摘要：本文主要闡述一種應(yīng)用PLC和伺服控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)較高定長(zhǎng)裁斷精度的控制系統(tǒng)。本文根據(jù)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)要求，采用了西門子Profibus的單主站線型網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)通信方式，DP主站PLC選用了西門子S7-315-2PN/DP。2臺(tái)伺服控制器和2個(gè)絕對(duì)位移編碼器都帶有DP接口可直接接入PROFIBUS總線中，并作為控制系統(tǒng)從站。最終實(shí)踐證明了控制系統(tǒng)具有安全性可靠，故障率極低和較高的自動(dòng)化水平。

0前言

    近幾年以來，國內(nèi)外都對(duì)輪胎胎面的定長(zhǎng)裁斷設(shè)備改進(jìn)相當(dāng)重視，并發(fā)表了很多與此相關(guān)的專利，改進(jìn)的方向大多是提升裁斷的精度、增長(zhǎng)切刀的壽命以及增加裁斷的速度。國外主要進(jìn)行激光裁斷機(jī)的研究，并在此方面取得了相關(guān)的專利。在裁斷系統(tǒng)上使用激光技術(shù)可省掉復(fù)雜的裁斷機(jī)械機(jī)構(gòu)，將裁斷裝置直接安裝在輪胎成型機(jī)的供料架上，可有效的提升裁斷的精度和切刀的使用壽命。我國目前的輪胎企業(yè)中所使用的定長(zhǎng)裁斷機(jī)各種各樣，生產(chǎn)該設(shè)備的廠家也都沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在控制精度上與國外的先進(jìn)設(shè)備相比也具有一定的差距，目前來看想要完全的取代國外進(jìn)口設(shè)備還需要一個(gè)提高和不斷完善的過程。

    在輪胎的生產(chǎn)過程中對(duì)胎面進(jìn)行定長(zhǎng)的裁斷是一個(gè)關(guān)鍵的工序，把膠料放入擠出機(jī)以后經(jīng)擠壓、牽引拉伸、降溫冷卻和定長(zhǎng)裁斷后才能得到輪胎的胎坯。胎面的定長(zhǎng)裁斷檢測(cè)控制過程是先進(jìn)行裁斷的定長(zhǎng)、后進(jìn)行單條的稱重控制過程。進(jìn)行高切割精度（包括加工端面的傾斜度、光潔度以及定長(zhǎng)剪切的長(zhǎng)度精度）和可進(jìn)行高速度的裁斷裝置的開發(fā)，無論從產(chǎn)量的提升、降低廢品率和提高原料的利用率都具有重要的意義。

    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裁斷系統(tǒng)簡(jiǎn)介

    裁斷系統(tǒng)主要由六大部分組成：1-傳送帶伺服電機(jī)；2-裁刀電機(jī)；3-刀架伺服電機(jī)；4-刀架直線導(dǎo)軌；5-傳送皮帶；6-超聲波傳感器，如圖1所示為裁斷系統(tǒng)機(jī)械組成圖。

圖1裁斷系統(tǒng)機(jī)械組成圖

    裁斷裝置主要包含：裁刀裝置、定長(zhǎng)輸送裝置、刀架轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和壓膠裝置等。裁刀裝置主要由刀架傳動(dòng)和裁刀刀架兩部分裝置組成，電動(dòng)機(jī)、微型氣缸和裁刀都安裝在裁刀的刀架上，裁刀的刀片經(jīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)高速的旋轉(zhuǎn)，通過微型的氣缸帶動(dòng)其上升和下降，裁膠的時(shí)候放下，回程的時(shí)候抬起。定長(zhǎng)輸送裝置是低臺(tái)式的結(jié)構(gòu)，傳送帶通過交流伺服驅(qū)動(dòng)，可達(dá)到定長(zhǎng)裁斷的高精度要求，速度也可進(jìn)行一定范圍內(nèi)的高精度無級(jí)調(diào)速。壓膠裝置是由氣缸帶動(dòng)的海綿滾筒可壓下和抬起的壓刷，主要是避免裁斷過程中胎面打滑。整個(gè)裁刀的傳動(dòng)裝置可轉(zhuǎn)動(dòng)，從而方便了裁斷角度的調(diào)整。

