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中達電通公司 上海機電業務處 李 強
摘 要：在介紹拉絲機原理的基礎上，詳細討論基於PLC平台的高端金屬拉絲機電氣自動化主控係統開發技術。
關鍵字：台達 PLC 變頻器 三聯拉絲機
1 引言
金(jin)屬(shu)絲(si)材(cai)是(shi)最(zui)基(ji)本(ben)最(zui)常(chang)用(yong)的(de)金(jin)屬(shu)深(shen)加(jia)工(gong)製(zhi)品(pin)。生(sheng)產(chan)金(jin)屬(shu)絲(si)材(cai)的(de)金(jin)屬(shu)拉(la)拔(ba)機(ji)械(xie)簡(jian)稱(cheng)拉(la)絲(si)機(ji)。隨(sui)著(zhe)國(guo)家(jia)對(dui)不(bu)可(ke)再(zai)生(sheng)資(zi)源(yuan)的(de)日(ri)益(yi)關(guan)注(zhu)，提(ti)倡(chang)節(jie)約(yue)，在(zai)整(zheng)個(ge)電(dian)線(xian)電(dian)纜(lan)行(xing)業(ye)，越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)廠(chang)家(jia)開(kai)始(shi)嚐(chang)試(shi)開(kai)發(fa)新(xin)型(xing)的(de)生(sheng)產(chan)設(she)備(bei)，如(ru)銅(tong)包(bao)鋁(lv)設(she)備(bei)，由(you)此(ci)延(yan)伸(shen)出(chu)來(lai)的(de)三(san)聯(lian)拉(la)等(deng)高(gao)端(duan)設(she)備(bei)的(de)潛(qian)在(zai)市(shi)場(chang)顯(xian)得(de)非(fei)常(chang)巨(ju)大(da)，張(zhang)家(jia)港(gang)維(wei)達(da)機(ji)械(xie)正(zheng)是(shi)看(kan)到(dao)了(le)這(zhe)樣(yang)的(de)商(shang)機(ji)，因(yin)此(ci)投(tou)入(ru)人(ren)力(li)、物wu力li開kai始shi研yan發fa新xin型xing的de三san聯lian拉la設she備bei。在zai競jing爭zheng激ji烈lie的de拉la絲si機ji市shi場chang，單dan片pian機ji開kai發fa的de專zhuan用yong控kong製zhi器qi以yi及ji拉la絲si機ji專zhuan用yong變bian頻pin器qi係xi統tong雖sui然ran結jie構gou簡jian單dan造zao價jia低di廉lian，但dan是shi對dui於yu工gong藝yi條tiao件jian要yao求qiu嚴yan格ge的de高gao端duan拉la絲si機ji，由you觸chu摸mo屏ping、PLC與變頻器係統集成的方案具有更加優秀的自動控製技術優勢。
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）從拉絲機內部控製方式和機械結構來說，又可以分為水箱式、滑輪式、直(zhi)進(jin)式(shi)等(deng)主(zhu)要(yao)的(de)幾(ji)種(zhong)。對(dui)於(yu)不(bu)同(tong)要(yao)求(qiu)，不(bu)同(tong)精(jing)度(du)規(gui)則(ze)的(de)產(chan)品(pin)，不(bu)同(tong)的(de)金(jin)屬(shu)物(wu)料(liao)，可(ke)選(xuan)擇(ze)不(bu)同(tong)規(gui)格(ge)的(de)拉(la)絲(si)機(ji)械(xie)。而(er)於(yu)鋼(gang)絲(si)生(sheng)產(chan)企(qi)業(ye)和(he)高(gao)端(duan)絲(si)材(cai)，針(zhen)對(dui)材(cai)料(liao)特(te)性(xing)，其(qi)精(jing)度(du)要(yao)求(qiu)和(he)拉(la)拔(ba)穩(wen)定(ding)度(du)高(gao)，因(yin)此(ci)使(shi)用(yong)直(zhi)進(jin)式(shi)拉(la)絲(si)機(ji)較(jiao)多(duo)。盡(jin)管(guan)拉(la)絲(si)工(gong)藝(yi)不(bu)同(tong)，但(dan)其(qi)工(gong)作(zuo)過(guo)程(cheng)基(ji)本(ben)上(shang)可(ke)以(yi)劃(hua)分(fen)成(cheng)放(fang)線(xian)、拉絲、收線等3部份工藝過程。
金(jin)屬(shu)絲(si)的(de)放(fang)線(xian)，對(dui)於(yu)整(zheng)個(ge)拉(la)絲(si)機(ji)環(huan)節(jie)來(lai)說(shuo)，其(qi)控(kong)製(zhi)沒(mei)有(you)過(guo)高(gao)的(de)精(jing)度(du)要(yao)求(qiu)，大(da)部(bu)分(fen)拉(la)絲(si)機(ji)械(xie)，放(fang)線(xian)的(de)操(cao)作(zuo)是(shi)通(tong)過(guo)變(bian)頻(pin)器(qi)驅(qu)動(dong)放(fang)線(xian)架(jia)實(shi)現(xian)的(de)，但(dan)也(ye)有(you)部(bu)分(fen)雙(shuang)變(bian)頻(pin)控(kong)製(zhi)的(de)拉(la)絲(si)機(ji)械(xie)，甚(shen)至(zhi)直(zhi)接(jie)通(tong)過(guo)拉(la)絲(si)環(huan)節(jie)的(de)絲(si)線(xian)張(zhang)力(li)牽(qian)伸(shen)送(song)進(jin)拉(la)絲(si)機(ji)，實(shi)現(xian)自(zi)由(you)放(fang)線(xian)。