（机械制造及其自动化专业论文）轮胎胎面裁断生产线控制系统的研制.pdf

摘要 轮胎是我国化学工业的重点产品之一，轮胎裁断是轮胎厂半成品生 产中的关键环节，其裁断精度如何，将直接影响到轮胎成型半成品的 质量，进而影响轮胎成品的内在质量。本课题就是开发一套轮胎胎面裁 断生产线的控制系统。 本文对轮胎胎面裁断的机械结构原理，控制原理进行了分析，选择 了可编程控制器( p l c ) 西门子s 7 - 3 0 0 为控制核心，工业p c 显示屏，旋 转编码器定长，三种控制方式：手动、自动、胎侧，该系统实现了自动 化和精确定长切割，显示直观，便于操作，可靠性高。 本控制系统对编码器定长控制、胎面张力恒定控制、裁刀定长切割 控制、p i d 控制算法进行了研究，分析了各个控制部分的控制原理、系 统组成和实现方法。重点是定长切割控制和变速p i d 算法的设计与实现。 本课题的研究有利于轮胎生产质量水平的提高，对于促进轮胎生产 设备自动化水平的发展都具有实际意义。实际运行结果表明：系统综合 性能指标符合工艺要求，定长裁断误差小于2 m m ，得到了厂家的好评。 关键词：p l c 编码器p i d 算法s t e p 7 软件工业p c a b s t r a c t m t y r ei so n eo f o u rc o u n t r yc h e m i c a li n d u s t r ym a j o rp r o d u c t s ，t h e t y r e sc u r i n gi sk e yl i n ki nh a l f - f i n i s h e dp r o d u c t i o n , h o w i t sp r e c i s i o n , w i l l a f f e c tt h et y r es h a p i n gh a l f - f i n i s h e dp r o d u c tq u a l i t yd i r e c t l y t h e ni n f l u e n c e t y r ee n dp r o d u c ti n t r i n s i cq u a l i t y t l l i st o p i ci st od e v e l o pt h ec o n t r o ls y s t e m w h i c hs e to f t y r ec u t t e d t 1 l i sa r t i c l ea n a l y s i st h em e c h a n i c a la n dc o n t r o l e dp r i n c i p l ew h i c hc u t t h et i r e ss u r f a c e ，h a sc h o s e np r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rf p l c ) s i e m e n s s 7 3 0 0i st h ec o n t r o lh e a r t , t h ei n d u s t r yp cd i s p l a y t h ee n c o d e rl i m i t s l e n g t h t h r e ec o n t r o lm o d e s ：m a n u a l ，a u t o m a t i c ，t h et i r es i d e ，t h i ss y s t e m h a sr e a l i z e dt h ea u t o m a t i o na n dp r e c i s el e n g t hc u t t i n g , d i s p l a yd i r e c t l y ， e a s yt oo p e r a t i o n , h i g h l yr e l i a b i l i t y t l l i sc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c ht h ee n c o d e rl e n g t hc o n t r 0 1 t h et i r e s s u r f a c ei n v a r i a b l et e n s i o nc o n t r o l ，t h ec u t t i n gt o o ll e n g t hc u t t i n gc o n t r o l ，t h e p i dc o n t r o la l g o r i t h m s ，h a sa n a l y z e de a c hc o n t r o ls e c t i o n sc o n t r o l p r i n c i p l e ，t h es y s t e mc o n s i t i t u t i o na n dt h ea c h i e v e dm e t h o d t h ek e yp o i n ti s l e n g t hd i c i s i o nc u t