基于PLC的直進式拉絲機變頻改造控制系統研究

張貴生 周孟然 朱艷娜 劉衛國

（1.安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001；2.安徽理工大學經濟與管理學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

調諧輥式拉絲機鋼絲從第一個模孔穿過后，經調諧輥、導輪，進入第二個?？?，依次重復最后到達收線結構[1-2]，其具有自動調節各卷筒轉速以適應各道次拉絲模在拉拔中不均勻磨損的特點。當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諧輥位置發生變化，位移傳感器將調諧輥位置的變化轉換成變頻器驅動變頻電機頻率的變化[3]，從而調整變頻電機轉速，使相鄰卷筒達到自動調協轉速的目的。

1 系統構成

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動?？刂撇糠钟晌鏖T子公司的觸摸屏TP170A、S7-400PLC、國產變頻器以及傳感器等組成。采用高性能的S7-400 PLC控制器，使系統具有較快的數據處理能力和較大的程序存儲能力，滿足系統復雜的控制要求。通過人機接口設置工藝參數及控制指令使系統自動運行成為可能。高性能國產MD320變頻器，具有輸出力矩大、穩速精度高、動態特性卓越的特點，既節約了成本，又滿足了系統需求。人機界面與基礎自動化級PLC之間采用PROFIBUS網連接，基礎自動化級PLC與變頻器采用PROFIBUS網或模擬量與數字量連接，減少了接線增加控制的靈活性。傳感器動態檢測調諧輥的位置，通過過程PID控制，調整變頻器的輸出頻率，使相鄰卷筒轉速自動調協。

圖1 系統構成簡圖

2 系統設計

2.1 電機的同步控制

直進式拉絲機各個電機需全程同步，并且對動態響應的快速性要求較高[4-5]。系統以高性能S7-400PLC為控制核心，PLC從觸摸屏“工藝設置”子畫面中讀取拉絲工藝信息，根據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 人機界面設計

選用友好的嵌入式觸摸屏作為人機界面。畫面的結構以啟動畫面為中心，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用。拉絲工藝的設置、選罐的操作、線速度的顯示等功能均在子畫面中實現。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。

2.3 調諧輥過程PID控制

調諧輥連接傳感器檢測鋼絲的位置，將位置信號轉換為0～10V的電壓信號，作為調諧輥過程PID的反饋輸入；一般設定調諧輥機械行程的中間位置為調諧輥過程PID的目標量。目標量和反饋量的誤差經過PID運算以及限幅后作為變頻器的輔助給定，調整變頻器的輸出頻率，使相鄰卷筒轉速自動調協。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的自適應能力，過度的減少輔助給定限幅值會導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；從增強系統的自適應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致系統低速及啟動階段運行的穩定性降低。本系統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。

2.4 PROFIBUS現場總線通訊

PROFIBUS是一種開放式的現場總線標準，目前世界上許多自動化技術生產廠家都采用PROFIBUS接口。本系統采用的是PROFIBUS-DP通訊，這是一種具有高速廉價特性的通信鏈，專為自動控制系統和設備分散I/O之間通信設計，用于分布式控制系統的高速數據傳輸。

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（觸摸屏無需硬件組態），增加一個PROFIBUS網絡，PLC為主站、變頻器為從站，設置PROFIBUS站的地址和傳輸速率并下載到PLC中，實現PLC與觸摸屏、變頻器的數據交換。

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，矢量控制的優良控制性能，需要準確的電機參數，準確的參數辨識來源于電機額定參數的正確設置。為保證變頻器的動態控制性能，需選擇旋轉調諧（電機自動調諧），旋轉調諧時電機必須和負載脫開（空載）。通過設定速度調節器的比例系數和積分，可以調節矢量控制的速度動態響應特性。增加比例增益，減小積分時間，均可加快速度環的動態特性，比例增益過大或積分時間過小均可能使系統產生振蕩。

3 結論

本拉絲機控制系統以西門子S7-400PLC為控制核心，采用變頻器速度環不同的PI參數線性切換功能，并使速度輔助調節的限幅值隨主給定同比例變化，滿足系統穩定性和快速性的要求，改進后的拉絲機在現場的運行使用中，穩定可靠，各項指標均符合要求。另外，由于變頻調速系統存在大量的電磁噪聲，它對系統的控制部分產生干擾，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.高爐熱風爐監控系統[J].電氣傳動,2008,6:48-51.

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

［3］杜金城.電氣變頻調速設計技術[M].中國電力出版社,2008.

［4］廖常初.S7300/400PLC應用教程[M].機械工業出版社,2012,1.

［5］續明進.直進式拉絲機張力控制系統的實現[J].制造業自動化,2007,29(6).