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(tái)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(tái)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)豌研。隨著國家對(duì)不可再生資源的日益關(guān)注，提倡節(jié)約沈猜，在整個(gè)電線電纜行業(yè)淌璧，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)備奈炕，由此延伸出來的三聯(lián)拉等高端設(shè)備的潛在市場(chǎng)顯得非常巨大禽忧，張家港維達(dá)機(jī)械正是看到了這樣的商機(jī)，因此投入人力书尚、物力開始研發(fā)新型的三聯(lián)拉設(shè)備衙乡。在競(jìng)爭激烈的拉絲機(jī)市場(chǎng)，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)低廉沐刷，但是對(duì)于工藝條件要求嚴(yán)格的高端拉絲機(jī)箱歪，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(shì)验柴。

2 拉絲機(jī)工藝描述

　　拉絲機(jī)種類繁多揽膏，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）姊宗、中拉機(jī)（線徑單位：mm）歹朵、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，又可以分為水箱式撼泛、滑輪式挠说、直進(jìn)式等主要的幾種辩诞。對(duì)于不同要求，不同精度規(guī)則的產(chǎn)品纺涤，不同的金屬物料，可選擇不同規(guī)格的拉絲機(jī)械抠忘。而于鋼絲生產(chǎn)企業(yè)和高端絲材撩炊，針對(duì)材料特性，其精度要求和拉拔穩(wěn)定度高崎脉，因此使用直進(jìn)式拉絲機(jī)較多拧咳。盡管拉絲工藝不同，但其工作過程基本上可以劃分成放線囚灼、拉絲骆膝、收線等3部份工藝過程。

　　金屬絲的放線灶体，對(duì)于整個(gè)拉絲機(jī)環(huán)節(jié)來說阅签，其控制沒有過高的精度要求，大部分拉絲機(jī)械捧懈，放線的操作是通過變頻器驅(qū)動(dòng)放線架實(shí)現(xiàn)的列序，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)失叁，實(shí)現(xiàn)自由放線睹肝。拉絲環(huán)節(jié)是拉絲機(jī)最為重要的工作環(huán)節(jié)。不同金屬物料隐辟，不同的絲質(zhì)品種和要求画柜，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)栈碰。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)效率围杉，也是整個(gè)系統(tǒng)最難控制的部分。在收線部分寸颇，常用的控制技術(shù)有同步控制與張力控制實(shí)現(xiàn)金屬制品的收卷弄讥。

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)础健，拉出絲的線徑較粗（最大線徑14mm）谋啃，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(duì)于變頻器的低頻特性有較高的要求蹂喻。因此在做方案時(shí)選擇了使用B系列的變頻器葱椭，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)矩有明顯的提高口四。

　　三聯(lián)拉不同于傳統(tǒng)的拉絲機(jī)孵运，一般的拉絲機(jī)分為雙變頻和單變頻控制兩種秦陋。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治笨，將積分增益設(shè)置的大一些驳概，而積分周期要長一些，這樣控制效果會(huì)比較理想旷赖。而三聯(lián)拉分為兩級(jí)拉伸顺又，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等孵。當(dāng)主拉速度變化時(shí)稚照，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)俯萌，要求從拉及收線的要快速響應(yīng)果录，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。尤其是收線要更加要快速響應(yīng)轩苔。由于控制對(duì)象相互之間在速度上相互影響咖雀，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)到平衡械琴。積分作用的滯后叠凸，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)狰了，會(huì)出現(xiàn)擺桿回到平衡位置的時(shí)間較長滨鼠，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)有較大的差異乐标，又造成超過平衡位置捶臂，此時(shí)后一級(jí)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姚损，可能絲就已經(jīng)被拉斷了赎躲。因此需要一種新的控制算法，要能夠快速響應(yīng)主速的變化紊徊，同時(shí)不能夠超調(diào)肴熏，造成系統(tǒng)的震蕩。具體的控制算法在下文進(jìn)行詳細(xì)的介紹及說明顷窒。

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)蛙吏。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)

（2）控制算法設(shè)計(jì)鞋吉。根據(jù)實(shí)際控制對(duì)象的特性鸦做，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)整泼诱，因?yàn)榇罄瓩C(jī)械設(shè)計(jì)上與微拉坛掠、小拉、中拉有很大的不同治筒。前者收線都存在卷徑的變化屉栓，由卷徑的變化而影響速度。而大拉的收線部分不同于前者耸袜，可以忽略卷徑的變化系瓢。算法如下公式所示：

