CN113858568B

CN113858568B - 胶条宽度闭环控制方法及控制装置

Info

Publication number: CN113858568B
Application number: CN202111184317.1A
Authority: CN
Inventors: 门喜德; 张晓辰
Original assignee: Tianjin Saixiang Technology Co Ltd
Current assignee: Tianjin Saixiang Technology Co Ltd
Priority date: 2021-10-12
Filing date: 2021-10-12
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-10-12
Also published as: CN113858568A

Abstract

本发明公开了一种胶条宽度闭环控制方法及控制装置。该方法包括获取胶条的实时宽度值；分时读取所述实时宽度值，设定定时中断进行PID计算，计算挤出机和压型辊之间的实际速比值，并将得出的实际速比值与预设标准速比值相比较；根据实际速比值与预设标准速比值的差值，调整压型辊的压型速度；再次采集胶条的实时宽度值，并重复上述步骤实现胶条宽度闭环控制。该装置用于实施上述方法，采用实时获取胶条宽度，分时读取胶条宽度值，采用定时中断根据胶条宽度值判断压型/挤出速比值是否符合预设的标准值，对压型辊进行调整，控制出胶压型胶条的拉伸/堆积，从而控制胶条宽度稳定。

Description

胶条宽度闭环控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及轮胎制造技术领域，尤其涉及胶条宽度闭环控制方法及控制装置。

背景技术

轮胎在生产制造中，由于对高端胎断面拼接精度要求提高，及巨型轮胎特殊部件无法一次挤出成型的需求，需要对轮胎进行仿形缠绕，在缠绕中为了保证缠绕尺寸和重量稳定性的保障，需要精确控制缠绕胶条的断面，因压型辊压出胶条呈现特殊的梯形，胶条的拉伸角度，检测和控制胶条的宽度数据，即可对胶条断面进行相关映射。由于在不同拉扯力下，胶条受力会产生抖动和形变，对整个缠绕断面尺寸存在诸多不确定性，以往测量和控制装置，复杂度高，算法复杂，对于外界条件限制较多，在实际使用中受到很大制约。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种胶条宽度闭环控制方法及控制装置，采用实时获取胶条宽度，分时读取胶条宽度值，采用定时中断根据胶条宽度值判断压型/挤出速比值是否符合预设的标准值，对压型辊进行调整，控制出胶压型胶条的拉伸/堆积，从而控制胶条宽度稳定。

如图1所示，本发明提供一种胶条宽度闭环控制方法，包括以下步骤：

S1、获取胶条的实时宽度值；

S2、分时读取所述实时宽度值，设定定时中断进行PID计算，计算挤出机和压型辊之间的实际速比值，并将得出的实际速比值与预设标准速比值相比较；所述预设标准速比值，通过以下步骤进行计算：

S201、获取以往胶条宽度值，以及每个以往胶条宽度值下对应的挤出机和压型辊速度；

S202、在某一胶条宽度值下，以挤出机速率作为横轴，压型辊速率作为纵轴，根据不同挤出机速率下，速比值变化趋势，绘制挤出机和压型辊速度比线性拟合曲线；

S203、采用PID算法，根据以往胶条宽度值设定波动范围，保持压型辊速度不变，绘制不同挤出机速率时，对应的速比值非线性拟合曲线，得出挤出机和压型辊的速比值，作为预设标准速比值；

