摘 要

伴随着子午线轮胎的诞生与发展，作为子午线轮胎的骨架材料，国内外工业领域对于钢帘线的需求不断升高。外绕工艺作为钢帘线生产中至关重要的一环，通过外绕机在钢帘线的外面紧密的均匀的缠绕一根外绕丝，这样就可以保证钢帘线不会出现松散的情况。目前，外绕机生产工艺仍然存在缺陷，生产效率和生产质量等方面仍差强人意。因此，设计一种更高效，更节约成本的外绕机控制系统是很必要的。

本文对外绕机的工艺流程和工作原理进行了分析；针对高速外绕机的具体控制要求对同步控制策略进行了研究，并对PID补偿方式和积分分离PID补偿方式进行了比较；对张力控制系统进行了分析；对卷径计算的几种常用方法进行了比较，并得到了最优的算法；对高速外绕机同步控制系统的硬件进行了设计，对PLC，变频器和触摸屏进行了选型和配置；对高速外绕机同步控制系统的软件进行了总体的设计，编写了具体的PLC程序，设计了触摸屏的画面；最后对本次设计进行了总结。

本文设计的高速外绕机同步控制系统与传统的外绕机控制系统相比，采用了同步控制策略，可以使钢帘线在外绕过程中线速度保持一致，提高了钢帘线的生产质量；与一般的外绕机相比，高速外绕机运行速度更快，提高了钢帘线的生产效率；从控制要求和成本两方面入手，选择了更适合的硬件配置，节约了生产成本；对人机交互界面进行了更人性化的设计，使操作人员能够更容易地使用触摸屏。

关键字：PLC；变频器；外绕机；同步控制

Abstract

With the birth and development of radial tire,as a skeleton material for radial tire, the demand for steel cord is increasing in the industrial field both on domestic and abroad.Outer winding process is one of the most important part of steel cord production .Winding a outer winding wire among the steel cord by outer winding machine,so you can ensure that the steel cord will never loose.At present, outer winding machine production process there are still some deficiencies, the production efficiency and production quality is still just passable.Therefore, it is very necessary to design a more efficient and cost saving outer winding machine control system.

In this paper, the process and working principle of the outer winding machine were analyzed;we research the synchronization control strategy with the specific control requirements for outer winding machine,comparing the PID compensation and integral separated PID compensation;tension control system was analyzed;several common coil diameter calculation method were compared, and obtain the optimal algorithm;the hardware of high-speed outer winding machine synchronous control system has been designed ,selecting the model of PLC, frequency converter and HMI;the overall software of the high-speed outer winding machine synchronous control system software for has been designed,writing the specific PLC program,and HMI screen was designed;at last,we summarizing the paper .

This design of high-speed outer winding machine synchronous control system compared with traditional outer winding machine control system using the synchronous control strategy that can make the line speed of steel cord keep equal in the process,improving the production quality of the steel cord;and compared to the general outer winding machine,high speed outer winding machine run faster that can improve the production efficiency of steel cord;we choose the better hardware with both control requirements and costs aspects,saving the cost of production;the more user-friendly designing of HMI screen allows the operator can use the HMI easier.

Key words: PLC;frequency converter；outer winding machine；synchronous control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究内容及结构安排 2

1.3.1 本文主要研究内容 2

1.3.2 本文结构安排 3

第2章 外绕机系统分析 4

2.1 外绕机简介 4

2.2 外绕机的工艺流程及工作原理 5

2.3 外绕机的控制系统 6

2.4 外绕机的驱动元件 6

2.5 本章小结 6

第3章 同步控制策略 7

3.1 同步控制策略简介 7

3.1.1 同步控制的目标 7

3.1.2 常用的同步控制方式 7

3.2 高速外绕机的同步控制 8

3.3 PID控制 9

3.3.1 常规PID控制 9

3.3.2 积分分离PID控制 11

3.4 张力控制系统 13

3.5 卷径计算 14

3.6 本章小结 15

第4章 高速外绕机同步控制系统硬件设计 16

4.1 系统硬件总体设计 16

4.2 PLC选型 16

4.3 变频器的选型 17

4.4 人机界面的选型 18

4.5 外绕机硬件电路设计 19

4.5.1 PLC中I/O口分配 19

4.5.2 PLC控制电路设计 21

4.5.3变频器控制电路设计 22

4.6 本章小结 23

第5章 高速外绕机同步控制系统软件设计 25

5.1 软件总体设计 25

5.2 PLC编程软件 25

5.3 PLC程序设计 26

5.3.1 整体程序设计 26

5.3.2 部分程序设计 27

5.4 人机交互界面设计 29

5.4.1 人机交互界面设计的原则 29

5.4.2 界面具体设计 30

5.5 本章小结 33

第6章 结论 35

参考文献 36

附录A：主回路系统图 38

附录B：控制原理图 39

附录C：外部接线图 40

致 谢 41

第1章 绪论

1.1 课题的背景及意义

钢帘线作为轮胎的骨架材料，广泛应用于子午线轮胎中。随着汽车工业的迅速发展，汽车对轮胎的技术性能要求越来越高，而子午线轮胎因其具有行驶安全、滚动阻力小、节油及耐磨性好等优点，已成为汽车轮胎发展的主流。到2011年，世界发达国家的子午化率接近100%，而中国仅为87.3%，轮胎的子午化率可以从侧面反应一个国家的工业水平^[１]。但正是由于钢帘线对于轮胎的重要性，钢帘线的质量要求极高，钢帘线的生产质量如果达不到标准，就会影响轮胎的整体性能。这也导致了钢帘线的生产难度大，生产效率也不高。

经过不停的学习和开发创新，国内的钢帘线生产水平不断提高，其生产设备也得到了长足的发展。捻制设备经过不断的改进，种类多样，性能良好。其发展历程包括管式捻股机，跳绳式捻股机，双捻股绳机等。其中管式捻股机由于其生产效率低，能耗高，自动化程度低已经被淘汰。跳绳式捻股机在前者的基础上做出了改进，但由于其不稳定性，在市场的占用率并不高。现如今，双捻股绳机由于其良好的性能已经成为了钢帘线生产的主要设备。然而，现如今的捻制设备并没有达到完美的程度，仍然存在着各种各样的问题，无论是生产质量，还是生产效率方面，还有待提高。