摘要：本文主要闡述一種應用PLC和伺服控制技術來實現(xiàn)較高定長裁斷精度的控制系統(tǒng)。本文根據(jù)生產(chǎn)線的設計要求，采用了西門子Profibus的單主站線型網(wǎng)絡拓樸結構通信方式，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化水平。

0前言

    近幾年以來，國內外都對輪胎胎面的定長裁斷設備改進相當重視，并發(fā)表了很多與此相關的專利，改進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。國外主要進行激光裁斷機的研究，并在此方面取得了相關的專利。在裁斷系統(tǒng)上使用激光技術可省掉復雜的裁斷機械機構，將裁斷裝置直接安裝在輪胎成型機的供料架上，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各種各樣，生產(chǎn)該設備的廠家也都沒有一個統(tǒng)一的標準，在控制精度上與國外的先進設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口設備還需要一個提高和不斷完善的過程。

    在輪胎的生產(chǎn)過程中對胎面進行定長的裁斷是一個關鍵的工序，把膠料放入擠出機以后經(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行裁斷的定長、后進行單條的稱重控制過程。進行高切割精度（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，當輪胎在行駛過程中，冠部周圍應力增大，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%的內應力，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%的內應力均由胎體的簾布層承擔。由此可見，子午線輪胎帶束層設計很重要，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；2-裁刀電機；3-刀架伺服電機；4-刀架直線導軌；5-傳送皮帶；6-超聲波傳感器，如圖1所示為裁斷系統(tǒng)機械組成圖。

圖1裁斷系統(tǒng)機械組成圖

    裁斷裝置主要包含：裁刀裝置、定長輸送裝置、刀架轉動裝置和壓膠裝置等。裁刀裝置主要由刀架傳動和裁刀刀架兩部分裝置組成，電動機、微型氣缸和裁刀都安裝在裁刀的刀架上，裁刀的刀片經(jīng)驅動電機帶動高速的旋轉，通過微型的氣缸帶動其上升和下降，裁膠的時候放下，回程的時候抬起。定長輸送裝置是低臺式的結構，傳送帶通過交流伺服驅動，可達到定長裁斷的高精度要求，速度也可進行一定范圍內的高精度無級調速。壓膠裝置是由氣缸帶動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。整個裁刀的傳動裝置可轉動，從而方便了裁斷角度的調整。

    經(jīng)冷卻后的胎面經(jīng)貯存槽裝置進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，可實時的檢測到胎面貯存的程度，使輸送帶按不同的速度運轉；當傳送帶的伺服電機啟動時，裝在電機軸上的絕對值編碼器開始計數(shù)，當電動機拖動輸送帶向前運動，到達胎面長度的預設值時，輸送帶停止運動；此時壓膠裝置的壓刷向下運動壓緊胎面，刀架伺服電機啟動帶動刀架從起始位置快速沿直線導軌運動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，直線導軌上的刀架退到起始位置等待、噴水閥關停，切刀放下，恢復到初始化，等待下次啟動。

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)絡拓樸結構，如圖2所示為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構。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臺伺服電機的驅動器選用力士樂的DKC伺服控制器和2個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，裁斷的長度也可進行設定，刀架的左右移動距離和速度，手動控制的信號，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來實現(xiàn)。

圖2控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

    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和編碼器等，用于完成機械位移和運行速度的測量，并保證裁度伺服系統(tǒng)的安全、有序、可靠運行。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輸帶的后端貯存槽上，通過檢測胎面在貯存槽內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個編碼器分別接入到位置控制器CLM上（端子X1、X2）。

3軟件設計

3.1PLC控制程序設計

    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，此方式具有實時性好、通訊速率高、編程簡單和抗干擾能力強等優(yōu)點。在STEP7編程軟件首先需導入力士樂位置控制器的GSD文件(IN2_04eb.gsd)，用于完成硬件網(wǎng)絡的組態(tài)，并為其分配網(wǎng)絡地址，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行過程數(shù)據(jù)的交換。

    主站的總線與位置控制器設置相同的通訊率，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)場設備間的數(shù)據(jù)讀寫和控制數(shù)據(jù)的傳輸，同時Profibus還可進行系統(tǒng)參數(shù)設置和診斷信號的傳輸。

    主PLC可根據(jù)聯(lián)動線的測量速度、操作的指令和裁斷裝置當前的狀態(tài)對輸送帶和刀架進行實時控制。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改變相應地控制速度使運輸帶平穩(wěn)3.2位置控制器CLM的伺服程序設計

     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伺服驅動器進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，同時將當前的運行狀態(tài)信息傳輸給主PLC進行分析、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。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)場的設備。整個系統(tǒng)的操作、工作狀態(tài)及測量分析結果在工業(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下傳相關控制命令，從而實現(xiàn)監(jiān)控計算機與現(xiàn)場設備之間的信息管理。

    定長裁斷控制系統(tǒng)采用西門子TP270觸摸屏作為人機界面，通過Profibus-DP總線與主PLC主機相連。觸摸屏采用西門子公司的ProTool/ProCS組態(tài)軟件進行組態(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寫PLC上的存儲地址。通過人機界面操作人員不僅可完成基本的系統(tǒng)參數(shù)（如誤差調整、定長值和裁斷次數(shù)等）設置，還可實時的對報警狀態(tài)進行監(jiān)測和密碼設置。在自動運行時根據(jù)設備的設計流程需對一些重要的參數(shù)進行調整，如裁斷位置和速度等都需在觸摸屏上方便的修定。當伺服驅動器、定位模塊、檢測開關以或機器發(fā)生異常情況時伺服馬達不僅要立即停止運動，還需在觸摸屏上顯示故障信息，方便維修人員維修。

5結論

    子午線輪胎生產(chǎn)過程中胎面定長裁斷是其關鍵工序之一，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。

    本文所設計的伺服控制系統(tǒng)不僅利用了西門子PLC和Profibus現(xiàn)場總線技術，還融入了先進的伺服控制技術，系統(tǒng)通訊方式采用了分布式的開放結構，不僅提升了系統(tǒng)響應速度，組態(tài)也很靈活，控制功能更加完善，操作簡單。實踐證明基于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，自動化水平較高等優(yōu)點，并將為企業(yè)帶來較好的效益。