S3、根据实际速比值与预设标准速比值的差值，调整压型辊的压型速度；

S4、再次采集胶条的实时宽度值，并重复上述步骤S2- S3，实现胶条宽度闭环控制。

进一步优选的，在S1中，获取胶条的实时宽度值时，包括以下步骤：

获取红外光源被胶条遮挡时，反射在反光板上的位置像素；

根据位置像素计算胶条的实时宽度值。

进一步优选的，根据实时宽度值计算挤出机和压型辊之间的实际速比值，包括以下步骤：

获取实时的胶条宽度值；

将S201中所有的以往胶条宽度值，对应的挤出机和压型辊的速比值，进行二次曲线拟合，根据二次曲线拟合形成的拟合曲线，得出胶条宽度值与速比值关系式。

进一步优选的，在S3中，所述的根据实际速比值与标准速比值的差值，调整压型辊的压型速度，包括以下步骤：

S301、根据获取的实时胶条宽度值，搜索实时胶条宽度值对应的预设标准速比值；

S302、将根据速比值关系式计算得出实际速比值与预设标准速比值进行比较，设定速比值为压型辊速度/挤出机速率，当实际速比值大于预设标准速比值时，保持挤出机的速率不变，调低压型辊速度；当实际速比值小于预设标准速比值时，保持挤出机的速率不变，调高压型辊速度；当实际速比值等于预设标准速比值时，保持挤出机的速率和压型辊速度不变。

本发明还提供一种胶条宽度闭环控制装置，用于实施上述控制方法，包括宽度测量装置、挤出机、压型辊、PLC控制器；

所述挤出机按照设定的速度匀速挤出胶料；

所述压型辊用于对挤出的胶料进行压型，形成胶条；

所述宽度测量装置用于采集胶条的实时宽度值；

所述PLC控制器用于分时读取所述实时宽度值，设定定时中断进行PID计算，计算挤出机和压型辊之间的实际速比值，并将得出的实际速比值与预设标准速比值相比较；根据实际速比值与预设标准速比值的差值，调整压型辊的压型速度。

进一步优选的，所述宽度测量装置包括红外测宽传感器和反光板；所述红外测宽传感器用于发射红外光，并获取红外光源被胶条遮挡时，反射在反光板上的位置像素。

进一步优选的，还包括胶条导向辊，所述胶条导向辊用于引导胶条平稳穿过宽度测量装置。

进一步优选的，所述胶条导向辊由上下平行固定的2个圆辊组成；上导向辊设置在压型辊的出料口，下导向辊设置在宽度测量装置处。

进一步优选的，所述压型辊根据所需形状，将胶料经过上面辊和下面辊压合而成；上面辊为带有反向开槽的梯形断面辊，下辊为平面辊。

本申请公开的胶条宽度闭环控制方法及控制装置，相比于现有技术，至少具有以下有益效果：

1、本发明提供的胶条宽度闭环控制方法及控制装置，采用实时获取胶条宽度，分时读取胶条宽度值，采用定时中断根据胶条宽度值判断压型/挤出速比值是否符合预设的标准值，对压型辊进行调整，控制出胶压型胶条的拉伸/堆积，从而控制胶条宽度稳定。

2、本发明提供的胶条宽度闭环控制方法及控制装置，可更稳定的采集和控制胶条宽度，相对实时PID调节可避免超调和信号干扰，在容易实现的测宽检测原器件基础上，增加闭环控制程序，可大大提高现有胶条稳定性从而提高整体缠绕断面形状和重量的精度。

3、本发明提供的胶条宽度闭环控制方法及控制装置，通过对压型辊和挤出机的速度进行曲线拟合，经过计算得出的压型/挤出速比值，实现了胶条宽度与压型/挤出速比值的准确联系，此方法可以扩展到不同胶条宽度的生产中，方法简单、便于推广应用。

附图说明

图1为本发明的胶条宽度闭环控制方法流程示意图。

图2为本发明的胶条宽度闭环控制装置结构示意图。

图3为本发明胶条宽度闭环控制方法中压型辊和挤出机的速率比拟合曲线示意图。

图4为本发明胶条宽度闭环控制方法中PID调节原理图。

图中：

1，压型辊；2，上导向辊；3，反光板；4，红外测宽传感器； 5，下导向辊。

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，一种胶条宽度闭环控制方法，包括以下步骤：

S1、获取胶条的实时宽度值；进一步，在S1中，获取胶条的宽度值时，包括以下步骤：获取红外光源被胶条遮挡，并反射在反光板上的位置像素；根据位置像素计算胶条宽度值，具体可以为，根据计数位置像素相对两个侧边之间的像素数量，即可作为胶条的实时宽度值，在本申请中采用红外测宽传感器直接输出测量信号的模拟量，将模拟量进行数字转换之后，即可直接得到胶条的实时宽度值。

