摘要：本文通過對輪胎成型機工藝及控制理論的研究。設計了有三菱PLC控制器，VVVF和變頻調速電機組成的驅動控制系統、利用PLC控制器對各階段時間進行設置，采用開環變頻調速控制成型機，提高了自動化程度，實現了工藝的優化、穩定和可靠運行，針對設計中的幾個關鍵問題提供了理論上的說明，有助于提高輪胎成型機產業的技術更新和發展。通過實際應用表明系統能滿足成型機生產的需要并具有技術先進性和價格低廉等優點。本設計有利于實現工業現場的管控一體化，在工業控制的發展中有著廣闊的應用前景。

前言

近幾年來，我國的汽車生產企業的數量持續快速增長，極大地促進了齒輪、聯軸器相關設備的發展，在齒輪和聯軸器壓成型工藝中，輪胎裝置多采用手動給工件、吹風的生產工藝，生產效率和安全系數比較差。

子午結構輪胎的出現是輪胎工業的一次重大技術革命，是輪胎更新換代的產品。子午線輪胎比斜交輪胎有許多優越性，如磨耗性能提高60～120％；滾動阻力比斜交輪胎低30～40％；可節油6～8％；側向力可提高50％牽引力及剎車能力可以提高10～20％；徑向彈性率比斜交胎約低18％；另外，徑向彈性率小，可提高舒適性；高速性能比斜交輪胎高；噪音比斜交輪胎小；如采用鋼絲帶束層可提高耐機械性能。這些優越性能主要是兩者輪胎的結構不同。子午線輪胎的優越性能取決于子午線輪胎的堅固帶束層胎冠和柔軟的胎體。子午線輪胎的力學性能，特別是帶束層和胎體的關系比較復雜，而改善胎冠帶束層的堅固性會影響到子午線輪胎的操縱性能，不象斜交輪胎在改善胎冠緩沖層的角度和密度時不會影響斜交輪胎的性能，只有改變斜交胎體的密度和角度時，才會影響輪胎質量。子午線輪胎的帶束層和胎體部分，各有自己的作用。子午線輪胎的帶束層起決定性的作用，帶束層會影響到子午線輪胎的側向力、高速性能、耐磨性能等。而胎體會影響到輪胎的舒適性和牽引力。另外改變胎體的角度90°至85°會改變其均勻性能。由于子午線輪胎的徑向堅固性比帶束層高，子午線輪胎的力學特性和斜交胎不同。子午線輪胎的結構特性引起了汽車工業的關注，特別是子午線輪胎的側向力的提高，增加了汽車的操縱穩定性，滿足汽車高速度的要求。因此，在國際上，子午線輪胎發展是很快的。各種類型的機動車都在使用子午線結構的輪胎，如工程車、拖拉機、轎車、輕、重型載重車等。在20世紀80年代，法國航空飛機也采用了子午線輪胎。

針對用戶群的實際情況，從高可靠性和高性價比方面考慮，開發一種由PLC控制器、變頻調速異步電動機和減速器組成，采用數控變頻器調速技術的調速系統，不僅可以完成牽引工藝的流程，系統還便于維護以及調速。這種方案和采用晶體管整流器和直流電動機，加上測速發電機構成閉環直流調速驅動的方案比較，在性能與價格相當的情況下，具有高可靠性、節約能量、維護工作量少的優點。與采用工業計算機控制的交流伺服電動機方案相比較同樣采用上述優點，并且價格低廉，易于開拓市場。

1 輪胎成型機基本結構

輪胎成型機的結構形式很多，本文中的輪胎成型機是2800工程輪胎成型機。結構主要由頭座、尾座、壓輥、扣圈盤、反包裝置、簾布筒擴張器、上簾布筒裝置、氣壓控制裝置、油液壓電氣裝置、電氣控制裝置等組成。各部分的功能和作用分別如下：

頭座：是一個用來安裝主動力裝置，成型鼓擴張和折疊裝置的支架。頭座支撐著下列裝置：主軸、扣圈盤、右反包裝置、成型鼓的擴張和收縮裝置等。主要作用是專門用來縮小和擴張成型鼓，完成主軸的旋轉和成型機頭的調距功能。

