基于PLC的藥芯焊絲成型機自動控制系統的設計和開發

李友堂，白 銳，李 強，王賀彬

（1.遼寧工業大學 電氣工程學院，錦州 121001；2.錦州恒睿自動控制科技有限公司，錦州 121001）

0 引言

成型機作為生產藥芯焊絲成套設備的重要組成部分，其控制系統的性能對產品質量和生產效率有著重要的影響。傳統的藥芯焊絲生產因軋輥、粗拉、精拉等工序分別由不同生產線加工，因此控制系統分散且結構復雜，并且實際生產過程中容易受到張力波動與輸入參數不精確等因素的影響，造成設備運行過程中的斷絲或者逾絲故障[1～3]。本文結合藥芯焊絲生產工藝流程，根據秒體積流量相等原理，提出了電機運行速度控制算法，并采用西門子S7-300 PLC控制器，設計開發了藥芯焊絲成型機自動控制系統，增加了系統運行的穩定性，提高了生產效率。

1 藥芯焊絲生產工藝流程

目前生產藥芯焊絲的方法有鋼管法、鋼帶法和圓盤法，而鋼帶法因制造工藝相對容易，成為了藥芯焊絲生產的主流方法[4,5]。鋼帶法生產藥芯焊絲工藝流程如圖1所示，生產原材料冷軋鋼帶經縱剪機生產線縱剪至額定寬度，然后由工字輪收線機復繞形成標準鋼帶卷；藥粉原材料經藥粉配置生產線經過篩粉、磨粉以及稱量配置，最后混合攪拌形成成品藥粉；然后成型機將標準鋼帶卷清洗、烘干之后軋成U型槽焊絲坯管，之后在坯管中加入藥粉，經合縫、拉絲處理之后形成半成品焊絲，再經過拉絲減徑、表面處理之后形成成品焊絲，最后包裝入庫。

成型機是藥芯焊絲生產設備的重要組成部分，由圖1可知，成型機主要由軋絲機、多聯直線拉絲機、層繞機組成，其中電氣傳動部分主要包括放帶電機、軋輥電機、拉絲機電機以及收線電機等。

圖1 藥芯焊絲生產工藝流程

2 控制算法設計

成型機生產線運行時，目前一般都是通過輸入的線徑直接計算相鄰卷筒的速度匹配系數，再經過PLC的PID（或者變頻器的PID）運算，計算得出兩個卷筒之間的速度匹配值，從而達到系統需求的控制效果，但是此方法在運行過程中容易受到磨具磨損、輸入線徑不精確等因素的影響，從而造成某些卷筒張力控制的輸出值超調，導致啟動、停車以及急停時造成斷絲或者逾絲現象[6,7]，為此控制系統急需解決此問題。

本文拉絲電機運行速度控制方案如圖2所示，利用速度給定算法調節系統的速度給定值vi，使張力控制器的輸出值Δvi趨于盡可能小的狀態，從而減小張力控制器輸出超調對系統造成的影響。

圖2 拉絲電機速度控制方案

本文速度給定算法：

藥芯焊絲工作過程的控制原理為金屬線材秒體積流量相等原理[8,9]。其數學模型為：

其中si為第i 道鋼絲的橫截面積；vi為第i 道鋼絲的給定運行速度。由式（1）可得速度公式為：

如圖2所示，引入第i道調節輥的張力控制調節量Δvi可得第i道鋼絲的速度控制器設定值為：

根據秒體積流量相等原理和機械傳動比可計算出兩個卷筒之間的速度匹配系數：

因此本設計通過改變k值的大小，調節各卷筒的速度給定值，減小張力控制調節值Δvi對系統的影響，增強系統運行穩定性。

本文張力控制器采用PI算法：

其中Δvi(t)為速度調節值，Fi(t)為張力設定值，Ff(t)為張力反饋值，張力控制器的比例系數為kp1，積分系數為ki1。

本文速度控制器采用PI算法：

其中vE(t)為速度輸出值，v'i(t)為速度設定值，vf(t)為速度反饋值，vi(t)為速度給定算法輸出值，速度控制器的比例系數為kp2，積分系數為ki2。

3 控制系統功能與結構設計

3.1 控制系統的功能

藥芯焊絲生產過程中，自動控制系統不僅要實現設備的啟停、信號檢測功能，也需要實現關鍵工藝參數的實時監控與生產工藝流程的各回路控制功能。為實現控制系統的穩定性與實用性，本文結合藥芯焊絲生產工藝流程，對控制系統的功能進行了研究與設計。

如圖3所示，控制系統操作功能主要實現設備運行模式的選擇、生產工藝參數的輸入與設備運行狀態的切換等功能；系統監測功能主要包括數據的實時采集、處理與顯示；系統統計功能為實現產品的實時信息記錄；系統報警功能主要包括粉位檢測、斷絲等故障的實時報警和歷史報警信息查詢；系統通訊功能主要實現控制器與變頻器、觸摸屏之間的數據信息交換功能。

圖3 控制系統的功能

3.2 控制系統的結構

控制系統由PLC及其擴展模塊、觸摸屏、變頻器、斷絲檢測裝置、張力反饋裝置、放帶電機、軋輥電機、拉絲電機、收線電機、操作按鈕、運行指示燈、水泵、風機等組成?？刂葡到y結構如圖4所示。