S2、对所述实时宽度值，进行PID计算，计算挤出机和压型辊之间的实际速比值，并将得出的实际速比值与预设标准速比值相比较。

如图3所示，进一步在S2中，所述预设标准速比值，通过以下步骤进行计算：

S201、获取以往胶条宽度值，以及对应的挤出机和压型辊速度；

S202、在某一胶条宽度值下，以挤出机速率作为横轴，压型辊速率作为纵轴，根据不同挤出机速率下速比变化趋势，绘制挤出机和压型辊速度比线性拟合曲线；即图3所示曲线中的实线。

S203、采用PID算法，根据以往胶条宽度值设定波动范围，其中所有胶条宽度值波动范围为胶条宽度所容许的误差范围，例如当胶条宽度为14.95和15.05时，均对应胶条宽度值为15。保持压型辊速度不变，绘制不同挤出机速率时，对应的速比值非线性拟合曲线，得出挤出机和压型辊的速比值，作为预设标准速比值。

其中，保持压型辊速度不变，绘制不同挤出机速率时，对应的速比值非线性拟合曲线，采用如下方法：即当压型辊的速度为某一定值不变时，调整挤出机速率；当挤出机速率调整后，被压成型的胶条宽度值，符合设定的波动范围，此时该压型辊的速度值对应特定范围的挤出机速率值；调整该压型辊的速度值为另一定值时，再次调整挤出机速率，使得被压成型的胶条宽度值，符合设定的波动范围。重复以上步骤，直至所有压型辊速率值均能对应一定范围的挤出机速率值，按照工业需要调整横轴的挤出机速率变化梯度，将压型辊速率值对应的挤出机速率数值范围对应的区域缩小为点，连接成线，或者取挤出机速率数值范围的中间值，为数值点，连接成线；即可得到对应的速比值非线性拟合曲线，（图3中虚线为取中间值），得出该胶条宽度值波动范围下，挤出机和压型辊的速比值，作为预设标准速比值。

需要说明的是，由于胶条宽度值和挤出机与压型辊的速比值成比例对应关系，当胶条宽度值改变时，速比值随之改变，由于挤出机的排胶性能和转速不是严格的线性关系，因此，胶条宽度值实际是与速比值的范围成比例对应关系，而确定速比值的范围，则需要确定压型辊速度为某一定值时，挤出机速率变化范围，由此需要不断调整压型辊速度。因此，在设定拟合曲线时，首先需要测试挤出机和压型辊的近似线性速比值，即在此线性速比值下，挤出机挤出的胶料在压型后，不同的速度情况下，宽度处于较为均匀范围，此值需在有胶料的情况下测试，得到线性速比经验值，如图3所示，图中实线为首次线性拟合时的得到的线性速比值。由最后的宽度闭环程序运行胶条基本处于小范围波动或者稳定情况下，不同挤出机速率下速比变化，绘制出拟合曲线图中虚线为真实状态下非线性线速比。

例如在实际控制中，采集以往的胶条宽度值分别为15cm、16cm、17cm；由于胶条宽度值与速比值相关，以胶条宽度值为15cm时为例，此时，对应的压型辊速率为y1、挤出机速率为x1；或者压型辊速率为y2、挤出机速率为x2；只要保证速比值a

不变，胶条宽度值便不会发生变化；即

根据胶条宽度值为15cm时，对应的多个压型辊速率（y1，y2，y3，）和挤出机速率（x1，x2，x3，）绘制得出线性拟合曲线（图3中实线），此时曲线的斜率即为速比值。

