轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)張力補(bǔ)償?shù)亩嚯姍C(jī)比值驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

1、轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)張力補(bǔ)償?shù)亩嚯姍C(jī)比值驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)孫曉玲，惠晶（江南大學(xué) 電氣自動(dòng)化研究所，江蘇省 無(wú)錫 214122）摘要: 通過(guò)對(duì)拉絲過(guò)程的分析，提出簡(jiǎn)單可靠的張力補(bǔ)償多電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制方案，采用高精度矢量變頻調(diào)速并由PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制。根據(jù)系統(tǒng)控制規(guī)律建立拉拔過(guò)程的數(shù)學(xué)模型并給出系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。實(shí)踐結(jié)果表明，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)波動(dòng)小于8%，穩(wěn)態(tài)波動(dòng)小于3%，成品線速度高達(dá)10m/s，開(kāi)環(huán)控制精度低得到了很好的抑制。系統(tǒng)生產(chǎn)效率高，工藝適應(yīng)性強(qiáng)，很好地滿(mǎn)足了生產(chǎn)工藝的要求。關(guān)鍵詞：拉絲機(jī)；多電機(jī)；張力補(bǔ)償；速度控制；比值驅(qū)動(dòng) 中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Control System for P

2、roportional Driving Multi-motor Based on Speed Open Loop and Tension CompensationSUN Xiao-ling ,HUI Jing（Institute of Electric Automation, Jiangnan University, Wuxi 214122 ,Jiangsu Province， China)Abstract: Based on the analysis of the wire drawing practical technological process, simple and reliabl

3、e strategy based on compensation control and speed open loop was designed, using vector variable frequency speed control, and logical control was executed by PLC. Both mathematical model and systematic diagram of drawing process were established in the paper. Proved in practice, dynamic wave is unde

4、r 8%, static wave is under 3%, and finished product linear speed reaches 10m/s. The system has a high productive efficiency, and it can efficiently adjust the process requirements. Short precision of open loop control is restraint. As a result, the machine can meet the requirements of production. Ke

5、y words：drawing machine; multi-motor; tension compensation; speed control; proportional drive1 引言多單元恒張力同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種由卷殼以及滾筒組成的加工生產(chǎn)線上，如造紙、印刷、紡織、漂染、冶金等。這些生產(chǎn)線在處理紙張、薄片、絲、線、布等長(zhǎng)尺寸材料的過(guò)程中，張力穩(wěn)定是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。直進(jìn)式拉絲機(jī)是由多臺(tái)電機(jī)同時(shí)對(duì)鋼絲進(jìn)行拉伸，對(duì)同步的要求較高，否則會(huì)出現(xiàn)鋼絲粗細(xì)不均勻，影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此對(duì)各級(jí)電機(jī)的同步控制性能、速度穩(wěn)態(tài)精度以及電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快慢都有較高的要求。傳統(tǒng)的控制方式多為速度閉

6、環(huán)模式，具有轉(zhuǎn)速控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，但存在控制系統(tǒng)復(fù)雜，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性差，成本較高的缺點(diǎn)。隨著高精度矢量變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，開(kāi)環(huán)控制精度低，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度差等缺點(diǎn)得到了很好的抑制，使用開(kāi)環(huán)控制同樣能達(dá)到很高的控制精度。因此系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)的張力前饋補(bǔ)償加轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的控制方案，該控制策略相比于閉環(huán)系統(tǒng)具有實(shí)際生產(chǎn)效率高，工藝適應(yīng)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本方案中利用張力機(jī)構(gòu)檢測(cè)出張力補(bǔ)償值，經(jīng)過(guò)張力控制器變?yōu)檗D(zhuǎn)速補(bǔ)償信號(hào)加減到給定轉(zhuǎn)速上實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制。通過(guò)實(shí)時(shí)改變變頻器的頻率調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用PLC實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)的邏輯控制，采用RS-485通訊方式實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器的實(shí)時(shí)

7、通訊，利用觸摸屏實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定、運(yùn)行參數(shù)的顯示以及系統(tǒng)故障的顯示等。2 工藝原理在拉絲生產(chǎn)工藝中，要想將鋼絲拉拔成一定的規(guī)格，必須嚴(yán)格控制各道電機(jī)的轉(zhuǎn)速比，通過(guò)控制每道電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲拉力的控制。要獲得較高的加工精度，就要求電氣傳動(dòng)系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)具有良好的張力控制和相應(yīng)的比例同步協(xié)調(diào)控制性能。除應(yīng)保證相鄰卷筒之間的張力恒定外，還要求驅(qū)動(dòng)各道卷筒的電機(jī)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程中保持其轉(zhuǎn)速精確的比例同步，以滿(mǎn)足各道卷筒間出口秒流量相等的控制原則，即(1)式成立： (1)其中分別是卷筒出口處鋼絲的截面積和線速度。圖1為本文設(shè)計(jì)的八級(jí)拉絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖1 八級(jí)拉絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Syste

