天津西门子中国授权代理商变频器供应商

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1 引言 

啤酒生产过程分为麦芽制造、麦芽汁制造、前发酵、后发酵、过滤、包装等几道工序。啤酒灌装、压盖机部分属于包装工序。啤酒经膜过滤后由管路送入回转酒缸，再经酒阀进入瓶子中，压盖后获得瓶装啤酒。啤酒灌装、压盖机的工作效率和自动化程度的高低直接影响啤酒的日产量。 

为了满足我国啤酒行业日益扩大生产规模的需求和啤酒现代化灌装机械高速灌装的要求，国内各啤酒生产厂家都在积寻求或改造本单位的啤酒灌装生产设备，使其成为具有良好的使用性能，的技术水平及高生产效率、运行稳妥、维护的啤酒现代化灌装机。 

2 啤酒灌装、压盖机工作原理和控制部分构成 

液体灌装机按灌装原理可分为常压灌装机、压力灌装机和真空灌装机。啤酒灌装、压盖机采用压力灌装方法，是在大气压力下进行灌装，贮液缸内的压力瓶中的压力，啤酒液体靠压差流入瓶内。 

目前国内外实现灌装工艺路线基本上是:利用回转酒缸产生的旋动，使安放在酒缸槽位上的空瓶通过机械机构将固定在酒缸上部的欲抽真空阀打开，对已封好的瓶子进行抽真空处理，拨转外操作阀杆，打开气阀，对瓶内充填CO2气体，抽真空凸轮继续打开真空阀，将瓶内空气与CO2混合气体抽出，气阀再次打开，对瓶内充填CO2气体，灌装阀内的液阀在瓶内压力接近背压气体压力时打开，酒液顺瓶壁注入瓶内，通过气动或电动控制灌装阀实现啤酒的灌装。 

当今的啤酒灌装、压盖机的控制系统主要由光电开关位置检测部分、走瓶带、酒缸转速的变频调速部分、主控由可编程控制器、触摸屏等组成。灌装、压盖机的机械结构装置与PLC可编程控制、变频无级调速、人机界面等现代自动控制技术手段完整的结合，形成机电一体化。 

3 控制部分改造方案 

国内很多啤酒厂家现使用的灌装、压盖机的控制系统的自动化程度参差不齐;所有手动按钮和工艺开关都设置在一个操作箱的面板上，PLC控制器大都为日本OMRON公司或三菱公司的早期产品，设备连锁控制、保护设置少，加之啤酒灌装的现场环境恶劣，潮湿度大，使开关等接触触点锈蚀严重，系统的信号检测部分故障率较高，造成设备控制系统运行的性低，设备正常运行等现象。 

以实际改造的丹东鸭绿江啤酒有限公司的灌装、压盖机的控制系统为例，介绍改造方法，阐明改造这类设备的控制思想和思路;根据现场的实际工艺条件，重新编写了PLC的运行程序。针对啤酒灌装、压盖机控制系统的实际状况，并根据现场的实际工艺条件，重新设计了设备的PLC控制系统。这种改造方法和思路同样可以应用与其他液体介质灌装设备的改造。 

3.1系统硬件配置 

使用日本三菱公司的FX2N128MRPLC替换原系统使用的2台OMRON公司的C60P PLC，原系统的PLC由于是老型号产品，和计算机联机需要配置特殊的通讯转换器，系统需要增加外部I/O输入点时，扩展模块备件较难寻。FX2N128MRPLC是集成128点I/O的箱体式控制器，具有运算速度快，指令丰富、性能价格比高、联机编程简单、扩展方便等优点，是三菱FX系列中功能的小型控制器。 

(1) 采用三菱公司的900系列的970GOT人机触摸屏替换原系统使用的面板按钮并监控显示设备的运行工作参数。970GOT HMI为高亮度的16色显，通过汇流连接和FX2N128MRPLC的CPU直接连接，实现快速回应。具有许多维护功能，如列表式编辑功能、梯形图监控(故障查找)功能、系统监控功能等用来查找故障和维护PLC系统。 

(2) 灌装、压盖机的变频器在改造中没有换，现场检测信号的手段仍然采用开关式检测，因检测开关长期工作在湿度很大的场合，因此选择电容式的接近开关，根据PLC I/O端子的接线方式，选择PNP型的接近开关，控制系统结构见图1。

 
图1 控制系统结构框图

 
图2 破瓶检测和瓶位检测子程序流程图

摘要：详细阐述了轮胎硫化机的工艺特点和控制要求，以及国内现行硫化机控制的一些常见问题，并对其进行了系统的分析。然后通过对横河FA-M3系列PLC的特点说明和分析，结合横河FA-M3系列PLC在轮胎硫化机中的实际应用，与现行PLC控制方式和效果进行了综合分析比较，从理论和实际两个方面深入剖析和论证了横河FA-M3系列PLC在轮胎硫化机控制上的特点，对国内现有轮胎硫化机控制具有很好的参考。 
关键词：硫化机；横河PLC；温度控制；高速控制 

