張智永

【摘 要】調(diào)諧輥式拉絲機是近代拉絲設(shè)備中較先進的一種，本文介紹了由人機界面、S7-400 PLC、變頻器構(gòu)成的拉絲機控制系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)設(shè)計，采用輔助給定限幅跟隨實際需要限幅值同步變化的限幅方式克服了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與自適應(yīng)性相互矛盾的問題。上位機與PLC及變頻器之間采用PROFIBUS網(wǎng)通訊方式，減少了接線增加了控制的靈活性。實踐證明，運用變頻調(diào)速技術(shù)對舊拉絲機升級改造，操作更方便，提高了生產(chǎn)過程的自動化控制水平和設(shè)備操作運行的可靠性。

【關(guān)鍵詞】調(diào)諧輥式拉絲機；S7-400PLC；變頻器；PROFIBUS

0 引言

調(diào)諧輥式拉絲機鋼絲從第一個模孔穿過后，經(jīng)過調(diào)諧輥、導(dǎo)輪、進入第二個?？?。依次重復(fù)最后到達收線結(jié)構(gòu)。其具有自動調(diào)節(jié)各卷筒轉(zhuǎn)速以適應(yīng)各道次拉絲模在拉拔中不均勻磨損的特點。當(dāng)相鄰兩道次的拉絲模磨損不均勻后，相鄰兩卷筒的鋼絲變得松弛或更加張緊，致使恒力作用下的調(diào)諧輥位置發(fā)生變化，位移傳感器將調(diào)諧輥位置的變化轉(zhuǎn)換成變頻器驅(qū)動變頻電機頻率的變化，從而調(diào)整變頻電機轉(zhuǎn)速，使相鄰卷筒達到自動調(diào)協(xié)轉(zhuǎn)速的目的。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，八個卷筒將鋼絲逐級拉伸拉細，每個卷筒均由一臺電機牽引，每臺電機又由各自變頻器單獨驅(qū)動。控制部分由西門子公司的觸摸屏TP170A、S4-300 PLC，以及國產(chǎn)變頻器、傳感器等組成。采用高性能的S7-400 PLC控制器，使系統(tǒng)具有較快的數(shù)據(jù)處理能力和較大的程序存儲能力，滿足系統(tǒng)復(fù)雜的控制要求。通過人機接口設(shè)置工藝參數(shù)及控制指令使系統(tǒng)自動運行成為可能。高性能國產(chǎn)MD320變頻器，具有輸出力矩大、穩(wěn)速精度高、動態(tài)特性卓越的特點，即節(jié)約了成本，又滿足系統(tǒng)的需求。人機界面與基礎(chǔ)自動化級PLC之間采用PROFIBUS網(wǎng)連接，基礎(chǔ)自動化級PLC與變頻器采用PROFIBUS網(wǎng)或模擬量與數(shù)字量連接，減少了接線增加控制的靈活性。傳感器動態(tài)檢測調(diào)諧輥的位置，通過過程PID控制，調(diào)整變頻器的輸出頻率，使相鄰卷筒轉(zhuǎn)速自動調(diào)協(xié)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電機的同步控制

直進式拉絲機各個電機需全程同步，并且對動態(tài)響應(yīng)的快速性要求較高。系統(tǒng)以高性能S7-400 PLC為控制核心，PLC從觸摸屏“工藝設(shè)置”子畫面中讀取拉絲工藝信息，根據(jù)拉絲機各道次金屬秒流量相等的原則自動計算出各級的主速度，適時傳送至變頻器來完成電機的同步。

2.2 人機界面設(shè)計

選用友好的嵌入式觸摸屏作為人機界面。畫面的結(jié)構(gòu)以啟動畫面為中心，啟動畫面由若干個子畫面組成。子畫面包括“工藝設(shè)置”、“選罐”、“線速度顯示”、“盤重計算”等，由啟動畫面以彈出窗口的方式調(diào)用。拉絲工藝的設(shè)置、選罐的操作、線速度的顯示等功能均在子畫面中實現(xiàn)。為了保護觸摸屏，啟動、停止、升、降速這些頻繁操作以按鈕的形式實現(xiàn)。

