一種銀基絲材電流加熱穩定控制系統設計研究

熊經先 ，顏君波 ，黎聯杰

（1.桂林電器科學研究院有限公司，廣西桂林 541004；2.桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

引言

銀基合金絲材因其規則的外形、良好的加工性、優異的電性能而被廣泛應用于電觸頭領域的鉚釘觸頭制造[1]。目前銀基合金絲材的加工制造主要生產過程是多次退火配合過模拉拔達到相應的線徑尺寸，生產中面臨主要問題是在過模拉拔過程中因應力急劇變化而造成絲材斷裂和多次退火導致生產周期過長效率低。絲材在線退火熱拉拔工藝[2]是目前使用比較廣泛的銀基合金絲材熱拉拔生產工藝，特別是接觸式電流加熱[3]在線退火熱拉拔工藝因其良好的可加熱性、簡潔操作性以及顯著的節能性而被廣泛應用。

目前行業里傳統的接觸式電流加熱熱拉拔設備在控制系統原理上比較簡單，主要由一些簡單的交流接觸器、中間繼電器、時間繼電器、電位器、變頻器、加熱器、開關以及按鈕等組成，能夠滿足無精度或低精度要求的在線加熱，但在加熱過程中經常會因為加熱控制系統不穩定、絲材滑絲、斷絲、拉拔速度改變等因素造成絲材過加熱燒斷或者欠加熱拉斷，操作者需要重新進行絲材軋頭和穿模工作，耗費了大量時間；同時因為加熱系統缺少足夠檢測反饋信號和缺少精確控制算法，導致絲材不能夠在工藝要求的參數范圍內進行生產，造成產品質量穩定性較差。隨著對產品質量穩定性要求不斷提高，研究如何通過機構改進、增加傳感器檢測、改進控制算法等手段實現生產過程可控化、生產參數可追溯、異常報警自動處理等功能的電流加熱在線退火控制系統成為相關企業研究的重點。

針對上述問題，本研究設計了一種基于西門子PLC控制器的PID電流加熱穩定控制系統[4]，通過硬件系統及軟件系統的設計，利用相關傳感器實時檢測以及檢測信號實時反饋輸入到PLC進行PID運算控制相關執行系統，實現穩定的加熱控制，解決傳統接觸式電流加熱拉拔控制系統存在的缺陷。

1 系統構成及工作原理分析

本研究提出的基于西門子PLC控制器的PID電流加熱穩定控制系統工作原理如圖1所示，絲材由放線機構經過校直機構進入導電機構，再穿過過模模具進入拉拔系統的收卷滾筒；在觸摸屏上設定待熱拉拔的產品工藝參數，啟動熱拉拔系統。熱拉拔啟動后，系統會自動采集速度檢測裝置的編碼器信號、缺料檢測裝置信號、電壓傳感器信號、電流傳感器信號、溫度傳感器信號、變頻器信號并傳送到PLC中作為PID控制參數進行PID運算控制，PID控制輸出信號對加熱控制器、絲材拉拔速度控制器聯動控制，使絲材保持在穩定的加熱范圍內，實現絲材加熱過程的穩定性，保證產品質量穩定。

圖1 系統原理圖

1.1 拉拔系統

在熱拉拔工藝中，拉拔速度對絲材質量穩定性有很重要影響，絲材熱拉拔速度必須跟所選的對應規格熱拉拔工藝規定的拉拔速度相匹配，否則將出現因拉拔速度波動而造成產品性能異常。拉拔速度通過變頻器控制，變頻器的控制方式為模擬量矢量控制，經PID運算后得到控制變頻器速度的信號從PLC模擬量輸出模塊輸入到變頻器的模擬量輸入模塊，精準的控制電機轉速，實現穩定的熱拉拔速度。