可编程逻辑控制器（PLC）在中国是九十年代快速发展起来的新一代工业控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物，在现代控制系统中，PLC已经成为重要的基本控制单元之一，在工业控制领域中应用越来越广泛。 

日本横河（YOKOGAWA）电机公司的FA-M3系列PLC是横河公司基于DCS技术基础经过多年研发于1992年推出的产品，作为日本大的工业控制集团，横河FA-M3系列PLC自诞生起便始终着日本PLC业界的发展潮流，短短几年便跃居日本中大型PLC市场占有率的二位。 

轮胎生产的过程中，轮胎在模型内部进行硫化时的压力和温度的变化直接影响轮胎的质量，随着我国汽车工业的发展，轮胎生产企业的不断增加，新建设的高速公路不断地投入使用，现实需要我们不断提高轮胎的质量。这就要求在轮胎进行硫化时，严格按照工艺规定的温度进行控制和监控，而PLC正是当前硫化机的控制器。 

现代硫化机的基本要求：高质，高产，，高质---保证硫化质量，降低次品率；高产---在尽可能短的时间内完成硫化过程；---故障率低，使用寿命长，年维修费用少。 

而现行硫化机面临的问题主要有： 

一．高温高湿带来的性不足：1）造成控制器运行不稳定，多故障，增加次品率及维护；2）缩短了使用寿命，增加备件费用。 

硫化环境的高温高湿，加上腐蚀性(含硫)气体，出一般PLC的许容范围。高温导致CPU异常，高湿加上腐蚀性(含硫)气体则使PLC线路腐蚀，造成停车故障，使生产停顿，增加备件及维修费用，损害机械，缩短使用寿命。很多轮胎厂实际控制柜(PLC+电脑)平均寿命约3年甚至短。 

而横河FA-M3系列PLC采用的横河DCS高性技术，从以下三个方面解决上述问题。1）电路高集成优化设计：低功耗、少部件（如容性、感性元件）、少接点、命部件的设计选材原则从结构上保证了高性。2）安装散热铝板，保证高温运行。3）使用塑脂封装线路板，防腐防潮。 

实践证明使用横河PLC后使硫化机具备高抗环境能力，即使在夏季也能保证不停机，保证生产；减少故障率/废品率，降低维修成本；延长硫化机的运行使用寿命。 

二．温度控制不良：1)温度检测分辨率不够使实际温度过或工艺要求造成过硫或欠硫。2）温度控制响应慢导致升温时间过长，延长了硫化时间；3）硫化机外温升温时易调、不稳定，外温发生扰动时温度控制器调整慢、易调。 

温度/压力/时间被称为硫化的三要素, 其中尤以温度控制为关键且较复杂。衡量温控好坏主要看恒温特性和追从特性(实时性)。恒温特性：硫化过程通常要求热板和胶囊保持170度左右的高温，误差要求在±2度内。温度过高会“烤糊”轮胎, 温度过低则会发生欠硫。如果使用温控精度不足, 会造成实际温度过范围而不被控制, 从而影响轮胎质量。追从特性：硫化过程需要在启动加热和发生温度偏差时能以短时间达到170度的恒温状态。温控性能不足会使响应变慢, 延长升温时间, 同时在温度出现扰动时不能及时调整造成轮胎质量不稳定。 

目前国内应用比较多的PLC控制模式有两种。一种采用热电阻+信号转换器+AD模块+CPU计算+DA模块+阀门的模式；一种采用热电阻+温度模块+CPU计算+DA模块+阀门的模式。 

种模式中遇到的主要问题有：信号转换器的精度通常在±0.2%-0.5%，AD模块的精度±0.5-0.9% F.S.。两者相加差不多有±1%的误差，200度量程也要有2度以上的误差，所以即使PLC读取数据显示170度实际温度很可能已在168-172度以外；热电阻使用时间久会老化，普通PLC没有补偿功能，无法对热电阻的偏差和老化进行调整；此外，由于采用CPU做PID运算控制，一旦CPU故障出错即会造成温控失控，十分危险。同时，由于CPU在做PID的同时还要执行其他程序造成扫描周期长短不一，每一次PID执行间隔就会发生不同。 以扫描周期为300ms，PID周期设为500ms为例，两次PID间隔可能为500ms也可能为800ms， PID执行间隔不同使积分和微分发生很大偏差，特别是微分的偏差会使系统产生突发的温 度波动，或使温度无法快速整定。 

