摘要：本文主要闡述一種應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和伺服控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)較高定位裁斷精度的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸效率最高的單主站線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)，根據(jù)整條生產(chǎn)線(xiàn)的要求，選用了西門(mén)子S7-315-2PN/DP為主控PLC，其中PLC作為DP主站。2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的伺服控制器和2個(gè)絕對(duì)位移編碼器接入位置控制器，位置控制器本身帶有DP接口，可以直接連接在PROFIBUS總線(xiàn)上，作為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的從站，并且可通過(guò)主站完成遠(yuǎn)程參數(shù)配置，開(kāi)發(fā)了胎面定長(zhǎng)裁斷系統(tǒng)。實(shí)踐證明控制系統(tǒng)安全可靠，故障率低具有較高的生產(chǎn)和管理自動(dòng)化水平，提高了生產(chǎn)效率，便于維修的特點(diǎn)。

    0 前言

    近年來(lái)，國(guó)外對(duì)輪胎胎面裁斷設(shè)備的改進(jìn)十分重視，并且有不少專(zhuān)利,改進(jìn)的重點(diǎn)是提高裁斷精度、加快裁斷速度以及延長(zhǎng)刀具的使用壽命。國(guó)外主要研究激光裁斷機(jī),并有專(zhuān)利。激光技術(shù)的應(yīng)用可以省掉專(zhuān)門(mén)復(fù)雜的裁斷機(jī)構(gòu)，直接將裁斷裝置設(shè)置在子午線(xiàn)輪胎成型機(jī)的供料系統(tǒng)中，可提高裁斷精度和刀具使用壽命。我國(guó)輪胎企業(yè)所使用的裁斷機(jī)多種多樣，制造該設(shè)備的生產(chǎn)廠(chǎng)家還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，精度與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比還有一定的差距，要完全取代進(jìn)口設(shè)備尚需一個(gè)不斷完善和提高的過(guò)程。

    我國(guó)許多輪胎企業(yè)半鋼子午線(xiàn)輪胎一次法成型機(jī)胎面和復(fù)合件裁斷裝置均使用愛(ài)默生旗下必能信公司的超聲波系統(tǒng)。該系統(tǒng)由超聲波焊接系統(tǒng)改造而成,并非專(zhuān)門(mén)針對(duì)輪胎生產(chǎn)需要而設(shè)計(jì)，因此成本較高,能耗也較大。超聲波裁刀在應(yīng)用中最大問(wèn)題是價(jià)格昂貴，一套超聲波裁刀價(jià)格為12萬(wàn)元左右,更換刀片需要5萬(wàn)~6萬(wàn)元。價(jià)格及維護(hù)費(fèi)過(guò)高,使國(guó)內(nèi)大多數(shù)輪胎企業(yè)很難接受。

    超聲波裁刀不但價(jià)格昂貴，而且在實(shí)際生產(chǎn)中仍然存在下述許多問(wèn)題：1、在裁切胎面時(shí)容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況；2、裁切角度容易發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)刀片會(huì)碰到裁刀下刀板，損壞刀片；3、裁切角度調(diào)節(jié)比較困難，維護(hù)、維修不方便；4、程序設(shè)計(jì)不合理，下刀板在胎面開(kāi)始定長(zhǎng)、定長(zhǎng)完成后裁切及裁切完成后都要作上下運(yùn)動(dòng)，整個(gè)裁切過(guò)程分為高速、中速、低速3級(jí)，由于輸送帶上有時(shí)會(huì)有污點(diǎn)或胎面表面異常，使刀位檢測(cè)傳感器產(chǎn)生誤信號(hào)而引起裁切速度混亂；5、能耗較大。

