基于變頻器的拉絲機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、第一章緒論11 課題的背景。在國(guó)內(nèi)初期金屬制品行業(yè)的發(fā)展中，對(duì)于盤(pán)條的拉拔主要是應(yīng)用滑輪式拉絲機(jī)及活套式拉絲機(jī)，這種拉絲機(jī)拉拔的速度慢，拉拔道次少，主要是拉拔一 次，收卷一次，再拉拔一次，再收卷一次，以此循環(huán)。這種拉拔設(shè)備，速度慢， 鋼絲變形大，效率非常低下。后來(lái)從國(guó)外引進(jìn)了直進(jìn)式拉絲機(jī),這種直進(jìn)式拉絲設(shè)備拉拔速度快，多道次連續(xù)拉拔，各個(gè)道次速度張力協(xié)調(diào)工作，保證了高速高質(zhì)高效率。后來(lái)隨著交流傳動(dòng)技術(shù)的成熟和廣泛的應(yīng)用， 直進(jìn)式拉絲機(jī)過(guò)度到了交流電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)2。隨著這些年金屬制品行業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，各個(gè)金屬制品細(xì)分行業(yè)對(duì)直進(jìn)式拉絲機(jī)有著巨大的需求，市場(chǎng)增長(zhǎng)非?？?。在引進(jìn)國(guó)外的直進(jìn)式拉絲機(jī)設(shè)

2、備后，國(guó)內(nèi)的金屬制品設(shè)備企業(yè)對(duì)其進(jìn)行了艱苦的國(guó)產(chǎn)化過(guò)程，經(jīng)過(guò)十多年的技術(shù)發(fā)展，對(duì)直進(jìn)式拉絲機(jī)的機(jī)械和電控已經(jīng)完全消化，現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)的直進(jìn)式拉絲機(jī)完全達(dá)到了進(jìn)口的各項(xiàng)工藝數(shù)據(jù)，完全實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口替代，現(xiàn)在在這個(gè)行業(yè)中， 已經(jīng)很少再進(jìn)口國(guó)外的直進(jìn)式拉絲機(jī)設(shè)備。12 直進(jìn)式拉絲機(jī)介紹圖 1-1： 直進(jìn)式拉絲機(jī)實(shí)例圖直進(jìn)式拉絲機(jī)應(yīng)用于金屬制品行業(yè)中前道工藝?yán)飳?duì)粗口徑的鋼絲（直徑大 于 3mm）進(jìn)行直接多道次的拉拔處理成細(xì)口徑的鋼絲（直徑小于 3mm）的拉拔設(shè)備。如圖 1 展示了一個(gè)完整的直進(jìn)式拉絲機(jī)現(xiàn)場(chǎng)圖片。 首先盤(pán)條從放線設(shè)備一圈一圈的順序繞出然后進(jìn)入主要拉拔設(shè)備,拉拔設(shè)備主要是拉絲模具和卷筒構(gòu)成，盤(pán)條穿過(guò)

3、第一道拉絲模具然后再纏繞在第一道 卷筒上，經(jīng)過(guò)第一道卷筒拉拔鋼絲穿過(guò)第一道拉絲模具后較粗的鋼絲的直徑就 變成了與拉絲模具孔徑直徑一樣的鋼絲，然后穿過(guò)第二道拉絲模具后在纏繞在 第二道卷筒上，第二道拉絲模具的孔徑直徑比第一道孔徑直徑小，金屬絲經(jīng)過(guò) 第二道卷筒后從第二道拉絲模具出來(lái)的絲又會(huì)變細(xì)成與第二道拉絲?？讖街睆?一樣的金屬絲，這樣連續(xù)不斷的經(jīng)過(guò)多道次的拉拔，粗口徑的盤(pán)條就會(huì)變成細(xì) 口徑的金屬絲了。然后最后一道的成品鋼絲經(jīng)過(guò)排線設(shè)備后進(jìn)入工字輪收線設(shè) 備。工字輪根據(jù)設(shè)備事先設(shè)定好的記米長(zhǎng)度記米到成品鋼絲達(dá)到設(shè)定的長(zhǎng)度后 整個(gè)設(shè)備就減速停車，這時(shí)一個(gè)滿卷的工字輪就收滿拉好的成品金屬絲，待換 好空的

4、工字輪在收線設(shè)備上后又可重新起動(dòng)直進(jìn)式拉絲機(jī)開(kāi)始新的工作任務(wù)。 這就是直進(jìn)式拉絲機(jī)的工作全過(guò)程3。根據(jù)進(jìn)線和出線金屬絲的線徑不同又可以分為直進(jìn)式粗拉機(jī)和直進(jìn)式中拉 機(jī)，粗拉主要是將特粗絲（直徑大于 8mm）或粗絲（直徑大于 6mm）經(jīng)過(guò)多 道次拉拔拉成中絲（直徑大于 3mm），中拉主要是將中絲經(jīng)過(guò)多道次拉拔拉成 細(xì)絲（直徑小于 1.5mm）4。粗拉和中拉設(shè)備工藝原理基本一樣，電氣控制系 統(tǒng)的算法原理也基本一樣。經(jīng)過(guò)直進(jìn)式粗拉和直進(jìn)式中拉的多道次拉拔后，如 果還需要更進(jìn)一步拉拔成更細(xì)的鋼絲，需要用到別的拉絲設(shè)備，如水箱拉絲機(jī) 等，種類很多，不在這里細(xì)述。14 本設(shè)計(jì)的工作 本文詳細(xì)地描述了直進(jìn)式

5、拉絲機(jī)的機(jī)械構(gòu)造，各個(gè)機(jī)械部位的工作原理和相關(guān)工藝；詳細(xì)研究了直進(jìn)式拉絲機(jī)的基本物理公式,張力臂 PID 控制原理,各道次速度給定算法原理、速度修正算法原理和工字輪收線速度修正原理；設(shè)計(jì)了應(yīng)用于直進(jìn)式拉絲機(jī)的各個(gè)部位的電氣元件如 PLC、變頻器、觸摸屏等的 選型配置；設(shè)計(jì)了相應(yīng)的 PLC 控制程序如 PID 修正程序、速度給定計(jì)算程序以 及現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面（觸摸屏）；最后給出了現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)定的各種相關(guān)的數(shù)據(jù)、曲線以 及對(duì)于該曲線數(shù)據(jù)的分析計(jì)了應(yīng)用于直進(jìn)式拉絲機(jī)的各個(gè)部位的電氣元件如 PLC、變頻器、觸摸屏等的 選型配置；設(shè)計(jì)了相應(yīng)的 PLC 控制程序如 PID 修正程序、速度給定計(jì)算程序以 及現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)

