CN113650261A - 钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法及控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法及控制***，该控制***用于实施本方法，本方法包括采集橡胶的压力值，并对采集的压力值进行修正，得出压力反馈值；获取牵引速度，并将压力反馈值和设定值进行比较，计算压力差值，采用PID算法根据牵引速度和压力差值进行压力闭环计算，得出挤出螺杆转速调节值；根据覆胶量和出胶量，计算挤出螺杆转速理论值；基于挤出螺杆转速理论值与挤出螺杆转速调节值之和，作为挤出螺杆转速设定值，对挤出橡胶压力进行稳定调节。避免钢丝露铜或覆胶薄，提高轮胎的性能；减少因覆胶问题造成的钢丝及橡胶等原材料的浪费。

Description

钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法及控制***

技术领域

本发明涉及轮胎钢丝圈缠绕挤出覆胶技术领域，尤其涉及一种钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法及控制***。

背景技术

钢丝圈缠绕机钢丝由牵引机从挤出机拉出，钢丝在通过挤出机充满橡胶的机头时覆上一层胶，覆胶的质量好坏，对钢丝圈的影响较大，钢丝覆胶薄时，钢丝之间黏性小，钢丝圈成型后容易散圈，钢丝覆胶厚时，钢丝覆胶后直径变大，缠绕的钢丝圈排列会不整齐、乱丝，两种情况都会造成原材料的大量浪费。

另外，当挤出机以恒定速度旋转时，在余胶口产生余胶，会造成大量的返回胶，对返回胶的后期处理造成了人力和资源上的浪费。

工业控制中对于过程控制常常用到PID算法实现稳定输出，PID都需要根据实际具体情况设定参数；对于差值，如果变化太快，比例系数，就降低一点。如果静态误差大 ，调节积分系数。如果超调较大，用微分调节进行提前修正。由此达到稳定输出，但是，在本行业中，要解决挤出机稳定出胶的问题，常常以缠绕机的转速作为反馈值，将出胶压力作为调节值，直接调节，调解结果收效不大，压力输出不够稳定，因此，如何将成熟的PID算法应用到钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定中，成为急需解决的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法，

改善轮胎钢丝圈的钢丝覆胶质量，避免挤出机供胶不足钢丝漏铜，或压力过大，造成覆胶过厚，减少返回胶。

为了实现上述目的，本发明的一种钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法，包括如下步骤：

S1、采集橡胶的压力值，并对采集的压力值进行修正，得出压力反馈值；

S2、获取牵引速度，并将压力反馈值和设定值进行比较，计算压力差值，采用PID算法根据牵引速度和压力差值进行压力闭环计算，得出挤出螺杆转速调节值；

S3、根据覆胶量和出胶量，计算挤出螺杆转速理论值；

S4、基于挤出螺杆转速理论值与挤出螺杆转速调节值之和，作为挤出螺杆转速设定值，对挤出橡胶压力进行稳定调节。

进一步优选的，在S1中，所述对采集的压力值进行修正，采用如下公式：

F1=35*(Fd-4000)/16000；

其中，Fd为采集的橡胶的压力值，F1为压力反馈值。

进一步优选的，在S3中，所述覆胶量采用如下公式计算得出：

V1=n*π（D²-r²）*v₁*t；

其中，V1为钢丝的覆胶量，n为钢丝的根数，r为钢丝半径，D为钢丝半径覆胶后的半径，v₁为钢丝牵引速度，单位：m/分，t为钢丝拉出时间。

进一步优选的，在S3中，所述出胶量采用如下公式计算得出：

V2= k*v₂*t

其中，t为挤出机挤出时间，k为每转出胶量为常数，v₂为挤出机的挤出速度。

进一步优选的，在S3中，挤出螺杆转速理论值，采用如下方法计算得出：

根据理想状态下，钢丝覆胶量等于挤出机的出胶量，按照下式，计算挤出螺杆转速理论值；

v₂=n*π（D²-r²）*v₁/k；

其中，v₂为挤出机的挤出速度。

进一步优选的，在S2中，所述挤出螺杆转速调节值，采用如下方法进行计算：

计算压力反馈值和设定值的压力差值；

根据所述压力差值和牵引速度，调整PID的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd；

根据调整后的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，得出挤出螺杆转速调节值。

本发明还提供一种钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制***，用于实施上述控制方法，包括牵引装置、挤出机、压力传感器以及PLC控制器，所述压力传感器用于采集橡胶的压力值；

