胎面纏繞機(jī)膠條寬度檢測和控制方法的改進(jìn)

王 超，張立平，王愛震，范立鵬

（天津賽象科技股份有限公司，天津 300384）

在輪胎生產(chǎn)中，胎面纏繞質(zhì)量和穩(wěn)定性很大程度上依賴于纏繞膠條寬度的穩(wěn)定性。我公司胎面纏繞膠條寬度控制采用將寬度檢測結(jié)果反饋給可編程邏輯控制器（PLC控制器）進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)計算，再通過控制器輸出信號控制壓型輥速度，達(dá)到控制膠條寬度的目的。本工作對胎面纏繞擠出膠條寬度檢測和控制方法進(jìn)行了改進(jìn)。現(xiàn)將改進(jìn)情況簡介如下。

1 改進(jìn)前膠條寬度檢測和控制

1.1 檢測和控制原理

改進(jìn)前胎面纏繞機(jī)膠條寬度檢測（包括定邊和定中檢測）系統(tǒng)采用H3660型紅外線性掃描傳感器（分辨率為0.1%，圖像采樣頻率為500 次·s-1），檢測方法為將膠條置于傳感器與反射板之間，紅外光源照射到反射板上，傳感器掃描陣列對反射光的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成位置像素，如圖1所示。傳感器的視野范圍隨其與反射板的距離A變化而變化。傳感器內(nèi)部有一個集成的微處理器，根據(jù)設(shè)定的測量模式輸出相應(yīng)的模擬量或者數(shù)字量信號。

圖1 紅外傳感器測寬原理示意

1.2 存在問題

胎面膠條擠出機(jī)升溫后螺桿以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，擠出膠條，PLC控制器通過采集擠出機(jī)機(jī)頭壓力、螺桿轉(zhuǎn)速、膠條寬度等數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，對壓型輥進(jìn)行速度控制，以保證膠條寬度的穩(wěn)定。

控制器采用比例積分微分（PID）閉環(huán)控制，反饋值和設(shè)定值均為膠條寬度，控制變量為壓型輥速度，如圖2所示。圖中，P為比例單元，I為積分單元，D為微分單元，ADC為數(shù)字轉(zhuǎn)換器，DAC為數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。由于檢測位置和控制位置不同（如圖3所示），導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)反饋信號存在延時，所以控制精度受到一定影響。通過電氣程序，增加前饋控制，雖然能在一定程度上彌補(bǔ)位置差帶來的影響，但是并不能從根本上解決問題。

圖2 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)

圖3 膠條寬度檢測位置與控制位置示意

2 改進(jìn)后膠條寬度檢測和控制

2.1 檢測和控制系統(tǒng)構(gòu)成

（1）視覺傳感器

改進(jìn)后胎面纏繞機(jī)膠條寬度檢測采用Presence PLUS P4視覺傳感器（如圖4所示）。該傳感器是一個操作簡單的攝像頭，通過簡單的設(shè)定，就可自動進(jìn)行圖像處理，并輸出處理結(jié)果。該視覺傳感器內(nèi)嵌集成控制芯片，通過計算機(jī)安裝相應(yīng)的終端控制軟件（有英文和中文兩個版本），可以直接采集圖像，并對圖像進(jìn)行分析和處理，根據(jù)相應(yīng)配置得出分析數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)和RS232等接口將數(shù)據(jù)傳遞到控制器上。

圖4 Presence PLUS P4視覺傳感器

（2）輔助硬件

視覺傳感器線路接口如圖5所示。視覺傳感器的照明光源電壓為220 V，本身電源電壓為24 V；控制線起循環(huán)啟動作用，連接后，顯示燈呈綠色。

圖5 視覺傳感器線路接口

視覺傳感器鏡頭上安裝2個部件，分別用來調(diào)整視覺傳感器焦距和進(jìn)光量；攝像機(jī)與支架連接，調(diào)整支架，可確保膠條在鏡頭畫面中間；為彌補(bǔ)現(xiàn)場光線不足，將輔助光源放置在鏡頭前。

（3）軟件

在計算機(jī)上安裝PC SoftwareMedia_2014R1B_.exe軟件，安裝類型選擇Compact模式，同時安裝Chinese PRC language pack軟件；在GUI模式中，選擇標(biāo)準(zhǔn)模式。

計算機(jī)上視覺傳感器系統(tǒng)軟件設(shè)置如下。①打開軟件后，首先修改相機(jī)的IP地址。②在系統(tǒng)輸出幀設(shè)置中，通道選擇工業(yè)以太網(wǎng)，協(xié)議選擇Modbus/TCP，32位格式選擇MSW-LSW，字符順序選擇高字節(jié)-低字節(jié)。③在系統(tǒng)設(shè)置單元中，將單位設(shè)置為mm，針對視覺傳感器檢測實際寬度進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果輸入到以像素為單位檢測的空白處。④在系統(tǒng)語言設(shè)置中，選擇中文簡體（軟件重啟后，語言變更才能生效）。⑤在工具界面（如圖6所示）中，分別在界面的左上角和右下角添加定位工具，各設(shè)一組ROI定位線，每組ROI線寬度設(shè)定為30 mm左右；在界面中間設(shè)一組邊界線，ROI線寬度也設(shè)定為30 mm左右，最后將邊緣數(shù)設(shè)定為2；添加測量工具，測量內(nèi)容為邊緣1到邊緣2的距離，該距離就是膠條寬度，添加通訊工具，將發(fā)送的數(shù)據(jù)設(shè)定為上述檢測的距離。⑥設(shè)置完成后，在工具界面左下方出現(xiàn)5個藍(lán)色方塊，即為添加的工具。

