基于伺服控制的定长裁断系统开发

基于伺服控制的定长裁断系统开发摘要：本文主要阐述一种应用现场总线和伺服控制技术来实现较高定位裁断精度的控制系统。控制系统采用Profibus-DP现场总线传输效率最高的单主站线型网络拓朴结构，根据整条生产线的要求，选用了西门子S7-315-2PN/DP为主控PLC，其中PLC作为DP主站。2台驱动电机的伺服控制器和2个绝对位移编码器接入位置控制器，位置控制器本身带有DP接口，可以直接连接在PROFIBUS总线上，作为现场总线控制系统的从站，并且可通过主站完成远程参数配置，开发了胎面定长裁断系统。实践证明控制系统安全可靠，故障率低具有较高的生产和管理自动化水平，提高了生产效率，便于维修的特点。关键词：伺服控制器

总线通信

网络拓扑

定长裁断0前言子午线轮胎胎体的帘线排列不同于斜交轮胎，子午线轮胎的帘线不是相互交叉排列的，而是与外胎断面接近平行，像地球子午线排列，帘线角度小，一般为0°，胎体帘线之间没有维系交点，当轮胎在行驶过程中，冠部周围应力增大，会造成周向伸张，胎体成辐射状裂口。因此子午线轮胎的缓冲层采用接近周向排列的打交道帘线层，与胎体帘线角度成90°相交，一般为70°到78°，形成一条几乎不能伸张的刚性环形带，把整个轮胎固定，限制轮胎的周向变形，这个缓冲层承受整个轮胎60%到70%的内应力，成为子午线轮胎的主要受力部件，故称之为子午线轮胎的带束层。斜交胎的主要受力部件不在缓冲层上，其80%到90%的内应力均由胎体的帘布层承担。由此可见，子午线轮胎带束层设计很重要，必须具有良好的刚性，可采用多层大角度，高强度而且不易拉伸的纤维材料，如钢丝或者芳纶纤维等[1-2]。胎面裁断定长检测的控制过程是一个先裁断定长、后单条称重的控制过程[3]。开发一套具有高切割精度(包括加工端面倾斜度和光洁度及定长剪切长度的精确度)、能够适应高裁断速度的胎面裁断装置，不管从提高产量、减少废品率还是从提高原料的利用率来说都显得极为重要。1裁断设备组成及功能概述裁断系统由胎面贮存装置、定长裁断传送带、裁到装置、辅助装置等几部分组成。1.1胎面贮存装置在下坡皮带和裁断装置之间贮存挤出联动线传递过来的胎面，保证足够长度的胎面提供给裁断装置，主要起缓冲作用。1.2定长裁断传送带用于传送胎面贮存装置中贮存的胎面，胎面传送带采用位置型交流伺服控制器控制伺服电机拖动，其内安装位置控制器实现对胎面的精确位置控制。1.3裁刀装置裁刀装置包括两部分，一部分又上下运动的气缸带动裁刀刀架实现起落、下降。裁刀电机采用2极电机，电机带动刀片旋转。另一部分由位置型交流伺服控制器控制的伺服电机拖动高精度的直线运动模块，将电机的旋转运动变换为直线运动推动裁刀在滑道上来回移动以切割胎面。1.4辅助装置辅助装置主要包括上下运动的气缸带动的能够提升和下落的压刷。蒸汽阀控制蒸汽的通断来润滑刀片。直线运动模块两侧装有限位开关作为刀架控制器的定位原点和限位保护开关。2控制部分开发该控制系统采用Profibus-DP现场总线传输效率最高的单主站线型网络拓朴结构，网络拓扑结构如图2所示。根据整条生产线的要求，选用了西门子S7-315-2PN/DP为主控PLC，其中PLC作为DP主站。2台驱动电机的伺服控制器和2个绝对位移编码器接入位置控制器，位置控制器本身带有DP接口，可以直接连接在PROFIBUS总线上，作为现场总线控制系统的从站，并且可通过主站完成远程参数配置。控制台上各种操作和显示要求较多，裁断长度的设定与实际值，刀架左右移动的行程及速度，手动控制信号，以及某些系统参数的修改通过操作终端来完成，操作终端TP270是西门子公司的基于Windows平台的功能强大的操作终端。上位机用于监测和显示各个控制器的工作状态和报警信息等[4-5]。裁断系统控制原理图如图1所示。图1裁断系统控制原理图裁断系统的检测装置包括各类非接触式行程开关、超声波传感器和绝对位移编码器等，用于测量机械位移、运行速度，保证了裁度伺服控制系统有序、安全、可靠的运行。状态检测信号接入力士乐位置控制器CLM开关量输入口(端子X3中的E1－E16),包括切刀、压刷的抬起与落下到位信号，刀架左右限位信号，刀架定位原点等。切刀、压刷、喷蒸汽阀的动作由开关量输出口(端子X4中的A1－A16)输出控制。超声波传感器安装于定长传送带前端与前级胎面运输带后端的贮存槽内，其检测到的胎面在贮存槽位置高低信号(0－10V)通过模拟量输入口输入到PLC。分别检测传送皮带和刀架位置的两个位移编码器接入位置控制器CLM端子[6]。