所述牵引装置用于根据设定的牵引速度，牵引覆胶的钢丝从挤出机的机头中拉出；

所述挤出机利用挤出螺杆，将橡胶从挤出机机头挤出，对钢丝覆胶；

所述PLC控制器用于对采集的压力值进行修正，得出压力反馈值，将压力反馈值和设定值进行比较，采用PID算法进行压力闭环计算，得出挤出螺杆转速调节值，根据覆胶量和出胶量，计算挤出螺杆转速理论值；

基于挤出螺杆转速理论值与挤出螺杆转速调节值之和，作为挤出螺杆转速设定值，对挤出橡胶压力进行稳定调节。

进一步优选的，还包括导开装置，所述导开装置与牵引装置夹持钢丝两端，导开装置用于把成卷的钢丝从工字轮上释放出来。

进一步优选的，所述PLC控制器包括人机交互模块，所述人机交互模块用于输入的参数，至少包括以下几种：牵引装置的牵引速度、压力设定值、钢丝根数。

进一步优选的，所述PLC控制器与牵引装置、挤出机、压力传感器以及导开装置，采用以太网组网方式进行数据通信，所述PLC控制器中设置牵引装置变频器、挤出机变频器以及导开装置变频器和压力传感器的IP地址，通过访问各个IP地址获取数据。

本申请公开的钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法及控制***，相比于现有技术至少具有以下优点：

1、本发明提供的钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法及控制***，通过采集橡胶压力以及牵引速度，采用PID算法根据牵引速度和压力差值进行压力闭环计算，得出挤出螺杆转速调节值；对挤出橡胶压力进行稳定调节。避免钢丝露铜或覆胶薄，提高轮胎的性能；减少因覆胶问题造成的钢丝及橡胶等原材料的浪费；

2、本发明提供的钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法及控制***，通过挤出螺杆转速理论值与挤出螺杆转速调节值相结合，调整挤出橡胶压力，达到设备运行中虽然牵引速度变化，但压力反馈值趋近于压力设定值，压力反馈值稳定、上下浮动较小的效果；实现了挤出机以稳定压力供胶，将解决产生大量返回胶问题，同时可以减少因处理返回胶而造成的人力和资源上的浪费；同样工况下，降低了操作工喂胶的频次，提高了操作舒适度。

附图说明

图1为本发明钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法的流程示意图；

图2为本发明钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制***的结构示意图；

图3为本发明钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制***的原理示意图；

图4为本发明钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法和***的具体实施例的流程图；

图5为本发明提供实施例中压力修正算法原理图；

图6为本发明提供实施例中覆胶量算法原理图。

图中：

1、牵引装置；2、挤出机机头；3、第一钢丝；4、第二钢丝；5、第三钢丝；6、导开装置；7、压力传感器；8、模拟量输入模块；9、挤出机变频器电机；10、挤出机螺杆。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的一种钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法，包括如下步骤：

