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臺伺服控制器和2個(gè)絕對位移編碼器都帶有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)外都對輪胎胎面的定長裁斷設(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)過程中對胎面進(jìn)行定長的裁斷是一個(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、降溫冷卻和定長裁斷后才能得到輪胎的胎坯。胎面的定長裁斷檢測控制過程是先進(jìn)行裁斷的定長、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、光潔度以及定長剪切的長度精度）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。定長輸送裝置是低臺式的結(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)入到裁斷定長的輸送帶上，在貯存槽裝置上方安裝有超聲波檢測傳感器，可實(shí)時(shí)的檢測到胎面貯存的程度，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。裁斷控制臺上的各種顯示和操作較多，裁斷的長度也可進(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，以及其它的系統(tǒng)參數(shù)修改都可通過基于Windows平臺的西門子觸摸屏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)檢測裝置主要包括超聲波檢測傳感器、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)行速度的測量，并保證裁度伺服系統(tǒng)的安全、有序、可靠運(yùn)行。信號狀態(tài)檢測主要包括切刀位置檢測、壓刷的到位檢測以及刀架的左右限位和刀架的原點(diǎn)定位等，信號狀態(tài)檢測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。超聲波檢測傳感器安裝在定長輸送帶的前端與前級胎面運(yùn)輸帶的后端貯存槽上，通過檢測胎面在貯存槽內(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)置和診斷信號的傳輸。

主PLC可根據(jù)聯(lián)動(dòng)線的測量速度、操作的指令和裁斷裝置當(dāng)前的狀態(tài)對輸送帶和刀架進(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。

定長裁斷控制系統(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、定長值和裁斷次數(shù)等）設(shè)置，還可實(shí)時(shí)的對報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和密碼設(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(gè)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。

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，操作簡單。實(shí)踐證明基于Profibus-DP現(xiàn)場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。