t i n gc o n t r o l sa n dc h a n g e ds p e e dt h ep i da l g o r i t h md e s i g n a n dr e a l i z a t i o n t i i i st o p i cr e s e a r c hi s a d v a n t a g e o u s t oe n h a n c e m e n to ft h et i r e p r o d u c t i o nq u a l i t yl e v e l ，h a s t h e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c er e g a r d i n gt h e p r o m o t i o nt i r ep r o d u c t i o ne q u i p m e n ta u t o m a t i o nl e v e l 啊1 ea c t u a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ep v r f o r m a n c ct a r g e t sc a l lm e e tt h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s ， t h ep o s i t i o ne r r o ri sl e s st h a n * 2 m m ，h a da h i g ha p p r a i s e do f m a n u f a c t u r e r k e y w o r d s ：p l c e n e o r d e rp i da l g o r i t h ms t e p 7 s o f t w a r e i n d u s t r yp c 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文轮胎胎面裁断生产线控制 系统的研制是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 作者签名：童塞均翌么生f 至目幺卫作者签名：巫塞到翌么生f 至目幺卫 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 量垒幽旦笸生 三日笪旦 指导导师签名：翻霭孥垂2 鱼至丘蚴 第一章绪论 1 1 子午胎的简介 1 1 1 结构和特点 子午线轮胎是胎体帘线按予午线方向排列，有帘线周向排列或接近 周向排列的缓冲层紧紧箍在胎体上的一种新型轮胎。它由胎面、胎体、 胎侧，缓冲层( 或带束层) ，胎圈、内衬层( 或气密层) 六个主要部分 组成。 子午胎的生产工序包括炼焦工序、压延工序、挤出工序、裁断工序、 成型工序、硫化工序等，该题目研制的是裁断工序中胎面和胎侧的裁断， 如图l - l 所示，胎面和胎测是分别成条加工后再经后道工序形成轮胎初 形。 幽1 1 轮胎绪 句示意图 ( 1 ) 胎体帘布层的帘线与胎面中心线成9 0 角，各层帘线彼此不 交叉。由于胎体帘线按地球子午线方向排列，使帘线的强度能得到充分 利用，故这种轮胎的帘布层数比普通斜线轮胎减少4 0 5 0 ( 如胎体 采用钢线帘线，只需一层) ，胎体比较柔软，弹性好。 ( 2 ) 帘线在圆周方向上靠橡胶来联结。为承担车辆行驶时产生的 较大切向力，子午线轮胎带束层采用与胎面中心线夹角较小( 1 0 。2 0 。) 交叉排列的多层帘线带束层，并用剐性大、强度高、变形小的钢丝 或织物( 人造丝、尼龙等纤维材料) 帘线制成，目前主要采用全钢丝帘 线带束层。这使带束层像钢腰带一样，紧紧箍在胎体上，以承受轮胎的 内压和外力，大大提高了胎面的刚性和强度。 1 1 2 性能 子午线轮胎因结构科学合理，使受力改善，比斜线轮胎具有许多优 良的性能。 ( 1 ) 使用寿命长。由于子午线轮胎胎面与胎体帘布层之间具有刚 性较大的带束层，因此轮胎在路面上滚动时，周向变形小，相对滑移小。 又因轮胎体的径向弹性大，使轮胎接地面积增大，压强减小，故胎面耐 磨性强，且耐刺扎，不易爆胎，行驶里程可比普通斜线轮胎多3 0 。 ( 2 ) 滚动阻力小，耗油低。由于子午线轮胎帘布层数少，行驶温 度低，散热快，又因周向变形小，故滚动阻力比普通斜线胎小1 5 2 0 ， 滑行距离多2 5 左右，因此，使用子午线轮胎不但可提高汽车的行驶速 度，还可提高汽车燃油经济性( 一般可降低油耗5 1 2 ) 。 ( 3 ) 承载能力大。由于子午线轮胎帘线排列与轮胎主要的变形方 向一致，因而使帘线强度得到充分有效的利用，故比普通斜线轮胎承载 能力高10 9 6 以上。如仅具有一层钢线帘线的国产9 0 0 2 0 型子午线轮胎 的承载能力为1 8 0 0 k g ，而具有1 0 层棉线帘布的同类型斜线轮胎的承装 能力仅为1 5 0 0 k g 。 ( 4 ) 减震性能好。因子午线胎体的径向弹性大，径向( 垂直于地 面方向) 变形大，可以缓和不平路面的冲击，使汽车挟顺性得到改善， 乘坐舒适，同时也降低了车辆受冲击损坏的可能性，有助于延长车辆的 使用寿命。 