二种模式中遇到的问题和种大同小异。其中普通PLC温度模块的分辨率为1度，即小于1度的变化根本无法探知。一般常识要保证±2度的控制,系统通常要能检测到0.2度的变化。另外普通PLC温度模块的精度也在±0.5% F.S.，在硫化机中使检测值与实际值可能发生1度以上的误差，无法保证硫化过程的高质量要求。普通PLC温度模块的采样周期为0.5-1秒, 若完成1次PID控制至少也要0.5-1秒。 

综上问题，再加上普通PLC处理速度通常较慢的影响，在系统出现扰动时较难整定，将大影响轮胎的硫化质量。

而以上问题，在横河PLC应用到硫化机领域后都迎刃而解。因为横河PLC的高速处理能力，以及温度PID控制模块拥有的如下特性能，很适合硫化机的控制要求。 

1．：输入转换精度±0.1% F.S.，1000度以上0.1℃分辨率（5 位表示）。 

2．高响应/高重复性：100ms/2ch的立PID回路控制，不受主CPU扫描时间影响。 

3．高性: 内置CPU立运行，即使主CPU故障时也能保证正常运行。 

4．丰富强大的软件控制功能：可软件设定温度补偿、滤波等多种功能，有的Super自动PID控制功能可以大限度地抑制调，缩短稳定时间。（见下图）

5．ToolBox温控软件：bbbbbb界面，填表式输入，参数设定不再需要梯形图编程；实时监视调节PID或自整定，可同时观察通道，实现同时调节；数据记录功能，记录结果可以Excel形式保存。使操作、参数设定及监视十分方便。 

处理速度对控制效果也有影响，硫化过程有大量的机械动作需要由PLC控制。比如：盖的开合，各种蒸汽、热水、压缩空气阀门的开关等等。PLC性能不足主要体现在从信号发生到响应的延迟上。PLC由于使用扫描方式,只在扫描开始时一次读入信号，而在扫描过程中对信号的变化无法感知。一般以为这些延迟比较小可以不记，然而使用普通PLC，由于速度较慢一次扫描要上百甚至几百毫秒，且CPU由于使用单个处理器，在与上位电脑或触摸屏通信时不得不暂停程序运行，又要占用不少时间（视通讯量大小而定）。这种互相影响在加剧了扫描延迟的同时，使系统运行的实时性大打折扣。 

这样的延迟对系统的影响还是较大的。处理过慢会导致应该闭合的阀门不能及时闭合，应该停止的轴承转动不能及时停止，电机该停的时候不能马上停，胶囊过度充压或抽真空不足等等。长久下来会引发阀门漏气，造成轴承磨损，机械碰撞，加剧机械损害，缩短使用寿命。 

而横河FA-M3系列PLC的CPU模块内部并行3枚处理器，一枚处理器负责主程序的高速扫描处理（平均扫描速度高达20,000step/ms，基本指令快0.017us/step），一枚负责外部瞬时信号的高速捕捉并支持高速定时程序（快200us），还有一枚专门负责与外设（电脑、触摸屏等）的通讯，也就是说触摸屏等外设通信不再占用扫描时间，各处理器按功能区分实现协调控制，充分保证系统的响应。同时横河FA-M3系列PLC的基本直流输入模块的输入响应可达100us，相当于普通PLC中断输入模块的响应，高速型是可达10us。横河FA-M3系列PLC从结构、软件、硬件多方面力求优化，实现真正的高速化控制。

DXD系列包装机广泛应用于食品、、化妆品、化工、茶叶、种子等颗粒状、片状、粉状及半流体状物料的包装。 

应用HOLLiAS－LEC G3 PLC控制的DXD全自动包装机系机电一体化、由光电检测和步进电机组成的多用途自动包装机，该机集送料、制袋、、封切等包装工序于一体，由电眼跟踪，PLC控制，无级变速纠偏，从而保了包装袋的长度稳定，图形美观。 

2、系统简介 

DXD全自动包装机要求制袋、充填、封口、裁切、撕口全自动完成，包装速度、制袋长度可调整，计量，符合行业标准。该机器具有性能稳定、操作维护方便、等特点。 

根据工艺要求，DXD全自动包装机的控制方案设计成由人机界面操作系统、拉袋控制系统、制袋控制系统、送纸控制系统、电眼控制系统和送料计量控制系统组成。 

3、系统组成 

HOLLiAS－LEC G3 系列PLC从14点到264点可多种组合，易弹性扩充，并且还可以扩展出56个模拟输入输出点来。输出部分可选择继电器和晶体管输出机种，电源形式可选择交流输入或直流输入。 