6、界面（觸摸屏）；最后給出了現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)定的各種相關(guān)的數(shù)據(jù)、曲線以 及對(duì)于該曲線數(shù)據(jù)的分析第二章： 直進(jìn)式拉絲機(jī)的工作原理直進(jìn)式拉絲機(jī)是現(xiàn)代先進(jìn)的機(jī)電一體化設(shè)備，機(jī)械構(gòu)造復(fù)雜，各機(jī)械部件 協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)精度高，控制算法先進(jìn)，也要求現(xiàn)場(chǎng)最優(yōu)的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)值來(lái)使設(shè)備運(yùn)行 在最佳工藝狀態(tài)。本章詳細(xì)介紹了直進(jìn)式拉絲機(jī)的機(jī)械構(gòu)造、用于工藝控制的 物理公式、以后章節(jié)要用到的最基本的 PID 控制原理以及衡量工藝性能的最基 本的技術(shù)指標(biāo)。21直進(jìn)式拉絲機(jī)的機(jī)械構(gòu)造以 LZ8/560 直進(jìn)式中拉為例，“8”代表拉絲機(jī)配備有拉拔金屬盤(pán)條用的八 個(gè)卷筒，“560”代表卷筒的直徑（單位：mm）。直進(jìn)式拉絲機(jī)主要由前端放線設(shè) 備，拉

7、絲模具、張力臂以及八個(gè)卷筒共同組成的拉拔設(shè)備，排線設(shè)備和收線設(shè) 備等四部分組成。拉絲模具指各種拉制金屬線的模具，張力臂用以調(diào)節(jié)張力平 衡。金屬絲經(jīng)過(guò)放線設(shè)備進(jìn)入第一道拉絲模，穿過(guò)第一道拉絲模具后纏繞在第 一道卷筒上，經(jīng)過(guò)第一道卷筒的拉拔后金屬絲的直徑變細(xì)成與拉絲模具孔徑一 樣大小。然后金屬絲經(jīng)過(guò)張力臂，經(jīng)由張力臂調(diào)節(jié)與保持張力恒定，之后再進(jìn) 入第二道拉絲模，再纏繞在第二道拉拔卷筒。以此類推，金屬絲每經(jīng)過(guò)一級(jí)拉 絲模具，其直徑就變細(xì)成同道次拉絲模具孔徑大小的金屬絲。經(jīng)過(guò)八道次拉拔 纏繞在第八道卷筒后金屬絲就變細(xì)成所設(shè)定的成品金屬絲了。然后成品金屬絲 進(jìn)入排線設(shè)備和收線設(shè)備，排線有等速排線和等間距

8、排線兩種方式，收線主要 是恒張力收線。最后，經(jīng)過(guò)多道次拉拔后的成品金屬絲進(jìn)入工字輪收線設(shè)備卷 繞在工字輪傷后就完成了設(shè)備整個(gè)工藝工作流程。需要注意的是，八道拉拔中 要用到八事先設(shè)計(jì)好孔徑的拉絲模具，但只用到七個(gè)平衡拉拔張力的張力臂， 第八道拉拔后就直接進(jìn)入排線設(shè)備和收線設(shè)備，在收線設(shè)備前端也會(huì)安裝平衡 收線張力的張力臂保證恒張力收線的實(shí)現(xiàn)5。直進(jìn)式拉絲機(jī)的工藝流程圖如下圖 21 所示：圖 2-1:直進(jìn)式拉絲機(jī)工藝流程圖放線設(shè)備主要分為主動(dòng)式放線和自由式放線兩種方式：主動(dòng)式放線由變頻 器控制放線電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制放線的速度，自由式放線主要是由前道 1 號(hào)卷筒 拉拔力帶動(dòng)放線設(shè)備上的金屬絲自由的從放

9、線設(shè)備進(jìn)入拉拔設(shè)備。拉絲模具的 主要工藝參數(shù)是孔徑，經(jīng)過(guò)每一道拉絲模具的壓縮拉伸，較粗金屬絲就變成等 值于拉絲模具孔徑的金屬絲。金屬絲纏繞在卷筒上由電機(jī)帶動(dòng)卷筒出力將穿過(guò) 拉絲模具的金屬絲拉出。張力臂壓在兩個(gè)卷筒之間的金屬絲上，保證金屬絲張 力的穩(wěn)定，張力臂的上下擺動(dòng)通過(guò)安裝的位置傳感器的位置信號(hào)來(lái)反映，控制 的目的就是讓張力臂在中間位置上下波動(dòng)且波動(dòng)幅度越小越好。排線設(shè)備負(fù)責(zé) 將拉拔好的金屬絲等間距或者等速地的排在收線工字輪上，電氣構(gòu)成主要包括 排線電機(jī)和排線控制變頻器。收線設(shè)備負(fù)責(zé)將拉拔好的金屬絲均勻地收卷在各 種規(guī)格的工字輪上，主要是恒轉(zhuǎn)矩收線，電氣構(gòu)成主要包括收線電機(jī)和收線控 制變頻器

10、，也可直接用力矩電機(jī)控制。22 直進(jìn)式拉絲機(jī)的物理公式與 PID 控制原理221直進(jìn)式拉絲機(jī)的物理公式金屬絲經(jīng)過(guò)拉絲模具的壓縮拉伸后其直徑就變成與拉絲模具孔徑一樣大 小，依據(jù)被拉金屬變形前后體積不變定律，我們可以得出如下公式（2-1）4其中，V k是第 K 道卷筒后的線速度, Dk 是第 K 道卷筒的出線直徑。222PID 控制原理上圖中 sp(t)是給定值，pv(t)是測(cè)量反饋值，e(t)= sp(t)- pv(t)是偏差值，M（t）是 PID 調(diào)節(jié)器輸出值，c(t)是實(shí)際運(yùn)行值。PID 控制算法如下公式所示Pout (t) = k P e(t) + ki e(t) + kd (e(t) e

11、(t 1) (24)上式中 Pout(t)是 PID 輸出，Kp、Ki、Kd 分別稱為比例常數(shù)、時(shí)間常數(shù)和 微分常數(shù)。項(xiàng)表示對(duì) e(t)從1到t 的全部總和。通過(guò)對(duì)偏差的控制，PID 調(diào)節(jié)器通過(guò)調(diào)節(jié)輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)不斷的消除偏 差以使反饋值等于給定值。三個(gè)基本參數(shù) Kp、Ki、Kd 在實(shí)際控制中的作用：比例調(diào)節(jié)作用： 是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào) 節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差， 但是過(guò)大的比例會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用： 是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。如果有誤差，積分 調(diào)節(jié)就起作用，如果無(wú)誤差，積分調(diào)