S1、采集橡胶的压力值，并对采集的压力值进行修正，得出压力反馈值；

S2、获取牵引速度，并将压力反馈值和设定值进行比较，计算压力差值，采用PID算法根据牵引速度和压力差值进行压力闭环计算，得出挤出螺杆转速调节值；

S3、根据覆胶量和出胶量，计算挤出螺杆转速理论值；

S4、基于挤出螺杆转速理论值与挤出螺杆转速调节值之和，作为挤出螺杆转速设定值，对挤出橡胶压力进行稳定调节。

如图5所示，在S1中，所述对采集的压力值进行修正，采用如下公式：

F1=35*(Fd-4000)/16000；（公式1）

其中，Fd为采集的橡胶的压力值，F1为压力反馈值。

如图6所示，在S3中，所述覆胶量采用如下公式计算得出：

V1=n*π（D²-r²）*v₁*t；（公式2）

其中，V1为钢丝的覆胶量，n为钢丝的根数，r为钢丝半径，D为钢丝半径覆胶后的半径，v₁为钢丝牵引速度，单位：m/分，t为钢丝拉出时间。

需要说明的是，在公式2中，n根钢丝间的间距需要满足的条件是：n根钢丝间的间距大于D-r。

所述出胶量采用如下公式计算得出：

V2= k*v₂*t；（公式3）

其中，t为挤出机挤出时间，k为每转出胶量为常数，v₂为挤出机的挤出速度。

根据理想状态下，钢丝覆胶量等于挤出机的出胶量，按照下式，计算挤出螺杆转速理论值；

v₂=n*π（D²-r²）*v₁/k；（公式4）其中，v₂为挤出机的挤出速度。

在S2中，所述挤出螺杆转速调节值，采用如下方法进行计算：

计算压力反馈值和设定值的压力差值；

根据所述压力差值和牵引速度，调整PID的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd；

根据调整后的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，得出挤出螺杆转速调节值。

如图2所示，本发明还提供一种钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制***，用于实施上述方法，包括牵引装置1、挤出机、压力传感器7以及PLC控制器，所述压力传感器7用于采集橡胶的压力值；

所述牵引装置1用于根据设定的牵引速度，牵引覆胶的钢丝从挤出机机头2中拉出；

在本申请中，牵引装置是由变频器驱动的变频电机和储存架构成。

所述挤出机利用挤出螺杆，将橡胶从挤出机机头2挤出，对钢丝覆胶；挤出机内部是有型的腔体，腔体内容纳橡胶。本示例出示了3根钢丝，钢丝直径一般是0.96～2.00mm之间。

压力传感器7，该传感器是通过探头薄膜形变检测橡胶的压力，输出4～20mA信号，量程0～35MPa；模拟量输入模块8，该模块功能是把压力传感器的模拟量信号转换为数字量信号；挤出机变频器电机9，该电机功能是输出动力，通过减速机传递驱动挤出机螺杆转动；挤出机螺杆10，该装置的功能是把橡胶从喂胶口挤压到挤出机机头。

所述PLC控制器用于对采集的压力值进行修正，得出压力反馈值，将压力反馈值和设定值进行比较，采用PID算法进行压力闭环计算，得出挤出螺杆转速调节值，根据覆胶量和出胶量，计算挤出螺杆转速理论值；基于挤出螺杆转速理论值与挤出螺杆转速调节值之和，作为挤出螺杆转速设定值，对挤出橡胶压力进行稳定调节。

进一步优选的，还包括导开装置6，所述导开装置6与牵引装置1夹持钢丝两端，导开装置用于把成卷的钢丝从工字轮上释放出来。

牵引装置1把第一钢丝3、第二钢丝4、第三钢丝5（可以是更多根钢丝）从挤出机机头2拉出，导开装置6根据牵引装置1的速度导出钢丝，挤出机变频器电机9根据PLC计算速度值进行旋转，电机驱动挤出机螺杆10旋转，挤出机螺杆10把橡胶从喂料口挤到挤出机机头2，从而使通过机头的钢丝覆上橡胶。

进一步优选的，所述PLC控制器包括人机交互模块，所述人机交互模块用于输入的参数，至少包括以下几种：牵引装置的牵引速度、压力设定值、钢丝根数。

进一步优选的，所述PLC控制器与牵引装置、挤出机、压力传感器以及导开装置，采用以太网组网方式进行数据通信，所述PLC控制器中设置牵引装置变频器、挤出机变频器以及导开装置变频器和压力传感器的IP地址，通过访问各个IP地址获取数据。

如图3所示，通过PLC控制器的人机交互模块、PLC控制器的控制模块、牵引变频器、导开变频器、挤出变频器、牵引变频电机、导开变频电机、挤出变频电机、模拟量输入模块、压力传感器组合形成电气控制***，人机界面输入牵引速度和压力设定值，PLC通过牵引速度和压力设定反馈值进行PID计算，计算出的结果给挤出机变频速度设定，从而使机头压力在生产中保持稳定，解决钢丝覆胶不稳定问题。

