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中達(dá)電通公司 上海機(jī)電業(yè)務(wù)處 李 強(qiáng)
摘 要：在介紹拉絲機(jī)原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論基于PLC平臺的高端金屬拉絲機(jī)電氣自動(dòng)化主控系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。
關(guān)鍵字：臺達(dá) PLC 變頻器 三聯(lián)拉絲機(jī)
1 引言
金屬絲材是最基本最常用的金屬深加工制品。生產(chǎn)金屬絲材的金屬拉拔機(jī)械簡稱拉絲機(jī)。隨著國家對不可再生資源的日益關(guān)注，提倡節(jié)約，在整個(gè)電線電纜行業(yè)，越來越多的廠家開始嘗試開發(fā)新型的生產(chǎn)設(shè)備，如銅包鋁設(shè)備，由此延伸出來的三聯(lián)拉等高端設(shè)備的潛在市場顯得非常巨大，張家港維達(dá)機(jī)械正是看到了這樣的商機(jī)，因此投入人力、物力開始研發(fā)新型的三聯(lián)拉設(shè)備。在競爭激烈的拉絲機(jī)市場，單片機(jī)開發(fā)的專用控制器以及拉絲機(jī)專用變頻器系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單造價(jià)低廉，但是對于工藝條件要求嚴(yán)格的高端拉絲機(jī)，由觸摸屏、PLC與變頻器系統(tǒng)集成的方案具有更加優(yōu)秀的自動(dòng)控制技術(shù)優(yōu)勢。
2 拉絲機(jī)工藝描述
拉絲機(jī)種類繁多，按照拉絲的線徑大小可以分為：微拉機(jī)（線徑單位：絲）、小拉機(jī)（線徑單位：0.Xmm）、中拉機(jī)（線徑單位：mm）、大拉機(jī)（線徑單位：1X mm）從拉絲機(jī)內(nèi)部控制方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)來說，又可以分為水箱式、滑輪式、直進(jìn)式等主要的幾種。對于不同要求，不同精度規(guī)則的產(chǎn)品，不同的金屬物料，可選擇不同規(guī)格的拉絲機(jī)械。而于鋼絲生產(chǎn)企業(yè)和高端絲材，針對材料特性，其精度要求和拉拔穩(wěn)定度高，因此使用直進(jìn)式拉絲機(jī)較多。盡管拉絲工藝不同，但其工作過程基本上可以劃分成放線、拉絲、收線等3部份工藝過程。
金屬絲的放線，對于整個(gè)拉絲機(jī)環(huán)節(jié)來說，其控制沒有過高的精度要求，大部分拉絲機(jī)械，放線的操作是通過變頻器驅(qū)動(dòng)放線架實(shí)現(xiàn)的，但也有部分雙變頻控制的拉絲機(jī)械，甚至直接通過拉絲環(huán)節(jié)的絲線張力牽伸送進(jìn)拉絲機(jī)，實(shí)現(xiàn)自由放線。拉絲環(huán)節(jié)是拉絲機(jī)最為重要的工作環(huán)節(jié)。不同金屬物料，不同的絲質(zhì)品種和要求，拉絲環(huán)節(jié)有很大的不同，本文將詳細(xì)分析設(shè)計(jì)直進(jìn)式拉絲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。收線環(huán)節(jié)的工作速度決定了整個(gè)拉絲機(jī)械的生產(chǎn)效率，也是整個(gè)系統(tǒng)最難控制的部分。在收線部分，常用的控制技術(shù)有同步控制與張力控制實(shí)現(xiàn)金屬制品的收卷。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 直進(jìn)式三聯(lián)拉絲機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
直進(jìn)式三聯(lián)拉絲機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)框圖參見圖1。
圖1直進(jìn)式三聯(lián)拉絲機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)框圖