    經(jīng)冷卻后的胎面經(jīng)貯存槽裝置進(jìn)入到裁斷定長(zhǎng)的輸送帶上，在貯存槽裝置上方安裝有超聲波檢測(cè)傳感器，可實(shí)時(shí)的檢測(cè)到胎面貯存的程度，使輸送帶按不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)傳送帶的伺服電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，裝在電機(jī)軸上的絕對(duì)值編碼器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)輸送帶向前運(yùn)動(dòng)，到達(dá)胎面長(zhǎng)度的預(yù)設(shè)值時(shí)，輸送帶停止運(yùn)動(dòng)；此時(shí)壓膠裝置的壓刷向下運(yùn)動(dòng)壓緊胎面，刀架伺服電機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)刀架從起始位置快速沿直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到終端完成裁切胎面；在裁切胎面的過程中，需打開噴水閥向切刀噴水，待切割完成后，壓刷裝置和切刀抬起，直線導(dǎo)軌上的刀架退到起始位置等待、噴水閥關(guān)停，切刀放下，恢復(fù)到初始化，等待下次啟動(dòng)。

2控制系統(tǒng)硬件組成

    該系統(tǒng)使用用西門子Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的單主站線型網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)，如圖2所示為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)生產(chǎn)線的控制要求，主控PLC選用西門子S7-315-2PN/DP。2臺(tái)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器選用力士樂的DKC伺服控制器和2個(gè)編碼器需用絕對(duì)值式并接入力士樂帶有DP接口的CLM1.4-LAP位置控制器上。裁斷控制臺(tái)上的各種顯示和操作較多，裁斷的長(zhǎng)度也可進(jìn)行設(shè)定，刀架的左右移動(dòng)距離和速度，手動(dòng)控制的信號(hào)，以及其它的系統(tǒng)參數(shù)修改都可通過基于Windows平臺(tái)的西門子觸摸屏TP270來實(shí)現(xiàn)。

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

    裁斷系統(tǒng)檢測(cè)裝置主要包括超聲波檢測(cè)傳感器、非接觸式的行程開關(guān)和編碼器等，用于完成機(jī)械位移和運(yùn)行速度的測(cè)量，并保證裁度伺服系統(tǒng)的安全、有序、可靠運(yùn)行。信號(hào)狀態(tài)檢測(cè)主要包括切刀位置檢測(cè)、壓刷的到位檢測(cè)以及刀架的左右限位和刀架的原點(diǎn)定位等，信號(hào)狀態(tài)檢測(cè)可接到力士樂的位置控制器CLMDI口上。壓刷、切刀、噴水閥的動(dòng)作也可通過位置控制器的DO輸出接口（端子X4中的A1－A16）輸出控制。超聲波檢測(cè)傳感器安裝在定長(zhǎng)輸送帶的前端與前級(jí)胎面運(yùn)輸帶的后端貯存槽上，通過檢測(cè)胎面在貯存槽內(nèi)的位置并通過模擬量（0－10V）送入到PLC中。用于檢測(cè)刀架和輸送帶位置的2個(gè)編碼器分別接入到位置控制器CLM上（端子X1、X2）。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1PLC控制程序設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)中采用315-2PN/DP作現(xiàn)場(chǎng)總線的主站通過總線與位置控制器CLM相連的通信服務(wù)，此方式具有實(shí)時(shí)性好、通訊速率高、編程簡(jiǎn)單和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在STEP7編程軟件首先需導(dǎo)入力士樂位置控制器的GSD文件(IN2_04eb.gsd)，用于完成硬件網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)，并為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，在組織塊循環(huán)OB1中選用SFC14“DPRD_DAT”，SFC15“DPWR_DAT”系統(tǒng)功能模塊與位置控制器進(jìn)行過程數(shù)據(jù)的交換。

