基于PLC的拉絲控制系統設計

張帆

摘 要：以西門子S7-300 PLC為核心設計拉絲控制及監控系統，實現了PLC和人機界面軟件有機結合。在輔助以模糊控制、PID的程序算法提高拉絲系統的穩定性，為光纖生產提供了重要保證。通過驗證，該系統完全滿足光纖高速生產的要求。

關鍵詞：光纖；控制算法；監控軟件；人機界面；PLC

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）32-0004-02

光纖包層直徑的控制、預制棒送棒進給速度、光纖涂層直徑的控制、拉絲張力穩定控制是光纖拉絲控制程序的核心。其中光纖包層直徑、涂層直徑等各項參數的控制在整個光纖拉制過程中尤為重要。隨著各種仿真技術的運用，如何提高拉絲控制先進性也成為提高光纖質量、降低生產成本的重要舉措，良好的拉絲控制系統可以極大地降低操作人員勞動強度，提高拉絲過程的穩定性，提升公司信息化水平，為兩化融合打下良好的軟硬件基礎。

可編程邏輯控制器具有較強的穩定性及抗干擾能力，在輔以VB開發的組態軟件以其便于操作、性能穩定、響應速度快等優點，使其在光纖控制領域得到了廣泛應用。

本文設計的拉絲塔控制系統是基于西門子S7-300系列PLC、VB開發的拉絲監控系統和施耐德觸摸屏HMISTU855。

1 拉絲系統的基本原理

在光纖的使用過程中，光纖預制棒通過在感應爐內進行加熱，溶融成液態，在重力作用下，通過包層測徑儀、冷卻系統、固化爐、涂層測徑儀、最后通過對牽引速度的控制，得到了標準的包層直徑（包層直徑可以通過絲徑儀進行測量），包層光纖經過涂覆系統，在一定涂覆壓力作用下，成品光纖直徑穩定在245 um，如圖1所示。

2 控制核心系統硬件設計

系統主要包括計算機PC上位機、觸摸屏、PLC等部件組成。PC上位機通過DAserver對PLC下位機的進行控制。監控界面通過實時數據刷新，顯示拉絲塔的各個單體的運行狀態，利用其虛擬按鈕完成各種設備的操作。

西門子S7-300系列PLC具有通用性高、結構緊湊、CPU處理速率高、并配有可插拔存儲卡、維護方便、性能穩定可靠的特點，并且其集成通用PROFIBUS NET、MPI及PROFIBUS DP等通信協議，非常適合光纖拉絲過程要求。

3 控制系的統軟件開發

3.1 系統功能

使用VB開發的組態軟件主要是以實時監控拉絲塔設備各項參數為主要內容，開發一套完整的功能模塊。整個組態畫面操作簡單、畫面直觀性強的特點，下面簡單介紹一下功能。

3.1.1 運行狀態監控

運行狀態的通過數據的實時采集顯示于監控界面，便于操作人員對拉絲工藝參數和拉絲設備運行狀態進行監控。

3.1.2 故障報警監控

通過對故障的監測，設備的報警與預先編寫故障類別識別代碼進行匹配自動判斷故障原因，方便人員及時采取應對措施，并產生聲光報警，所有報警數據每隔l s采集1次，所有報警信息全部存儲于SQL數據庫內，方便工程技術人員分析、追溯。本系統設置的主要故障報警有包層、涂層直徑超標等工藝參數和各類電氣、機械傳動部件的故障報警，界面設置有消聲按鈕。

3.1.3 系統兼容性

采用施耐德觸摸屏HMISTU855通過USB端接紅外線掃描裝置，可以掃描光纖盤信息，便于與其它生產系統整合（與生產管理系統、設備管理系統相兼容）。

3.1.4 系統糾錯性

為了防止人為操作失誤，在軟件設置了用戶的級別和權限，不同級別擁有不同的操作權限，對人員操作設備過程也有相應的記錄。

3.2 觸摸屏監控界面設計

觸摸屏監控界面采用Vijeo—Designer軟件平臺進行開發。開發收線機、輔助牽引、感應爐控制界面，方便操作人員在不同樓層進行控制，該觸摸屏支持配方功能，可以很方便的完成各工藝、設備參數的切換。