12、節(jié)就輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于 積分時(shí)間常數(shù) Ti，Ti 越小，積分作用越強(qiáng)，反之越大積分作用越弱，加入積分 調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)結(jié)合，組 成 PI 調(diào)節(jié)器或者 PID 調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù) 知偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)形成之前，已被 微分調(diào)節(jié)作用消除。因此可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間常數(shù)選擇合適 情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)于噪聲干擾有放大作用， 因此過(guò)強(qiáng)地加入微分調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)抗噪聲不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而 當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用輸出

13、為零。所以微分作用不能單獨(dú)使用，需要與 另外兩種調(diào)節(jié)相結(jié)合，組成 PD 或 PID 控制器7。對(duì)于這三個(gè) PID 關(guān)鍵的基本參數(shù)，不同的控制對(duì)象需要選擇不同的數(shù)值， 還需要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試才能獲得好的工藝效果。 對(duì)應(yīng)于所選的 PLC，都會(huì)有相應(yīng)做好的 PID 功能塊供用戶使用，由于 PLC是數(shù)字處理方式，所以對(duì)于傳統(tǒng)的模擬 PID 的計(jì)算各種 PLC 功能塊都是要進(jìn)行 數(shù)模與模數(shù)的轉(zhuǎn)化，先把模擬量結(jié)束 PLC 的模擬輸入口，由模擬輸入模塊將模 擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后 PLC 的 PID 功能塊再做 PID 運(yùn)算，得出的結(jié)果或 直接控制能接受數(shù)字量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或轉(zhuǎn)化為模擬量后再控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PLC

14、 廠 家做的 PID 功能塊的功能都相當(dāng)?shù)凝R全，用戶只管按照模擬 PID 的用法應(yīng)用就 可以了。23 直進(jìn)式拉絲機(jī)的技術(shù)指標(biāo)直進(jìn)式拉絲機(jī)可以拉拔不同材質(zhì)不同規(guī)格的金屬盤(pán)條，系列多，規(guī)格全， 各個(gè)直進(jìn)式拉絲機(jī)設(shè)備廠家對(duì)各自做的直進(jìn)式拉絲機(jī)的技術(shù)細(xì)節(jié)描述也會(huì)各 不相同，但對(duì)于各直進(jìn)式拉絲機(jī)描述的基本的技術(shù)指標(biāo)卻基本一樣，用戶在 進(jìn)行初步的設(shè)備選型時(shí)都會(huì)考慮這些技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)這些技術(shù)指標(biāo)來(lái)要求設(shè) 備廠家進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)。下面就對(duì)主要的技術(shù)指標(biāo)做一些介紹2。拉拔道次： 指進(jìn)線金屬盤(pán)條經(jīng)過(guò)多少道次的拉拔，簡(jiǎn)而言之即是拉拔卷 筒的多少。卷筒直徑：指拉拔卷筒的直徑。單位是 mm,毫米。 材料抗拉強(qiáng)度：指對(duì)金屬

15、絲的最大拉拔強(qiáng)度，也即拉拔材料的抗拉強(qiáng)度，如果材料抗拉強(qiáng)度低于直進(jìn)式拉絲機(jī)的拉拔強(qiáng)度則容易斷絲。單位是 MPa。 進(jìn)線直徑：指該直進(jìn)式拉絲機(jī)的進(jìn)線金屬絲處理線徑范圍。如： 14.09.0mm。出線直徑：指該直進(jìn)式拉絲機(jī)的成品金屬絲直徑范圍。如 3.51.2mm。 總壓縮率：指該直進(jìn)式拉絲機(jī)的處理能力，如 80%。見(jiàn)前面公式。 平均部分壓縮率：指各個(gè)道次的平均壓縮率。拉拔速度： 指最后一個(gè)卷筒拉拔后的成品金屬絲的線速度，單位是 m/s， 米/秒。電機(jī)功率：指拉拔卷筒的電機(jī)功率，設(shè)計(jì)時(shí)各道次電機(jī)的輸出功率基本 一樣。第三章：直進(jìn)式拉絲機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)直進(jìn)式拉絲機(jī)是一個(gè)整體的系統(tǒng)設(shè)備，在最

16、初的設(shè)計(jì)中就要計(jì)算出各個(gè)道 次的壓縮率、傳動(dòng)比、功率、卷徑、出線速度、最大進(jìn)線線徑、最小出線線徑、 道次等工藝數(shù)據(jù)，然后根據(jù)系統(tǒng)的定型設(shè)計(jì)再配置相應(yīng)的機(jī)械和電氣配置。本 章主要以某種型號(hào)的直進(jìn)式拉絲機(jī)實(shí)例來(lái)做系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)和元器件選型配 置。31 直進(jìn)式拉絲機(jī)的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)我們以 LZ8/560 直進(jìn)式拉絲機(jī)為對(duì)象來(lái)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。放線設(shè) 備選擇自由放線，由第一號(hào)卷筒的拉力帶動(dòng)盤(pán)條從放線設(shè)備中自由的出線。拉 拔設(shè)備我們選擇 8 個(gè)卷筒，經(jīng)過(guò) 8 道拉拔，卷筒的直徑為 560mm，最大進(jìn)線直 徑為 6.5mm，最小出線直徑為 1.4mm,計(jì)算出的卷筒的拉拔輸出為 37kw 到 45kw

17、之間，成品線速度（即經(jīng)過(guò)第八道卷筒拉拔后的出線線速度）為 18m/s，排線 設(shè)備我們選擇等間距排線，也就是排線電機(jī)由變頻器控制，其排線速度的快慢 由收線卷筒的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，收線卷筒轉(zhuǎn)速快，則排線速度快，收線卷筒速度慢， 則排險(xiǎn)速度慢，這樣就保證了在收線工字輪上成品金屬絲從里到外都是相同的 間距排列。收線設(shè)備選擇工字輪恒張力收線，在收線設(shè)備與第 8 道卷筒之前加 裝有張力臂穩(wěn)定成品金屬絲的張力，收線電機(jī)由變頻器控制做速度控制，同時(shí) 疊加上張力 PID 的輸出作為速度的修正。通過(guò)以上的設(shè)計(jì)，機(jī)械構(gòu)造部分就基 本完成。針對(duì)直進(jìn)式拉絲機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，需要對(duì)控制系統(tǒng)的核心元件進(jìn)行選 型配置，如 PLC、