1 2 子午胎的发展 轮胎是我国化学工业的重点产品之一，是国民经济中具有战略意义 的重要产品，其技术水平也是现代高科技发展程度的综合体现。我国轮 胎行业现已形成比较完整的工业体系。是橡胶工业的支柱行业，其产量 仅次于美、日，居世界第3 位。 子午线轮胎作为轮胎行业中的佼佼者，以其耐磨、高速、舒适、节 油的特点受到人们的广泛重视。子午胎是目前轿车所普遍使用的轮胎。 子午线轮胎是衡量一个国家汽车轮胎工业技术现代化水平的标准，在当 今世界已成为汽车轮胎工业发展的方向。 1 9 4 7 年法国米其林创造了子午线轮胎，使轮胎的生产技术水平有了 新的突破。5 0 年代后期子午线轮胎流入西欧，6 0 年代日本和苏联开始制 造，7 0 年代初美国投入批量生产，7 0 年代中期世界上许多发展中国家都 纷纷着手研究子午线轮胎，到了1 9 8 3 年世界上子午线轮胎已占汽车轮胎 产量的6 3 。 世晃上子午线轮胎发展最快的公司是法国米其林公司，早在1 9 6 0 年就使汽车轮胎全部实现了子午化。现在，西欧已基本上实现了轮胎子 2 午化，东欧子午化水平则达到了8 0 ，韩国子午胎所占比例已超过5 0 ， 苏联也在3 5 左右，但大多数发展中国家子午胎占的比例一般不超过 1 0 。 我国子午线轮胎起步于6 0 年代，发展缓慢。1 9 6 4 年至1 9 8 6 年共 生产子午线轮胎1 7 4 3 万套。1 9 7 9 年月，上海正泰橡胶厂率先引进西 德密马勒轮胎厂子午线轮胎生产技术，1 9 8 2 年6 月建成投产，成为我 国第一家正式生产轿车子午线轮胎的专业工厂。1 9 9 0 年一年间，我国 在子午胎的建设规模约有2 8 5 万套。“八五”期间，我国子午胎的产 量己达到7 5 0 万套，占年轮胎总产量的2 5 ，这标志着我国轮胎生产水 平进入了一个新的阶段。 但我国轮胎的子午化率仍然远低于世界平均水平。目前欧洲轮胎子 午化率已达t o o ，美国为9 5 ，而我国仅为5 0 ，因此从长远看，我国子 午胎工业及其配套产业子午胎装备业的发展空间巨大。 i 3 国内外轮胎胎面裁断技术的现状 子午线轮胎生产的快速发展，需要高精度、高水平设备的支持。近 年来，国外对轮胎裁断设备的改进十分重视，并且有不少专利，改进 的重点是提高裁断精度和加快裁断速度以及延长刀具的使用寿命。国外 轮胎企业大都采用德国f i s c h e r 公司和荷兰v m i 公司的胎体帘布裁断 机，德国f i s c h e r 公司的钢丝帘布裁断机具有裁断效率和裁断精度高、 控制安全可靠等特点，采用的是西门子公司开发的s 7 4 0 0 系列产品作为 中央处理单元，精度很高，达到0 5 舢以内。国外币在研究激光裁断 机，并有专利。激光技术的应用，可以省掉复杂的裁断机构，提高裁断 精度，且可解决刀具使用寿命问题。掘说，还能使裁断的钢丝帘布的端 面不起毛刺，不松散并保持帘线排列整齐。总之，钢丝帘布裁断设备的 发展趋向是，进一步提高裁断精度和加快裁断频率及延长裁刀使用寿命 等。 我国子午线轮胎生产设备从2 0 世纪八九十年代以引进为主发展到 目前以自给为主。帘布裁断机组的国产化工作始于二十世纪8 0 年代中 后期，北京市锦程经济技术开发公司1 9 9 7 年成功丌发国内第一台子午胎 半自动纤维帘布裁断机，但是目前为止与国外同类产品相比，无论在生 产效率、产品质量方面还是在使用可靠性方面，均存在一定差距，致使 国产设备占领不了国内市场。因此。每年都需要进口很多设备，使用的 大都是从德国f i s h e r 、英国s h a w 2 s p a d o m e 、日本m i t s u b i s h ih e a v y i n d u s t r i e s 、意大利p i r e l l i 和荷兰v h i 等公司引进的胎体帘稚裁断机 鲴。 多年来，我国各轮胎厂家所使用的裁断机五花八门，制造该设备的 各生产厂家也没有统一的标准，有实力的厂家都是自己设计，也有多家 高校及研究单位开发研制新型的子午胎裁断机组，例如：桂林力创橡胶 机械技术有限公司研制的自动裁断接头机，辽宁轮胎集团有限责任公司 自己研制的裁断系统等，虽然也能大大提高定长精度，但是精度和国外 的相比还是有一定的差距，要完全取代进口设备尚需一个不断完善和提 高的过程。 1 4 本课题研究的意义 胎面定长裁断是轮胎生产的关键工序之一，胶料投入挤出机后压出 并经牵引拉伸、冷却及定长裁断后得到胎面。胎面定长裁断检测的控制 过程是一个先定长裁断、后单条称重的控制过程。重量指标是轮胎设计 中最终检验标准之，而定长指标是作为下道工序的实际操作工艺指 标，对其控制的自动化水平的要求越来越高，其裁断精度如何，将直接 影响到轮胎成型半成品的质量，进而影响硫化后轮胎成品的内在质量。 因此定长裁断的精度至关重要。 本课题的意义就在于研究出一套比较先进、裁断精度比较高的生产 线，从而完善国内予午胎生产线的完整性，满足子午胎生产线国产化的 需要，大幅度提高产品质量，缩短与先进国家的差距，增加国际竞争力。 