3.3 控制程序

PLC程序實現數據處理、邏輯功能運算與各種控制算法的執行。拉絲控制程序主要有5個單元模塊，分別為光纖包層直徑的控制、預制棒送棒進給控制、光纖涂層直徑的控制、拉絲張力穩定控制、絲徑儀自動對中控制等，經過實際的運行，能夠安全滿足生產要求。

3.3.1 包層速度控制程序

包層直徑是最重要光纖參數之一，其直徑控制是通過主牽引的速度調整來完成，下面為基本算法程序。

> 拉絲速度補正速度：v=p*-1*（（diaSet2-diaAct2）/ diaSet2）

（v：拉絲速度補正速度； P：修正系數；diaSet：目標裸纖直徑；diaAct： 實際裸纖直徑）

優點：由包層直徑的偏差差值自動修正拉絲補償速度的變化幅度，控制更加精準。

> 程序掃描周期：FiberActlen>FiberActlen+ FiberControllen

拉絲實際長度：FiberActlen；拉絲控制長度：FiberControllen

優點：使用固定拉絲長度來控制裸纖直徑，拉絲速度越快，控制頻率越快。測試生產線光纖裸纖圖形，如圖2所示。

從實際使用效果來看，光纖裸纖波動平緩，測試生產線裸纖波動下降30%～40%，達到控制效果。

3.3.2 送棒控制程序

模糊PID控制原理如圖3所示。

PID 離散算法如下：

u（k）=Kpe（k）+KiT■e（j）+■（1）

公式中，e（k）為第k次采樣后的得到的偏差e（k） = r（ k）-r（ k-1），Kp，Ki，Kd分別為比例、積分、微分系數，u（ k） 為輸出控制量。

由圖3和公式（1）可以明顯看出，通過模糊算法對PID的Kp，Ki和Kd進行實時調整，升級PID算法，使其具備一定的自適應性。

光纖在拉制過程中，拉絲速度受到預制棒棒徑波動、拉絲爐溫度、裸纖直徑的影響，而拉絲溫度影響著光纖截止波長的指標，從控制角度來說通過調整拉絲爐爐溫來控制拉絲速度具有嚴重滯后性，為了抑制拉絲速度波動，使用模糊控制算法來實時調整PID程序的Kp，Ki，Kd參數，使預制棒進給速度更加精準。如圖4所示，拉絲速度使用前后有明顯的改善。

3.3.3 其它程序

光纖涂層直徑的控制、張力穩定控制、絲徑儀自動控制都采用目前常用的PID算法和交流伺服的位置控制的工作原理來實現。

3.4 通訊網絡

系統網絡分為三個網絡PROFIBUS-NET、PROFIBUS-DP、LON。其中拉絲加熱系統、拉絲主控系統、集中供料系統、氦氣回收系統采用PROFIBUS-NET通信協議進行數據交互，而拉絲主控系統通過PROFIBUS-DP總線控制各執行單元（如送棒器、固化爐、涂覆系統、牽引），而對生產環境類監控，如百級凈化系統則采用LON總線。組態軟件支持網頁發布，技術人員只需用瀏覽器即可訪問監控界面，實現參數查看和功能操作，也可以通過智能手機終端遠程訪問，提高信息化程度。

4 結 論

系統通過DAServer通訊驅動實時采集PLC數據，集中顯示光纖拉制過程中的運行參數，操作人員根據參數狀態對拉絲生產進行管理，該系統能夠自動判斷故障代碼，與預先編寫的故障信息進行匹配，提高異常問題處理速度。人性化的人機界面，方便操作人員觀察和操控拉絲過程運行狀態，歷史記錄有利于管理人員對重要數據進行整理、分析，為光纖生產質量控制、系統的優化等提供重要的數據積累，系統采用多種總線技術使控制精度更高，提高了拉絲系統的可靠性，應用網絡技術的數據傳輸，便于實現遠程監控，與后道工序（篩選、氘氣工序）系統進行整合，加速各生產工序流轉速度，系統完全滿足高速拉絲要求，已投入生產使用。

參考文獻：

[1] 潘立登.先進控制與在線優化技術及其應用[M].北京：機械工業出版 社，2009.