18、變頻器、觸摸屏、現(xiàn)場(chǎng)總線等，下圖就是所設(shè)計(jì)的直進(jìn)式拉 絲機(jī)的控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)。 32 PLC 的選型與 I/O 配置PLC（Programmble Logic Controller）可編程邏輯控制器是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化 的三大支柱（PLC、機(jī)器人、電機(jī)系統(tǒng)）之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用與各種生產(chǎn)機(jī) 械和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制中。它是在電器控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)， 并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)融 為一體的工業(yè)控制裝置。在以前的工業(yè)電氣控制領(lǐng)域中，繼電器控制占主導(dǎo)地 位，應(yīng)用廣泛。PLC 出現(xiàn)后，由于其具有邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能， 相對(duì)于繼電器控制的巨大優(yōu)

19、勢(shì)，就逐步的取代了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。隨著 微電子集成電路技術(shù)、通訊技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC 也突 破了原有的僅僅替代繼電器控制系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域核心的控 制系統(tǒng)，尤其對(duì)于機(jī)電一體化設(shè)備而言8。PLC 的選型對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有全局性的作用，需要考慮 PLC 需要處理多 少 I/O 點(diǎn)，需要用什么樣的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊模式，程序有多大，CPU 的速度和掃 描周期應(yīng)該多少滿足要求，PLC 的可擴(kuò)展性，需要什么樣的智能模塊等。對(duì)于 所設(shè)計(jì)的直進(jìn)式拉絲機(jī)系統(tǒng)，選用 ABB 的 AC500 系列的 PLC，AC500 系列 PLC 具有模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，有 CPU 單元、I/

20、O 單元、接線端子、通訊單元、底座 板等，組合搭配非常自由。對(duì)于具體的型號(hào)，選擇 PM582CPU 單元，其工作電 壓是 24V，程序內(nèi)存容量為 512K，1000 條指令的循環(huán)周期：位變量是 0.07ms, 字變量 0.07ms ,浮點(diǎn)運(yùn)算 1.6ms，CPU 集中擴(kuò)展的最大 I/O 點(diǎn)數(shù)為：開(kāi)關(guān)量輸入 320、開(kāi)關(guān)量輸出 240、模擬量輸入 160、模擬量輸出 160。集成兩個(gè)通訊口： COM1、COM2，可作 RS232/485 設(shè)置。帶一個(gè)顯示屏和 8 個(gè)功能按鍵。數(shù)字 量輸入模塊選用 3 個(gè) DI524，每個(gè) DI524 帶 32 個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入。數(shù)字量輸出模塊 選用一個(gè) DC523,

21、其有 24 個(gè)端口既可設(shè)置成數(shù)字輸入也可設(shè)置成數(shù)字輸出。模 擬量輸入模塊選擇 AI523，其帶有 16 個(gè)模擬量輸入，既可以電壓模擬輸入，也 可以電流模擬輸入，分辨率是 12 位。由于該系統(tǒng)有總線通訊控制，不需要模擬 輸出，也就不需要選擇模擬量輸出模塊9。該 PLC 的 CPU 單元的具體實(shí)例圖形如下:33 變頻器的配置331 通用變頻器介紹變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的，伴隨著電力電子器件的 發(fā)展而得到廣泛應(yīng)用。20 世紀(jì) 60 年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了 SCR（晶閘管）、GTO（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場(chǎng) 效應(yīng)管）、SIT（靜

22、電感應(yīng)晶體管）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）、MGT（MOS 控制晶 體管）、MCT（MOS 控制晶閘管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高 壓絕緣柵雙極型晶閘管）的發(fā)展過(guò)程，器件的更新促進(jìn)了電力電子變換技術(shù)的 不斷發(fā)展。隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā) 展，變頻器也不斷更新?lián)Q代，性能價(jià)格比越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，而變頻器 廠家仍然在不斷地提高可靠性實(shí)現(xiàn)變頻器的進(jìn)一步小型輕量化、模塊化、高性 能化和多功能化以及無(wú)公害化而做著新的努力10。在通用變頻器的逆變技術(shù)中，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWMVVVF)為變頻技術(shù)的 核心技術(shù)之一。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)

23、制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生 正弦脈寬調(diào)制 SPWM 信號(hào)以控制功率器件的開(kāi)關(guān)開(kāi)始，到目前采用全數(shù)字化方 案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的 PWM 信號(hào)輸出。從 PWM 模式優(yōu)化中得到了諸多的優(yōu) 化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。由于 PWM 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反 抑制諧波的特點(diǎn)，由此在交流傳動(dòng)乃至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM 控制技術(shù)大致可以分為兩類，正弦 PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦 為目標(biāo)的各種 PWM 方案，多電平 PWM 也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化 PWM。正弦 SPWM 已 為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多電平 PWM 技術(shù)在大功率變頻器

24、中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),如 ABB ACS1000 系列和美國(guó) ROBICON 公司的完美無(wú)諧波系列等；而優(yōu)化 PWM 所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率（THD）最小，直流電壓利用率最高、效率最優(yōu)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特 定優(yōu)化目標(biāo)51。在變頻器控制方式方面， V C （常數(shù)）的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制f方式，即標(biāo)量控制方式。標(biāo)量控制通常是通用變頻器的標(biāo)準(zhǔn)配置，其特點(diǎn)是計(jì) 算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于編程控制、使用方便，早期普遍采用的控制方式，已在產(chǎn)業(yè) 的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)交流電機(jī)的磁通 矢量進(jìn)行解耦，然后模擬成直流電機(jī)的控制模式，逐漸發(fā)展出了更為高級(jí)的控 制方式如電壓空間矢

25、量（SVPWM）控制方式、矢量控制（VC）方式、直接轉(zhuǎn)矩控 制方式（DTC）等，使用這些高級(jí)電機(jī)控制方式，使得變頻器控制交流電機(jī)不但 可以完成搞精度的速度控制，也可以完成高精度的轉(zhuǎn)矩控制，可以閉環(huán)也可開(kāi) 環(huán)不帶速度編碼器來(lái)控制交流電機(jī)。隨著交流變頻技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，交流調(diào)速 系統(tǒng)已經(jīng)可以完全替換直流調(diào)速系統(tǒng)11。332 通用電壓型變頻器結(jié)構(gòu)現(xiàn)在的低功率低電壓段變頻器都是交直交變頻方式，先將進(jìn)線交流電壓變 成平穩(wěn)的直流電壓，再將直流電壓通過(guò) IGBT 變成可變電壓可變頻率的交流電 壓，該類型變頻器主回路結(jié)構(gòu)都基本一致，易于控制與維護(hù)，下圖所示為交直 交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖，同時(shí)也顯示了電壓由交流到直