    設(shè)計(jì)采用裁切角度可調(diào)的新式刀片，單向切割,可使胎面切口方向一致。使用硅膠電加熱板加熱刀片，鉑電阻溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀片溫度，其反饋信號(hào)對(duì)加熱板進(jìn)行控制，可使裁斷平滑迅速，切口形狀穩(wěn)定，有利于接頭，可提高半成品質(zhì)量。切刀進(jìn)退由行走電機(jī)通過(guò)同步帶控制，同步帶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、緩沖吸振和能實(shí)現(xiàn)較大距離兩軸間傳動(dòng)等特點(diǎn)，比氣缸驅(qū)動(dòng)運(yùn)行方式定位準(zhǔn)確、運(yùn)行時(shí)間短、后期維護(hù)方便；行走電機(jī)采用直流伺服電機(jī)。切刀起始和停止由電感式接近開(kāi)關(guān)限制。午線(xiàn)輪胎生產(chǎn)過(guò)程中胎面定長(zhǎng)裁斷是其關(guān)鍵工序之一，膠料投入擠出機(jī)后壓出并經(jīng)牽引拉伸、冷卻及定長(zhǎng)裁斷后得到輪胎胎坯。胎面裁斷定長(zhǎng)檢測(cè)的控制過(guò)程是一個(gè)先裁斷定長(zhǎng)、后單條稱(chēng)重的控制過(guò)程。開(kāi)發(fā)一套具有高切割精度（包括加工端面傾斜度和光潔度及定長(zhǎng)剪切長(zhǎng)度的精確度）、能夠適應(yīng)高裁斷速度的胎面裁斷裝置，不管從提高產(chǎn)量、減少?gòu)U品率還是從提高原料的利用率來(lái)說(shuō)都顯得極為重要。

    1 裁斷系統(tǒng)的設(shè)備組成及功能簡(jiǎn)介

    1.1.機(jī)械部分組成

    如圖1所示為裁斷系統(tǒng)機(jī)械組成圖，1-傳送帶伺服電機(jī)；2-裁刀電機(jī)；3-刀架伺服電機(jī)；4-刀架直線(xiàn)導(dǎo)軌；5-傳送皮帶；6-超聲波傳感器。

圖1 裁斷系統(tǒng)機(jī)械組成圖

    裁斷裝置由定長(zhǎng)輸送裝置、裁刀裝置、壓膠裝置、刀架轉(zhuǎn)動(dòng)裝置等組成。定長(zhǎng)輸送裝置的結(jié)構(gòu)為低臺(tái)式，傳送帶由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可滿(mǎn)足裁斷定長(zhǎng)精度高的要求，速度在一定的范圍內(nèi)可進(jìn)行高精度無(wú)級(jí)調(diào)速。裁刀裝置由裁刀刀架和刀架傳動(dòng)裝置兩部分組成，裁刀、微型氣缸和電機(jī)安裝在裁刀刀架上，裁刀刀片在電機(jī)帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，由微型氣缸帶動(dòng)升降，裁膠時(shí)放下，回程時(shí)抬起，裁刀刀架在由伺服電機(jī)拖動(dòng)的力士樂(lè)高精度直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上來(lái)回移動(dòng)以切割胎面。壓膠裝置為海綿滾筒和由氣缸帶動(dòng)的能夠抬起和壓下的壓刷，是為了在裁斷過(guò)程中壓住胎面以免打滑。整個(gè)裁刀傳動(dòng)裝置可繞一垂直心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整裁斷角度。

    冷卻后的胎面經(jīng)貯存槽進(jìn)入裁斷定長(zhǎng)輸送皮帶上，在貯存槽上方裝有超聲波傳感器，檢測(cè)胎面貯存的程度，使運(yùn)輸帶以不同的速度運(yùn)行；傳送帶伺服電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)直接裝在軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器開(kāi)始脈沖計(jì)數(shù)，電機(jī)拖動(dòng)輸送皮帶向前行進(jìn)，當(dāng)胎面長(zhǎng)度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，運(yùn)輸帶經(jīng)減速后停止運(yùn)行；此時(shí)壓膠裝置壓刷在氣缸帶動(dòng)向下壓緊胎面，刀架伺服電機(jī)帶動(dòng)刀架從初始端快速沿直線(xiàn)導(dǎo)軌向另一端行進(jìn)并裁切胎面；在裁切胎面的過(guò)程中，噴水電磁閥動(dòng)作并向切刀噴水，切割完畢后，壓胎面裝置升起、切刀抬起，直線(xiàn)導(dǎo)軌上的裁斷刀架退回到初始位置并停止運(yùn)行、噴水電磁閥停止噴水，同時(shí)切刀放下，一切恢復(fù)到初始狀態(tài)，以便再次啟動(dòng)。

