摘要：本文主要闡述一種應(yīng)用現(xiàn)場總線和伺服控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)較高定位裁斷精度的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用Profibus-DP現(xiàn)場總線傳輸效率最高的單主站線型網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)，根據(jù)整條生產(chǎn)線的要求，選用了西門子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總線上，作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的從站，并且可通過主站完成遠(yuǎn)程參數(shù)配置，開發(fā)了胎面定長裁斷系統(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)。

關(guān)鍵詞：伺服控制器  總線通信  網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? 定長裁斷

0前言

子午線輪胎胎體的簾線排列不同于斜交輪胎，子午線輪胎的簾線不是相互交叉排列的，而是與外胎斷面接近平行，像地球子午線排列，簾線角度小，一般為0°，胎體簾線之間沒有維系交點(diǎn)，當(dāng)輪胎在行駛過程中，冠部周圍應(yīng)力增大，會(huì)造成周向伸張，胎體成輻射狀裂口。因此子午線輪胎的緩沖層采用接近周向排列的打交道簾線層，與胎體簾線角度成90°相交，一般為70°到78°，形成一條幾乎不能伸張的剛性環(huán)形帶，把整個(gè)輪胎固定，限制輪胎的周向變形，這個(gè)緩沖層承受整個(gè)輪胎60%到70%的內(nèi)應(yīng)力，成為子午線輪胎的主要受力部件，故稱之為子午線輪胎的帶束層。斜交胎的主要受力部件不在緩沖層上，其80%到90%的內(nèi)應(yīng)力均由胎體的簾布層承擔(dān)。由此可見，子午線輪胎帶束層設(shè)計(jì)很重要，必須具有良好的剛性，可采用多層大角度，高強(qiáng)度而且不易拉伸的纖維材料，如鋼絲或者芳綸纖維等[1-2]。

胎面裁斷定長檢測的控制過程是一個(gè)先裁斷定長、后單條稱重的控制過程[3]。開發(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剪切長度的精確度)、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、減少廢品率還是從提高原料的利用率來說都顯得極為重要。

1裁斷設(shè)備組成及功能概述

裁斷系統(tǒng)由胎面貯存裝置、定長裁斷傳送帶、裁到裝置、輔助裝置等幾部分組成。

1.1胎面貯存裝置

在下坡皮帶和裁斷裝置之間貯存擠出聯(lián)動(dòng)線傳遞過來的胎面，保證足夠長度的胎面提供給裁斷裝置，主要起緩沖作用。

1.2定長裁斷傳送帶

用于傳送胎面貯存裝置中貯存的胎面，胎面?zhèn)魉蛶Р捎梦恢眯徒涣魉欧刂破骺刂扑欧姍C(jī)拖動(dòng)，其內(nèi)安裝位置控制器實(shí)現(xiàn)對胎面的精確位置控制。

1.3裁刀裝置

裁刀裝置包括兩部分，一部分又上下運(yùn)動(dòng)的氣缸帶動(dòng)裁刀刀架實(shí)現(xiàn)起落、下降。裁刀電機(jī)采用2極電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)。另一部分由位置型交流伺服控制器控制的伺服電機(jī)拖動(dòng)高精度的直線運(yùn)動(dòng)模塊，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)推動(dòng)裁刀在滑道上來回移動(dòng)以切割胎面。

1.4輔助裝置

輔助裝置主要包括上下運(yùn)動(dòng)的氣缸帶動(dòng)的能夠提升和下落的壓刷。蒸汽閥控制蒸汽的通斷來潤滑刀片。直線運(yùn)動(dòng)模塊兩側(cè)裝有限位開關(guān)作為刀架控制器的定位原點(diǎn)和限位保護(hù)開關(guān)。

2控制部分開發(fā)

該控制系統(tǒng)采用Profibus-DP現(xiàn)場總線傳輸效率最高的單主站線型網(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)線的要求，選用了西門子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總線上，作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的從站，并且可通過主站完成遠(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)的修改通過操作終端來完成，操作終端TP270是西門子公司的基于Windows平臺(tái)的功能強(qiáng)大的操作終端。上位機(jī)用于監(jiān)測和顯示各個(gè)控制器的工作狀態(tài)和報(bào)警信息等[4-5]。裁斷系統(tǒng)控制原理圖如圖1所示。