由于挤出机的排胶性能和转速不是严格的线性关系，因此，当胶条宽度值为15时，如果压型辊速率y1，实际上挤出机速率为一个数值范围，即（）；因此保持每个压型辊速率y1，y2，y3，分别调整挤出机速率为（，，），取挤出机速率数值范围的中间值，为数值点，连接成线；即可得到对应的速比值非线性拟合曲线，（图3中虚线）计算非线性拟合曲线的斜率或曲率，作为预设标准速比值。

在进一步，根据所述宽度值计算挤出机和压型辊之间的实际速比值，包括以下步骤：

获取实时的胶条宽度值；

将S201中以往胶条宽度值中，以及所有胶条宽度值波动范围，对应的挤出机和压型辊的速比值，进行二次曲线拟合，根据拟合曲线得出胶条宽度值与速比值关系式；

对获取的实时的胶条宽度值，根据速比值关系式计算得出实际速比值。

根据上述步骤当胶条宽度值为15时，对应的速比值为a，当胶条宽度值为16时，对应的速比值为b，胶条宽度值为17时，对应的速比值为c；再次进行二次曲线拟合，根据拟合曲线得出胶条宽度值与速比值关系式。其中，所有胶条宽度值波动范围为胶条宽度所容许的误差范围，例如当胶条宽度为14.95和15.05时，均对应胶条宽度值为15。将获取的实时的胶条宽度值，带入速比值关系式即可计算得出实际速比值。

S3、根据实际速比值与标准速比值的差值，调整压型辊的压型速度；根据实际速比值与标准速比值的差值，调整压型辊的压型速度；包括以下步骤：

S4、再次采集胶条的宽度值，并重复上述步骤S2- S3，实现胶条宽度闭环控制。

例如，实时采集的胶条宽度为15cm，根据速比值关系式计算的出的实际速比值为3，查找胶条宽度值15cm对应的预设标准速比值为2.8，实际速比值小于预设标准速比值时，保持挤出机的速率不变，调高压型辊速度。若实际速比值等于预设标准速比值时，保持挤出机的速率和压型辊速度不变；若实际速比值大于预设标准速比值时，保持挤出机的速率不变，调低压型辊速度。实际上生产一种胶条时，胶条宽度一定，设定的预设标准速比值为定值，不需要反复查找。

如图2所示，本发明还提供一种胶条宽度闭环控制装置，用于实施上述控制方法，包括宽度测量装置、挤出机、压型辊、PLC控制器。

所述挤出机，经温控和螺杆作业将胶料通过口型板挤出一定形状的胶状体；按照设定的速度匀速挤出胶料；为便于胶料的均匀性，一般设定挤出机在某个区段处于相对恒速状态，因此挤出胶条形状控制由挤出机和压型辊的速度来拉伸来实现。

所述压型辊用于对挤出的胶料进行压型，形成胶条。

所述宽度测量装置用于采集胶条的宽度值；进一步，所述宽度测量装置包括红外测宽传感器和反光板；所述红外测宽传感器用于发射红外光并获取红外光源被胶条遮挡，并获取反射在反光板上的位置像素。

宽度测量装置使用的红外测宽传感器实际是红外线性扫描器，其原理是传感器发射的红外光源照射到反光板上，胶条材料放在传感器和反光板之间，传感器扫描阵列接收反射光进行分析，形成位置像素。此测宽装置精度要点在于，被侧物体需要相对静止或者平稳状态，在垂直于传感器和反光板的光线上，并且传感器、物料、反光板需按照要求进行设置，以保证测量有足够的视角和准确度。

传感器参数：

电源：电压15~28VDC，电流<=150mA ；模拟输出：4~20mA；宽度测量范围<=150mm；测量距离：200mm；分辨率：0.15mm；最小可检测材料1.2mm。

