新型伺服驅動控制系統在全鋼載重子午線輪胎兩鼓成型機上的應用

趙田珠

（中車雙喜輪胎有限公司，山西 太原 030400）

隨著時代的發展，電氣控制技術快速進步，電氣控制產品升級換代步伐加快。改造前我公司生產全鋼載重子午線輪胎的兩鼓成型機采用由西門子S7-400PLC（可編程控制器）、611U伺服模塊和西門子6AV7722工控機組成的集操作、監控于一體的控制系統。由于產品的更新換代，西門子6AV7722工控機和步進驅動器已停產，西門子611U伺服模塊也逐步淘汰，而西門子SimotionD435控制器和S120伺服軸模塊作為集邏輯控制、工藝控制、伺服運動控制于一體的新一代伺服驅動控制系統已成為發展趨勢。考慮到電氣控制產品更新換代和綜合成本問題，我們在新型全鋼載重子午線輪胎兩鼓成型機上采用西門子SimotionD435控制器、S120伺服軸模塊與MCGS昆侖組態軟件構成新一代控制系統。

1 新型伺服驅動控制系統特點

（1）硬件結構緊湊，設備成本降低。由于SimotionD435控制器集邏輯控制、工藝控制（溫度、壓力等）、運動控制（定位、同步、插補等）功能于一體，因此全鋼載重子午線輪胎兩鼓成型機上原控制系統用于邏輯控制的6ES7-414CPU、6ES7-421輸入和6ES7-422輸出模塊不需再使用，控制激光燈標的FM435功能模塊也不再需要，611U伺服模塊被S120伺服軸模塊（6SL3120-2TE21）替代。使用國產IPPC-7157A研華工控機替代西門子6AV7722工控機，減少了硬件采購量，設備成本降低。

（2）使用SCOUT軟件，該軟件集PLC與伺服控制功能為一體，便于編程和調試。使用SCOUT軟件對SimotionD435控制器進行編程和在線調試（原系統使用SimoComU軟件對611U伺服模塊進行編程和調試，使用STEP7軟件調試PLC）。SCOUT軟件集LAD（梯形圖語言）、ST（結構文本語言）、MCC（電動機控制）編程功能于一體，軟件功能強大。LAD用于邏輯編程、ST用于邏輯運算編程、MCC用于復雜運動控制編程，使所有邏輯控制和伺服運動控制集中在同一平臺進行，便于調試。尤其是MCC對于實現成型胎坯過程中的回零、點動、自動、絕對定位、相對定位、同步、跟隨等的復雜運動控制相對簡單，程序直觀，可讀性強。成型后壓輥回零MCC程序如圖1所示。良好的軟件操作界面便于調試人員進行單軸測試運行、自動優化電動機參數和動態顯示運動軌跡。

圖1 成型后壓輥回零MCC程序界面示意

（3）備件儲備量減少，維護成本降低，設備故障率降低，運行穩定。使用Simotion D435控制器和S120伺服軸模塊替代S7-400PLC和611U伺服模塊后，備件方面無需再分別儲備611U伺服模塊和功率模塊、S7-400PLC、6ES7-421輸入和6ES7-422輸出模塊，只需儲備S120伺服軸模塊即可，備件儲備成本降低，而且由于硬件的數量減少，故障率也隨之降低；S120伺服軸模塊更換簡單，無需考慮原先611U伺服模塊存儲卡內的伺服參數問題，設備通電時自動由Simotion D435控制器通過DRIVE-CLIQ通訊線導入參數。設備的故障率降低，提高了系統的可靠性。

（4）實現了對兩鼓成型機燈標控制系統中西門子步進驅動器的產品替代。隨著電氣控制產品的更新換代，原兩鼓成型機燈標控制系統中西門子步進驅動器6SN1227-2ED10-OHAO已停產，為了實現燈標控制功能，新系統中Simotion D435控制器通過PROBUS總線與S7-200PLC進行通訊，實現燈標控制功能，解決了西門子步進驅動器停產的問題。

（5）采用MCGS組態軟件設計的人機操作界面直觀易懂，便于參數修改、監控和故障處理。國產MCGS組態軟件具有實時多任務、多線程功能，操作簡便，可視性好和可維護性強等優點，為便于故障處理，設計了動作就緒監控畫面，將設備的每個部件動作需滿足的條件集中進行實時顯示，便于及時查找不滿足條件的原因，縮短故障查找時間，提高效率。圖2所示為主鼓各動作需滿足的條件。為了便于監控設備急停狀態，采用面向對象的技術，設計了安全布局畫面，實時顯示安全狀態，當故障報警時，紅色燈亮起。如圖3所示。

圖2 主鼓動作滿足條件界面示意

圖3 安全布局界面示意

2 硬件配置

本控制系統硬件主要由IPPC-7157A型研華工控機、Simotion D435控制器、S120伺服軸模塊、伺服電動機、分布式ET200M模塊、氣缸、電磁閥等執行器和各種開關、傳感器組成。系統硬件組成如圖4所示。

