PLC和变频器在胎面自动裁断系统中的应用

摘要：详细介绍了胎面裁断系统的工作过程，以及控制变量的确定、主要元件的选取和部分控制回路的设计图。
关键词：可编程控制器；P L C ；变频调速；胎面；裁断系统；自动控制

X J - 2 0 0 0 轮胎胎面压出设备是集橡胶胎面复合挤出、冷却、裁断于一身的大型生产线，由于该设备只能对胎面进行人工量长、手动切割，劳动强度大、工作效率低，我们决定对其进行技术改造，增加定长自动切割功能。改造后的控制系统采用P L C 和交流变频调速技术相结合的控制方式，具体叙述如下。

1 裁断系统的动作过程

胎面裁断系统结构简图如图1 所示。

图1胎面裁断系统示意图
冷却后的胎面经贮存槽进入皮带运输机，当胎面贮存到一定程度时，光电开关1 J 动作、电机6 M 启动运行，同时直接装在6 M 后轴上的旋转编码器开始脉冲计数，电机6 M 经减速箱带动链条传动，链条又带动辊筒转动，最后辊筒拖动皮带向前行进；通过8 4 2 1 码设定胎面的长度，当胎面长度达到预设值时，运输带经减速后停止运行。此时压胎面装置向下压紧胎，丝杆从初始端带动刀架快速向另一端行进并裁切胎面，在裁切胎面的过程中，喷水电磁阀动作并向切刀喷水；切割完毕后，压胎面装置升起、刀架抬起；丝杠带动切刀架退回到初始位置并停止运行、喷水电磁阀停止喷水，同时切刀架压下，一切恢复到初始状态，以便再次启动。在整个裁切过程中，由于前级运输带的连续运行，在裁断运输带停止运行和切胎面过程中，贮存槽的胎面已慢慢增多，当贮存槽的胎面增至引起光电开关1 J 动作时，电机6 M 又重新启动运行，从而反复地自动裁切胎面。若胎面增加到使光电开关2 J 、3 J 动作时，运输带会不同程度地加速运行。

2 控制变量的确定

该控制系统包括运输带与胎面裁切前速度配合、各电机拖动电路、胎面运输带的运行控制、胎面长度预置与控制、丝杠与刀架动作控制、切刀喷水控制、压胎面装置控制及加速运输控制，但其关键是胎面长度的控制，那么胎面长度与哪些因素相关呢？ 在系统示意图（图1 ）中，假定：电机6 M 运转的角速度为ω，电机6 M 所连减速箱的齿轮减速比为z ，减速箱输出轴的半径为r1，滚筒与链条传动端轴半径为r2，滚筒的半径为r3。又设：某种规格胎面的长度为L ，光电编码器每转一圈的脉冲个数为g 。

那么，可以推导出一条胎面全部经过后，光电编码器脉冲总个数A 的关系式，A = L z r2g /（2 π r1r3）。一旦设备和光电编码器选定好后，z、r1、r2、r3、g 都是常数，设zr2g ／（2 π r1r3）= k 则有A = k L ，把胎面长度L 看作一个自变量x ，那么脉冲总个数A 随胎面长度的变化可用函数关系式f （x ）= k x 来表示。

从上式中可以看出，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。

3 主要元件的选取

（1 ）可编程控制器：选择可编程控制器应考虑P L C 的类型、输入输出开关量、C P U 处理速度及输出接口电路的输出形式。该系统P L C输入量包括光电编码器计数；运输带与前级运输速度配合的1 J 、2 J 、3 J 光电开关信号；刀架限位的4 J ~ 7 J 接近开关信号；丝杠、裁刀、运输带、加速辊电源接点信号；各电机过载保护动作信号；胎面长度预置信号及系统启动、停止功能信号共4 0 个。输出量包括压胎面、喷水、刀架起落3 个电磁阀线圈动作信号（见图2 ）；各电机启动运行信号和指示信号；P L C 与变频器联络信号共2 5 个。考虑到P L C 输出需接电磁阀和接触器线圈，要求大电流输出，宜选择继电器输出型，这里选择三菱FX2-80MR 编程控制器。根据输出量和F X2- 8 0 M R 输出公共C O M 的关系，尚需配置一个8 点的输出模块F X - 8 Y E T。

图2电磁阀、接触器PLC 输出图
（2 ）交流变频调速器：变频调速器的选择应考虑它的控制方式、输入输出信号接线方式及变频器的输入输出电压。在这里选择三肯M F - 5 . 5 K 变频器。

（3 ）电机：该系统中共有6 台交流异步电机，丝杠采用YEJ90L-4 1.5kW 电磁制动电机；运输带选用YVP132S-4 5.5kW 交流变频电机；裁刀电机4M 选用Y 1 0 0 L2- 4 3 k W；该系统中加速辊筒与前级辊筒尺寸相同、加速辊电机减速比与运输带电机减速比相同，由于运输带采用变频调速器，所以加速辊电机5 M 选用Y 1 3 2 M -4 5 . 5 k W 就可使加速辊运输带的速度大于前级切刀运输带的速度。

（4 ）光电编码器、光电开关及接近开关：光电编码器将电机转速转化为脉冲信号在P L C 内进行计数，该编码器选用L E C - 6 B M - G 2 4 V 。1 J ~ 3 J 光电开关安装于切刀运输带前端与前级胎面运输带后端的贮存槽内，胎面在两条运输带之间的贮存量使光电开关相应动作，从而通过P L C 使切刀运输带相应地改变速度，这里选E3J-R4M1光电开关共3 套。接近开关4 J ~ 7 J 装于切刀架上，用于刀架抬起和放下裁切胎面、返回及停止的限位，选用TL-2E-X10E1共4 个，感应有效距离为1 0 m m 。光电编码器、光电开关及接近开关的工作电压均为D C 2 4 V 。

（5 ）电磁阀：本控制系统有3 个电磁阀，压胎面电磁阀1 D F 的作用是胎面长度达到预设值且切刀运输带停下后，使压胎面装置下落压住胎面以便切刀切割；切刀喷水电磁阀2 D F 是裁刀在切割胎面过程中对裁刀进行喷水；刀架运动电磁阀3 D F 使刀架抬起和放下。1 D F 、2 D F 选用DF1-1 AC220V；3DF 采用QZ23JD2-L 双控电磁阀，A C 2 2 0 V 。

（ 6 ）接触器及热继电器： 该系统中2 Q S~5QS 断路器选用西门子3VU1640、380V 系列；1 K M ~ 5 K M 接触器和继电器分别选择西门子3TF3110、3TF4322、3TF4622，线圈电压为220V系列；该设计中的1 F R ~ 5 F R 共5 个热继电器采用西门子3 U A 5 2 0 0 及3 U A 5 2 4 0 系列。

4 控制电路设计

控制电路主要包括电源回路、电机回路、变频器控制电路、可编程控制器的控制及外部接线。参见图3 、图4 。

图3变频器与PLC接线图

图4变频器外部接线图
5 结语

可编程控制器和变频调速器在工业过程控制中的应用非常广泛，本系统的控制也适用于其它类似的定长裁切系统。当然，该控制系统亦可采用P L C 与直流调速相配合的控制方式，本设计只是其中的一种。

作者简介：陈绍文（1966-），男，工程师，1988年毕业于中国矿业大学自动化系工业电气自动化专业。

来源：佳工机电网