尾座裝置：尾座和頭座相對。個安裝在成型鼓的一邊，尾座上的軸支撐頭座上的主軸，扣圈盤在軸上來回滑動。

壓輥：壓輥裝置由兩個胎面壓輥，兩個鋼絲壓輥組成。兩邊的胎面壓輥和鋼絲圈壓輥分別裝在兩邊的滑架上。

扣圈盤：扣圈盤是由頭座的右邊和尾座的左邊的元件所組成。這些裝置由一對氣缸啟動。右邊的裝置由安裝在成型鼓軸上的軸套引導；左邊的裝置由尾座引導，以保證扣圈盤與成型鼓之間中心位置的精確性。

拉出環裝置：拉出環由左右兩邊的設備組成，用來反包簾布筒。右邊的裝置裝在軸套上，軸套是由主軸引導的，由兩個液壓缸控制裝置前進或后退，壓縮空氣控制它的擴張。

簾布擴張裝置：簾布擴張器由箱體、主軸、氣缸、傘形撐布架等組成，是用來擴張簾布筒，以便裝上成型鼓的裝置，其作用是將套入的簾布筒擴撐展開送到成型鼓左側，并配合上牽引裝置將布筒導入成型鼓。機械手的擴張和折疊由電機驅動，由限位開關控制。

氣動裝置：這些裝置包括電磁閥、調節器、空氣過濾器、潤滑器等。

油液壓裝置：該裝置由泵、油箱、溢流閥等組成。

電氣控制設備：主要由控制系統和驅動系統組成的。電氣設備如下：控制盤、主操作盤、尾座操作箱。簾布筒擴張器操作箱、上簾布筒操作箱。

2電氣控制系統設計

2.1電氣總體方案設計

本文對生產輪胎的成型機控制系統進行了自動化控制設計與研究，開發一種基于觸摸屏監控，PLC控制和VVVF驅動控制的監控系統，即在完成自動控制的基礎上利用觸摸屏開發軟件設計出上位機監控系統，實現對各個下位機參數和生產情況的實時監控和管理以及動態數據的實時存儲。該系統實現了生產工藝控制要求，并對事后分析生產情況提供第一手資料。

該系統由以下幾個部分組成：以觸摸屏為載體的監控系統程序、硬件控制電路間的通信模塊、PLC控制器、二極管顯示電路、按鍵模塊等。以觸摸屏為載體的監控程序通過實時現場數據實時采集，并對數據進行分析，完成監控、數據存儲分析、重要參數的設定、顯示和打印各種數據報表。整個控制系統可以分為觸摸屏監控部分和PLC控制VVVF驅動控制部分，其結構如圖1所示。

圖1 電氣控制方案設計

2.2 PLC驅動控制模塊設計

以PLC控制器+變頻器+變頻電機組成對電機的驅動控制系統，VVVF驅動控制器結構如圖2所示。

PLC控制器控制電機的四種狀態的時間來控制變頻電機。并可在線調整工藝參數、改變電機速度、頻率和間距。

2.3 PLC時間控制要求

根據生產工藝技術與裝備對拖動電機的要求，牽引機構在每個周期中速度變化規律包含四個階段如圖3所示。圖中v為設定的牽引機速度，t為電機運行時間。

控制流程如下：

設置四段時間T1—正向牽引時間、T2—正向停止時間、T3反向后退時間和T4—反向停止時間；
T1、T2、T3、T4時間再0…99時間獨立可調。
電機用變頻器進行變頻調速；
T1、T2、T3、T4時間可在人機界面上顯示，并可在觸摸屏上修改；
啟動從T1開始，停止在T2進行；
電機的三種狀態（正傳、反轉、停止）可通過三種不同顏色的指示燈；
電機的三種狀態（正傳、反轉、停止）可通過人機界面也能監視；
有正、反向點動控制，點動速度單獨可調；
頻率調節范圍0~100HZ，頻率調節精度1HZ。

為了編程的方便，PLC控制器控制結構圖如圖4所示。

圖4 PLC控制器控制結構圖

3 PLC與變頻器通信

控制系統采用具有兩路模擬量輸出的FX2N-2DA模塊對變頻器進行速度控制。模擬量模塊選擇0~5V輸出信號。分別將模塊的VOUT1與COM1與變頻器相關端子相連。PLC與變頻器相連如圖5所示。

圖5 PLC與變頻器接線圖

4 結論

本設計采用PLC控制器發送控制信號給變頻器來控制電機，采用觸摸屏和機械按鍵控制PLC。觸摸屏的操作方便、實時性好，能夠直觀反映設備的工作狀態，減輕工作人員的勞動強度。機械按鈕控制可以保證在特殊情況下的運行，從而保證安全生產。本設計在降低能耗、保護資源環境等方面也具有很好的前景。