基于臺達機電技術的三聯直進式金屬拉絲機

在介紹拉絲機原理的基礎上，詳細討論基于PLC平臺的高端金屬拉絲機電氣自動化主控系統開發技術。
關鍵字：臺達 PLC 變頻器 三聯拉絲機

1 引言

金屬絲材是最基本最常用的金屬深加工制品。生產金屬絲材的金屬拉拔機械簡稱拉絲機。隨著國家對不可再生資源的日益關注，提倡節約，在整個電線電纜行業，越來越多的廠家開始嘗試開發新型的生產設備，如銅包鋁設備，由此延伸出來的三聯拉等高端設備的潛在市場顯得非常巨大，張家港維達機械正是看到了這樣的商機，因此投入人力、物力開始研發新型的三聯拉設備。在競爭激烈的拉絲機市場，單片機開發的專用控制器以及拉絲機專用變頻器系統雖然結構簡單造價低廉，但是對于工藝條件要求嚴格的高端拉絲機，由觸摸屏、PLC與變頻器系統集成的方案具有更加優秀的自動控制技術優勢。

2 拉絲機工藝描述

拉絲機種類繁多，按照拉絲的線徑大小可以分為：微拉機（線徑單位：絲）、小拉機（線徑單位：0.Xmm）、中拉機（線徑單位：mm）、大拉機（線徑單位：1X mm）從拉絲機內部控制方式和機械結構來說，又可以分為水箱式、滑輪式、直進式等主要的幾種。對于不同要求，不同精度規則的產品，不同的金屬物料，可選擇不同規格的拉絲機械。而于鋼絲生產企業和高端絲材，針對材料特性，其精度要求和拉拔穩定度高，因此使用直進式拉絲機較多。盡管拉絲工藝不同，但其工作過程基本上可以劃分成放線、拉絲、收線等3部份工藝過程。

金屬絲的放線，對于整個拉絲機環節來說，其控制沒有過高的精度要求，大部分拉絲機械，放線的操作是通過變頻器驅動放線架實現的，但也有部分雙變頻控制的拉絲機械，甚至直接通過拉絲環節的絲線張力牽伸送進拉絲機，實現自由放線。拉絲環節是拉絲機最為重要的工作環節。不同金屬物料，不同的絲質品種和要求，拉絲環節有很大的不同，本文將詳細分析設計直進式拉絲機自動控制系統。收線環節的工作速度決定了整個拉絲機械的生產效率，也是整個系統最難控制的部分。在收線部分，常用的控制技術有同步控制與張力控制實現金屬制品的收卷。

3 系統設計

3.1 直進式三聯拉絲機系統方案設計

直進式三聯拉絲機自動化系統框圖參見圖1。

圖1 直進式三聯拉絲機自動化系統框圖

三聯拉屬于大型拉絲機，拉出絲的線徑較粗（最大線徑14mm），因此需要電機在低頻啟動時要能提供足夠大的輸出轉矩。這樣對于變頻器的低頻特性有較高的要求。因此在做方案時選擇了使用B系列的變頻器，矢量控制能較普通變頻器在低頻控制時，讓電機的輸出轉矩有明顯的提高。

三聯拉不同于傳統的拉絲機，一般的拉絲機分為雙變頻和單變頻控制兩種。因此在控制上只要PID參數在調試的過程當中能夠合理設置，讓收線的速度通過積分的作用跟隨拉絲的速度，將積分增益設置的大一些，而積分周期要長一些，這樣控制效果會比較理想。而三聯拉分為兩級拉伸，從拉的速度跟隨主拉的速度，同時收線的速度要快速跟隨從拉的速度。當主拉速度變化時，從拉及收線的速度要跟隨主拉的速度同升同降，并且由于主拉加減速打破了之前的平衡狀態，要求從拉及收線的要快速響應，達到新的平衡狀態。尤其是收線要更加要快速響應。由于控制對象相互之間在速度上相互影響，因此在應用普通拉絲機的控制方法，使用簡單的PID調整就很難使得從拉和收線達到平衡。積分作用的滯后，同時平衡桿可調節的范圍又比較小，如果不能快速響應，會出現擺桿回到平衡位置的時間較長，同時在回到平衡位置后，由于積分的累計使得前后速度已經有較大的差異，又造成超過平衡位置，此時后一級又需要經過一段時間的積分作用才能將速度校正過來，但由于積分作用的滯后使得還未將平衡桿校正過來，可能絲就已經被拉斷了。因此需要一種新的控制算法，要能夠快速響應主速的變化，同時不能夠超調，造成系統的震蕩。具體的控制算法在下文進行詳細的介紹及說明。

3.2 控制系統結構與算法設計

（1）系統控制結構。系統控制結構如圖2所示。

圖2 系統控制結構

（2）控制算法設計。根據實際控制對象的特性，要求快速響應，同時調節范圍有限。因此考慮用比例的關系進行調整，因為大拉機械設計上與微拉、小拉、中拉有很大的不同。前者收線都存在卷徑的變化，由卷徑的變化而影響速度。而大拉的收線部分不同于前者，可以忽略卷徑的變化。算法如下公式所示：