1 5 课题来源和研究任务 根据长春市轮胎厂的要求，开发一套轮胎胎面截断生产线控制系统 以改进现有的生产线，新的控制系统应满足以下要求： ( 1 ) 传送带在输送过程中张力恒定 ( 2 ) 具有自动报警装置，能紧急停止功能： ( 3 ) 切割端面倾斜度和租糙度以满足下段工序的要求为标准； ( 4 ) 定长切割，切割精度为2 m m 。 4 第二章控制系统的总体设计 2 1 系统概况 轮胎胎面定长设定在裁断中对裁断精度起着举足轻重的作用。它的 裁断精度如何将直接影响到轮胎成型半成品的质量，进而影响硫化后轮 胎成品的内在质量。若太长，则会造成成品胎面周长偏大，当轮胎装于 轮箍后，易造成滑胎和变形；若太短，则成品胎周长偏小，轮胎在轮箍 上处于强拉伸状态，会造成磨胎和裂胎。 裁断装置主要是由导开装置、储布装置、胎面输送装置、定长装置 及切刀组成，包括图2 1 所示的各主要部件： 一生产线前进方向一 1 胎面2 浮动辊3 传送辊道4 切刀旋转电机5 传送辊道电机 6 切刀行走电机7 编码器定长滚筒8 压扳9 加速传送辊道 图2 1生产线结构示意图 轮胎胎面经上一道工序装置输送到裁断工序的传送辊道，辊道电机 采用伺服电机驱动，与主机传送带配合，将胎面向前定长输送，由伺服 电机驱动的裁刀进行自动裁断，裁断后的胎面由加速传送辊道分离开。 整个轮胎裁断流程如图2 2 所示，按照以下过程循环进行： 胎面 前进 生产 线停 切刀下，喷水冷 却，压板压下 切刀切胎面，切 固定长度后停 幽2 2 裁断流程i 玺i 2 2 机械系统设计方案 机械结构及传动是本系统的基础部分，它不仅要完成系统指定的功 能，还要达到一定的传递精度，在很大程度上是取决于机械结构设计的 合理性和先进性。 2 2 1 切刀装置 有许多厂家以前使用的是双向切割，或者是铡刀切割。本系统使用 的是单向切割，圆盘切刀，这样可使胎面切口方向一致。切口形状稳定， 利于成型工序的接头，提高产品质量。切刀装置有一提刀机构，切割完 毕，返回时将切刀抬起。 切刀直径为4 5 0 r a m ，切刀的角度可以调节。因为切刀是高速运转， 所以整个装置在安全屋内，可保证操作安全，而且避免噪声污染。 切刀的进返由行走电机通过丝杠来控制，这样比气缸驱动运行方式 定位准确，运行时间短，后期维护方便；切刀的转动出切刀电机同轴带 动，行走电机和旋转电机都采用的是直流伺服电机。切刀的起始、停止、 抬起和落下都是由限位开关限制。 2 2 2 胎面传送及定长装置 用于传送胎面，并通过定长编码器对胎面进行定长，编码器与滚筒 相连，滚筒压在胎面上，传送带运转时滚筒也跟着转动。定长裁断胎面 的长度l 是通过编码器连接的滚筒旋转圈数n 及其半径r 确定的( l = 2 n r ) ，其中的n 是由编码器测得的，因此，编码器的精度( 即电机转动l 圈的时间内编码器输出的脉冲数) 直接影响着定长的精度。光电编码器 的脉冲总个数与胎面长度成正比关系，即脉冲总个数只随胎面长度变化 而变化，而与运输带的速度无关。因此就可以通过光电编码器的脉冲个 数来实现胎面的长度控制。滚筒半径为7 5 m ，编码器的位数为1 0 2 4 ，减 速机速比为5 ：l ，得控制精度为0 0 9 2 m 符合系统要求的精度。 6 本控制系统中，要求胎面传送带电机启动时，由低速迅速上升到高 速，当定长记数到第一记数段时，传送带减速，直至第二记数段到位时， 可靠停止。采取这种方式，能够降低传动系统的惯性，保证定长精度。 2 2 3 辅助装置 胎面储存装置：用于储存上一道工序胎面挤出联动线传递过来的胎 面，保证有足够的长度提供给裁断装置，由于在裁断胎面的时候，定长 输送带停止而上一生产线仍正常按给定速度运行，因此，系统第一刀裁 断后，在上位光电开关处有胎带堆积，形成垂落，要保证定长系统正常 运行，就必须在胎面到达下限位光电开关之前，使定长输送带加速运行， 减小垂落长度，并在胎带高于上位光电丌关前再减速，并保持与上一生 产线同步而不致使胎面拉伸变形，起到缓冲的作用。 压板装置：作用是保证切口整齐，避免切割时胎面打滑，由电磁铁 控制的，当传送带停止的时候压板放下压住胎面，切刀进行裁断。裁断 完成后，压板抬起，传送带继续前进。 快速传送带：用于将裁断好的胎面迅速传送到下一个工序。 储布架的浮动辊装置：可以上下调节，通过它的上下浮动可以调节 胎带的剩余料，使胎面稳定的传送。如果胎面传送稳定，浮动辊也平稳； 如果传送张力不恒定，浮动辊上下颤动。 限位开关：本系统共使用8 个限位开关，切害8 起始位、切割停止位、 切割起始极限位、切割停止极限位、切刀抬起位置、切刀落下位置、底 板抬起、底钩上位。 冷却装置：切刀切割时，开始喷冷却液以冷却切刀，避免了断面烧 焦和烟尘污染。 2 3 系统控制要求 该生产线的主要控制要求是：各段辊道间具有很好的速度匹配，使 胎面在运行过程中保持张力恒定，既不能拉伸又不能堆积；要求系统有 较高的速度调整能力以保证胎面的产品质量；通过伺服控制器实现自动 连续定长裁断；切口质量要符合下道工序的工艺要求，裁断精度为 2 舢。 2 4 控制方案比较 控制系统可以有不同的设计原则及不同的控制实现方式，该控制方 案的选择是一个重要环节，将直接影, l a j n 生产线控制系统的性能。满足 系统的功能要求的控制方案的选择有单片机、工控机、p l c 等。