三聯(lián)拉屬于大型拉絲機(jī)，拉出絲的線徑較粗（最大線徑14mm），因此需要電機(jī)在低頻啟動(dòng)時(shí)要能提供足夠大的輸出轉(zhuǎn)矩。這樣對于變頻器的低頻特性有較高的要求。因此在做方案時(shí)選擇了使用B系列的變頻器，矢量控制能較普通變頻器在低頻控制時(shí)，讓電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有明顯的提高。
三聯(lián)拉不同于傳統(tǒng)的拉絲機(jī)，一般的拉絲機(jī)分為雙變頻和單變頻控制兩種。因此在控制上只要PID參數(shù)在調(diào)試的過程當(dāng)中能夠合理設(shè)置，讓收線的速度通過積分的作用跟隨拉絲的速度，將積分增益設(shè)置的大一些，而積分周期要長一些，這樣控制效果會比較理想。而三聯(lián)拉分為兩級拉伸，從拉的速度跟隨主拉的速度，同時(shí)收線的速度要快速跟隨從拉的速度。當(dāng)主拉速度變化時(shí)，從拉及收線的速度要跟隨主拉的速度同升同降，并且由于主拉加減速打破了之前的平衡狀態(tài)，要求從拉及收線的要快速響應(yīng)，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。尤其是收線要更加要快速響應(yīng)。由于控制對象相互之間在速度上相互影響，因此在應(yīng)用普通拉絲機(jī)的控制方法，使用簡單的PID調(diào)整就很難使得從拉和收線達(dá)到平衡。積分作用的滯后，同時(shí)平衡桿可調(diào)節(jié)的范圍又比較小，如果不能快速響應(yīng)，會出現(xiàn)擺桿回到平衡位置的時(shí)間較長，同時(shí)在回到平衡位置后，由于積分的累計(jì)使得前后速度已經(jīng)有較大的差異，又造成超過平衡位置，此時(shí)后一級又需要經(jīng)過一段時(shí)間的積分作用才能將速度校正過來，但由于積分作用的滯后使得還未將平衡桿校正過來，可能絲就已經(jīng)被拉斷了。因此需要一種新的控制算法，要能夠快速響應(yīng)主速的變化，同時(shí)不能夠超調(diào)，造成系統(tǒng)的震蕩。具體的控制算法在下文進(jìn)行詳細(xì)的介紹及說明。
3.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計(jì)
（1）系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如
（2）控制算法設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際控制對象的特性，要求快速響應(yīng)，同時(shí)調(diào)節(jié)范圍有限。因此考慮用比例的關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)榇罄瓩C(jī)械設(shè)計(jì)上與微拉、小拉、中拉有很大的不同。前者收線都存在卷徑的變化，由卷徑的變化而影響速度。而大拉的收線部分不同于前者，可以忽略卷徑的變化。算法如下公式所示：
其中K1為主拉與從拉之間的同步比例系數(shù)，K2為從拉與收線之間的同步比例系數(shù)。
Kf1, Kf2分別為反饋比例系數(shù)，ΔE1，ΔE2為偏離平衡位置的偏差，偏差有正負(fù)之分。
由于原料絲經(jīng)過不同孔徑的模具后，被拉成細(xì)線徑的絲。因此伸長率很大，如果對伸長部分不進(jìn)行處理，在低速和高速的時(shí)候，從拉及收線是來不及響應(yīng)的。如何確定K1與K2的大小，可以通過原料絲與被拉后絲的體積不變的原則來計(jì)算。因此在人機(jī)界面上由操作者在圖3畫面進(jìn)行設(shè)定。
圖3 同步比例系數(shù)設(shè)定畫面
（3）同步比例系數(shù)的確定方法。因?yàn)轶w積V=πr2L(r為絲的半徑，L為絲的長度)，因此從原料絲到經(jīng)過模具后絲的線徑發(fā)生了變化。假設(shè)進(jìn)模具前的線徑為r1,長度為L1;經(jīng)過模具后絲的線徑為r2,長度為L2，則根據(jù)體積不變的原則可以得出：
因此：r12L1= r22L2，即原料絲經(jīng)過模具后被拉長了，伸長的系數(shù)K= L2/ L1= r12/ r22
經(jīng)過這樣的推導(dǎo)，就可以得出在前面控制算法中（1）,(2)兩式中同步比例系數(shù)K1、K2.