圖4 系統硬件組成界面示意

Simotion D435控制器內置的CU320模塊最多可控制4個矢量軸或6個伺服軸，而兩鼓成型機要實現主軸、鼓肩、內襯、輔鼓、傳遞環、后車徑向、后車軸向、后車擺轉動作需要8個伺服軸，因此Simotion D435控制器需進行擴展，通過外擴CU320模塊，單個Simotion D435控制器最多可控制64個伺服軸。具體情況為Simotion D435控制器帶動主軸、鼓肩兩個單軸模塊和內襯及輔鼓一個雙軸模塊；外擴CU320模塊帶動傳遞環和后車徑向、后車軸向和后車擺轉兩個雙軸模塊。為了實現Simotion D435控制器與S120伺服軸模塊間的數據交換，用專用的DRIVE-CLIQ連接線進行連接；為了獲取現場傳感器信號并對執行器進行控制，Simotion D435控制器通過自身的兩個DP總線接口，一個通過Profbus總線與分布式ET200M模塊進行通訊；另一個通過Profbus總線與擴展CU320模塊通訊，從而實現設備整體的協調控制和數據狀態交換。

3 監控軟件及通訊方式的實現

3.1 監控軟件及監控畫面的組成

本系統采用國產MCGS昆侖組態軟件，為了便于操作和實時監控，利用該軟件制作了1個主控界面（首界面）和10個子界面。

首界面如圖5所示，由“當前配方名稱顯示”“主鼓工步號”“工步名稱”“診斷”“注意事項”“伺服狀態”“輪胎個數統計”“當前時間”“畫面選擇按鈕”“操作提示”內容組成。其中“畫面選擇按鈕”包括“回零幫助”“用戶登錄”“用戶管理”“退出登陸”“安全布局”“就緒及參數修改”“配方”“退出運行”“重啟計算機”“關機”10個按鈕，分別關聯10個子界面。

圖5 主控界面示意

通過觸摸主界面底部的選擇按鈕進入下級子界面。如觸摸“就緒條件及參數”按鈕，會出現如圖6所示的“就緒條件及參數”子界面。

圖6 “就緒條件及參數”子界面示意

在“就緒條件及參數”子界面內，左側為主鼓就緒條件、主鼓就緒條件1、主鼓就緒條件2、輔鼓就緒條件、輔鼓就緒條件1、傳遞環條件、伺服開關狀態等11個就緒條件界面按鈕；右側為主鼓界面、主鼓燈標界面、輔鼓界面、輔鼓燈標界面等10個參數子界面按鈕，中間為8個電動機報警顯示；下方為兩個界面切換按鈕。在該界面中通過觸摸各按鈕進入相應界面，如觸摸“主鼓就緒條件”按鈕，進入下下級子界面。

從“主鼓就緒條件”子界面中，可了解到主鼓自動運轉時每步動作的邏輯條件是否滿足，每邏輯點前的小圓圈為黃色表示該條件滿足，灰色時表示不滿足，需查找原因，只有每個自動步下所有邏輯點前的小圓圈均為黃色時，該自動步動作才能執行，形象直觀，便于判斷故障。

3.2 監控主機與Simotion D435控制器的通訊

為了實現研華工控機與Simotion D435控制器的通訊，利用Simotion D435控制器上的兩個以太網口IE1和IE2，用網線將兩個以太網口與研華工控機的以太網口進行連接，并分別設好Simotion D435控制器和研華工控機網絡地址，即可實現二者的通訊。具體步驟如下。

（1）在研華工控機上安裝Siemens_Simatic_Net軟件，系統啟動后出現“Station Configurator”，打開Station Configurator界面，并將添加的“OPC Server”中的“IE General”地址設置成與Simotion D435控制器以太網口1E1/OP的IP地址相同的網段。

（2）在Simotion D435控制器上，利用SCOUT軟件在網絡組態中將Simotion D435控制器的以太網口1E2/NET網絡地址和研華工控機的IP地址設為同一網段，實現研華工控機與Simotion D435控制器的聯網。

通過以上兩步，安裝有MCGS昆侖組態軟件的研華工控機就建立了與Simotion D435控制器的通訊連接和數據交換，將設備的當前狀態通過工控機上的界面實時進行顯示，便于操作者和維修人員了解設備當前狀況。

4 結語

在全鋼載重子午線輪胎兩鼓成型機上使用Simotion D435控制器和S120伺服軸模塊組成的伺服控制系統取代S7-400PLC和611U伺服模塊構成的伺服控制系統，解決了原有兩鼓成型機控制系統的升級換代問題，通過新系統的模塊化結構、伺服控制、邏輯控制功能的應用，使成型機的控制系統更加緊湊，維護使用成本降低，成型動作控制和程序控制進一步優化。同時，為MCGS組態軟件在全鋼載重子午線輪胎兩鼓成型機上的應用積累了經驗。