下面做 一下比较： 7 2 4 1 单片机控制方案 在有些轮胎生产厂使用的是单片机控制系统：胎面的前行量经与胎 面联动的光栅编码器检测后，送至定时器，然后经a d 转换后送至单片 机，通过应用程序将反映胎面长度的光栅编码器输出的脉冲换算成胎面 长度值，经换算后的胎长与用户设定值进行比较，与电机调速单元、电 气控制回路共同作用实现提降速、停车、裁断等控制。单片机成本低， 易开发，对于一些比较复杂的控制，其计算量往往很大，这样计算速度 直接影响控制精度，般用于小型控制，而且单片机易受外界干扰，如 果采用单片机控制，还需专门设计抗干扰措施，比较麻烦。 2 4 2 工控机控制方案 因为这个系统的配置决定了工控机在实现要完成的所有功能时，必 须是一种多任务的实时工作方式。需要一套功能齐全、复杂的操作系统 来分配和协调各种任务。不仅要监控、处理定长数据，还要负责人机界 面、存储数据等管理工作。这样做有优点，但同时也带来了如下问题： ( 1 ) 由于主板上的c p u 要同时完成多项工作，影响了其处理定长 数据的速度。 ( 2 ) 降低了系统的可靠性，一旦操作系统或硬件发生故障，整个 系统即瘫痪，不能继续工作。 而且工控机的成本高，系统结构复杂。 2 4 3p l c 控制方案 p l c 是专门由于工业现场环境，也是专门为顺序生产过程而设计的 控制器，他替代传统的继电器，具有很强的时序性，抗干扰能力强。p l c 实现过程控制，可以大量简化外部线路。利用编程器，根据控制要求， 可以随意更改设计方案，无需增加各种硬件及外部连线，同时大大降低 了故障率，p l c 模块运行的可靠性、稳定性、安全性。 基于p l c 控制的诸多优点，因此选择p l c 控制。 2 5 电机及控制方案的选择 在本系统中电机方案的选择也是很重要的，对变频器控制、伺服电 机控制和步进电机控制三个方案进行比较： 变频器控制时需要对整个系统的变频器调速进行统调，若想提高精 度就比较麻烦，而且变频器是由大规模集成电路模块组成的，工作时内 部期间会产生一定热量，环境温度、湿度、污染对其工作都有一定的影 响。 伺服电机和步进电机相比，有以下优势： ( 1 ) 实现了位置、速度、和力矩的闭坏控制；克服了步进电机失 8 步的问题； ( 2 ) 高速性能好，一般额定转速能达到2 0 0 0 3 0 0 0 转； ( 3 ) 过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载 波动和要求快速启动的场合特别适用； ( 4 ) 低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机运行现 象。适用于有高速响应要求的场合； ( 5 ) 电机加减速的动态响应时间短，一般在几十毫秒之内； ( 6 ) 发热和噪音明显降低。 选择直流伺服电机的理由：伺服电机在调速范围、机械特性和调节 特性的线速度、响应快速性等方面均占优，且当控制电压改变为零时能 立即停止转动；普通电机做不到。从结构上比较，伺服电机的电枢铁心 的长度与直径之比较大，而气隙较小。因此在精密定位和宽调速范围的 应用场合，一般都选用伺服电机。 因此该系统选用直流伺服电机。 2 6 控制总体方案 根据以上控制要求，该系统采用可编程控制器p l c 控制，工业p c 显 示屏，旋转编码器定长，该系统显示直观，便于操作，自动化程度高，线 路简单，维修量小，可靠性高。 该系统的控制方式分为三种：胎侧方式、自动方式、手动方式，用 手柄调节。每一种方式对应一种工作方式：胎侧方式是生产线连续前进， 传送胎侧，保持在运行时张力恒定，浮动辊稳定；t l 动方式是精确定长、 制动、裁断，严格满足工艺要求；手动状念作为自动状念的补充，修正 误差和处理紧急情况，或者当设备自动出现故障时，可用手动满足生产 需要。 如图2 2 所示，控制系统由工业p c 机、编码器、伺服电机和可编程 控制器p l c 构成。工业p c 机作为上位机，主要处理用户的输入指令，输 入生产线所需的各种数据并及时反馈加工信息。作为下位机的p l c 担负 了系统控制的绝大部分工作，传送带的速度由伺服电机控制，用p l c 直 接控制伺服电机，这样，牵引速度的信号传给p l c ，根据编制的控制算 法，经脉冲输出以控制伺服电机进行有序工作，读取编码器的读数表示 的是传送带的行走长度。 9 图2 2 控制系统框图 胎面经挤出冷却后进行贮布架缓冲，达到一定长度后，起动传送带 且高速运行，应用编码器定长，达到计数第一控制位时，进行减速且低 速运行：达到第二控制位时，制动停止；切刀下落并向静运行，对胎面 实施裁断；当到达停止限位后，切刀装置抬起并向后运行，到起始限位 时停止，完成一个裁断过程。同时己裁好的胎面通过快速传送带传送到 下一个工序，然后重复上述过程。胎面的定长出旋转编码器控制，在运 输带运行过程中，其将胎面运行长度转换成脉冲信号后送入p l c 的计数 模块，由p l c 将其转换成对应的长度值，输入计数器预先设定输送带快 速慢速及制动时的计数参数，通过与预设的长度值比较，控制裁刀旋转、 裁刀走刀，然后回到原位。 系统还编制了报警信号，当安全门开、急停、传送带过载、切刀行 走过载、切刀旋转过载时，蜂鸣器响。 