拉(la)絲(si)環(huan)節(jie)是(shi)拉(la)絲(si)機(ji)最(zui)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)工(gong)作(zuo)環(huan)節(jie)。不(bu)同(tong)金(jin)屬(shu)物(wu)料(liao)，不(bu)同(tong)的(de)絲(si)質(zhi)品(pin)種(zhong)和(he)要(yao)求(qiu)，拉(la)絲(si)環(huan)節(jie)有(you)很(hen)大(da)的(de)不(bu)同(tong)，本(ben)文(wen)將(jiang)詳(xiang)細(xi)分(fen)析(xi)設(she)計(ji)直(zhi)進(jin)式(shi)拉(la)絲(si)機(ji)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)。收(shou)線(xian)環(huan)節(jie)的(de)工(gong)作(zuo)速(su)度(du)決(jue)定(ding)了(le)整(zheng)個(ge)拉(la)絲(si)機(ji)械(xie)的(de)生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)，也(ye)是(shi)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)最(zui)難(nan)控(kong)製(zhi)的(de)部(bu)分(fen)。在(zai)收(shou)線(xian)部(bu)分(fen)，常(chang)用(yong)的(de)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)有(you)同(tong)步(bu)控(kong)製(zhi)與(yu)張(zhang)力(li)控(kong)製(zhi)實(shi)現(xian)金(jin)屬(shu)製(zhi)品(pin)的(de)收(shou)卷(juan)。
3 係統設計
3.1 直進式三聯拉絲機係統方案設計
直進式三聯拉絲機自動化係統框圖參見圖1。
圖1直進式三聯拉絲機自動化係統框圖
三聯拉屬於大型拉絲機，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。這樣對於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係列的變頻器，矢量控製能較普通變頻器在低頻控製時，讓電機的輸出轉矩有明顯的提高。
三聯拉不同於傳統的拉絲機，一般的拉絲機分為雙變頻和單變頻控製兩種。因此在控製上隻要PIDcanshuzaitiaoshideguochengdangzhongnenggouhelishezhi，rangshouxiandesudutongguojifendezuoyonggensuilasidesudu，jiangjifenzengyishezhidedayixie，erjifenzhouqiyaochangyixie，zheyangkongzhixiaoguohuibijiaolixiang。ersanlianlafenweiliangjilashen，congladesudugensuizhuladesudu，tongshishouxiandesuduyaokuaisugensuicongladesudu。dangzhulasudubianhuashi，conglajishouxiandesuduyaogensuizhuladesudutongshengtongjiang，bingqieyouyuzhulajiajiansudapolezhiqiandepinghengzhuangtai，yaoqiuconglajishouxiandeyaokuaisuxiangying，dadaoxindepinghengzhuangtai。youqishishouxianyaogengjiayaokuaisuxiangying。youyukongzhiduixiangxianghuzhijianzaisudushangxianghuyingxiang，yincizaiyingyongputonglasijidekongzhifangfa，shiyongjiandandePID調(tiao)整(zheng)就(jiu)很(hen)難(nan)使(shi)得(de)從(cong)拉(la)和(he)收(shou)線(xian)達(da)到(dao)平(ping)衡(heng)。積(ji)分(fen)作(zuo)用(yong)的(de)滯(zhi)後(hou)，同(tong)時(shi)平(ping)衡(heng)杆(gan)可(ke)調(tiao)節(jie)的(de)範(fan)圍(wei)又(you)比(bi)較(jiao)小(xiao)，如(ru)果(guo)不(bu)能(neng)快(kuai)速(su)響(xiang)應(ying)，會(hui)出(chu)現(xian)擺(bai)杆(gan)回(hui)到(dao)平(ping)衡(heng)位(wei)置(zhi)的(de)時(shi)間(jian)較(jiao)長(chang)，同(tong)時(shi)在(zai)回(hui)到(dao)平(ping)衡(heng)位(wei)置(zhi)後(hou)，由(you)於(yu)積(ji)分(fen)的(de)累(lei)計(ji)使(shi)得(de)前(qian)後(hou)速(su)度(du)已(yi)經(jing)有