26、流再到交流的轉(zhuǎn)化過(guò)程 12。333 ABB 變頻器的選型與配置ABB 公司有著從低功率到高功率、低壓到高壓全系列多品種的變頻器，針 對(duì)金屬制品行業(yè)的工藝要求，選擇 ACS550 系列無(wú)傳感器電流矢量型變頻器。 該款變頻器廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，在金屬制品領(lǐng)域也被客戶所廣泛接受， 大量使用在直進(jìn)式拉絲機(jī)、水箱式拉絲機(jī)、捻股機(jī)、外繞機(jī)及收放線機(jī)等機(jī)型 上。該變頻器內(nèi)置有 C2 類 EMC 濾波器作為標(biāo)準(zhǔn)配置，IP21 的防護(hù)等級(jí)，具有 獨(dú)立的散熱通道，所有的電路板均為涂層板，可抗惡劣環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)配置 RS485 通信接口，具有 5 行顯示的中文界面操作液晶面板，易學(xué)易用調(diào)試方便，還配 有專用的調(diào)試監(jiān)

27、控軟件 DriveWindow Light 可設(shè)置參數(shù)監(jiān)控曲線。 在變頻器的具體選型上，由于直進(jìn)式拉絲機(jī)要求起動(dòng)力矩大、運(yùn)行精度高、 動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好、運(yùn)行中有短時(shí)的高過(guò)載要求，所以，對(duì)于變頻器的選型，需要 在既定電機(jī)的功率和電流上按照變頻器選型表里的重載一欄選型，即要求所選 變頻器的重載輸出功率和重載額定輸出電流大于所選電機(jī)的額定功率和額定電 流。ABBACS550 變頻器的重載過(guò)載系數(shù)是每十分鐘允許一分鐘電流過(guò)載到 1.5倍額定電流，每 60 秒允許 2 秒電流過(guò)載到 1.8 倍額定電流。具體選型表所示如下圖 3-5。其中以 ACS550-01-03A3-4 為例，01 代表壁掛式 IP21

28、防護(hù)等級(jí)，03A3 代表變頻器的輕載額定電流是 3.3A，4 代表變頻器的輸入電壓等級(jí)是 380V 到 480V。針對(duì)所設(shè)計(jì)的電氣傳統(tǒng)系統(tǒng)，選擇的變頻器型號(hào)為：ACS550-01-087A-4, 重載應(yīng)用帶 37KW 的電機(jī)，允許 10 分鐘內(nèi) 150負(fù)載過(guò)載 1 分鐘,60 秒內(nèi) 180% 負(fù)載過(guò)載 2 秒。34 電機(jī)與電抗器的配置341 電機(jī)的配置 關(guān)于電機(jī)的選型比較簡(jiǎn)單，由于是由變頻器控制，針對(duì)變頻器的輸出電壓 波形特點(diǎn)，需要選擇變頻專用的電機(jī)。由于變頻器輸出的波形并不是嚴(yán)格意義 上的正弦波形，而是高頻方波，而且在電機(jī)端子上有電壓疊加效應(yīng)，所以要求 所帶電機(jī)具有比普通電機(jī)更高的耐壓絕緣等

29、級(jí)，同時(shí)由于是寬頻率運(yùn)行范圍， 在低頻段電機(jī)發(fā)熱比較厲害，這也要求變頻電機(jī)比普通電機(jī)有更好的散熱效果342 電抗器的配置DC/AC現(xiàn)在通用的低壓變頻器普遍使用的是交直交電壓變頻模式，即首先將交流 電壓通過(guò)整流橋變成直流電壓，然后再對(duì)直流電壓進(jìn)行變壓變頻以輸出不同電 壓不同頻率的三相交流電壓。在使用變頻器的過(guò)程中，由于整流環(huán)節(jié)的存在， 導(dǎo)致變頻器的使用會(huì)在電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生大量的諧波電流，導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)電路和 變壓器的發(fā)熱和損耗。低壓變頻器一般采用六脈波整流，其輸入主回路如下圖 3-6 所示12： ABB ACS550 系列變頻器全系列在低功率段內(nèi)置有直流電抗器，高功率段 內(nèi)置交流電抗器來(lái)減少電流諧波

30、，但由于拉絲機(jī)設(shè)備會(huì)大批量使用變頻器，所 以在設(shè)計(jì)時(shí)通常業(yè)主和設(shè)備廠都會(huì)要求在每臺(tái)變頻器輸入側(cè)前再加裝交流電抗 器，第一是為了進(jìn)一步限制電流諧波，第二也是為了更好地保護(hù)變頻器的整流 橋，因?yàn)檫M(jìn)線的交流電抗器還可以減小輸入電壓尖峰毛刺，避免瞬時(shí)高電壓擊 穿整流橋。根據(jù)所選變頻器的額定功率、電壓和電流，選擇這個(gè)行業(yè)普遍應(yīng)用的上海 鷹峰電子科技公司所生產(chǎn)的變頻專用進(jìn)線電抗器。35 張力臂位置傳感器的配置張力臂位置傳感器是反應(yīng)張力臂位置變化的現(xiàn)場(chǎng)傳感設(shè)備，該設(shè)備安裝于 張力臂支架下方，正常運(yùn)行情況下張力臂應(yīng)該在其中間位置上下輕微地?cái)[動(dòng)。 安裝位置傳感器，通過(guò)調(diào)整使其當(dāng)張力臂處于中間位置時(shí)輸出 5V 電

31、壓信號(hào)給 PLC 控制器的模擬電壓輸入點(diǎn)口。當(dāng)張力臂上下擺動(dòng)時(shí)，在其量程范圍內(nèi)，位 置傳感器就輸出 0V 到 10V 的電壓信號(hào)以與張力臂位置的變化成線性比例關(guān)系 14。位置傳感器型號(hào)選擇為施耐德電感型接近傳感器 XS9C111A1L2，其主要的 參數(shù)工作電壓為 24V,工作區(qū)在 215mm，對(duì)應(yīng)的模擬電壓輸出范圍是 0 10V。詳細(xì)的規(guī)格參數(shù)如下圖表 310 所示15：圖 310：位置傳感器參數(shù)表36 現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面的選型與配置人機(jī)界面（User Machine Interface,簡(jiǎn)稱 HMI）是現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備與用戶進(jìn)行 信息交流的一種平臺(tái)，通過(guò)人機(jī)界面，可以了解現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)、信息或?qū)崟r(shí) 畫(huà)