如图3-图4所示，本发明和***提供的一个具体实施例中，按照如下方法进行流程细化说明。

S1.设计电气硬件。具体的，根据实现压力稳定的功能需求，进行对电气硬件的选型，变频器根据电机功率选择，人机界面和PLC可以选择常规品牌及型号，压力传感选择电流4～20mA输出，可以抑制干扰，并具备断线检测功能，模拟量输入模块选择电流型。

S2.编辑人机参数画面，在人机界面上添加压力闭环选择按钮、压力设定值对话框、钢丝根数设定对话框、牵引速度设定对话框。

S3、创建PLC变量标签，根据人机界面的需求在PLC中创建变量标签，压力闭环选择按钮标签、压力设定值标签、钢丝根数设定标签、牵引速度设定标签。

S4、关联人机界面变量，在人机界面组态软件中建立和PLC的链接定义，然后对画面中每一个变量进行关联。

S5、组态变频程序，变频器可以多种通信方式，本例采用以太网方式，设定牵引变频（可以多个变频器）、挤出机变频器、导开变频器（可以是多个变频器）等各变频器IP地址，通过PLC添加各个变频，可以在线或离线根据需要修改变频器参数，重点要关注牵引和挤出变频的加减速时间，挤出变频加减速时间要小于牵引变频的加减速时间。

S6、编制PLC程序，包括对如下参数进行编程

1、压力传感器模拟量模块的组态（不同的信号或模块组态稍有不同），压力传感器7模拟量信号线接到模拟量模块上，4～20mA在模块中对应数字量4000～20000，数字滤波设定10ms，实时采样周期设定100ms，在PLC中是压力反馈数字量值Fd表示。压力反馈实际工程值F1表示，F1和Fd对应的数学表达式：

F1=35*(Fd-4000)/16000；（同公式1）

2、钢丝的覆胶量V1，钢丝的根数n，钢丝半径r，覆胶后的半径D，钢丝牵引速度m/分为v₁，拉出时间为t，数学表达式为：

V1=n*π（D²-r²）*v₁*t；（同公式2）

需要说明的是， n根钢丝间的间距需要满足的条件是：n根钢丝间的间距大于D-r。

3、挤出机螺杆的出胶量V2，螺杆转速rpm为v₂，挤出时间为t，每转出胶量为常数k，数学表达式为：V2=k*v₂*t；（同公式3）

4、理论上如果覆胶量=出胶量V1=V2，那么我们就可以计算出螺杆转速:v₂=n*π（D²-r²）*v₁/k（同公式4）。

实际挤出机的运行比较复杂，橡胶的配方、喂料口结构、螺杆结构、挤出机机筒温度等对出胶量都有影响，要保持挤出机头橡胶的压力，需要增加压力传感器对橡胶进行压力检测，压力的反馈值和设定值进行比较，进行闭环控制，压力闭环计算的调节值叠加挤出螺杆理论转速值，输出给挤出机变频器的速度设定值；挤出机的转速调节值为v₃，压力 PID调节数值有正负值，当反馈压力大于设定压力时，v₃为负值，当反馈压力小于设定压力时，v₃为正值；挤出机调整后的输出转速表达式为：v=v₂+v₃。PLC把挤出机螺杆速度v值转换成变频器对应标程数值，给到挤出机的变频器速度设定地址。

S7、调整PID参数。程序编制完成下载到PLC，进行负载测试，观察压力设定值和压力反馈值的差距，调整PID的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，达到设备运行中虽然牵引速度变化，但压力反馈值趋近于压力设定值，压力反馈值稳定、上下浮动较小的效果。

Kp调节：即时成比例地反应控制***的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。当偏差e=0时，控制作用也为0。因此，比例控制是基于偏差进行调节的，即有差调节。

Ki调节：能对误差进行记忆，主要用于消除静差，提高***的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。

Kd调节：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在***中引入一个有效的早期修正信号，从而加快***的动作速度，减小调节时间。

