基于PROFIBUS總線的胎面聯(lián)動線控制系統(tǒng)設(shè)計

陳永健

(閩南理工學(xué)院實踐教學(xué)中心， 福建 石獅 362700 )

0 引 言

圖1 聯(lián)動線Ⅰ線

圖2 聯(lián)動線Ⅱ線

PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)是自動化發(fā)展的新技術(shù)，正向著開放的國際統(tǒng)一的方向發(fā)展，成為共同遵守的國際規(guī)范，它所涉及的技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛.傳統(tǒng)的胎面聯(lián)動線采用集中式控制，其控制功能由控制室設(shè)備完成，設(shè)備與儀表之間無法實現(xiàn)分散式的管理與信息交換,這種集中的控制方式必然導(dǎo)致危險性的集中，給管理與設(shè)備故障檢修帶來很大的不便.汽車輪胎聯(lián)動生產(chǎn)線引入現(xiàn)場總線技術(shù)，使得現(xiàn)場儀表之間、現(xiàn)場儀表與控制室設(shè)備之間構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)互連標(biāo)準(zhǔn)，這樣系統(tǒng)的控制功能分散得比較徹底，加上全數(shù)字化，形成了自動化領(lǐng)域的開放系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)及全分布式網(wǎng)絡(luò)集成化的自動系統(tǒng).

1 工藝流程設(shè)計

胎面的雙復(fù)合擠出機首先經(jīng)過溫控儀表控制加熱到設(shè)定值，擠出機運輸帶將冷熱喂料送入，膠料通過預(yù)口型板復(fù)合擠出.擠出的膠面先經(jīng)過四段收縮輥道達(dá)到工藝要求的收縮比，然后依次通過聯(lián)動線Ⅰ線、聯(lián)動線Ⅱ線，如圖1、圖2所示.

2 聯(lián)動線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 控制要求及方案

胎面經(jīng)預(yù)口型板擠出成型后，在設(shè)定的收縮率下經(jīng)過收縮輥道后達(dá)到工藝規(guī)定的收縮比，然后按順序依次經(jīng)過其后的各段輥道.要求各段輥道間具有很好的速度匹配，使擠出的膠料既不能拉伸又不能堆積，同時要求聯(lián)動線系統(tǒng)具有較高的速度整定能力，以保證胎面的產(chǎn)品質(zhì)量.為此，胎面在經(jīng)過四段收縮輥道進(jìn)入聯(lián)動線Ⅰ線各段輥道之前都裝有擺桿和探片輥.其中，擺桿裝置一側(cè)安裝的線性位移傳感器把擺桿的位移信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號0～10 V并送入PLC的模擬量輸入模塊以作為速度整定值，而探片輥旁的接近開關(guān)用于檢測胎面的到達(dá)以決定是否將該速度整定值與各段速度的給定值相疊加.系統(tǒng)中的擠出機、壓延機采用西門子直流調(diào)速裝置6RA70進(jìn)行調(diào)速，交流電機采用西門子交流變頻器MM420和MM440進(jìn)行變頻調(diào)速.擠出機螺桿轉(zhuǎn)速、聯(lián)動線各段速度的給定值通過PROFIBUS總線由PLC傳送到各個直流調(diào)速器，通過總線各個驅(qū)動器和PLC進(jìn)行通信.

2.2 聯(lián)動線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

控制系統(tǒng)上位機采用西門子工控機，下位機采用西門子公司的S7-300系列PLC的CPU315-2DP，它包括3塊SM321數(shù)字量輸入模塊、2塊SM322數(shù)字量輸出模塊、1塊SM323數(shù)字量輸入輸出以及1塊通信處理器CP340.315-2DP的MPI連接到西門子工控機，DP口通過PROFIBUS現(xiàn)場總線連接了遠(yuǎn)程分布式IPO ET200，它包括了1塊接口模塊IM153-1、2塊模擬量輸入模塊SM331、4塊數(shù)字量輸入模塊SM321和2塊數(shù)字量輸出模塊SM323.ET200M使用PROFIBUS總線連接了4臺直流調(diào)速器和18臺交流調(diào)速器以及裁斷位置控制器和截斷人機界面TP27，如圖3所示.

圖3 聯(lián)動線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

采用PROFIBUS總線通信聯(lián)網(wǎng)具有如下優(yōu)點：它是目前最成功的現(xiàn)場總線之一，是不依賴于生產(chǎn)廠家的、開放的現(xiàn)場總線，各種各樣的自動化設(shè)備都可以通過同樣的接口交換信息.PROFIBUS-DP用于傳感器和驅(qū)動器級的高速數(shù)據(jù)傳送，是一種經(jīng)過優(yōu)化的模塊，適用于系統(tǒng)與外部設(shè)備的通信，用于胎面聯(lián)動生產(chǎn)線分布式系統(tǒng)中尤為適合.