    1.2 電氣控制部分組成

    該控制系統(tǒng)采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸效率最高的單主站線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)整條生產(chǎn)線(xiàn)的要求，選用了西門(mén)子S7-315-2DP為主控PLC，其中PLC作為DP主站。2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的力士樂(lè)DKC伺服控制器和2個(gè)絕對(duì)位移編碼器接入力士樂(lè)CLM1.4-LAP位置控制器，位置控制器本身帶有DP接口，可以直接連接在PROFIBUS總線(xiàn)上，作為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的從站，并且可通過(guò)主站完成遠(yuǎn)程參數(shù)配置?？刂婆_(tái)上各種操作和顯示要求較多，裁斷長(zhǎng)度的設(shè)定與實(shí)際值，刀架左右移動(dòng)的行程及速度，手動(dòng)控制信號(hào)，以及某些系統(tǒng)參數(shù)的修改通過(guò)TP270來(lái)完成，TP270是西門(mén)子公司的基于Windows平臺(tái)的功能強(qiáng)大的操作終端。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    裁斷系統(tǒng)的檢測(cè)裝置包括各類(lèi)非接觸式行程開(kāi)關(guān)、超聲波傳感器和絕對(duì)位移編碼器等，用于測(cè)量機(jī)械位移、運(yùn)行速度，保證了裁度伺服控制系統(tǒng)有序、安全、可靠的運(yùn)行。狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)接入力士樂(lè)位置控制器CLM開(kāi)關(guān)量輸入口（端子X(jué)3中的E1－E16），包括切刀、壓刷的抬起與落下到位信號(hào)，刀架左右限位信號(hào)，刀架定位原點(diǎn)等。切刀、壓刷、噴蒸汽閥的動(dòng)作由開(kāi)關(guān)量輸出口（端子X(jué)4中的A1－A16）輸出控制。超聲波傳感器安裝于定長(zhǎng)傳送帶前端與前級(jí)胎面運(yùn)輸帶后端的貯存槽內(nèi)，其檢測(cè)到的胎面在貯存槽位置高低信號(hào)（0－10V）通過(guò)模擬量輸入口輸入到PLC。分別檢測(cè)傳送皮帶和刀架位置的兩個(gè)位移編碼器接入位置控制器CLM（端子X(jué)1、X2）。

    2 PLC控制程序設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)中以西門(mén)子S7-315-2DP作為Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)主站提供與力士樂(lè)位置控制器CLM直接而便利的高速循環(huán)通信服務(wù)，通訊速率高、控制適時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)且編程簡(jiǎn)單。在PLC編程軟件STEP7中導(dǎo)入位置控制器CLM設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件(IN2_04eb.gsd)，完成硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，為位置控制器分配網(wǎng)絡(luò)地址，該地址必須與控制器參數(shù)中設(shè)置的相同，在組織塊OB中選用SFC14“DPRD_DAT”，SFC15“DPWR_DAT”系統(tǒng)功能塊向位置控制器接收/發(fā)送過(guò)程數(shù)據(jù)。

    在位置控制器參數(shù)B007中設(shè)置與主站的總線(xiàn)通訊率，參數(shù)B008中設(shè)置從站網(wǎng)絡(luò)地址，并選擇參數(shù)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象(PPO)類(lèi)型，這樣系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與PLC之間通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)可以完成數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)和控制數(shù)據(jù)的傳輸，如控制字、狀態(tài)字、給定值和實(shí)際值等。除過(guò)程數(shù)據(jù)外，Profibus-DP也傳輸傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和診斷信號(hào)。

    PLC根據(jù)聯(lián)動(dòng)線(xiàn)的運(yùn)行速度、操作指令及裁斷裝置的狀態(tài)對(duì)皮帶、刀架進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。胎面在兩條運(yùn)輸帶之間的貯存量使傳感器產(chǎn)生相應(yīng)模擬量輸出信號(hào)，并與前段運(yùn)輸帶的速度綜合起來(lái)按照一定的算法決定裁斷皮帶的運(yùn)行速度，從而通過(guò)PLC相應(yīng)地改變速度使運(yùn)輸帶協(xié)調(diào)平穩(wěn)運(yùn)行。用戶(hù)根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)需要相應(yīng)設(shè)置胎面裁斷長(zhǎng)度等參數(shù)，通過(guò)總線(xiàn)完成PLC與位置控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

    3 位置控制器CLM的伺服程序設(shè)計(jì)

    力士樂(lè)位置控制器CLM是一種緊湊型、模塊化二/四軸數(shù)控系統(tǒng)，直接驅(qū)動(dòng)力士樂(lè)DKC伺服驅(qū)動(dòng)器完成交流伺服電機(jī)的精確定位運(yùn)行，本系統(tǒng)中二套力士樂(lè)DKC伺服驅(qū)動(dòng)器分別完成傳送帶定長(zhǎng)傳送和裁斷刀架橫移的控制。位置控制器帶有豐富的指令集，可在其操作面板或裝有編程軟件(MotionManger)的計(jì)算機(jī)上完成控制程序的編寫(xiě)。