32、面，也可以通過(guò)人機(jī)界面向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳遞用戶的指令和要求。人機(jī)界面有許 多種類，主要有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)或按鈕指示燈監(jiān)控系統(tǒng)等。 以前對(duì)于機(jī)械設(shè)備而言主要是按鈕指示燈監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)供操作者與設(shè)備交互信 息，現(xiàn)場(chǎng)觸摸憑監(jiān)控系統(tǒng)獲得的普遍的應(yīng)用，各種現(xiàn)場(chǎng)的較大的機(jī)械設(shè)備基本 都會(huì)使用觸摸屏來(lái)做人機(jī)界面交互信息，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要用在中控室監(jiān)控 多個(gè)設(shè)備或整個(gè)工藝系統(tǒng)17。在直進(jìn)式拉絲機(jī)的人機(jī)界面選型中，決定選擇簡(jiǎn)單易用的觸摸屏來(lái)設(shè)計(jì)人 機(jī)界面。ABB 有著全系列的觸摸屏，可以直接通過(guò)通訊線與 AC500PLC 相連 接，非常方便易用。這里根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所需要交換的數(shù)據(jù)規(guī)模和顯示大小選擇 CP430T

33、 觸摸屏，其基本的功能參數(shù)如下所列：5.7TFT 觸摸屏64K 色320 x 240 分辨率4MB 應(yīng)用內(nèi)存512 KB 內(nèi)存（數(shù)據(jù)和配方）菜單鍵 + 5 功能鍵60.000 小時(shí)背光燈壽命實(shí)時(shí)時(shí)鐘2 個(gè)通訊端口 9 孔插頭(RS232/485) 25 孔插頭 (RS232/422/485)IP65 防護(hù)等級(jí)（前面板）USB 主站 (打印和備份)USB 設(shè)備 (下載/上傳畫(huà)面)數(shù)據(jù)存儲(chǔ): 緊湊型閃存卡 (備份)配方和報(bào)警CP430T-ETH 附帶以太網(wǎng)功能CP430T 的實(shí)例如下圖 311 所示：第四章 直進(jìn)式拉絲機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)直進(jìn)式拉絲機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的程序完全由 AC500

34、PLC 來(lái)編寫(xiě)，程序架 構(gòu)主要分為：初始化塊，邏輯處理主程序，速度計(jì)算功能塊，張力臂 PID 功能 塊，通信功能塊。初始化塊完成對(duì) PLC 硬件配置及 PLC 與變頻器 DP 通信的初始 化，主程序處理系統(tǒng)主要進(jìn)行起動(dòng)，停止，點(diǎn)動(dòng)，故障，緊急停等的邏輯處理， 速度計(jì)算功能塊則根據(jù)前述的控制算法計(jì)算各級(jí)的速度給定値，張力臂 PID 功 能塊對(duì)張力臂的位置信號(hào)進(jìn)行 PID 運(yùn)算，對(duì)輸出值進(jìn)行限定后再疊加到給定速 度上。通信功能塊完成過(guò)程通信，如寫(xiě)入變頻器的控制字和給定速度，讀取變 頻器狀態(tài)字，實(shí)際速度和電流用于監(jiān)控顯示。在這一章中，將分別詳細(xì)介紹所 開(kāi)發(fā)的這幾個(gè)核心的處理程序。41 直進(jìn)式拉絲機(jī)的

35、張力控制直進(jìn)式拉絲機(jī)各個(gè)卷筒之間的鋼絲是由張力臂壓著以保持張力的恒定。張 力臂的支點(diǎn)固定在支架上，在支架處安裝有位置傳感器以反應(yīng)張力臂上下擺動(dòng) 的幅度大小。位置傳感器的輸出信號(hào)一般用 420mA 電流信號(hào)，調(diào)整張力臂 支架以使張力恒定時(shí)位置傳感器的輸出信號(hào)在中間值 12mA 電流，當(dāng)張力臂上 下波動(dòng)時(shí)，位置傳感器就輸出 420mA 的電流信號(hào)以反映張力臂上下波動(dòng)的 幅度。如圖 41 所示，這里選取某一道拉拔來(lái)詳細(xì)說(shuō)明張力的控制。正常平穩(wěn) 運(yùn)行時(shí)，張力臂應(yīng)該保持在中間位置以保證張力的穩(wěn)定，當(dāng)系統(tǒng)由于某種擾動(dòng) 導(dǎo)致張力不穩(wěn)張力臂上下擺動(dòng)，位置傳感器就會(huì)輸出張力臂實(shí)際擺動(dòng)的位置信 號(hào)，該位置信號(hào)與張

36、力臂在中間位置的信號(hào)值就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏差。張力控制的 目的就是要?jiǎng)討B(tài)消除位置信號(hào)的偏差以使張力臂處于中間位置保證張力的穩(wěn) 定。對(duì)于該偏差，這里采用傳統(tǒng)的 PID 控制算法，以位置信號(hào)的中間值為給定 值，實(shí)際的位置信號(hào)為反饋值，然后做 PID 運(yùn)算，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè) PID 輸出值。 用該輸出值去修正卷筒 7 的線速度，通過(guò)調(diào)節(jié)卷筒 7 的線速度以使張力臂回到 中間位置。對(duì)于 PID 的輸出值，按照一定比例線性關(guān)系轉(zhuǎn)換成線速度并進(jìn)行最 大最小值限定后疊加在卷筒 7 的線速度上以形成最終的卷筒 7 給定速度。通過(guò) 這種修正調(diào)節(jié)，就能減小張力臂在中間位置的波動(dòng)幅度以保證金屬絲張力的穩(wěn) 定18。在張力 P

37、ID 的實(shí)際調(diào)節(jié)中，這里，直接應(yīng)用 ABB AC500PLC 里的 PID 運(yùn) 算模塊來(lái)做計(jì)算，需要做的工作是根據(jù)該模塊設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)值并在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù) 調(diào)試效果來(lái)確定最優(yōu)的 P、I、D 值。42 張力臂 PID 控制程序設(shè)計(jì)張力臂 PID 控制程序要用到 AC500PLC 里的 PID 功能模塊，該功能模塊已經(jīng) 詳細(xì)的把 PID 的功能全做在模塊里，我們只需要設(shè)置 PID 功能塊的實(shí)例然后再 在程序里根據(jù)不同道次卷筒張力臂控制程序段調(diào)用它就可以了，非常易用。下 面先介紹 ABB AC500PLC 的 PID 功能塊9。圖 42：ABB PID 功能塊控制方程如圖 42 所以，AC500 PLC