    主站的總線與位置控制器設(shè)置相同的通訊率，并選用PPO類型的參數(shù)過程數(shù)據(jù)，從而完成控制系統(tǒng)主PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)據(jù)讀寫和控制數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)Profibus還可進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和診斷信號(hào)的傳輸。

    主PLC可根據(jù)聯(lián)動(dòng)線的測(cè)量速度、操作的指令和裁斷裝置當(dāng)前的狀態(tài)對(duì)輸送帶和刀架進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。胎面的貯存量通過超聲波傳感器發(fā)出的模擬量信號(hào)與前段輸送帶的速度按一定的比例和算法控制裁斷皮帶的速度，從而通過主PLC改變相應(yīng)地控制速度使運(yùn)輸帶平穩(wěn)3.2位置控制器CLM的伺服程序設(shè)計(jì)

     力士樂CLM位置控制器是一種模塊化、緊湊型的數(shù)控系統(tǒng)，可直接對(duì)力士樂DKC伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制完成伺服的精確定位控制。本文所編寫的位置控制器程序主要包括三大部分：裁斷刀架控制、傳送帶控制和總線通訊等。主PLC與控制器間的狀態(tài)字通過Profibus總線通訊完成，當(dāng)位置控制器接收到主PLC傳輸?shù)目刂菩畔ⅲㄈ玳L(zhǎng)度、速度值和操作指令等）時(shí)，同時(shí)將當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸給主PLC進(jìn)行分析、顯示。如圖3所示為裁斷伺服控制程序框圖。

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)線的生產(chǎn)管理和監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)連接到車間級(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(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，通過現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(chǎng)設(shè)備之間的信息管理。

    定長(zhǎng)裁斷控制系統(tǒng)采用西門子TP270觸摸屏作為人機(jī)界面，通過Profibus-DP總線與主PLC主機(jī)相連。觸摸屏采用西門子公司的ProTool/ProCS組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)。主PLC與觸摸屏之間利用PLC的變量完成通訊，即在觸摸屏中可讀或?qū)慞LC上的存儲(chǔ)地址。通過人機(jī)界面操作人員不僅可完成基本的系統(tǒng)參數(shù)（如誤差調(diào)整、定長(zhǎng)值和裁斷次數(shù)等）設(shè)置，還可實(shí)時(shí)的對(duì)報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和密碼設(shè)置。在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)設(shè)備的設(shè)計(jì)流程需對(duì)一些重要的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如裁斷位置和速度等都需在觸摸屏上方便的修定。當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器、定位模塊、檢測(cè)開關(guān)以或機(jī)器發(fā)生異常情況時(shí)伺服馬達(dá)不僅要立即停止運(yùn)動(dòng)，還需在觸摸屏上顯示故障信息，方便維修人員維修。

5結(jié)論

    子午線輪胎生產(chǎn)過程中胎面定長(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)的控制過程是一個(gè)先裁斷定長(zhǎng)、后單條稱重的控制過程。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(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、減少廢品率還是從提高原料的利用率來說都顯得極為重要。

    本文所設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)不僅利用了西門子PLC和Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，還融入了先進(jìn)的伺服控制技術(shù)，系統(tǒng)通訊方式采用了分布式的開放結(jié)構(gòu)，不僅提升了系統(tǒng)響應(yīng)速度，組態(tài)也很靈活，控制功能更加完善，操作簡(jiǎn)單。實(shí)踐證明基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的伺服裁斷控制系統(tǒng)具有安全性能高，故障率低，定位精度高，自動(dòng)化水平較高等優(yōu)點(diǎn)，并將為企業(yè)帶來較好的效益。