    裁斷伺服控制程序框圖如圖3所示，程序主要由總線(xiàn)通訊、傳送皮帶控制和裁斷刀架控制三部分組成?？刂破髋cPLC之間控制和狀態(tài)信息的傳送由總線(xiàn)通訊程序完成，控制器接收PLC傳送的控制信息如速度值、長(zhǎng)度值和操作指令等，同時(shí)將運(yùn)行狀態(tài)信息傳送給PLC進(jìn)行分析、顯示；傳送帶控制程序完成傳送帶伺服電機(jī)運(yùn)行的速度和位置控制，進(jìn)行胎面裁斷的精確定長(zhǎng)和平穩(wěn)快速運(yùn)行；裁斷刀架控制程序完成裁斷刀架橫向移動(dòng)切割和其輔助裝置的控制，保證裁刀動(dòng)作的正常執(zhí)行，得到較好的切割端面。

圖3伺服控制程序框圖

    4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)以PLC為第一主站和以工業(yè)PC為第二主站，其中工業(yè)PC作為上位機(jī)，提供良好的人機(jī)交互環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)整條生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)管理和監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)連接到車(chē)間級(jí)INTRANET網(wǎng)絡(luò)。第一主站(主控PLC)是整個(gè)胎面生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的采集和處理，以及控制信號(hào)的發(fā)送與工業(yè)PC的通訊，以便于操作人員監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)的操作、工作狀態(tài)及測(cè)量分析結(jié)果在工業(yè)PC上進(jìn)行圖形顯示監(jiān)控，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)由PLC上傳相關(guān)數(shù)據(jù)信息，處理系統(tǒng)報(bào)警，存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，生成各類(lèi)報(bào)表，并進(jìn)行圖形顯示及人機(jī)對(duì)話(huà)，向PLC下傳相關(guān)控制命令，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的信息管理。

    裁斷控制人機(jī)界面采用TP270觸摸屏，通過(guò)Profibus總線(xiàn)與PLC主機(jī)連接。對(duì)于觸摸屏的編程，采用西門(mén)子公司提供的ProTool/ProCS組態(tài)軟件進(jìn)行編程組態(tài)。ProTool/ProCS完整的圖形用戶(hù)界面加上軟件本身自帶的項(xiàng)目組態(tài)向?qū)г试S用戶(hù)方便地創(chuàng)建面向?qū)ο?、基于符?hào)的各種項(xiàng)目。在ProTool/ProCS中界面上的操作單元與執(zhí)行器之間通過(guò)PLC利用變量進(jìn)行通訊，即在HMI可以直接讀或?qū)懙腜LC上的存儲(chǔ)地址。軟件設(shè)計(jì)思想是在完成基本人機(jī)交互功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套讓操作者能夠自學(xué)習(xí)操作規(guī)程的軟件系統(tǒng)。通過(guò)人機(jī)界面，操作者即能設(shè)置一些基本的參數(shù)，如定長(zhǎng)值、誤差調(diào)整、裁斷次數(shù)等，也可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警狀態(tài)，學(xué)習(xí)系統(tǒng)的操作規(guī)范以及密碼設(shè)置等。自動(dòng)運(yùn)行按照設(shè)備設(shè)計(jì)的動(dòng)作流程進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行控制時(shí)，一些需要調(diào)整的參數(shù)，如速度、位置等可以方便的在觸摸屏上進(jìn)行調(diào)整、修定。異常停止當(dāng)定位模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器、行程開(kāi)關(guān)以及機(jī)器異常時(shí)伺服馬達(dá)都應(yīng)該立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生異常碼顯示在觸摸屏上，以便維修人員及時(shí)了解發(fā)生的問(wèn)題。

    5 結(jié)論

    本控制系統(tǒng)充分利用了PLC、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和伺服控制等先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)采用分布式開(kāi)放結(jié)構(gòu)，響應(yīng)速度快，組態(tài)靈活，控制功能完善，操作簡(jiǎn)單規(guī)范。定長(zhǎng)裁斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后已在多家全鋼子午輪胎生產(chǎn)線(xiàn)中投入使用，控制精度達(dá)到±1mm，實(shí)踐證明該套基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統(tǒng)安全可靠，故障率低，產(chǎn)品完全滿(mǎn)足下道工序的高標(biāo)準(zhǔn)要求，具有較高的生產(chǎn)和管理自動(dòng)化水平，提高了生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。