38、的 PID 功能塊是根據(jù)如上所示公式而來(lái)。上式 中代表設(shè)定值與實(shí)際值的差值，也就是所謂的偏差，(t)即是偏差的時(shí)間函 數(shù)，Y_OFFSET 代表的是輸出的固定分量。各個(gè) PLC 廠家在程序模塊里所做的 PID 運(yùn)算模塊都是基于上面公式而來(lái)。下面的表格詳細(xì)地介紹了 ABB PID 功能塊的 輸入輸出變量定義。圖 43：PID 功能塊的輸入輸出定義上表格的左圖為 PID 功能軟件塊，該功能塊的左邊是輸入，右邊是輸出， 并標(biāo)明了輸入輸出的數(shù)據(jù)格式如實(shí)數(shù)型（REAL）或布爾類型（BOOL）等。表格 的右邊是對(duì)輸入輸出參數(shù)的詳細(xì)定義。在應(yīng)用該 PID 功能模塊時(shí)，我們要設(shè)定 MANUAL 為 FALSE

39、，即為自動(dòng)方式，該 PID 的輸出值為 PID 計(jì)算值而非用戶設(shè)定 值 Y_MANUAL,同時(shí)，我們要對(duì) PID 輸出的最大值和最小值進(jìn)行定義。44 直進(jìn)式拉絲機(jī)的最優(yōu)控制算法采用圖 4-6 算法原理 1 控制模式存在一個(gè)問(wèn)題。由于各點(diǎn)的最終速度都是 根據(jù)公式 21 計(jì)算出的速度再疊加上各自張力臂 PID 的輸出。當(dāng)某個(gè)張力臂波 動(dòng)改變?cè)擖c(diǎn)線速度后，其前道拉拔無(wú)法得知后道拉拔的速度波動(dòng)以立即修正自 己的給定速度，這就會(huì)導(dǎo)致某個(gè)張力臂的波動(dòng)引起其對(duì)應(yīng)道次速度變化，繼而 傳導(dǎo)至對(duì)應(yīng)的前道工序，從而引起前道張力臂的波動(dòng)，這樣致使整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn) 行過(guò)程中張力臂波動(dòng)較大，張力臂調(diào)節(jié)時(shí)間拉長(zhǎng)，金屬絲拉拔速度

40、不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起斷絲的后果。 那么，針對(duì)上述缺點(diǎn)我們可以改進(jìn)控制算法來(lái)避免波動(dòng)的傳導(dǎo)，通過(guò)控制系統(tǒng)的高速計(jì)算和通信，實(shí)現(xiàn)將后道由于張力臂擺動(dòng)對(duì)于速度的修正迅速傳遞 到前道，前道依據(jù)后道修正后的設(shè)定速度計(jì)算出自己的速度，然后再加上自己 張力臂的修正來(lái)確定自己的最終線速度。根據(jù)這一控制模式，每一道次的線速 度的變化都會(huì)立即傳遞引起前道線速度的主動(dòng)變化調(diào)整，這保證了對(duì)于每個(gè)道 次的張力臂的擾動(dòng)，系統(tǒng)都會(huì)在速度給定上立即做出反應(yīng)，從而保證了每個(gè)道 次張力臂的穩(wěn)定32。這樣各級(jí)速度的計(jì)算就變成如下公式 41:45 速度給定控制程序設(shè)計(jì)在前面的小節(jié)中給出了直進(jìn)式拉絲機(jī)的最優(yōu)速度控制公式：根據(jù)前面所描

41、述的直進(jìn)式拉絲機(jī)的最優(yōu)控制速度算法，就可以編制速度算 法功能計(jì)算塊了。由于速度的給定反映到變頻器上是變頻器的轉(zhuǎn)速給定指令。 所以在計(jì)算時(shí)要對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。 這里，以 LZ8/560 直拉為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定最終線速度為V 收線 ，單位為米/ 秒， 接下來(lái)地任務(wù)就是依據(jù)公式 4-1 依次往前推算出前面各個(gè)道次的變頻器給 定速度。由于上圖給定的是各個(gè)道次的線速度，單位是 m/s（米/秒），根據(jù)如 下公式轉(zhuǎn)換成電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位是 rpm(轉(zhuǎn)/分)。其中，S 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/每分鐘,D 為卷筒直徑，單位為米,P 為電機(jī)到 卷筒齒輪箱的傳動(dòng)比。綜合公式 6 和 7，我們就可直接轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)速的遞

42、推公式如下：（公式中 Dk 為 K 道次出線的線徑，P 為齒輪傳動(dòng)比，各個(gè)道次卷筒直徑一樣） 根據(jù)公式 42 計(jì)算出第 8 道次電機(jī)的給定速度后，依據(jù)公式 43 就可以依次遞推出前面各個(gè)道次的電機(jī)給定速度。所以，需要編制一段程序計(jì)算第 8道次的設(shè)定速度，然后在依次計(jì)算出前面各個(gè)道次的電機(jī)轉(zhuǎn)速然后再疊加上各 自的張力 PID 的修正輸出就是變頻器的給定速度指令了對(duì)應(yīng)于前道次的速度，我們先根據(jù)公式 43 計(jì)算出前道對(duì)應(yīng)后道的速比公 式，即如下公式 442SB= DK PK 12DK 1 PK編制的速比計(jì)算程序如下： （44）通過(guò)把各個(gè)道次的速比計(jì)算出來(lái)后，我們就可以直接乘上后道速度再加上 前道自己

43、的 PID 張力輸出就能得出前道次的速度給定，依次類推計(jì)算出前面的 所有速度。這種方法可以減少 PLC 的計(jì)算量，不用每個(gè)掃描周期內(nèi)都計(jì)算。 上圖中 S7 是不帶 PID 修正的速度指令值，S7set 是帶 PID 修正的最終速度 指令給定值，也即是 PLC 通訊給變頻器的速度指令值。46 工字輪收線速度控制程序設(shè)計(jì)第 8 道卷筒拉拔好的鋼絲經(jīng)過(guò)收線張力臂后穿過(guò)排線設(shè)備進(jìn)入工字輪上， 工字輪電機(jī)的速度計(jì)算其實(shí)與前面各個(gè)道次速度計(jì)算的原理是一樣的，但有兩 點(diǎn)差別。首先，當(dāng)工字輪最初收鋼絲時(shí)，卷筒上是空的，由于第 8 道卷筒出來(lái)的鋼 絲與收線卷筒上的鋼絲線徑是一樣的，但卷筒直徑不一樣，這個(gè)時(shí)候的速

