梯形图编写如下图4-2.图4-2 梯形图Figure 4-2 Ladder4.4.2 梯形图程序解释轮胎硫化机控制系统的顺序功能图如图4-1所示.一个工作周期有初始、合模、反料、硫化、放气和开模这6步组成，它们与S0.0S0.5相对应。在运行中发现“合模到位”和“开模到位”限位开关，（I0.1和I0.2）的故障率高，容易出现合模、开模已到位，但是相应电动机不能停机的现象，甚至可能损坏设备。为了解决这个问题，在程序中设置了诊断和报警功能，例如在合模时（S0.1为活动步），用T40延时。在正常情况下，当合模到位时，T40的延时时间还没到就转换到步S0.2，T40被复位，所以它不起作用。“合模到位”限位开关出现故障时，T40使系统进入报警步S0.6,Q0.0控制的合模电动机断电，同时0.4接通报警装置，操作人员按复位按钮I0.5后解除报警。在开模过程中，用T40来实现保护延时。Q0.2在步S0.2和步0.3均应为1状态，不能在这两步的SCR区内分别设置一个Q0.2的线圈，必须在各SCR程序段之外，用S0.2和S0.3的常开触点的并联电路来控制一个Q0.2的线圈。（见图4-2）4.5 PLC控制系统的调试步骤第一步：PLC通电。第二步：PLC的主回路接线。第三步：PLC的控制回路接线第四步：PLC的程序编辑：在STEP7中编辑PLC的程序。第五步：PLC的通信第六步：PLC的程序下载。第七步：PLC的试运行。判断PLC的动作是否满足控制要求。如不满足控制要求，进行程序修改，直到满足要求。第八步：调试结束。5 总 结通过学习硫化机及其PLC控制器的基本知识,研究分析出原有轮胎硫化机控制系统存在的问题并进行了改进,并对轮胎硫化机压力控制系统的硬件选型和软件进行了设计