8、m diagram of eight levels wire-drawing machine 3 電氣控制系統(tǒng)組成拉絲機(jī)電氣控制系統(tǒng)分電氣傳動(dòng)控制和電氣邏輯與時(shí)序控制兩大部分，系統(tǒng)原理框圖如圖2。PLC為系統(tǒng)邏輯控制中心，與變頻器之間采用串行通信方式RS-485。數(shù)據(jù)和控制指令通過(guò)RS-485通信從PLC傳送到變頻器，再由變頻器控制電機(jī)的啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)速調(diào)整及其他控制操作。輔助控制器件為觸摸屏、張力機(jī)構(gòu)。其中觸摸屏與PLC之間采用RS-422通信方式，通過(guò)觸摸屏來(lái)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和變頻器控制參數(shù)，并在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。張力機(jī)構(gòu)主要是通過(guò)張力輥和張力傳感器來(lái)檢測(cè)各卷筒之間的張力變化。

9、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器傳入PLC進(jìn)行分析比較，然后由PLC向變頻器發(fā)出控制指令，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)、卷筒的控制，達(dá)到維持張力恒定的目的。邏輯控制器件均選用MITSUBISHI公司生產(chǎn)的的PLC、變頻器和觸摸屏。其中PLC型號(hào)為FX2N，變頻器型號(hào)為A540，觸摸屏型號(hào)為A970GOT。張力檢測(cè)光電傳感器則采用歐姆龍E3Z-D61，三相異步電機(jī)型號(hào)為Y225M-4。圖2 系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle diagram of the system4 控制模型的建立控制方案采用張力前饋補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)策略，見(jiàn)圖3，該控制方式相比于傳統(tǒng)的閉環(huán)控制既能達(dá)到很好的控制精度，同時(shí)還能簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)

10、節(jié)約的效果。圖3 帶張力補(bǔ)償?shù)乃俣瓤刂葡到y(tǒng)Fig.3 The speed control system based on tension compensation張力調(diào)諧輥裝置將鋼絲張力的變化反映為調(diào)諧輥的擺動(dòng)，光電傳感器將調(diào)諧輥的擺動(dòng)位移量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理后系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)前后卷筒間的速度，使之與工藝延伸系數(shù)相適應(yīng)，張力控制器AFR采用簡(jiǎn)單的PI控制即可，交流電機(jī)的調(diào)速采用高精度矢量變頻調(diào)速。當(dāng)各道電機(jī)的比例同步速設(shè)定精確的滿(mǎn)足工藝要求時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行，張力調(diào)節(jié)器的輸出補(bǔ)償量為零。當(dāng)張力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，必須利用張力調(diào)節(jié)，盡快地補(bǔ)償偏差，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)亦滿(mǎn)足式(1)，并在過(guò)渡過(guò)程中盡可能

11、的減小各道張力的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)。5 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)LZ-8/600直線式拉絲機(jī)設(shè)有8個(gè)直徑為600mm的卷筒，分別由8臺(tái)額定功率為45KW，額定轉(zhuǎn)速1475r/min的三相交流電機(jī)對(duì)鋼絲進(jìn)行拉伸。該拉絲機(jī)成品卷筒（8#卷筒）額定輸出線速度為10m/s。相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1：表1 拉絲機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of wire-drawing machine項(xiàng)目單位型號(hào)卷筒直徑mm600拉拔道次time8材料抗拉強(qiáng)度Mpa1250最大進(jìn)線直徑mm5.0-2.8最小出線直徑mm1.8-1.0總壓縮率%87平均部分壓縮率%22.51拉拔速度m/s10電機(jī)功率kw

12、變頻45鋼絲在拉拔時(shí)壓縮比計(jì)算如（2）式： (2)式（2）中：d拉拔后鋼絲直徑；d0拉拔前鋼絲直徑。拉拔后，延伸系數(shù)，其中、分別為拉拔前、后的鋼絲長(zhǎng)度。忽略損耗，根據(jù)拉拔前后等體積原則，有： (3)比較兩式，得： (4)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，LZ-8/600拉絲機(jī)各級(jí)拉拔壓縮比確定為：=20%，=23%，=26%，=25%，=24%，=22%，=21%，=20%。 將壓縮比帶入上述公式得拉絲機(jī)各項(xiàng)參數(shù)如表2所示：表2 同步速度分配Tab.2 The distribution of synchronous speed電動(dòng)機(jī)序號(hào)卷筒轉(zhuǎn)速（r/min)壓縮比(%)延伸率線速度(m/s)轉(zhuǎn)速比1#50.6