圖4 控制系統結構圖

本系統控制器選用西門子S7-300 PLC，CPU型號為313C-2DP，外擴一塊數字量輸入模塊SM321；變頻器選用匯川MD380T系列變頻器，其控制端子輸入端接收部分開關量和模擬量輸入信號。系統數字量信號主要包括操作按鈕、腳踏開關、空開輔助接點等，模擬信號為6路傳感器信號，來自張力反饋裝置，進入變頻器模擬量輸入端口。電氣驅動部分由1臺放線電機、4臺軋輥電機、6臺拉絲電機以及1臺收線電機組成，其中放線電機配MD380T-7.5kW變頻器，軋輥電機配MD380T-3.7kW變頻器，拉絲電機配MD380T-7.5kW變頻器，收線電機配MD380T-11kW變頻器。風機、水泵由控制器與電磁閥控制其啟停，觸摸屏選用西門子KTP1200。

4 控制系統硬件設計

本系統硬件設計分為控制器設計與變頻器、傳感器以及電機驅動電路設計，其中控制器的設計包括PLC外部接線設計與擴展模塊外部接線設計。

系統選取西門子S7-300 CPU313C-2DP作為主控制器，其本身具有16路數字量輸出和16路數字量輸入，根據生產線實際需求，由于系統數字量輸入信號較多，因此外擴一塊16路數字量輸入模塊SM321，電源模塊選用PS307。P LC外部接線圖與擴展模塊外部接線圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 PLC外部接線圖

圖6 擴展模塊SM321外部接線圖

系統變頻器、傳感器及電機驅動電路如圖7所示，其中張力反饋傳感器輸出為0～20mA電流信號，進入變頻器的模擬量輸入口，經過控制器計算得出變頻器需要提供給電機的輸出補償量，從而達到系統閉環控制的目的，保證裝置的穩定運行。變頻器控制面板數字量輸入端對應接入每臺電機的左開、前聯、點動、反點、后聯、制動等機臺操作按鈕。

圖7 變頻器、傳感器及電機驅動電路接線圖

5 控制系統軟件設計和開發

本文依據控制系統功能和硬件組成進行了控制器算法編程和觸摸屏界面設計。

5.1 控制系統流程圖

系統主程序設計流程如圖8所示。接通控制電源后PLC、觸摸屏與變頻器進入初始化狀態，檢查判斷各變頻器是否可以運行，當變頻器均正常之后，生產線穿絲，然后在觸摸屏上設定各個運行參數，之后啟動設備，生產線任務完成之后停機結束。

圖8 主程序設計流程圖

系統多電機運行控制設計流程如圖9所示。系統主設定1#軋輥電機運行速度，2#軋輥電機速度采樣于1#軋輥電機輸出速度，后續依此類推；1#拉絲機速度采樣于4#軋輥電機輸出速度，2#拉絲機速度為1#拉絲機速度和張力傳感器的反饋值之和，后續依此類推，在觸摸屏上設定收線轉矩，經PLC運算后作為收線驅動器的給定值。

圖9 系統多電機運行控制設計流程圖

為增加系統穩定性，拉絲電機控制過程引入張力反饋控制，控制流程如圖10所示。首先將張力傳感器的運行位置設定為PI調節的目標值，然后將張力反饋信號作為PI調節的反饋輸入信號，二者的差值經PI運算后作為速度控制器設定值的輔助給定信號，起到調節電機轉速,增加系統穩定性的作用。

圖10 拉絲電機張力反饋控制流程圖

5.2 觸摸屏界面

系統觸摸屏界面包括系統主界面、微調參數界面、工藝參數界面、控制參數界面、生產統計界面、投切控制界面、報警界面等。

系統主界面主要功能為顯示設備當前運行狀態，監測設備運行主要參數，設定機臺運行速度、收線扭力以及控制成型機速度匹配的拉機比例等系統參數。界面如圖11所示。

圖11 系統主界面

系統參數微調界面主要用于微調軋輥機之間的速度匹配系數；顯示張力傳感器的實際值、設定張力傳感器的運行位置、調整幅度、顯示系統補償輸出值以及各拉絲機之間的速度配比等參數。界面如圖12所示。

圖12 系統參數微調界面

系統控制參數界面用于設置生產線最大運行速度，運行模式（包括計米停機模式、點動運行模式、斷絲保護模式）、粉位檢測、放線預警、風機故障檢測等。界面如圖13所示。

圖13 系統控制參數界面

系統工藝參數界面主要實現通過輸入的拉絲機生產模具直徑經控制器計算出各個卷筒的速度配比功能。生產統計界面主要設計產量統計表、停機長度、減速長度、停機重量、單位重量等統計信息。系統投切界面主要實現各軋輥電機和拉絲電機的投切狀態切換功能。系統報警界面主要實現生產線故障報警以及故障報警信息查詢功能。

6 結語

采用西門子S7-300 PLC設計并開發了藥芯焊絲成型機自動控制系統，提出了通過調節速度給定值的方法增強系統運行穩定性的電機速度控制方案，實現了對藥芯焊絲成型機生產線的有效控制，開發了相應的觸摸屏操作界面，實現了設備運行模式選擇、狀態切換、工藝參數設定等功能，提高了生產效率。