1.2 加熱系統

加熱系統是給絲材加熱的執行機構，主要由導電機構、輸電傳送電纜、電壓檢測傳感器、電流檢測傳感器、壓力檢測傳感器、溫度傳感器、絲材速度檢測裝置、過模模具、防震動機構、加熱控制器組成，加熱系統的穩定性、可實時監控性并能實時調控性是實現絲材穩定加熱的關鍵。電壓檢測傳感器用于檢測絲材兩端加熱電壓，電流傳感器是用于檢測絲材加熱電流大小，壓力檢測傳感器和防震機構主要是用于防止絲材跟電極接觸不良；加熱控制器主要用于接收從控制系統輸入的PID控制信號并把電能由電纜傳到導電機構，實現絲材電流加熱。

1.3 控制系統

控制系統是用于接收外部傳感器信號、與HMI界面交互、算法、程序開發執行、輸出控制變頻器、控制加熱控制器、控制外部執行元件的系統，是加熱系統能夠精準穩定運行的核心。這套控制系統開發的核心是基于傳感器反饋的PID運算[6]算法。原理是根據電流產生熱量公式Q=UIt,熱量Q作為目標值，通過PID運算后控制執行元件，實現對U、I、t三個關鍵參數的動態控制，保證Q的動態平衡。PID控制原理圖如圖2所示。

圖2 PID控制原理

2 接觸式電流加熱穩定控制系統設計

2.1 控制系統硬件

控制系統的硬件部分主要由PLC、觸摸屏、變頻器、絲材速度檢測裝置、絲材缺料檢測傳感器、加熱調控器組成。PLC選用西門子1200系列，CPU型號為1212CDC/DC/DC，此模塊自帶8輸入/8輸出的數字信號接口，2路八位模擬輸入信號,根據PLC與變頻器、編碼器、電壓傳感器、以及相關控制功能需求，增加一個SM1223的PLC數字量輸入輸出模塊和一個SM1234模擬量輸入輸出模塊，PLC通過模擬量輸出模塊把PI運算輸出信號輸入到變頻器的模擬輸入模塊，實現對變頻器速度控制；將絲材速度檢測裝置的高精度編碼器信號輸入到PLC的CPU模塊設定的高速計數輸入接口，通過PLC程序轉換后顯示到觸摸屏同時作為PID運算控制的重要參數。將電壓檢測裝置的0～10 V信號和電流檢測裝置的0～20 mA信號輸入到增加的模擬量模塊的輸入接口，經過PLC內部程序轉換后顯示到觸摸屏同時作為PID運算控制的重要參數；絲材缺料檢測傳感器使用電感式接近開關，24VDC直流開關量信號輸出。觸摸屏使用威綸通KT8071ip，通過PRO‐FINET通訊接口與PLC交互信號。變頻器選用型號為MD380的18 kW重載變頻器。其總控制系統結構原理圖如圖3所示。

圖3 控制系統結構圖

2.2 控制系統軟件

控制系統的軟件設計主要是PLC程序設計和觸摸屏頁面程序設計[7]。PLC主程序主要包括PID參數數據采集、PID運算控制程序設計、PID輸出控制程序設計、輸出控制功能設計、缺料檢測報警動作設計、系統參數初始化。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

觸摸屏的程序設計主要是人機交互的界面開發，設計實時絲材速度顯示、速度控制設定、電壓、電流、溫度顯示、加熱系統功率輸出顯示、斷絲報警、缺料報警、報警日志顯示、PID調整參數輸入文本框等功能，同時還需要設計能夠實現觸摸屏控整個熱拉拔系統手動執行元件以及自動運行及停止功能；設計不同材料及不同規格設置相應的參數輸入的文本框，設計產品工藝參數庫；在生產前調取產品所需的生產工藝，進行生產的自動化控制。

3 結論

設計了基于西門子PLC控制器的PID電流加熱穩定控制系統，并通過PLC、觸摸屏、變頻器、相關傳感器的綜合運用，實現了對絲材熱拉拔過程電流加熱的自動穩定控制，滿足了絲材熱拉拔的工藝需求，提高了產品穩定性。絲材電流加熱穩定控制系統的運用有效提高了銀基合金絲熱拉拔的自動化程度和生產效率，降低了生產成本。