熊經(jīng)先 ，顏君波 ，黎聯(lián)杰

（1.桂林電器科學研究院有限公司，廣西桂林 541004；2.桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

引言

銀基合金絲材因其規(guī)則的外形、良好的加工性、優(yōu)異的電性能而被廣泛應用于電觸頭領域的鉚釘觸頭制造[1]。目前銀基合金絲材的加工制造主要生產(chǎn)過程是多次退火配合過模拉拔達到相應的線徑尺寸，生產(chǎn)中面臨主要問題是在過模拉拔過程中因應力急劇變化而造成絲材斷裂和多次退火導致生產(chǎn)周期過長效率低。絲材在線退火熱拉拔工藝[2]是目前使用比較廣泛的銀基合金絲材熱拉拔生產(chǎn)工藝，特別是接觸式電流加熱[3]在線退火熱拉拔工藝因其良好的可加熱性、簡潔操作性以及顯著的節(jié)能性而被廣泛應用。

目前行業(yè)里傳統(tǒng)的接觸式電流加熱熱拉拔設備在控制系統(tǒng)原理上比較簡單，主要由一些簡單的交流接觸器、中間繼電器、時間繼電器、電位器、變頻器、加熱器、開關以及按鈕等組成，能夠滿足無精度或低精度要求的在線加熱，但在加熱過程中經(jīng)常會因為加熱控制系統(tǒng)不穩(wěn)定、絲材滑絲、斷絲、拉拔速度改變等因素造成絲材過加熱燒斷或者欠加熱拉斷，操作者需要重新進行絲材軋頭和穿模工作，耗費了大量時間；同時因為加熱系統(tǒng)缺少足夠檢測反饋信號和缺少精確控制算法，導致絲材不能夠在工藝要求的參數(shù)范圍內(nèi)進行生產(chǎn)，造成產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較差。隨著對產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性要求不斷提高，研究如何通過機構(gòu)改進、增加傳感器檢測、改進控制算法等手段實現(xiàn)生產(chǎn)過程可控化、生產(chǎn)參數(shù)可追溯、異常報警自動處理等功能的電流加熱在線退火控制系統(tǒng)成為相關企業(yè)研究的重點。

針對上述問題，本研究設計了一種基于西門子PLC控制器的PID電流加熱穩(wěn)定控制系統(tǒng)[4]，通過硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的設計，利用相關傳感器實時檢測以及檢測信號實時反饋輸入到PLC進行PID運算控制相關執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)定的加熱控制，解決傳統(tǒng)接觸式電流加熱拉拔控制系統(tǒng)存在的缺陷。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理分析

本研究提出的基于西門子PLC控制器的PID電流加熱穩(wěn)定控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示，絲材由放線機構(gòu)經(jīng)過校直機構(gòu)進入導電機構(gòu)，再穿過過模模具進入拉拔系統(tǒng)的收卷滾筒；在觸摸屏上設定待熱拉拔的產(chǎn)品工藝參數(shù)，啟動熱拉拔系統(tǒng)。熱拉拔啟動后，系統(tǒng)會自動采集速度檢測裝置的編碼器信號、缺料檢測裝置信號、電壓傳感器信號、電流傳感器信號、溫度傳感器信號、變頻器信號并傳送到PLC中作為PID控制參數(shù)進行PID運算控制，PID控制輸出信號對加熱控制器、絲材拉拔速度控制器聯(lián)動控制，使絲材保持在穩(wěn)定的加熱范圍內(nèi)，實現(xiàn)絲材加熱過程的穩(wěn)定性，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)原理圖

1.1 拉拔系統(tǒng)

在熱拉拔工藝中，拉拔速度對絲材質(zhì)量穩(wěn)定性有很重要影響，絲材熱拉拔速度必須跟所選的對應規(guī)格熱拉拔工藝規(guī)定的拉拔速度相匹配，否則將出現(xiàn)因拉拔速度波動而造成產(chǎn)品性能異常。拉拔速度通過變頻器控制，變頻器的控制方式為模擬量矢量控制，經(jīng)PID運算后得到控制變頻器速度的信號從PLC模擬量輸出模塊輸入到變頻器的模擬量輸入模塊，精準的控制電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)穩(wěn)定的熱拉拔速度。