V從拉=K1*V主拉+Kf1*ΔE1 (1)
V收線=K2*V從拉+Kf2*ΔE2 (2)

其中K1為主拉與從拉之間的同步比例系數，K2為從拉與收線之間的同步比例系數。

Kf1, Kf2分別為反饋比例系數，ΔE1，ΔE2為偏離平衡位置的偏差，偏差有正負之分。

由于原料絲經過不同孔徑的模具后，被拉成細線徑的絲。因此伸長率很大，如果對伸長部分不進行處理，在低速和高速的時候，從拉及收線是來不及響應的。如何確定K1與K2的大小，可以通過原料絲與被拉后絲的體積不變的原則來計算。因此在人機界面上由操作者在圖3畫面進行設定。

圖3 同步比例系數設定畫面

（3）同步比例系數的確定方法。因為體積V=πr2L(r為絲的半徑，L為絲的長度)，因此從原料絲到經過模具后絲的線徑發生了變化。假設進模具前的線徑為r1,長度為L1;經過模具后絲的線徑為r2,長度為L2，則根據體積不變的原則可以得出：

因此：r12L1= r22L2，即原料絲經過模具后被拉長了，伸長的系數K= L2/ L1= r12/ r22

經過這樣的推導，就可以得出在前面控制算法中（1）,(2)兩式中同步比例系數K1、K2.

反饋比例系數Kf1、Kf2的確定是依據具體的調試效果來確定。

3.3 臺達機電產品應用設計

（1）硬件構成。硬件構成參見表1。

表1 硬件選型

（2）PLC—變頻器電氣設計。在配置上選用比較有特色的DVP10SX00R的主機，該主機上自帶2路模擬量輸入和2路模擬量輸出，解析度12位。另外選用DVP02DA-S的模塊，一路作為兩個平衡桿電位器的電源，另外一路作為收線變頻器的速度給定。而主機上自帶的2路DA，分別作為主拉變頻、從拉變頻的速度給定。另外2路AD則分別作為2路電位器的反饋輸入，參見圖4。這樣不僅僅能夠為客戶節省大幅的成本，同時安裝尺寸也非常小，節省了安裝空間。

圖4 PLC電控設計

4 系統調試

在整個調試過程中，不僅要合理的調整反饋比例系數。同時也要注意主拉、從拉在正常運行過程中出力的不同。可以想象由于原料絲的線徑最粗，即第一道拉伸主拉電機要出更多的力，即主拉在低速啟動時需要較高的轉距，如果僅僅單純的去調試PLC程序，改變反饋比例系數，在拉不同線徑的絲時，控制的效果一定是會發生變化的。我們不可能要求操作人員去動態的調整反饋比例系數。其實只要將主拉的V/F曲線調整的合理，提高低速轉距或者根據實際情況還可以將主拉變頻的控制方式改成矢量控制，來彌補低速運行時出力不足的情況。

如果主拉的控制方式采用矢量控制，在負載較重的時候，會發現平衡桿頻繁震蕩。

如果觀察運行電流，會發現電機運行電流忽大忽小，之所以會出現這種情況的原因是由于采用矢量控制時，變頻的輸出電流會進行補償，以提高電機的輸出轉矩。而電流改變的太頻繁，會造成上述的現象，如何解決？可以增大轉矩補償低通濾波時間，增大該值可以非常有效的克服振動的現象。這一點是非常關鍵的。

整個系統在運行中可以分啟動、加速、減速、停車過程。啟動要求主拉具有較高的啟動轉矩，在拉最大線徑時也要能有足夠的力量。在加速的過程中需要從拉的加速時間要小于主拉的加速時間，目的是為了快速跟隨主拉速度的變化，同時也能及時的對平衡桿的變化響應出來。收線在加速的過程中，加速時間要比從拉更小，因為收線要更加快速的對主拉或從拉速度的變化進行快速響應。在減速和停車的過程中，也要合理的對主拉、從拉、收線的減速時間進行設定。以保證在停車時平衡桿能夠停在平衡位置附近。

5 結束語

基于臺達機電技術的三聯直進式金屬拉絲機系統已經投入試車運行。系統啟動、加速、減速、停止的動態過程實際效果達到預期設計。平衡桿始終在平衡位置上下很小的一個范圍內輕微的擺動。本套系統區別于其它系統，能夠自動調整線徑的變化造成的伸長率的變化。同步比例系數自動調整，非常靈活。

作者簡介
李 強 男 （臺達）機電產品高級技術支持工程師（FAE） 工業自動化專業方向 在組態軟件、數據庫、人機、PLC、變頻器、伺服、直流調速、溫控等自動化產品的系統集成和項目開發領域具有豐富的電氣成套設計和系統開發的經驗