圖1裁斷系統(tǒng)控制原理圖

裁斷系統(tǒng)的檢測裝置包括各類非接觸式行程開關(guān)、超聲波傳感器和絕對位移編碼器等，用于測量機(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)檢測信號(hào)接入力士樂位置控制器CLM開關(guān)量輸入口(端子X3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)作由開關(guān)量輸出口(端子X4中的A1－A16)輸出控制。超聲波傳感器安裝于定長傳送帶前端與前級胎面運(yùn)輸帶后端的貯存槽內(nèi)，其檢測到的胎面在貯存槽位置高低信號(hào)(0－10V)通過模擬量輸入口輸入到PLC。分別檢測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[6]。

3軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)以西門子S7-315-2PN/DP作為Profibus現(xiàn)場總線主站提供與位置控制器直接的高速循環(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)且易編程。在PLC編程軟件STEP7中導(dǎo)入位置控制器CLM設(shè)備GSD文件，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OB35中選用SFC14和SFC15“DPWR_DAT”系統(tǒng)功能塊向位置控制器接收/發(fā)送過程數(shù)據(jù)[7]。

設(shè)置位置控制器與主站的總線通訊率，在參數(shù)中設(shè)置從站網(wǎng)絡(luò)地址，并選擇參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象(PPO)類型，這樣系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備與PLC之間通過Profibus-DP總線可以完成數(shù)據(jù)的讀寫和控制數(shù)據(jù)的傳輸。除過程數(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)[8]。

PLC根據(jù)聯(lián)動(dòng)線的運(yùn)行速度、操作指令及裁斷裝置的狀態(tài)對皮帶、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按照一定的算法決定裁斷皮帶的運(yùn)行速度，從而通過PLC相應(yīng)地改變速度使運(yùn)輸帶協(xié)調(diào)平穩(wěn)運(yùn)行?？刂瞥绦蚩驁D如圖2所示。

圖2控制程序框圖

裁斷控制人機(jī)界面采用西門子TP270觸摸屏，通過Profibus-DP總線與PLC主機(jī)連接。通過對于觸摸屏的編程，采用西門子公司提供的Winccflexible組態(tài)軟件進(jìn)行編程組態(tài)。Winccflexible完整的圖形用戶界面加上軟件本身自帶的項(xiàng)目組態(tài)向?qū)г试S用戶方便地創(chuàng)建面向?qū)ο?、基于符?hào)的各種項(xiàng)目。在Winccflexible中界面上的操作單元與執(zhí)行器之間通過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。

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)。通過人機(jī)界面操作者可設(shè)定某些基本的參數(shù)，如定長值、誤差調(diào)整、裁斷次數(shù)等，可監(jiān)測系統(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)生的問題。

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)對整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)管理和監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)連接到車間級以太網(wǎng)絡(luò)。主控PLC是整個(gè)胎面生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(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)場的設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)的操作、工作狀態(tài)及測量分析結(jié)果在工業(yè)PC上進(jìn)行圖形顯示監(jiān)控，通過現(xiàn)場總線由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)，生成各類報(bào)表，并進(jìn)行圖形顯示及人機(jī)對話，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)場設(shè)備之間的信息管理。

4定位精度控制仿真

在設(shè)計(jì)中，采用交流位置型伺服控制器，其內(nèi)置位置控制器精度可達(dá)到萬分之一，配合伺服電機(jī)的控制性能，在零速度下也能輸出額度轉(zhuǎn)矩可允許控制器過載，因此電氣控制的固有誤差基本可以忽略。對于環(huán)境、人為、制品的因素影響，可采用特適的參數(shù)因子和裁斷定長的標(biāo)稱長度附加收縮增量的控制策略來克服。

控制器采用增量運(yùn)行方式，為有效去除裁斷周期中皮帶啟動(dòng)停止造成的機(jī)械誤差，采用位置控制器的S型曲線功能對速度的加減速輪廓環(huán)節(jié)進(jìn)行平滑處理。如下圖3。VTVEL為定位運(yùn)行速度，VTACC為加速度，tr為加速度過度時(shí)間。

圖3位置控制器加減速S型輪廓曲線

5結(jié)論

本控制系統(tǒng)充分利用了PLC、Profibus—DP現(xiàn)場總線技術(shù)、Winccflexible和伺服控制等先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)采用分布式開放結(jié)構(gòu)，響應(yīng)速度快，組態(tài)靈活，控制功能完善，操作簡單規(guī)范。定長裁斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)在子午輪胎生產(chǎn)線中投入使用，控制精度達(dá)到±1.3mm，實(shí)踐證明該基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)安全可靠，故障率低，產(chǎn)品完全滿足下道工序的高標(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，除此之外還有硬件結(jié)構(gòu)緊湊，簡單，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，便于維修的特點(diǎn)。

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