1.2 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)是給絲材加熱的執(zhí)行機構(gòu)，主要由導電機構(gòu)、輸電傳送電纜、電壓檢測傳感器、電流檢測傳感器、壓力檢測傳感器、溫度傳感器、絲材速度檢測裝置、過模模具、防震動機構(gòu)、加熱控制器組成，加熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可實時監(jiān)控性并能實時調(diào)控性是實現(xiàn)絲材穩(wěn)定加熱的關鍵。電壓檢測傳感器用于檢測絲材兩端加熱電壓，電流傳感器是用于檢測絲材加熱電流大小，壓力檢測傳感器和防震機構(gòu)主要是用于防止絲材跟電極接觸不良；加熱控制器主要用于接收從控制系統(tǒng)輸入的PID控制信號并把電能由電纜傳到導電機構(gòu)，實現(xiàn)絲材電流加熱。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是用于接收外部傳感器信號、與HMI界面交互、算法、程序開發(fā)執(zhí)行、輸出控制變頻器、控制加熱控制器、控制外部執(zhí)行元件的系統(tǒng)，是加熱系統(tǒng)能夠精準穩(wěn)定運行的核心。這套控制系統(tǒng)開發(fā)的核心是基于傳感器反饋的PID運算[6]算法。原理是根據(jù)電流產(chǎn)生熱量公式Q=UIt,熱量Q作為目標值，通過PID運算后控制執(zhí)行元件，實現(xiàn)對U、I、t三個關鍵參數(shù)的動態(tài)控制，保證Q的動態(tài)平衡。PID控制原理圖如圖2所示。

圖2 PID控制原理

2 接觸式電流加熱穩(wěn)定控制系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)的硬件部分主要由PLC、觸摸屏、變頻器、絲材速度檢測裝置、絲材缺料檢測傳感器、加熱調(diào)控器組成。PLC選用西門子1200系列，CPU型號為1212CDC/DC/DC，此模塊自帶8輸入/8輸出的數(shù)字信號接口，2路八位模擬輸入信號,根據(jù)PLC與變頻器、編碼器、電壓傳感器、以及相關控制功能需求，增加一個SM1223的PLC數(shù)字量輸入輸出模塊和一個SM1234模擬量輸入輸出模塊，PLC通過模擬量輸出模塊把PI運算輸出信號輸入到變頻器的模擬輸入模塊，實現(xiàn)對變頻器速度控制；將絲材速度檢測裝置的高精度編碼器信號輸入到PLC的CPU模塊設定的高速計數(shù)輸入接口，通過PLC程序轉(zhuǎn)換后顯示到觸摸屏同時作為PID運算控制的重要參數(shù)。將電壓檢測裝置的0～10 V信號和電流檢測裝置的0～20 mA信號輸入到增加的模擬量模塊的輸入接口，經(jīng)過PLC內(nèi)部程序轉(zhuǎn)換后顯示到觸摸屏同時作為PID運算控制的重要參數(shù)；絲材缺料檢測傳感器使用電感式接近開關，24VDC直流開關量信號輸出。觸摸屏使用威綸通KT8071ip，通過PRO‐FINET通訊接口與PLC交互信號。變頻器選用型號為MD380的18 kW重載變頻器。其總控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)的軟件設計主要是PLC程序設計和觸摸屏頁面程序設計[7]。PLC主程序主要包括PID參數(shù)數(shù)據(jù)采集、PID運算控制程序設計、PID輸出控制程序設計、輸出控制功能設計、缺料檢測報警動作設計、系統(tǒng)參數(shù)初始化。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

觸摸屏的程序設計主要是人機交互的界面開發(fā)，設計實時絲材速度顯示、速度控制設定、電壓、電流、溫度顯示、加熱系統(tǒng)功率輸出顯示、斷絲報警、缺料報警、報警日志顯示、PID調(diào)整參數(shù)輸入文本框等功能，同時還需要設計能夠?qū)崿F(xiàn)觸摸屏控整個熱拉拔系統(tǒng)手動執(zhí)行元件以及自動運行及停止功能；設計不同材料及不同規(guī)格設置相應的參數(shù)輸入的文本框，設計產(chǎn)品工藝參數(shù)庫；在生產(chǎn)前調(diào)取產(chǎn)品所需的生產(chǎn)工藝，進行生產(chǎn)的自動化控制。

3 結(jié)論

設計了基于西門子PLC控制器的PID電流加熱穩(wěn)定控制系統(tǒng)，并通過PLC、觸摸屏、變頻器、相關傳感器的綜合運用，實現(xiàn)了對絲材熱拉拔過程電流加熱的自動穩(wěn)定控制，滿足了絲材熱拉拔的工藝需求，提高了產(chǎn)品穩(wěn)定性。絲材電流加熱穩(wěn)定控制系統(tǒng)的運用有效提高了銀基合金絲熱拉拔的自動化程度和生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。