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臺驅(qū)動電機的伺服控制器和2個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程參數(shù)配置，開發(fā)了胎面定長裁斷系統(tǒng)。實踐證明控制系統(tǒng)安全可靠，故障率低具有較高的生產(chǎn)和管理自動化水平，提高了生產(chǎn)效率，便于維修的特點。

關(guān)鍵詞：伺服控制器  總線通信  網(wǎng)絡(luò)拓撲  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，當(dāng)輪胎在行駛過程中，冠部周圍應(yīng)力增大，會造成周向伸張，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，把整個輪胎固定，限制輪胎的周向變形，這個緩沖層承受整個輪胎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)計很重要，必須具有良好的剛性，可采用多層大角度，高強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拖動，其內(nèi)安裝位置控制器實現(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，一部分又上下運動的氣缸帶動裁刀刀架實現(xiàn)起落、下降。裁刀電機采用2極電機，電機帶動刀片旋轉(zhuǎn)。另一部分由位置型交流伺服控制器控制的伺服電機拖動高精度的直線運動模塊，將電機的旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動推動裁刀在滑道上來回移動以切割胎面。

1.4輔助裝置

輔助裝置主要包括上下運動的氣缸帶動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。直線運動模塊兩側(cè)裝有限位開關(guān)作為刀架控制器的定位原點和限位保護開關(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)拓撲結(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臺驅(qū)動電機的伺服控制器和2個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程參數(shù)配置。控制臺上各種操作和顯示要求較多，裁斷長度的設(shè)定與實際值，刀架左右移動的行程及速度，手動控制信號，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平臺的功能強大的操作終端。上位機用于監(jiān)測和顯示各個控制器的工作狀態(tài)和報警信息等[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，用于測量機械位移、運行速度，保證了裁度伺服控制系統(tǒng)有序、安全、可靠的運行。狀態(tài)檢測信號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，刀架左右限位信號，刀架定位原點等。切刀、壓刷、噴蒸汽閥的動作由開關(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(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位移編碼器接入位置控制器CLM端子[6]。

3軟件設(shè)計

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、控制適時性好、抗干擾能力強且易編程。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也傳輸傳動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和診斷信號[8]。

PLC根據(jù)聯(lián)動線的運行速度、操作指令及裁斷裝置的狀態(tài)對皮帶、刀架進行協(xié)調(diào)控制。胎面在兩條運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，并與前段運輸帶的速度綜合起來按照一定的算法決定裁斷皮帶的運行速度，從而通過PLC相應(yīng)地改變速度使運輸帶協(xié)調(diào)平穩(wěn)運行?？刂瞥绦蚩驁D如圖2所示。

圖2控制程序框圖

裁斷控制人機界面采用西門子TP270觸摸屏，通過Profibus-DP總線與PLC主機連接。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目組態(tài)向?qū)г试S用戶方便地創(chuàng)建面向?qū)ο?、基于符號的各種項目。在Winccflexible中界面上的操作單元與執(zhí)行器之間通過PLC利用變量進行通訊，即在HMI可以直接讀或?qū)懙腜LC上的存儲地址。

在完成基本人機交互功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計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。自動運行按照設(shè)備設(shè)計的動作流程進行自動運行控制時，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行調(diào)整、修定。異常停止當(dāng)定位模塊、伺服驅(qū)動器、行程開關(guān)以及機器異常時伺服馬達都應(yīng)該立即停止運轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生異常碼顯示在觸摸屏上，以便維修人員及時了解發(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，提供良好的人機交互環(huán)境，實現(xiàn)對整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)管理和監(jiān)控，并實現(xiàn)連接到車間級以太網(wǎng)絡(luò)。主控PLC是整個胎面生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集和處理，以及控制信號的發(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)報警，存儲歷史數(shù)據(jù)，生成各類報表，并進行圖形顯示及人機對話，向PLC下傳相關(guān)控制命令，從而實現(xiàn)監(jiān)控計算機與現(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到萬分之一，配合伺服電機的控制性能，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。

控制器采用增量運行方式，為有效去除裁斷周期中皮帶啟動停止造成的機械誤差，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)進行平滑處理。如下圖3。VTVEL為定位運行速度，VTACC為加速度，tr為加速度過度時間。

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)計在子午輪胎生產(chǎn)線中投入使用，控制精度達到±1.3mm，實踐證明該基于現(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準要求，具有較高的生產(chǎn)和管理自動化水平，提高了生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益，除此之外還有硬件結(jié)構(gòu)緊湊，簡單，運行平穩(wěn)可靠，便于維修的特點。

6參考文獻

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[7]HansBerger著，張同莊等譯.西門子S7-300/400PLC編程：梯形圖和功能塊圖描述

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