i o 第三章控制系统的硬件设计 3 1p l c 硬件组成 可编程控制系统( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l e r ) 是一种专门 为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编 程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算 术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型 的机械设备或生产过程。p l c 以其r 趋成熟的技术和显著的特点，广泛 应用于工业改造和工业自动化控制中，已成当今自动化电气控制的主 流。其主要特点有： ( 1 ) 编程容易，操作简单 目i j p l c 使用的语言主要有： 1 ) 梯形图语言适用于原来从事继电器逻辑控制设计的人员。这种语 言简单、直观，很容易为现场操作、维修人员所掌握，且编程方法简单， 二次开发比一般计算机来得容易。 2 ) 行尔逻辑语言或功能图语言这种语言适用于熟悉布尔代数和硬 件逻辑设计的入员。 3 ) 汇编语言适用于熟悉并掌握计算机软件设计的人员。 4 ) 高级语占使p l c 程序设计更加灵活，控制功能更加完善。相对传 统的电气控制线路，p l c 为设计者和使用者提供了极其方面的手段，大 大提高了电气控制功能，缩短了控制设备的研制丌发周期。 ( 2 ) 体积小，功耗低，性价比高 由于p l c 内部继电器只是数字逻辑运算，并不是真正有触点的继电 器，其动作稳定可靠，不需要维护。用p l c 替代继电器，将大大减少继 电器接点，极大地提高电气设备运行的可靠性。对于一般控制系统来说， 采用一套中小容量的p l c 就能满足控制要求，其价格亦相当低廉。随着 p l c 技术的日益完善，使工业控制器小巧、低功耗、低成本完全成为可 能。 ( 3 ) 可靠性高，抗干扰能力强 p l c 是充分考虑实际生产条件丽设计出来的产品，它以微处理器为 核心，结构简单紧凑，输入和输出回路均采用光电隔离，输入输出独立 于控制单元，且主机的输入电源和输出执行回路电源相互独立，抗干扰 能力强，具有极高的可靠性和稳定性。实践表明，一般p l c 产品，可抗 i k v 、l u s 的窄脉的干扰。 ( 4 ) 结构模块化，易于扩展和拆装 由于采用插件式结构和标准单元结构进行设计，用户可以根据需要 灵活地进行系统扩展，缩小或更换硬件模块数量、规模及连接方式。根 据需要可在很短的时间内设计和实现一个工业控制系统，使设计调试周 期大大缩短。采用模块化组合式结构，使系统构成十分灵活，可根据需 要任意组合，易于维修，易于实现分散式控制。 ( 5 ) 故障率低，维护简单 p l c 内部一般不会出现故障，不需要维护。而其外围输入输出线路， 由于p l c 的参与，没有复杂的逻辑线路，只有简单的输入输出线路， 使控制系统变得非常简单明了，并且每条线路的当前工作状态在p l c 都 有相应的指示。只要观察这些状态指示，就可知道哪条线路出现故障。 在p e g 控制系统中，可安装微机监视器，操作维护人员可通过监视器观 测到p l c 每一条线路的工作状态，实现异地控制。p l c 平均故障运行时 间( m t b f ) 一般可达5 1 0 万小时。 ( 6 ) 通用性好，输出能力大 由于半导体在存储技术的引入，使得p l c 在不同控制程序下实现不 同的控制目的，具有较强的通用性。p l c 输出接点功率较大，可直接驱 动中小继电器和各种控制阀，使控制设备外围器件数量大大减少，同时 也降低了故障率。 ( 7 ) 具有多种控制功能 按照不同控制类型，p l c 具有如下控制功能： 1 ) 逻辑控制 这是p l c 最基本的控制功能，可用以取代继电器控制的电气线路和 二极管矩阵式控制，如：机床、皮带运输机等电器控制。 2 ) 模拟量控制 在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、 液位和速度等都是模拟量。而p l c 中所处理的是数字量，为了能接受模 拟量输入和输出模拟量信号，p l c 中配置有a d 和d a 转换模块，将现 场需控制的模拟量通过a d 转换为数字量，经微处理器进行运算处理， 再通过o a 转换后，变成模拟量去控制被控对象。这样就实现了p l c 对 模拟量的控制。 3 ) 闭环过程控制 运用p l c 不仅可以对模拟量进行开环控制，而且可以进行闭环控 制。现代大中型的p l c 一般都配备了专门的p i d 控制模块。当控制过程 中某一变量出现偏差时，p l c 就按照p i d 算法去调节控制过程，把变量 保持在某一整定值。p l c 的p i d 的控制已广泛应用于加热炉、锅炉、反 应堆、酿酒以及位置和速度等控制中。 4 ) 定时控制 1 2 p l c 具有定时控制的功能，它可以为用户提供几十甚至上百个定时 器，其计时的时间要以由用户在编写程序时设定，也可以由操作人员在 现场通过编程器进行设定，实现定时或延时的控制。 5 ) 计数控制 计数控制也是控制系统不可缺少的，p l c 同样为用户提供了几十甚 至上百个计数器，设定方式同定时器。