在实际调试过程中，根据实际具体情况设定参数，当差值较大时，调节比例系数Kp，使差值逐渐缩小，维持在稳定的范围内，但是单独调节Kp，会出现压力抖动的现象，因此，需要观察静态误差，如果静态误差大，调节积分系数；进一步，如果超调较大，用微分调节进行提前修正，由此保证挤出机，挤出橡胶的压力稳定输出。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采集橡胶的压力值，并对采集的压力值进行修正，得出压力反馈值；

S2、获取牵引速度，并将压力反馈值和设定值进行比较，计算压力差值，采用PID算法根据牵引速度和压力差值进行压力闭环计算，得出挤出螺杆转速调节值；

S3、根据覆胶量和出胶量，计算挤出螺杆转速理论值；

S4、基于挤出螺杆转速理论值与挤出螺杆转速调节值之和，作为挤出螺杆转速设定值，对挤出橡胶压力进行稳定调节。

2.根据权利要求1所述的钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法，其特征在于，在S1中，所述对采集的压力值进行修正，采用如下公式：

F1=35*(Fd-4000)/16000；

其中，Fd为采集的橡胶的压力值，F1为压力反馈值。

3.根据权利要求1所述的钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法，其特征在于，在S3中，所述覆胶量采用如下公式计算得出：

V1=n*π（D²-r²）*v₁*t；

其中，V1为钢丝的覆胶量，n为钢丝的根数，r为钢丝半径，D为钢丝半径覆胶后的半径，v₁为钢丝牵引速度，单位：m/分，t为钢丝拉出时间。

4.根据权利要求3所述的钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法，其特征在于，在S3中，所述出胶量采用如下公式计算得出：

V2= k*v₂*t

其中，t为挤出机挤出时间，k为每转出胶量为常数，v₂为挤出机的挤出速度。

5.根据权利要求4所述的钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法，其特征在于，在S3中，挤出螺杆转速理论值，采用如下方法计算得出：

根据理想状态下，钢丝覆胶量等于挤出机的出胶量，按照下式，计算挤出螺杆转速理论值；

v₂=n*π（D²-r²）*v₁/k

其中，v₂为挤出机的挤出速度。

6.根据权利要求1所述的钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制方法，其特征在于，在S2中，所述挤出螺杆转速调节值，采用如下方法进行计算：

计算压力反馈值和设定值的压力差值；

根据所述压力差值和牵引速度，调整PID的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd；

根据调整后的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，得出挤出螺杆转速调节值。

7.一种钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制***，其特征在于，用于实施上述权利要求1-6中任意一项所述的控制方法，包括牵引装置、挤出机、压力传感器以及PLC控制器，所述压力传感器用于采集橡胶的压力值；

所述牵引装置用于根据设定的牵引速度，牵引覆胶的钢丝从挤出机的机头中拉出；

所述挤出机利用挤出螺杆，将橡胶从挤出机机头挤出，对钢丝覆胶；

所述PLC控制器用于对采集的压力值进行修正，得出压力反馈值，将压力反馈值和设定值进行比较，采用PID算法进行压力闭环计算，得出挤出螺杆转速调节值，根据覆胶量和出胶量，计算挤出螺杆转速理论值；

基于挤出螺杆转速理论值与挤出螺杆转速调节值之和，作为挤出螺杆转速设定值，对挤出橡胶压力进行稳定调节。

8.根据权利要求7所述的钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制***，其特征在于，还包括导开装置，所述导开装置与牵引装置夹持钢丝两端，导开装置用于把成卷的钢丝从工字轮上释放出来。

9.根据权利要求7所述的钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制***，其特征在于，所述PLC控制器包括人机交互模块，所述人机交互模块用于输入的参数，至少包括以下几种：牵引装置的牵引速度、压力设定值、钢丝根数。

10.根据权利要求7所述的钢丝圈缠绕机挤出橡胶压力稳定的控制***，其特征在于，所述PLC控制器与牵引装置、挤出机、压力传感器以及导开装置，采用以太网组网方式进行数据通信，所述PLC控制器中设置牵引装置变频器、挤出机变频器以及导开装置变频器和压力传感器的IP地址，通过访问各个IP地址获取数据。

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