44、比是 用第 8 道卷筒的直徑與收線空卷筒的直徑做計(jì)算的，這一點(diǎn)與前面各個(gè)道次的 速度計(jì)算不一樣。其計(jì)算公式如下： （S 為電機(jī)速度，單位為 RPM，P 為減速箱傳動(dòng)比，D 為卷筒或工子輪直徑）其次，當(dāng)工字輪收線的長(zhǎng)度逐漸增加時(shí)，由于卷在工字輪上金屬絲的層數(shù) 不斷在增加，導(dǎo)致工字輪的直徑是在不斷變化增加的，也就是說(shuō)其速比是在變 化的，這個(gè)是與前面速比在整個(gè)過(guò)程是固定值不一樣。那么怎么來(lái)解決這個(gè)變 化的速比就是工字輪程序設(shè)計(jì)的核心。然后用這個(gè)速比替換之前最初計(jì)算的速比。就這樣，從空卷到滿卷，不斷 比較張力臂 PID 的輸出，如果超過(guò)限制值一段時(shí)間后就用收線實(shí)際速度計(jì)算出 實(shí)際的速比然后在用前面的公

45、式來(lái)計(jì)算后一段時(shí)間的速度給定值，該方法簡(jiǎn)單 實(shí)用，避免了實(shí)時(shí)計(jì)算工字輪直徑的大量運(yùn)算。48 人機(jī)界面觸摸屏的界面設(shè)計(jì)人機(jī)界面是人與機(jī)器做信息交互的平臺(tái)，對(duì)于直進(jìn)式拉式機(jī)而言，需要通過(guò)觸摸屏設(shè)定一些參數(shù)如收線速度、傳動(dòng)比、線徑等傳遞給 PLC 程序做速度計(jì) 算，同時(shí)需要從 PLC 程序計(jì)算中讀取一些信息如實(shí)際速度、速比等顯示出來(lái)供 現(xiàn)場(chǎng)的操作人員。人機(jī)界面與 PLC 是通過(guò)通訊相互交換數(shù)據(jù)的，由于這里是選 用同 ABB 品牌的 PLC 與觸摸屏，相互之間的通訊設(shè)置比較簡(jiǎn)單，下面主要具 體分析直進(jìn)式拉絲機(jī)必須要設(shè)計(jì)的幾頁(yè)主要的觸摸屏人機(jī)交互界面如圖界面圖 415 所示，需要設(shè)定各個(gè)道次出線的線徑給

46、 PLC 程序，點(diǎn)擊 線徑確認(rèn)按鈕后就會(huì)計(jì)算出各個(gè)道次的速比顯示在界面上。記米輪長(zhǎng)度顯示的 是最后一道卷筒轉(zhuǎn)一圈發(fā)一個(gè)脈沖，這一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的拉好的鋼絲長(zhǎng)度，通過(guò) 該數(shù)據(jù)和接受的計(jì)米脈沖，就能計(jì)算出已已經(jīng)拉好的金屬絲長(zhǎng)度。第五章 直進(jìn)式拉絲機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試數(shù)據(jù)與性能針對(duì)前面幾章所論述的直進(jìn)式拉絲機(jī)原理和控制算法，需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備 的調(diào)試數(shù)據(jù)和圖形做具體的分析才能獲得最佳的調(diào)試參數(shù)。具體做法就是用 ABB 的變頻器調(diào)試軟件 Drivewindow Light 來(lái)監(jiān)控第八道次以前任意一道次變 頻器起動(dòng)運(yùn)行停止的電流和速度曲線，查看其波動(dòng)范圍，尤其是速度的波動(dòng)范 圍。下面我們分三節(jié)來(lái)展示起動(dòng)電流和速度、運(yùn)

47、行電流和速度、停止電流和速 度現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試數(shù)據(jù)圖形并分析調(diào)試效果。51 起動(dòng)電流曲線和起動(dòng)速度曲線如上圖 51 所示，紅色曲線代表速度，藍(lán)色曲線代表電流，Y 軸為 02000表示數(shù)據(jù)大小，X 軸為 60，表示顯示 60 秒的曲線。速度顯示比例是 1：1，即 是顯示 1000 就對(duì)應(yīng)變頻器輸出轉(zhuǎn)速為 1000RPM，電流顯示比例是 20：1，即 是顯示 1000 表示電流是 50A。采樣周期是 20ms 一個(gè)采樣數(shù)據(jù)，上面的曲線就 是所有的速度和電流采樣數(shù)據(jù)以時(shí)間軸數(shù)據(jù)軸來(lái)顯示的波形曲線。整個(gè)系統(tǒng)的起動(dòng)時(shí)間是 45 秒，在剛起動(dòng)時(shí)，由于整個(gè)系統(tǒng)的靜摩擦力比較 大，要求變頻器在零速起動(dòng)電機(jī)時(shí)出力比較大

48、，導(dǎo)致加速階段前幾秒內(nèi)起動(dòng)電 流能達(dá)到運(yùn)行電流的 2 倍左右，克服靜摩擦阻力后的加速過(guò)程電流就只比平穩(wěn) 運(yùn)行時(shí)電流大 20左右。同時(shí)，由于電機(jī)低速變頻起動(dòng)時(shí)變頻器控制精度一般 比較低，導(dǎo)致起動(dòng)時(shí)速度有波動(dòng)。從橫軸可以看出，第 88 秒起動(dòng)后到第 95 秒 這段時(shí)間內(nèi)起動(dòng)電流有兩倍的運(yùn)行電流左右，同時(shí)速度是非線性地在加速，過(guò) 了第 95 秒后的加速過(guò)程中的速度和電流曲線都非常平穩(wěn)。為了獲得好的起動(dòng)效果，對(duì)所選的 ACS550 變頻器的參數(shù)做了精確的調(diào)整。 首先選用速度矢量控制模式，按電機(jī)銘牌設(shè)置好電機(jī)參數(shù)，對(duì)電機(jī)做不帶負(fù)載 的自辨識(shí)學(xué)習(xí)電機(jī)數(shù)據(jù)。然后再根據(jù)監(jiān)控的電流和速度曲線調(diào)節(jié)變頻器 23 組的 速度環(huán)控制參數(shù)，也就是速度環(huán)的 PID 參數(shù)。增大 P 值減小 I 值增加變頻器控 制電機(jī)的負(fù)載變化響應(yīng)性， P 值設(shè)定為 10，I 值設(shè)定為 0.5ms。同時(shí)為了減小 起動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)械的沖擊，設(shè)置了加速 S 字曲線，使加速初期和末期的速度變化平 滑。由于起動(dòng)時(shí)各個(gè)道次的張力臂偏離中間位置比平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)要大很多，所以， 在用張力臂 PID 輸出做速度修正時(shí)，實(shí)際上設(shè)置兩組