13、201.251.5929.62#65.9231.302.0722.83#88.9261.352.7916.94#118.2251.333.7112.75#156.0241.324.909.66#200.6221.286.307.57#254.8211.278.005.98#318.5201.2510.004.75.1 邏輯控制設(shè)計(jì)采用PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制，硬件設(shè)計(jì)主要是PLC輸入輸出元件的分配和接線。軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖5，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程分析，將運(yùn)行過(guò)程分為手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，其中手動(dòng)又分為單動(dòng)和前聯(lián)狀態(tài)。單動(dòng)過(guò)程指在手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下單個(gè)電機(jī)單獨(dú)運(yùn)行，前聯(lián)過(guò)程指在手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下本電機(jī)與已穿絲的電

14、機(jī)同步運(yùn)行，并引入張力前饋補(bǔ)償控制保持張力平衡。自動(dòng)過(guò)程指在張力補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的控制下，各個(gè)電機(jī)同步運(yùn)行并保持張力的平衡。單動(dòng)過(guò)程、前聯(lián)過(guò)程和自動(dòng)過(guò)程是邏輯控制的主要部分，其中還穿插張力控制系統(tǒng)的邏輯控制。圖4 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖Fig.4 The flow chart of system5.2 PLC與變頻器的連接三菱變頻器的PU接口用于連接變頻器的操作單元，這個(gè)PU接口是個(gè)RS-485的接口，利用此接口可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)(PLC或計(jì)算機(jī))對(duì)變頻器的參數(shù)讀寫(xiě)、開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、改變運(yùn)行頻率等操作。二者連接方式見(jiàn)圖6。為了實(shí)現(xiàn)RS-485通訊，需要在PLC側(cè)加入特殊適配器或者功能擴(kuò)展板；在變頻器側(cè)，可以

15、利用PU接口(PU接口就是一個(gè)RJ45接口)或者FR-A5NR。文中選用功能擴(kuò)展板 FX2N-485-BD和PU接口。圖5 PLC與變頻器連接圖Fig.5 The wiring diagram of PLC and frequency converter5.3 RS-485通訊的設(shè)計(jì)PLC和變頻器之間進(jìn)行通訊時(shí)通訊規(guī)格必須在變頻器的初始化中設(shè)定，如果沒(méi)有進(jìn)行設(shè)定或有一個(gè)錯(cuò)誤的設(shè)定，數(shù)據(jù)將不能進(jìn)行通訊，且每次參數(shù)設(shè)定后，需復(fù)位變頻器，以保證數(shù)據(jù)設(shè)定的有效。所有指令代碼和數(shù)據(jù)均以ASCII碼(十六進(jìn)制)發(fā)送和接收。例如:頻率和參數(shù)依照相應(yīng)的指令代碼確定數(shù)據(jù)的定義和設(shè)定范圍。變頻器站號(hào)可用十六進(jìn)制在

16、H00和H1F(站號(hào)0-31)之間設(shè)定。以PLC到變頻器的通訊請(qǐng)求為例，數(shù)據(jù)寫(xiě)入格式如表3：其中*3表示控制代碼；*4表示CR(回車(chē)符)或LF(換行符)代碼；*5規(guī)定變頻器收到計(jì)算機(jī)來(lái)的數(shù)據(jù)和傳輸應(yīng)答數(shù)據(jù)之間的等待時(shí)間。表3 PLC到變頻器的通訊寫(xiě)入格式Tab.3 The communication writing features from PLC to frequency converter*3ENQ變頻器站號(hào)指令代碼*5等待時(shí) 間數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4總和校 驗(yàn)*46 結(jié)語(yǔ) 該設(shè)計(jì)以PLC為核心，張力控制部分采用張力補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，同步過(guò)程采用比值驅(qū)動(dòng)方案。直徑為2.8-5.0mm的高碳鋼絲原料經(jīng)八個(gè)拉絲筒拉伸后，成品直徑為1.0-1.8mm，最大線速度達(dá)到600m/min。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)，動(dòng)態(tài)波動(dòng)小于8%，穩(wěn)態(tài)波動(dòng)小于3%。實(shí)際應(yīng)用證明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，性能穩(wěn)定可靠?？刂品桨傅膶?shí)施能夠提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，