3 聯(lián)動線控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖4 聯(lián)動線子程序流程圖

聯(lián)動線的控制程序采用模塊化的編程思想，主要采用功能強大的語句表來進(jìn)行程序的編寫，將不同的控制功能用不同的程序功能塊來實現(xiàn)，它使程序可讀性、可移植性、易維護(hù)性大大加強.本聯(lián)動線控制程序從循環(huán)執(zhí)行主程序：組織塊OB1開始依次調(diào)用各個子程序和功能塊，各子程序的功能塊用于完成聯(lián)動線系統(tǒng)某一部分的邏輯控制如液壓系統(tǒng)控制機頭的開合模或?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)某一特定功能如通過總線讀寫控制字、狀態(tài)字.程序從OB1開始順序調(diào)用主機程序FC16和輔助程序FC17.接著，主機程序FC16再調(diào)用機頭開合模程序FC15、直流電機控制程序FC18、機頭報警程序FC25和七段BCD數(shù)碼表顯示值標(biāo)度變換程序FC29等；輔助程序又調(diào)用了控制程序FC14、各段輥道電機速度鏈整定程序FC3、各輥道變頻電機控制程序FC14等.在直流電機控制程序中調(diào)用了STEP7中的系統(tǒng)功能SFC14、SFC15通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)去讀、寫直流調(diào)速器的狀態(tài)字(包括擠出機的螺桿轉(zhuǎn)速和擠出電流等)和控制字.在用戶程序中除了編寫主程序OB1外，還編寫了OB35循環(huán)程序、OB80循環(huán)程序、OB81電源故障、OB100完全重啟等組織塊用以實現(xiàn)模塊的濾波和系統(tǒng)的重啟等.聯(lián)動線子程序流程圖如圖4所示.

胎面在經(jīng)過四段收縮后進(jìn)入聯(lián)動線Ⅰ線各段輥道之前都裝有擺桿裝置和探片輥.探片輥旁的接近開關(guān)用以檢測胎面的到達(dá)，胎面到達(dá)后則帶動探片輥轉(zhuǎn)動，接近開關(guān)就發(fā)出一系列的脈沖信號.擺桿旁的線性位移傳感器把擺桿的位移信號轉(zhuǎn)化為0～10 V電壓信號送入PLC的AI模塊，接口模塊將電壓值轉(zhuǎn)換為APD標(biāo)準(zhǔn)值.其中，0 V電壓信號對應(yīng)著擺桿的最高位，10 V電壓信號對應(yīng)擺桿的最低位，而5 V電壓信號對應(yīng)著擺桿的正常平衡位置.在程序中，通過調(diào)用脈沖檢測程序來判斷胎面是否已進(jìn)入本段輥道.若胎面沒有進(jìn)入，則擺桿后面的那段輥道的速度等于前面一段輥道的速度給定；若胎面進(jìn)入，則將擺桿位置對應(yīng)的電壓信號的APD轉(zhuǎn)換值減去5 V電壓信號對應(yīng)的APD轉(zhuǎn)換值，乘以一定的比例系數(shù)之后再加上前面一段輥道的速度給定.因此，如果線性位移傳感器檢測的電壓信號大于5 V，則擺桿后面的那一段輥道就加速；如果電壓信號小于5 V，則擺桿后面的那一段輥道就減速.

如果電壓信號等于5 V，則擺桿后面的那段輥道既不加速也不減速.這樣，通過擺桿位置變化對應(yīng)的線性位移傳感器檢測的電壓信號的變化即可自動地調(diào)節(jié)后面一段輥道的速度，達(dá)到了各段輥道速度整定的目的，使各段輥道速度相匹配，滿足擠出的胎面既不會拉伸也不會推積.聯(lián)動線控制系統(tǒng)通過采集線性位移傳感器的檢測信號達(dá)到了對系統(tǒng)的閉環(huán)控制.

4 效益分析及應(yīng)用前景

胎面聯(lián)動線采用了西門子S7-300PLC和PROFIBUS現(xiàn)場總線后，連接一系列基于現(xiàn)場總線的嵌入式設(shè)備的開放系統(tǒng).從一定意義上說，嵌入式設(shè)備就相當(dāng)于一臺臺微機，它們以現(xiàn)場總線為紐帶，互連成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成數(shù)字通信任務(wù).實際運行效果可靠、穩(wěn)定，大大提高了生產(chǎn)的自動化水平和產(chǎn)品的質(zhì)量.采用現(xiàn)場總線技術(shù)將導(dǎo)致胎面聯(lián)動線往自動化領(lǐng)域發(fā)展的深刻變革，由于它適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，因此給自動化系統(tǒng)的最終用戶帶來了更大的實惠和更多的方便.

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