基于PLC的直進式拉絲機變頻改造控制系統的研究

張智永

【摘 要】調諧輥式拉絲機是近代拉絲設備中較先進的一種，本文介紹了由人機界面、S7-400 PLC、變頻器構成的拉絲機控制系統的系統構成及系統設計，采用輔助給定限幅跟隨實際需要限幅值同步變化的限幅方式克服了系統運行的穩定性與自適應性相互矛盾的問題。上位機與PLC及變頻器之間采用PROFIBUS網通訊方式，減少了接線增加了控制的靈活性。實踐證明，運用變頻調速技術對舊拉絲機升級改造，操作更方便，提高了生產過程的自動化控制水平和設備操作運行的可靠性。

【關鍵詞】調諧輥式拉絲機；S7-400PLC；變頻器；PROFIBUS

0 引言

調諧輥式拉絲機鋼絲從第一個模孔穿過后，經過調諧輥、導輪、進入第二個?？住Ｒ来沃貜妥詈蟮竭_收線結構。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，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、S4-300 PLC，以及國產變頻器、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，即節約了成本，又滿足系統的需求。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。

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。系統以高性能S7-400 PLC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”、“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。其控制框圖如圖2所示。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，輔助給定限幅值與運行頻率及最高頻率的關系見下表1。

從增加系統的穩定性這個方面來考慮，輔助給定的限幅值越小越好，但輔助給定限幅值的減少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為它們生產的設備提供PROFIBUS接口。其中PROFIBUS-DP 為經過優化的高速廉價的通信鏈，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。本系統采用的是PROFIBUS-DP通訊。

西門子S7-400 PLC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

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。

拉絲機控制系統以西門子S7-400 PLC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，拉絲機自安裝并改進后運行至今，穩定可靠，達到設計要求。

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[責任編輯：湯靜]