PLC編程實例：輪胎生產線膠料定長裁斷系統

子午線輪胎生產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。
　　本文主要闡述一種應用現場總線和伺服控制技術來實現較高定長裁斷精度的控制系統。系統的運行指標如下：
　　l 高運行速度不低于30m/ min；
　　l 設定長度大于lm時，定長剪切誤差小于2 ‰；
　　l 切割端面傾斜度和光潔度以滿足下段工序的要求為標準。
　　裁斷系統的設備組成及功能簡介

圖1 裁斷系統機械部分示意圖

　　機械部分組成
　　裁斷系統由如圖1所示幾部分組成，下面分別介紹它們的組成和功能。
　　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
　　裁斷裝置由定長輸送裝置、裁刀裝置、壓膠裝置、刀架轉動裝置等組成。定長輸送裝置的結構為低臺式，傳送帶由交流伺服電動機驅動，可滿足裁斷定長精度高的要求，速度在一定的范圍內可進行高精度無級調速。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，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動，從而調整裁斷角度。
　冷卻后的胎面經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編碼器開始脈沖計數，電機拖動輸送皮帶向前行進，當胎面長度達到預設值時，運輸帶經減速后停止運行；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，一切恢復到初始狀態，以便再次啟動。
　　電氣控制部分組成
　　該控制系統采用Profibus現場總線傳輸效率最高的單主站線型網絡拓樸結構，網絡拓撲結構如圖2所示。根據整條生產線的要求，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，作為現場總線控制系統的從站，并且可通過主站完成遠程參數配置。控制臺上各種操作和顯示要求較多，裁斷長度的設定與實際值，刀架左右移動的行程及速度，手動控制信號，以及某些系統參數的修改通過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。

　　裁斷系統的檢測裝置包括各類非接觸式行程開關、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有序、安全、可靠的運行。狀態檢測信號接入力士樂位置控制器clm開關量輸入口（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，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）。
　　軟件設計及分析
　　本系統軟件設計主要包括三大部分：
　　l plc 控制程序和plc 和位置控制器clm的通信程序的設計，其中包括系統 profibus-dp網絡組態、系統硬件組態、控制程序設計等；
　　l 力士樂位置控制器裁斷伺服控制程序；
　　l 監控程序的設計，主要包括系統運行需要的監控主界面、裁斷控制界面、報表生成和數據查詢界面等人機界面的設計。
　 plc控制程序設計
　　系統中以西門子s7-315-2dp作為profibus現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通信服務，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中導入位置控制器clm設備數據庫文件（in2_04eb.gsd），完成硬件網絡組態，為位置控制器分配網絡地址，該地址必須與控制器參數中設置的相同，在組織塊ob中選用sfc14“dprd_dat”，sfc15“dpwr_ dat”系統功能塊向位置控制器接收/發送過程數據。
　　在位置控制器參數b007中設置與主站的總線通訊率，參數b008中設置從站網絡地址，并選擇參數過程數據對象（ppo）類型，這樣系統的現場設備與plc之間通過profibus-dp總線可以完成數據的讀寫和控制數據的傳輸，如控制字、狀態字、給定值和實際值等。除過程數據外，profibus-dp也傳輸傳動系統的參數設置和診斷信號。
　　plc根據聯動線的運行速度、操作指令及裁斷裝置的狀態對皮帶、刀架進行協調控制。胎面在兩條運輸帶之間的貯存量使傳感器產生相應模擬量輸出信號，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相應地改變速度使運輸帶協調平穩運行。用戶根據產品生產需要相應設置胎面裁斷長度等參數，通過總線完成plc與位置控制器之間的數據傳輸。
　　位置控制器clm的伺服程序設計
　　力士樂位置控制器clm是一種緊湊型、模塊化二/四軸數控系統，直接驅動力士樂dkc伺服驅動器完成交流伺服電機的精確定位運行，本系統中二套力士樂dkc伺服驅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。控制器與plc之間控制和狀態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行，得到較好的切割端面。

　　圖3 伺服控制程序框圖

監控系統設計
　　系統以plc為第一主站和以工業pc為第二主站，其中工業pc作為上位機，提供良好的人機交互環境，實現對整條生產線的生產管理和監控，并實現連接到車間級intranet網絡。第一主站（主控plc）是整個胎面生產線控制系統的核心，實現生產過程數據的采集和處理，以及控制信號的發送與工業pc的通訊，以便于操作人員監控現場的設備。整個系統的操作、工作狀態及測量分析結果在工業pc上進行圖形顯示監控，通過現場總線由plc上傳相關數據信息，處理系統報警，存儲歷史數據，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，從而實現監控計算機與現場設備之間的信息管理。
　　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組態軟件進行編程組態。protool/procs完整的圖形用戶界面加上軟件本身自帶的項目組態向導允許用戶方便地創建面向對象、基于符號的各種項目。在protool/procs中界面上的操作單元與執行器之間通過plc利用變量進行通訊，即在hmi可以直接讀或寫的plc上的存儲地址。軟件設計思想是在完成基本人機交互功能的基礎上，設計了一套讓操作者能夠自學習操作規程的軟件系統。通過人機界面，操作者即能設置一些基本的參數，如定長值、誤差調整、裁斷次數等，也可以監測系統的報警狀態，學習系統的操作規范以及密碼設置等。自動運行按照設備設計的動作流程進行自動運行控制時，一些需要調整的參數，如速度、位置等可以方便的在觸摸屏上進行調整、修定。異常停止當定位模塊、伺服驅動器、行程開關以及機器異常時伺服馬達都應該立即停止運轉，并產生異常碼顯示在觸摸屏上，以便維修人員及時了解發生的問題。
　　結語
　　本控制系統充分利用了plc、profibus現場總線技術和伺服控制等先進技術，系統采用分布式開放結構，響應速度快，組態?活，控制功能完善，操作簡單規范。定長裁斷系統設計完成后已在多家全鋼子午輪胎生產線中投入使用，控制精度達到±1mm，實踐證明該套基于profibus-dp現場總線的控制系統安全可靠，故障率低，產品完全滿足下道工序的高標準要求，具有較高的生產和管理自動化水平，提高了生產效率，創造了較好的經濟效益。