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行了改進?，F(xiàn)將改進情況簡介如下。

1 改進前膠條寬度檢測和控制

1.1 檢測和控制原理

改進前胎面纏繞機膠條寬度檢測（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機頭壓力、螺桿轉(zhuǎn)速、膠條寬度等數(shù)據(jù)進行計算，對壓型輥進行速度控制，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

改進后胎面纏繞機膠條寬度檢測采用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光量；攝像機與支架連接，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 運行界面

視覺傳感器通過以太網(wǎng)與AB PLC 1756-L71進行通訊，因此采用RSlogix5000軟件進行組態(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)點位置，以得出最后結(jié)論。M的小數(shù)點移動方法為：如果E為負(fù)數(shù)，小數(shù)點向左移動E個位值；如果E為整數(shù)，小數(shù)點向右移動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，還必須對擠出機壓力、溫度、口型形狀進行分析和調(diào)控，才能更好提高胎面纏繞膠條寬度的精度。