DXD全自动包装机的是用PLC进行全过程的自动控制，并且还有两个关键的执行部件——2个步进电机的协调运行，所以选用HOLLiAS－LEC G3 系列LM3108做为整个控制系统的部分。HOLLiAS－LEC G3 晶体管系列PLC除了普通的DI、DO、AI、AO点外，每个CPU上均有2路脉冲输出，其输出频率大可达20KHz，正好可以控制包装机上的这2个大只有4KHz的步进电机。 

LM3108有24个输入点、12个输出点和2路高速脉冲输出点。LM3108还集成了两个立的串行通讯口，PORT0采用RS232物理标准，PORT1则是RS485口。不仅可以联接本地控制的触摸屏，还可以同时与上位机进行通讯。并且每个口都内含三种不同的通讯协议：RTU格式的标准Modbus从站协议、自由协议和协议。 

4、系统设计 

对于拉袋控制系统可以通过触摸屏设置拉袋步进电机的频率、袋长、切袋间隔等参数，数据可长期保存，并有停电保持功能，使得封装计数值在断电时也不会丢失。系统还有测速及速功能，便于调试及计算产量。 

对于送料计量控制系统也可以通过触摸屏设置频率、圈数、运行曲线等，9条运行曲线以适应不同负载。系统操作特别方便，使用特别简单。

自1889年美国奥梯斯升降机公司推出世界部以电动机为动力的升降机以来，电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等历程，逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。如今电梯已成为人们进出高层的代步工具；而且作为载人工具，人们在运行的平滑性、高速性、准确性、性等一系列静、动态性能方面对它提出了高的要求。由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率较高、性差、接线复杂、一旦接收完成不易改等缺点，所以需要开发一种、的控制方式。可编程控制器（PLC）既保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多性能。因此，PLC在电梯控制领域得到了广泛而深入的应用。 

一、电梯控制系统组成 

电梯控制系统可分为电力拖动系统和电气控制系统两个主要部分。电力拖动系统主要包括电梯垂直方向主拖动电路和轿箱开关电路。二者均采用易于控制的直流电动机作为拖动动力源。主拖动电路采用PWM调试方式，达到了无级调速的目的。而开关门电路上电机仅需一种速度进行运动。电气控制系统则由众多呼叫按钮、传感器、控制用继电器、指示灯、LED七段数码管和控制部分的器件（PLD）等组成。PLC集信号采集、信号输出及逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的所有功能。 

十层电梯控制系统由呼叫到响应形成一次工作循环，电梯工作过程又可细致分为自检、正常工作、强制工作等三种工作状态。电梯在三种工作状态之间来回切换，构成了完整的电梯工作过程。 

（一）电梯的三个工作状态 

1．电梯的自检状态 

将程序下载到AB公司的MicroLogix1000型PLC后上电，PLC中的程序已开始运行，但因为电梯尚未读入任何数据，也就无法在收到请求信号后通过固化在PLC中的程序作出响应。为满足处于响应呼叫就绪状态这一条件，使电梯处于平层状态已知楼层且电梯门处于关闭状态。电梯自检过程的目标为：为先按下启动按钮，再按下恢复正常工作按钮，电梯电梯门处于关闭状态，然后电梯自动向上运行，经过两个平层点后停止。 

2．电梯的正常工作状态 

电梯完成一个呼叫响应的步骤如下： 

（1）电梯在检测到门厅或轿箱的呼叫信号后将此楼层信号与轿箱所在楼层信号比较，通过选向模块进行运行选向。 

（2）电梯通过拖动调速模块驱动直流电机拖动轿箱运动。轿箱运动速度要经过低速转变为中速再转变为高速，并以高速运行至减速点。 

（3）当电梯检测到目标层楼层点产生的减速点信号时，电梯进入减速状态，由中速变为低速，并以低速运行至平层点停止。 

（4）平层后，经过一定延时后开门，直至碰到开关到位行程开关；再经过一定延时后关门，直到碰到关门到位行程开关。电梯控制系统始终实时显示轿箱所在楼层。 

3．电梯强制工作状态 

当电梯的初始位置需要调整或电梯需要检修时，应设置一种状态使电梯处于该状态时不响应正常的呼叫，并能移动到导轨上、下行限点间的任意位置。控制台上的消防/检修按钮按下后，使电梯立刻停止原来的运行，然后按下强迫上行（下行）按钮，电梯上行（下行）；一旦放开该按钮，电梯立刻停止，当处理完毕时可用恢复正常工作按钮来使电梯跳出强制工作状态。 

（二）电梯控制系统原理框图 

电梯控制系统原理框图如图1所示，主要由轿箱内指令电路、门厅呼叫电路、主拖动电机电路、开关门电路、档层显示电路、按钮记忆灯电路、楼层检测与平层检测传感器及PLC电路等组成的。

 
图1 电梯控制系统原理框图

 
图2 电梯控制系统硬件结构框图

 
图3 电梯控制主程序流程图

 
图4 楼层现实程序流程图