用户也可通过选择高速计数器对 高频信号进行计数。 6 ) 数据处理 现代p l c 都具有数据处理功能。它不仅能进行算术运算，数据传送， 而且还能进行数据比较，数据转换，数据显示和打印以及数据通信等。 对于大、中型p l c 还可以进行浮点运算，函数运算等。 3 1 1p l c 的选择 基于以上原因，选择西门子s 7 3 0 0 系列可编程控制器( 如图3 1 所示) ，作为西门子公司的新一代产品，西门子全集成自动化系统中的 控制核心，是其集成与开放性的重要体现该系列p l c 继承了西门子上 一代p l cs i m a t i cs 5 系列稳定、可靠和故障率低的精髓，将先进控制思 想，现代通讯技术和i t 技术的最新的发展集于一身，在c p u 运算速度、 程序执行效率、故障自诊断、联网通讯、面向工艺和运动控制的功能集 成以及实现故障安全的容错与冗余技术等方面取得了世界公认的成就 具有以下特点： ( 1 ) 功能强：极强的计算性能，完善的指令集，m p i 接口和通过 s i m a t i cn e t 联网的网络能力，功能更强： ( 2 ) 快速：指令处理及其快速，这种p l c 采用3 2 位c p u ，具有非 常快的信号采集和信号处理能力，功能强大的c p u 只需0 3 毫秒就可以 处理1 0 2 4 个二进制语句，在面向字处理方面也同样表现出色； ( 3 ) 通用性：高性能模板和六种c p u 使用任一应用场所：模块可扩 至3 个扩展机架：集成洲i ( 人机界面) 接口电路：用户友好的w i n d o w s s t e p7 编程： ( 4 ) 全集成：全部模块化，运行可靠，性能价格比高。用户可以根 据被控制系统的复杂程度以及输入输出的开关量路数和模拟量路数任 意组合，无须改变系统设置和编程方法。 在本设计中，p l c 的控制是比较复杂的，每个辊道的速度控制，编 码器的控制，裁刀的控制等都需要p l c 的现场监控，正是基于s 7 3 0 0 p l c 的强大功能而选择了它，大大提高系统的可靠性，具有较高的性价比。 幽3 1 婀fj 子$ 7 - 3 0 0 系列可编程控制器 3 ，1 2c p u 3 1 3 0 的存储区 根据实际情况，在硬件选择中中央处理单元为c p u 3 1 3 c ，它的存储 区分为三个区域，存储功能可以帮助生成、编辑或删除用户程序或特定 的功能块。也可以使用归档项目数据的逸项，以便保证数据的完整性。 装载存储器 装载存储器位于s i m a t i c 微存储卡( 洲c ) 中。其容量与删c 的容量 相符合。用于保存代码块和数据块以及系统数据( 组态、连接和模板参 数等) 。标记有与运行时间无关的块，不能保存在装载存储器中。也可 以将项目的整个组念数掘保存在m m c 中。装载存储器( m m c ) 中的程序数 据必须为记忆性保存。当装入时即写入m 眦，并可防止电源故障和存储 器复位。 主存储器 集成的c p u t 作存储器不能扩展。它只能用于处理代码数据和用户 数据。只能在主存储器中和统存储器中处理程序。当插入m m c 时，可以 保存c p u 的主存储器内容。断电时，数据就保存在m m c 存储器中。因此， 数据块的内容基本上被永久保留。 系统存储区 集成的c p u 系统存储器不能扩展。s 7c p u 系统存储器被分为两个地 址区。在程序的相应操作中，可以在相应的地址区域内直接对数据进行 寻址。它包括： 存储位、计时器和计数器的地址区 i o 过程映象：当寻址输入( i ) 和输出( 0 ) 时，用户程序不查寻数 1 4 字信号模块的信号状态，而是访问c p u 系统存储器中的一个存储区。这 一存储区域就是过程映象。该过程映象被分为两部分：输入和输出。 过程映象的优点： 与直接i o 访问相比，过程映像访问可以提供一个始终一致的过程 信号映像，以用于循环程序处理过程中的c p u 。如果在程序执行过程中 输入模板上的信号状态变化，过程映象中的信号状态保持不变，直到下 一个循环过程映象再次刷新。另外，由于过程映像被保存在c p u 的系统 存储器中，访问速度比直接访问信号模块显著加快。 3 1 3 定位 c p u 可支持两种类型的可控定位：使用模拟输出的可控定位和使用 数字输出控制定位。 使用模拟输出的可控定位； 使用电压+ - l ov 或电流+ 一2 0m a ，通过一个固定赋值的模拟输出控 制驱动系统，使用一个固定赋值的2 4 一v 数字输出，控制制动和或启动 驱动系统。 可通过变换器连接伺服驱动系统电机。 使用一个2 4 伏的增量式编码器用于位置反馈。 借助于可组态的加速和减速斜坡电压执行运行程序。 首先，将轴速加速到一定速度。在距目标规定的距离内，再将轴速 减速为一个较低的速度( 爬行速度) 。当轴正好到达目标一定距离时， 停止驱动系统。c p u 可以监控目标路径。 在参数中，可以定义速度、减速和目标路径的区别。 使用模拟输出的定位功能 一个永久赋值的模拟输出可以控制一个电压为1 0v 或电流为 2 0m a 的驱动系统，系统对于位置反馈，将使用一个异步2 4 伏增量式编 码器，两个相位差为9 0 ii 的信号。数字输出c o n v _ e n 用于使能和关闭变 送器和或控制一个制动器。 