安装时，设定A为传感器到胶条距离，B为胶料到反光板距离，则GAP=A+B即传感器到反光板距离。GAP_MAX=A*1.2, B_MAX=A*0.2,即B/A最佳比例为0.2/1=1/5。

假设B=40mm,则A=5*40=200mm，反光板的最大范围为150mm，则按照200/240=X/150计算，X=125即可以检测125mm物体，但存在安装的左右偏移，实际测量范围要小，一般＜110mm，能满足需求。

传感器有定边、定中、宽度三种模式，本发明中使用的是宽度模式，即MOD=3，为便于对胶条像素计算，使用“黑像素总量”模式，即LED3、LEDL、LEDR三个灯处于常亮模式。

使用前需要进行胶条实际宽度的校准，拿已知宽度的标准薄校准板，使其上下与2个导向辊处于相切状态，两边处于测宽有效监测范围内，一般宽度在60-70接近胶条宽度为好，校准准确度最高。由PLC侧按照实际读出的模拟量数据，计算实际真实胶条宽度，用于对胶条宽度闭环控制的主要参数。

所述PLC控制器用于分时读取所述实时宽度值，设定定时中断进行PID计算，计算挤出机和压型辊之间的实际速比值，并将得出的实际速比值与预设标准速比值相比较；根据实际速比值与标准速比值的差值，调整压型辊的压型速度。

对于PLC数据分时读取:本发明PLC中采用电流型模拟量输入模块，对测宽传感器的信号进行分时读取，按照现有设计的最大线速度（例如：V=100m/min），压型到传感器距离（假设：L=500mm），采集间隔点数量（假设5个），来计算所需要采集的时间。即在至少L1=L/5=500/5=100mm距离内，需要采集一次宽度信号，采集时间=L1/V=100/(100*1000/60)=0.06s=60ms，即在排除压型对于胶料挤压的执行延迟等影响，采集时间间隔需小于60ms，因此设定AI模块采集频率为40-50ms为宜。

程序定时中断：由于PLC执行循环时间的不确定性，每次循环周期会受到执行程序的复杂程度不同，会有较大的差异，因此为避免在运算中由于***原因导致的调用计算问题，采用定时中断程序块，提高程序调用的优先级，当定时抵达时，优先计算和输出调整值，以保证程序的可靠性，由于计算间隔需与模块采集时间相匹配，因此定时中断时间40-50ms即可。

还包括滤波、数据计算处理：对于连续性运转胶条，由于存在单点测量的干扰及信号干扰等情况采集的数据。需要对采集数据进行滤波处理，即用于计算的胶条宽度需要波动量尽量小，因此对测宽数据进行均值计算。由于采集和程序都是定时的，按照压型线速度，计算压型到检测点之间的距离L所需时间来存储有效采集点的数据值，并将此数据值在计算压型数据前，进行均值计算，得到较为稳定的胶条宽度趋势值，利于速比计算。

数据计算：输入数据是经处理后的胶条宽度数据，使用PID运算，在中断程序中间歇性调用计算压型辊和挤出机的速比。根据图4，通过对PID使能和PID参数优化，是超调和波动尽量小，正常60-70mm胶条在挤出机恒速或者较为速度平缓变化时，宽度变化在±1-±2mm。

压型挤出速比控制：通过对压型驱动的间歇性速度变化控制，从而对胶条宽度进行影响，周期性的采集→控制→采集，行程胶条宽度的闭环***。

如图2所示，还包括胶条导向辊，所述胶条导向辊用于引导胶条平稳穿过宽度测量装置。进一步，所述胶条导向辊由上下平行固定的2个圆辊组成；上导向辊设置在压型辊的出料口，下导向辊设置在宽度测量装置处。所述压型辊根据所需形状，将胶料经过上面辊和下面辊压合而成；上面辊为带有反向开槽的梯形断面辊，下辊为平面辊。胶条处于两辊上，由于后部对胶条的拉伸作用，胶条在两个辊上处于绷直状态，只在左右有位移或者宽度变化，保证测量宽度时能真实反映形状变化。

