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。

0 前言

近年來，國外對輪胎胎面裁斷設(shè)備的改進十分重視，并且有不少專利,改進的重點是提高裁斷精度、加快裁斷速度以及延長刀具的使用壽命。國外主要研究激光裁斷機,并有專利。激光技術(shù)的應(yīng)用可以省掉專門復(fù)雜的裁斷機構(gòu)，直接將裁斷裝置設(shè)置在子午線輪胎成型機的供料系統(tǒng)中，可提高裁斷精度和刀具使用壽命。我國輪胎企業(yè)所使用的裁斷機多種多樣，制造該設(shè)備的生產(chǎn)廠家還沒有統(tǒng)一的標準，精度與國外先進產(chǎn)品相比還有一定的差距，要完全取代進口設(shè)備尚需一個不斷完善和提高的過程。

我國許多輪胎企業(yè)半鋼子午線輪胎一次法成型機胎面和復(fù)合件裁斷裝置均使用愛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,并非專門針對輪胎生產(chǎn)需要而設(shè)計，因此成本較高,能耗也較大。超聲波裁刀在應(yīng)用中最大問題是價格昂貴，一套超聲波裁刀價格為12萬元左右,更換刀片需要5萬~6萬元。價格及維護費過高,使國內(nèi)大多數(shù)輪胎企業(yè)很難接受。

超聲波裁刀不但價格昂貴，而且在實際生產(chǎn)中仍然存在下述許多問題：1、在裁切胎面時容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況；2、裁切角度容易發(fā)生變化，嚴重時刀片會碰到裁刀下刀板，損壞刀片；3、裁切角度調(diào)節(jié)比較困難，維護、維修不方便；4、程序設(shè)計不合理，下刀板在胎面開始定長、定長完成后裁切及裁切完成后都要作上下運動，整個裁切過程分為高速、中速、低速3級，由于輸送帶上有時會有污點或胎面表面異常，使刀位檢測傳感器產(chǎn)生誤信號而引起裁切速度混亂；5、能耗較大。

設(shè)計采用裁切角度可調(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時監(jiān)測刀片溫度，其反饋信號對加熱板進行控制，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。切刀進退由行走電機通過同步帶控制，同步帶具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、緩沖吸振和能實現(xiàn)較大距離兩軸間傳動等特點，比氣缸驅(qū)動運行方式定位準確、運行時間短、后期維護方便；行走電機采用直流伺服電機。切刀起始和停止由電感式接近開關(guān)限制。午線輪胎生產(chǎn)過程中胎面定長裁斷是其關(guān)鍵工序之一，膠料投入擠出機后壓出并經(jīng)牽引拉伸、冷卻及定長裁斷后得到輪胎胎坯。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。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 裁斷系統(tǒng)的設(shè)備組成及功能簡介

1.1.機械部分組成

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

圖1 裁斷系統(tǒng)機械組成圖

裁斷裝置由定長輸送裝置、裁刀裝置、壓膠裝置、刀架轉(zhuǎn)動裝置等組成。定長輸送裝置的結(jié)構(gòu)為低臺式，傳送帶由交流伺服電動機驅(qū)動，可滿足裁斷定長精度高的要求，速度在一定的范圍內(nèi)可進行高精度無級調(diào)速。裁刀裝置由裁刀刀架和刀架傳動裝置兩部分組成，裁刀、微型氣缸和電機安裝在裁刀刀架上，裁刀刀片在電機帶動下高速旋轉(zhuǎn)，由微型氣缸帶動升降，裁膠時放下，回程時抬起，裁刀刀架在由伺服電機拖動的力士樂高精度直線運動導(dǎo)軌上來回移動以切割胎面。壓膠裝置為海綿滾筒和由氣缸帶動的能夠抬起和壓下的壓刷，是為了在裁斷過程中壓住胎面以免打滑。整個裁刀傳動裝置可繞一垂直心軸轉(zhuǎn)動，從而調(diào)整裁斷角度。

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

1.2 電氣控制部分組成

該控制系統(tǒng)采用Profibus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S7-315-2DP為主控PLC，其中PLC作為DP主站。2臺驅(qū)動電機的力士樂DKC伺服控制器和2個絕對位移編碼器接入力士樂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?？刂婆_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TP270來完成，TP270是西門子公司的基于Windows平臺的功能強大的操作終端。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

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X1、X2）。

2 PLC控制程序設(shè)計

系統(tǒng)中以西門子S7-315-2DP作為Profibus現(xiàn)場總線主站提供與力士樂位置控制器CLM直接而便利的高速循環(huán)通信服務(wù)，通訊速率高、控制適時性好、抗干擾能力強且編程簡單。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，如控制字、狀態(tài)字、給定值和實際值等。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。

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。用戶根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)需要相應(yīng)設(shè)置胎面裁斷長度等參數(shù)，通過總線完成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

力士樂位置控制器CLM是一種緊湊型、模塊化二/四軸數(shù)控系統(tǒng)，直接驅(qū)動力士樂DKC伺服驅(qū)動器完成交流伺服電機的精確定位運行，本系統(tǒng)中二套力士樂DKC伺服驅(qū)動器分別完成傳送帶定長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)的計算機上完成控制程序的編寫。

裁斷伺服控制程序框圖如圖3所示，程序主要由總線通訊、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)信息的傳送由總線通訊程序完成，控制器接收PLC傳送的控制信息如速度值、長度值和操作指令等，同時將運行狀態(tài)信息傳送給PLC進行分析、顯示；傳送帶控制程序完成傳送帶伺服電機運行的速度和位置控制，進行胎面裁斷的精確定長和平穩(wěn)快速運行；裁斷刀架控制程序完成裁斷刀架橫向移動切割和其輔助裝置的控制，保證裁刀動作的正常執(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

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INTRANET網(wǎng)絡(luò)。第一主站(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。

裁斷控制人機界面采用TP270觸摸屏，通過Profibus總線與PLC主機連接。對于觸摸屏的編程，采用西門子公司提供的ProTool/ProCS組態(tài)軟件進行編程組態(tài)。ProTool/ProCS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ProTool/ProCS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。軟件設(shè)計思想是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，操作者即能設(shè)置一些基本的參數(shù)，如定長值、誤差調(diào)整、裁斷次數(shù)等，也可以監(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。

5 結(jié)論

本控制系統(tǒng)充分利用了PLC、Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)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)計完成后已在多家全鋼子午輪胎生產(chǎn)線中投入使用，控制精度達到±1mm，實踐證明該套基于Profibus-DP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。