反饋比例系數(shù)Kf1、Kf2的確定是依據(jù)具體的調(diào)試效果來確定。
3.3 臺達(dá)機(jī)電產(chǎn)品應(yīng)用設(shè)計(jì)
（1）硬件構(gòu)成。硬件構(gòu)成參見表1。
表1 硬件選型
（2）PLC-變頻器電氣設(shè)計(jì)。在配置上選用比較有特色的DVP10SX00R的主機(jī)，該主機(jī)上自帶2路模擬量輸入和2路模擬量輸出，解析度12位。另外選用DVP02DA-S的模塊，一路作為兩個(gè)平衡桿電位器的電源，另外一路作為收線變頻器的速度給定。而主機(jī)上自帶的2路DA，分別作為主拉變頻、從拉變頻的速度給定。另外2路AD則分別作為2路電位器的反饋輸入，參見圖4。這樣不僅僅能夠?yàn)榭蛻艄?jié)省大幅的成本，同時(shí)安裝尺寸也非常小，節(jié)省了安裝空間。
圖4 PLC電控設(shè)計(jì)
4 系統(tǒng)調(diào)試
在整個(gè)調(diào)試過程中，不僅要合理的調(diào)整反饋比例系數(shù)。同時(shí)也要注意主拉、從拉在正常運(yùn)行過程中出力的不同。可以想象由于原料絲的線徑最粗，即第一道拉伸主拉電機(jī)要出更多的力，即主拉在低速啟動(dòng)時(shí)需要較高的轉(zhuǎn)距，如果僅僅單純的去調(diào)試PLC程序，改變反饋比例系數(shù)，在拉不同線徑的絲時(shí)，控制的效果一定是會發(fā)生變化的。我們不可能要求操作人員去動(dòng)態(tài)的調(diào)整反饋比例系數(shù)。其實(shí)只要將主拉的V/F曲線調(diào)整的合理，提高低速轉(zhuǎn)距或者根據(jù)實(shí)際情況還可以將主拉變頻的控制方式改成矢量控制，來彌補(bǔ)低速運(yùn)行時(shí)出力不足的情況。
如果主拉的控制方式采用矢量控制，在負(fù)載較重的時(shí)候，會發(fā)現(xiàn)平衡桿頻繁震蕩。
如果觀察運(yùn)行電流，會發(fā)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行電流忽大忽小，之所以會出現(xiàn)這種情況的原因是由于采用矢量控制時(shí)，變頻的輸出電流會進(jìn)行補(bǔ)償，以提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。而電流改變的太頻繁，會造成上述的現(xiàn)象，如何解決？可以增大轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)屯V波時(shí)間，增大該值可以非常有效的克服振動(dòng)的現(xiàn)象。這一點(diǎn)是非常關(guān)鍵的。
整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行中可以分啟動(dòng)、加速、減速、停車過程。啟動(dòng)要求主拉具有較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在拉最大線徑時(shí)也要能有足夠的力量。在加速的過程中需要從拉的加速時(shí)間要小于主拉的加速時(shí)間，目的是為了快速跟隨主拉速度的變化，同時(shí)也能及時(shí)的對平衡桿的變化響應(yīng)出來。收線在加速的過程中，加速時(shí)間要比從拉更小，因?yàn)槭站�要更加快速的對主拉或從拉速度的變化進(jìn)行快速響應(yīng)。在減速和停車的過程中，也要合理的對主拉、從拉、收線的減速時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。以保證在停車時(shí)平衡桿能夠停在平衡位置附近。
5 結(jié)束語
基于臺達(dá)機(jī)電技術(shù)的三聯(lián)直進(jìn)式金屬拉絲機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)投入試車運(yùn)行。系統(tǒng)啟動(dòng)、加速、減速、停止的動(dòng)態(tài)過程實(shí)際效果達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)。平衡桿始終在平衡位置上下很小的一個(gè)范圍內(nèi)輕微的擺動(dòng)。本套系統(tǒng)區(qū)別于其它系統(tǒng)，能夠自動(dòng)調(diào)整線徑的變化造成的伸長率的變化。同步比例系數(shù)自動(dòng)調(diào)整，非常靈活。
作者簡介
李 強(qiáng) 男 （臺達(dá)）機(jī)電產(chǎn)品高級技術(shù)支持工程師（FAE） 工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)方向 在組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)庫、人機(jī)、PLC、變頻器、伺服、直流調(diào)速、溫控等自動(dòng)化產(chǎn)品的系統(tǒng)集成和項(xiàng)目開發(fā)領(lǐng)域具有豐富的電氣成套設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)
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