本课题中采用的c p u 3 1 3 c 的接线图如图3 2 所示，1 0 o 1 1 0 是计数 模块，与系统中三个编码器连接；1 2 0 1 2 7 是数字量输入；a i o 和a i l 是a d 采集，输入上道工序给定的速度值和剩余料的值；a 0 0 是d a 输出， 连接切刀旋转电机驱动器；0 1 0 是数字量输出，如果切断电源，传送带 和切刀同时停止，可以起到保护的作用。 l + 报警， + 2 4 v 0 0 7 。”虱 h in 脉冲 i o 0 方向 i o 1 硬件门 i o 2 f 1 驯 j 石u v 电珏* 0 1 o 厂 脉冲 i o 3 k 2 0 方向 1 0 4 硬什门 i o 5 m 脉冲 1 0 6 a i ov 方向 1 0 7 + 硬件门 摄值。门o - 惭i o 疋v 们 1 1 一c p u 一3 1 3 ca i o c 急停 _ _ _ _ _ _ _ 。 _ 一1 2 o 急停复位 1 2 i a l lv ! +。q 。一 启动剩余科值育、 1 2 2 o - i o v 影 停止 1 2 3 a l lc _ _ _ 一。_ 切j j i 1 2 4 葫j 3 + f 切川左 1 2 5 a 0 0v 1 2 6 切刀旋转电 切歹j 右 1 2 7 蝴a 机驱动器 _ - _ 。一_ _ _ _ _ _ _ 一 m 2 4 v 3 1 4 计数功能 计数模式 一连续计数 一单个计数 幽3 2c p u 3 1 3 c 接线幽 6 一定期计数 门控功能 启动、停止和中断计数功能。 锁存功能 可以使用该功能，保存数字输入中脉冲正边沿时的当前内部时间值。 参考值 可以将一个参考值保存在c p u 中。根据计数和比较值，可以激活一个数 字输出或生成一个硬件中断。 滞后 可以为数字输出规定一个滞后动作。这可防止当计数值在比较值范围内 时，编码器信号的一个小小的变化，都会引起数字输出的高频振动。 硬件中断 为了在程序中控制计数器，应使用s f bc o u n t ( s f b4 7 ) 。 有以下几种功能可选： 通过软件门“s wg a t e ”，启动停止计数器 使能控制输出d o 读取状态位 读取实际计数数值和锁存数值 读写计数器寄存器请求 3 1 ，5i o 模块设计 i o 模块包括数字量模块和模拟量模块，数字量模块又分为数字量 输入模块和数字量输出模块；模拟量模块又分为模拟量输入模块和模拟 量输出模块。本设计中输入和输出模块的配置如图3 3 所示，c p u - 3 1 3 c 连接三个外部扩展模块，分别是一个数字量输入模块、数字量输出模块 和模拟量输入模块。 数字量输入模块s m 3 2 1 ：s m 3 2 1 有直流、交流输入方式。对现场输 入元件，仅要求提供开关触点即可。输入信号进入模块后，经过光隔离 和滤波，然后送入输入缓冲器等待c p u 采样。采样时，信号经背板总线 进入到输入映像区。 数字量输出模块s m 3 2 2 ：s m 3 2 2 直接用于驱动电磁阀接触器、小型 电动机、灯和电动机启动器等。按负载回路使用电源不同可分为直流、 交流输出方式。按输出开关器件的种类不同分为晶体管输出方式( 属于 直流输出模块) 、晶闸管输出方式( 属于交流输出方式) 、继电器触点输 出方式( 属于直交流两种输出模块) 。从相应速度上看，晶体管响应最快， 继电器最慢：从安全隔离效果和应用灵活性看，继电器触点输出最佳。 每个输出点都有一个绿色发光二极管显示输出状态，输出逻辑是1 时， 发光二极管亮。 7 模拟量输入模块s m 3 3 1 ：s m 3 3 1 有三种型号，8 h i 1 2 位模块、8 a i x1 6 位模块、2 h ix1 2 位模块。其转换原理采用积分方法，精度取决于 积分时间。可以接入热电偶、热电阻、4 2 0 m a 电流、一1 0 v + 1 0 v 等 1 8 种不同信号，输入量程范围宽。每两个输入通道构成一个输入通道 组，可以按通道组任意选择测量方法和测量范围。模块上需接d c 2 4 v 的 负载电源l + ，有反极性保护功能。对于变送器或热电偶的输入具有短 路保护功靛。 模拟量输出模块s m 3 3 2 ：s m 3 3 2 有三种型号，4 a o x1 2 位模块、2 a 0 1 2 位模块、4 a o x l 6 位模块。输出电压时，采用2 线回路，s + 和s 一 可以保持开路，但输出精度不如4 线回路高。采用4 线回路，负载一端 连接到o v 和s ，另一端接到m a n a 和s 。s m 3 3 2 能对电流输出作出断 线检测，对电压输出作短路检测。 陶3 3 模块配置幽 ( 1 ) 数字量输入模块3 2 1 ：d i1 6 2 4v d c ( 6 e s 7 3 2 1 一a b h 0 2 0 a a 0 ) 具有以下显著特性： 1 6 个输入点，带隔离，1 6 点为一组 额定输入电压2 4v d c 适用于开关和2 3 4 线b e r 0 ( 接近开关) 如图3 4 所示该模块连接切刀、压板，输入切刀的抬起和落下的数 值，切割的起始和停止的数值，以及行走的长度等。 1 8 l + + 2 4 v m 切割起始位