V從拉=K1*V主拉+Kf1*ΔE1 (1)
V收線=K2*V從拉+Kf2*ΔE2 (2)

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)辣摘。

Kf1, Kf2分別為反饋比例系數(shù)，ΔE1荡将，ΔE2為偏離平衡位置的偏差涵群，偏差有正負(fù)之分。

　　由于原料絲經(jīng)過不同孔徑的模具后您账，被拉成細(xì)線徑的絲盲拐。因此伸長率很大，如果對(duì)伸長部分不進(jìn)行處理爽附，在低速和高速的時(shí)候号均，從拉及收線是來不及響應(yīng)的。如何確定K1與K2的大小蝗淡，可以通過原料絲與被拉后絲的體積不變的原則來計(jì)算易震。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)的確定方法避顶。因?yàn)轶w積V=πr²L(r為絲的半徑烈瑰，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)生了變化蟋软。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镶摘，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)過模具后被拉長了岳守，伸長的系數(shù)K= L2/ L1= r1²/ r2²

經(jīng)過這樣的推導(dǎo)凄敢，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湿痢、Kf2的確定是依據(jù)具體的調(diào)試效果來確定涝缝。

3.3 臺(tái)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蒙袍。 
                                                                                                       

表1 硬件選型

（2）PLC—變頻器電氣設(shè)計(jì)俊卤。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位消恍。另外選用DVP02DA-S的模塊岂昭，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狠怨。而主機(jī)上自帶的2路DA约啊，分別作為主拉變頻、從拉變頻的速度給定秫玉。另外2路AD則分別作為2路電位器的反饋輸入瘫笋，參見圖4。這樣不僅僅能夠?yàn)榭蛻艄?jié)省大幅的成本耀到，同時(shí)安裝尺寸也非常小锨堵，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)試過程中莲吐，不僅要合理的調(diào)整反饋比例系數(shù)粟墩。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稠眠〔一保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)要出更多的力碱暗，即主拉在低速啟動(dòng)時(shí)需要較高的轉(zhuǎn)距瘤褒，如果僅僅單純的去調(diào)試PLC程序，改變反饋比例系數(shù)杖户，在拉不同線徑的絲時(shí)悲组，控制的效果一定是會(huì)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)包归。其實(shí)只要將主拉的V/F曲線調(diào)整的合理擅编，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)出力不足的情況箫踩。

　　如果主拉的控制方式采用矢量控制爱态，在負(fù)載較重的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)平衡桿頻繁震蕩境钟。

　　如果觀察運(yùn)行電流锦担，會(huì)發(fā)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行電流忽大忽小，之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況的原因是由于采用矢量控制時(shí)慨削，變頻的輸出電流會(huì)進(jìn)行補(bǔ)償洞渔，以提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。而電流改變的太頻繁缚态，會(huì)造成上述的現(xiàn)象磁椒，如何解決堤瘤？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)象浆熔。這一點(diǎn)是非常關(guān)鍵的本辐。

　　整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行中可以分啟動(dòng)、加速矢匾、減速懂崭、停車過程。啟動(dòng)要求主拉具有較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩区戚，在拉最大線徑時(shí)也要能有足夠的力量处淘。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挣堪，同時(shí)也能及時(shí)的對(duì)平衡桿的變化響應(yīng)出來栈眉。收線在加速的過程中，加速時(shí)間要比從拉更小豁惨，因?yàn)槭站€要更加快速的對(duì)主拉或從拉速度的變化進(jìn)行快速響應(yīng)直呈。在減速和停車的過程中，也要合理的對(duì)主拉翰鬓、從拉、收線的減速時(shí)間進(jìn)行設(shè)定惋涌。以保證在停車時(shí)平衡桿能夠停在平衡位置附近坟翠。

5 結(jié)束語

　　基于臺(tái)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)腰素、加速聘裁、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)弓千。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)衡便。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洋访。同步比例系數(shù)自動(dòng)調(diào)整镣陕，非常靈活。

作者簡介
李強(qiáng)男 （臺(tái)達(dá)）機(jī)電產(chǎn)品高級(jí)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)軟件姻政、數(shù)據(jù)庫呆抑、人機(jī)、PLC汁展、變頻器鹊碍、伺服、直流調(diào)速食绿、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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