2.3 調(diào)諧輥過程PID控制

調(diào)諧輥連接傳感器檢測鋼絲的位置，將位置信號轉(zhuǎn)換為0—10V的電壓信號，作為調(diào)諧輥過程PID的反饋輸入；一般設(shè)定調(diào)諧輥機械行程的中間位置為調(diào)諧輥過程PID的目標量。目標量和反饋量的誤差經(jīng)過PID運算以及限幅后作為變頻器的輔助給定，調(diào)整變頻器的輸出頻率，使相鄰卷筒轉(zhuǎn)速自動調(diào)協(xié)。其控制框圖如圖2所示。輔助給定的限幅一般比較小，其限幅值通常是以最高頻率為基準并且固定不變的，假定最高頻率為50Hz，幅度為6%合適，則輔助給定的范圍為±3Hz，輔助給定限幅值與運行頻率及最高頻率的關(guān)系見下表1。

從增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性這個方面來考慮，輔助給定的限幅值越小越好，但輔助給定限幅值的減少會削弱系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，過度的減少輔助給定限幅值會導(dǎo)致拉絲機在高速運行時因輔助給定補償值不夠而松線或斷線；從增強系統(tǒng)的自適應(yīng)能力這個方面來考慮，輔助給定的參與量大一些好，但輔助給定參與量的增加會導(dǎo)致系統(tǒng)低速及啟動階段運行的穩(wěn)定性降低。本系統(tǒng)采用的是輔助給定的限幅值相對于主給定的限幅方式，限幅比例為35%，當(dāng)主給定為50Hz時輔助給定限幅值為±17.5Hz；主給定為3Hz時輔助給定限幅值為±1.05Hz，小于±3Hz運行平穩(wěn)。

2.4 PROFIBUS 現(xiàn)場總線通訊

PROFIBUS是一種開放式的現(xiàn)場總線標準。目前世界上許多自動化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供PROFIBUS接口。其中PROFIBUS-DP 為經(jīng)過優(yōu)化的高速廉價的通信鏈，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備分散I/O之間通信設(shè)計，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)采用的是PROFIBUS-DP通訊。

西門子S7-400 PLC選用313C-2DP CPU，含有兩個PROFIBUS通信口，首先使用STEP7V5.3編程軟件對PLC進行硬件組態(tài)（觸摸屏無需硬件組態(tài)），增加一個PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，PLC為主站、變頻器為從站，設(shè)置PROFIBUS站的地址和傳輸速率并下載到PLC中，實現(xiàn)PLC 與觸摸屏、變頻器的數(shù)據(jù)交換。

2.5 變頻器控制

變頻器的控制方式為無速度傳感器矢量控制，矢量控制的優(yōu)良控制性能，需要準確的電機參數(shù)，準確的參數(shù)辨識來源于電機額定參數(shù)的正確設(shè)置。為保證變頻器的動態(tài)控制性能，需選擇旋轉(zhuǎn)調(diào)諧（電機自動調(diào)諧），旋轉(zhuǎn)調(diào)諧時電機必須和負載脫開（空載）。通過設(shè)定速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分，可以調(diào)節(jié)矢量控制的速度動態(tài)響應(yīng)特性。增加比例增益，減小積分時間，均可加快速度環(huán)的動態(tài)特性。比例增益過大或積分時間過小均可能使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。

3 結(jié)論

變頻調(diào)速系統(tǒng)存在大量的電磁噪聲，它對系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生干擾，可以通過增加濾波器、電抗器以及采用屏蔽電纜線和良好的接地等措施來解決。

拉絲機控制系統(tǒng)以西門子S7-400 PLC為控制核心，采用變頻器速度環(huán)不同的PI參數(shù)線性切換功能，并使速度輔助調(diào)節(jié)的限幅值隨主給定同比例變化，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性的要求，拉絲機自安裝并改進后運行至今，穩(wěn)定可靠，達到設(shè)計要求。

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[責(zé)任編輯：湯靜]