圖6 工具界面

在計算機(jī)上設(shè)置相關(guān)參數(shù)，并將設(shè)置參數(shù)傳遞至視覺傳感器保存；在運(yùn)行界面下，將顯示框中的“下一檢測”選中，將“抓拍控制”設(shè)定為“連續(xù)”（如圖7所示）。

圖7 運(yùn)行界面

視覺傳感器通過以太網(wǎng)與AB PLC 1756-L71進(jìn)行通訊，因此采用RSlogix5000軟件進(jìn)行組態(tài)配置，即在以太網(wǎng)下，選擇Generic Ethernet模塊，組成一個通用以太網(wǎng)模塊。該通用以太網(wǎng)配置模塊包括：Name：P4_EDGE_13；Comm Format：Dtat-INT；Address/Host Name（與上面的相機(jī)IP地址設(shè)定一致）；Input Assembly Instance：101，Size 240；Output Assembly Instance：112，Size 4；Configuration Assembly Instance：128，Size 0。

完成配置后，PLC中傳感器全局變量數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的程序標(biāo)簽如圖8所示。視覺傳感器回傳的數(shù)據(jù)傳遞到P4_EDGE_13：I中。

圖8 傳感器的全局變量標(biāo)簽

2.2 數(shù)據(jù)分析處理

根據(jù)視覺傳感器內(nèi)部的IO MAP（如圖9所示）進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。視覺傳感器輸出的膠條寬度數(shù)據(jù)為二進(jìn)制單精度實數(shù)型，占用32位空間，保存在PLC控制器中需根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。一個單精度實數(shù)型數(shù)據(jù)由符號S、指數(shù)E和底數(shù)M三部分組成，占用4個字節(jié)、32 bit。其中，S是最高位，1代表負(fù)數(shù)，0代表正數(shù)；E是S后面的8位數(shù)，表示范圍為0～255，因為E可為正數(shù)或負(fù)數(shù)，所以該數(shù)減去127才是真正的指數(shù)（范圍-127～+128）；M是剩余的23位，左邊省略了一個“1.”。單精度實數(shù)型數(shù)據(jù)的S，E和M計算得出后，通過E來調(diào)整M的小數(shù)點(diǎn)位置，以得出最后結(jié)論。M的小數(shù)點(diǎn)移動方法為：如果E為負(fù)數(shù)，小數(shù)點(diǎn)向左移動E個位值；如果E為整數(shù)，小數(shù)點(diǎn)向右移動E個位置。

圖9 視覺傳感器內(nèi)部的IO MAP

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序如下：

Vision_E1：＝P4_EDGE_13：I.Data[32]& 16#7f80；//屏蔽處理，選取8位數(shù)E

Vision_E2：＝Vision_E1/128；//將E右移7位

Vision_E3：＝Vision_E2-127；//將E減去127得到真正的E

Vision_M1：＝P4_EDGE_13：I.Data[32]&16#007f or 16#0080；//屏蔽處理，得出M

Vision_M2：＝Vision_M1*65536；//將M右移16位

Vision_E_offset：＝2**(23-Vision_E3)；//求出M移動的位數(shù)

Vision_K1.0：＝P4_EDGE_13：I.Data[32].0；//計算寬度的小數(shù)部分

Vision_K2.0：＝P4_EDGE_13：I.Data[33].15；

Vision_K3.0：＝P4_EDGE_13：I.Data[33].14；

Vision_K4.0：＝P4_EDGE_13：I.Data[33].13；

Vision_K5.0：＝P4_EDGE_13：I.Data[33].12；

Vision_K6.0：＝P4_EDGE_13：I.Data[33].11；

Vision Sensor Data：＝Vision_M2/vision_E_offset+Vision_K1*0.5+Vision_K2*0.25+Vision_K3*0.125+Vision_K4*0.0625+Vision_K5*0.03125+Vision_K6*0.015625；//將整數(shù)部分與小數(shù)部分求和得出最終的結(jié)果

if Vision Sensor Data＜＝0 or Vision Sensor Data＞＝200 then//針對寬度值進(jìn)行范圍限制

Strip Width：＝0；

else

Strip Width：＝Vision Sensor Data；

end_if；

膠條寬度（Strip Width）數(shù)據(jù)反饋給PLC控制器進(jìn)行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)計算，對壓型輥速度閉環(huán)控制，達(dá)到調(diào)整膠條寬度的目的。

3 結(jié)語

采用視覺傳感器替代紅外線傳感器改進(jìn)胎面纏繞膠條寬度檢測和控制方法，有效縮短了膠條控制位置與檢測位置的距離，提高了閉環(huán)控制的實時性，膠條寬度控制穩(wěn)定性顯著提高，控制精度提高了20%以上，胎面纏繞機(jī)的調(diào)試周期和纏繞過程縮短，纏繞效果明顯改善。

但胎面膠條寬度控制涉及的參數(shù)較多，所以僅通過提高檢測實時性來提高控制精度有一定的局限性，還必須對擠出機(jī)壓力、溫度、口型形狀進(jìn)行分析和調(diào)控，才能更好提高胎面纏繞膠條寬度的精度。