3软件设计本控制系统以西门子S7-315-2PN/DP作为Profibus现场总线主站提供与位置控制器直接的高速循环通信服务，通讯速率高、控制适时性好、抗干扰能力强且易编程。在PLC编程软件STEP7中导入位置控制器CLM设备GSD文件，完成硬件网络组态，为位置控制器分配网络地址，该地址必须与控制器参数中设置的相同，在组织块OB35中选用SFC14和SFC15“DPWR_DAT”系统功能块向位置控制器接收/发送过程数据[7]。设置位置控制器与主站的总线通讯率，在参数中设置从站网络地址，并选择参数过程数据对象(PPO)类型，这样系统的现场设备与PLC之间通过Profibus-DP总线可以完成数据的读写和控制数据的传输。除过程数据外，Profibus-DP也传输传动系统的参数设置和诊断信号[8]。PLC根据联动线的运行速度、操作指令及裁断装置的状态对皮带、刀架进行协调控制。胎面在两条运输带之间的贮存量使传感器产生相应模拟量输出信号，并与前段运输带的速度综合起来按照一定的算法决定裁断皮带的运行速度，从而通过PLC相应地改变速度使运输带协调平稳运行。控制程序框图如图2所示。图2控制程序框图裁断控制人机界面采用西门子TP270触摸屏，通过Profibus-DP总线与PLC主机连接。通过对于触摸屏的编程，采用西门子公司提供的Winccflexible组态软件进行编程组态。Winccflexible完整的图形用户界面加上软件本身自带的项目组态向导允许用户方便地创建面向对象、基于符号的各种项目。在Winccflexible中界面上的操作单元与执行器之间通过PLC利用变量进行通讯，即在HMI可以直接读或写的PLC上的存储地址。在完成基本人机交互功能的基础上，设计了一套让操作者能够自学习操作规程的软件系统。通过人机界面操作者可设定某些基本的参数，如定长值、误差调整、裁断次数等，可监测系统的报警状态，学习系统的操作规范以及密码设置等。自动运行按照设备设计的动作流程进行自动运行控制时，一些需要调整的参数，如速度、位置等可以方便的在触摸屏上进行调整、修定。异常停止当定位模块、伺服驱动器、行程开关以及机器异常时伺服马达都应该立即停止运转，并产生异常码显示在触摸屏上，以便维修人员及时了解发生的问题。系统以PLC为第一主站和以工业PC为第二主站，其中工业PC作为上位机，提供良好的人机交互环境，实现对整条生产线的生产管理和监控，并实现连接到车间级以太网络。主控PLC是整个胎面生产线控制系统的核心，实现生产过程数据的采集和处理，以及控制信号的发送与工业PC的通讯，以便于操作人员监控现场的设备。整个系统的操作、工作状态及测量分析结果在工业PC上进行图形显示监控，通过现场总线由PLC上传相关数据信息，处理系统报警，存储历史数据，生成各类报表，并进行图形显示及人机对话，向PLC下传相关控制命令，从而实现监控计算机与现场设备之间的信息管理。4定位精度控制仿真在设计中，采用交流位置型伺服控制器，其内置位置控制器精度可达到万分之一，配合伺服电机的控制性能，在零速度下也能输出额度转矩可允许控制器过载，因此电气控制的固有误差基本可以忽略。对于环境、人为、制品的因素影响，可采用特适的参数因子和裁断定长的标称长度附加收缩增量的控制策略来克服。控制器采用增量运行方式，为有效去除裁断周期中皮带启动停止造成的机械误差，采用位置控制器的S型曲线功能对速度的加减速轮廓环节进行平滑处理。如下图3。VTVEL为定位运行速度，VTACC为加速度，tr为加速度过度时间。图3位置控制器加减速S型轮廓曲线5结论本控制系统充分利用了PLC、Profibus—DP现场总线技术、Winccflexible和伺服控制等先进技术，系统采用分布式开放结构，响应速度快，组态灵活，控制功能完善，操作简单规范。定长裁断系统设计在子午轮胎生产线中投入使用，控制精度达到±1.3mm，实践证明该基于现场总线的控制系统安全可靠，故障率低，产品完全满足下道工序的高标准要求，具有较高的生产和管理自动化水平，提高了生产效率，创造了较好的经济效益，除此之外还有硬件结构紧凑，简单，运行平稳可靠，便于维修的特点。6参考文献[1]王英德等胎面定长裁断检测控制系统优化策略的实现橡胶技术与装备2009,25.3；27-30[2]李浩;兰新亮;李刚;赖建敏.新型高精度胎面定长裁断控制系统的开发.橡塑技术与装备.2004.42-45[3]邓燕妮等.基于Profibus现场总线的胎面定长裁断伺服控制系统设计[J].自动化技术与应用，2005,24,9:58～60[4]郭南著.智能型轮胎动态监测系统的应用研究[D].汕头：汕头大学，2002[5]孙鹤旭，梁涛，云利军.