張貴生 周孟然 朱艷娜 劉衛(wèi)國

（1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232001；2.安徽理工大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

調(diào)諧輥式拉絲機鋼絲從第一個?？状┻^后，經(jīng)調(diào)諧輥、導(dǎo)輪，進入第二個?？祝来沃貜?fù)最后到達收線結(jié)構(gòu)[1-2]，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[3]，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?？刂撇糠钟晌鏖T子公司的觸摸屏TP170A、S7-400PLC、國產(chǎn)變頻器以及傳感器等組成。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，既節(jié)約了成本，又滿足了系統(tǒng)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)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成簡圖

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[4-5]。系統(tǒng)以高性能S7-400PLC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、線速度顯示和盤重計算等，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)。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。

從增加穩(wěn)定性方面考慮，輔助給定的限幅值越小越好，但同時又會削弱系統(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)廠家都采用PROFIBUS接口。本系統(tǒng)采用的是PROFIBUS-DP通訊，這是一種具有高速廉價特性的通信鏈，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。

西門子S7-400PLC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

本拉絲機控制系統(tǒng)以西門子S7-400PLC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，改進后的拉絲機在現(xiàn)場的運行使用中，穩(wěn)定可靠，各項指標均符合要求。另外，由于變頻調(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。

［1］盧燕,羅青華,魏克新,等.高爐熱風(fēng)爐監(jiān)控系統(tǒng)[J].電氣傳動,2008,6:48-51.

［2］續(xù)明進.直進式拉絲機張力控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化,2010,29(6):24-25.

［3］杜金城.電氣變頻調(diào)速設(shè)計技術(shù)[M].中國電力出版社,2008.

［4］廖常初.S7300/400PLC應(yīng)用教程[M].機械工業(yè)出版社,2012,1.

［5］續(xù)明進.直進式拉絲機張力控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化,2007,29(6).