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

1.一种胶条宽度闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取胶条的实时宽度值；

S203、采用PID算法，根据以往胶条宽度值设定波动范围，保持压型辊速度不变，绘制不同挤出机速率时，对应的速比值非线性拟合曲线，所述非线性拟合曲线按照以下方法绘制：当压型辊的速度为某一定值不变时，调整挤出机速率；使被压成型的胶条宽度值，符合设定的波动范围；调整压型辊的速度值为另一定值时，再次调整挤出机速率，使得被压成型的胶条宽度值，符合设定的波动范围；获取所有挤出机速率调整范围的中间值为数值点，连接成线，得到对应的速比值非线性拟合曲线；根据速比值非线性拟合曲线，得出挤出机和压型辊的速比值，作为预设标准速比值；

2.根据权利要求1所述的胶条宽度闭环控制方法，其特征在于，在S1中，获取胶条的实时宽度值时，包括以下步骤：

获取红外光源被胶条遮挡时，反射在反光板上的位置像素；

根据位置像素计算胶条的实时宽度值。

3.根据权利要求1所述的胶条宽度闭环控制方法，其特征在于，根据实时胶条宽度值计算挤出机和压型辊之间的实际速比值，包括以下步骤：

获取实时胶条宽度值；

将S201中所有的以往胶条宽度值，对应的挤出机和压型辊的速比值，进行二次曲线拟合，根据二次曲线拟合形成的拟合曲线，得出胶条宽度值与速比值关系式；

对获取的实时胶条宽度值，根据胶条宽度值与速比值关系式计算得出实际速比值。

4.根据权利要求3所述的胶条宽度闭环控制方法，其特征在于，在S3中，根据实际速比值与标准速比值的差值，调整压型辊的压型速度，包括以下步骤：

S301、获取的实时胶条宽度值和预设标准速比值；

S302、根据速比值关系式计算得出实时胶条宽度值对应的实际速比值，并与预设标准速比值进行比较，设定速比值为压型辊速度/挤出机速率，当实际速比值大于预设标准速比值时，保持挤出机的速率不变，调低压型辊速度；当实际速比值小于预设标准速比值时，保持挤出机的速率不变，调高压型辊速度；当实际速比值等于预设标准速比值时，保持挤出机的速率和压型辊速度不变。

5.一种胶条宽度闭环控制装置，用于实施权利要求1-4中任意一项所述的控制方法，包括宽度测量装置、挤出机、压型辊、PLC控制器；

所述挤出机按照设定的速度匀速挤出胶料；

所述压型辊用于对挤出的胶料进行压型，形成胶条；

所述宽度测量装置用于采集胶条的实时宽度值；

所述PLC控制器用于分时读取实时宽度值，设定定时中断进行PID计算，计算挤出机和压型辊之间的实际速比值，并将得出的实际速比值与预设标准速比值相比较；根据实际速比值与预设标准速比值的差值，调整压型辊的压型速度。

6.根据权利要求5所述的胶条宽度闭环控制装置，其特征在于，所述宽度测量装置包括红外测宽传感器和反光板；所述红外测宽传感器用于发射红外光，并获取红外光源被胶条遮挡时，反射在反光板上的位置像素。

7.根据权利要求5所述的胶条宽度闭环控制装置，其特征在于，还包括胶条导向辊，所述胶条导向辊用于引导胶条平稳穿过宽度测量装置。

8.根据权利要求7所述的胶条宽度闭环控制装置，其特征在于，所述胶条导向辊由上下平行固定的2个圆辊组成；上导向辊设置在压型辊的出料口，下导向辊设置在宽度测量装置处。

9.根据权利要求8所述的胶条宽度闭环控制装置，其特征在于，所述压型辊根据所需形状，将胶料经过上面辊和下面辊压合而成；上面辊为带有反向开槽的梯形断面辊，下辊为平面辊。