(you)較(jiao)大(da)的(de)差(cha)異(yi)，又(you)造(zao)成(cheng)超(chao)過(guo)平(ping)衡(heng)位(wei)置(zhi)，此(ci)時(shi)後(hou)一(yi)級(ji)又(you)需(xu)要(yao)經(jing)過(guo)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)的(de)積(ji)分(fen)作(zuo)用(yong)才(cai)能(neng)將(jiang)速(su)度(du)校(xiao)正(zheng)過(guo)來(lai)，但(dan)由(you)於(yu)積(ji)分(fen)作(zuo)用(yong)的(de)滯(zhi)後(hou)使(shi)得(de)還(hai)未(wei)將(jiang)平(ping)衡(heng)杆(gan)校(xiao)正(zheng)過(guo)來(lai)，可(ke)能(neng)絲(si)就(jiu)已(yi)經(jing)被(bei)拉(la)斷(duan)了(le)。因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)一(yi)種(zhong)新(xin)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)，要(yao)能(neng)夠(gou)快(kuai)速(su)響(xiang)應(ying)主(zhu)速(su)的(de)變(bian)化(hua)，同(tong)時(shi)不(bu)能(neng)夠(gou)超(chao)調(tiao)，造(zao)成(cheng)係(xi)統(tong)的(de)震(zhen)蕩(dang)。具(ju)體(ti)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)在(zai)下(xia)文(wen)進(jin)行(xing)詳(xiang)細(xi)的(de)介(jie)紹(shao)及(ji)說(shuo)明(ming)。
3.2 控製係統結構與算法設計
（1）係統控製結構。係統控製結構如圖2所示。
圖2 係統控製結構如
（2）kongzhisuanfasheji。genjushijikongzhiduixiangdetexing，yaoqiukuaisuxiangying，tongshitiaojiefanweiyouxian。yincikaolvyongbilideguanxijinxingtiaozheng，yinweidalajixieshejishangyuweila、小拉、中zhong拉la有you很hen大da的de不bu同tong。前qian者zhe收shou線xian都dou存cun在zai卷juan徑jing的de變bian化hua，由you卷juan徑jing的de變bian化hua而er影ying響xiang速su度du。而er大da拉la的de收shou線xian部bu分fen不bu同tong於yu前qian者zhe，可ke以yi忽hu略lve卷juan徑jing的de變bian化hua。算suan法fa如ru下xia公gong式shi所suo示shi：
其中K1為主拉與從拉之間的同步比例係數，K2為從拉與收線之間的同步比例係數。
Kf1, Kf2分別為反饋比例係數，ΔE1，ΔE2為偏離平衡位置的偏差，偏差有正負之分。
由you於yu原yuan料liao絲si經jing過guo不bu同tong孔kong徑jing的de模mo具ju後hou，被bei拉la成cheng細xi線xian徑jing的de絲si。因yin此ci伸shen長chang率lv很hen大da，如ru果guo對dui伸shen長chang部bu分fen不bu進jin行xing處chu理li，在zai低di速su和he高gao速su的de時shi候hou，從cong拉la及ji收shou線xian是shi來lai不bu及ji響xiang應ying的de。如ru何he確que定dingK1與K2的大小，可以通過原料絲與被拉後絲的體積不變的原則來計算。因此在人機界麵上由操作者在圖3畫麵進行設定。
圖3 同步比例係數設定畫麵
（3）同步比例係數的確定方法。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後絲的線徑發生了變化。假設進模具前的線徑為r1,長度為L1;經過模具後絲的線徑為r2,長度為L2，則根據體積不變的原則可以得出：
因此：r12L1= r22L2，即原料絲經過模具後被拉長了，伸長的係數K= L2/ L1= r12/ r22
經過這樣的推導，就可以得出在前麵控製算法中（1）,(2)兩式中同步比例係數K1、K2.
反饋比例係數Kf1、Kf2的確定是依據具體的調試效果來確定。
3.3 台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，一路作為兩個平衡杆電位器的電源，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 係統調試
在整個調試過程中，不僅要合理的調整反饋比例係數。同時也要注意主拉、conglazaizhengchangyunxingguochengzhongchulidebutong。keyixiangxiangyouyuyuanliaosidexianjingzuicu，jidiyidaolashenzhuladianjiyaochugengduodeli，jizhulazaidisuqidongshixuyaojiaogaodezhuanju，ruguojinjindanchundequtiaoshiPLC程(cheng)序(xu)，改(gai)變(bian)反(fan)饋(kui)比(bi)例(li)係(xi)數(shu)，在(zai)拉(la)不(bu)同(tong)線(xian)徑(jing)的(de)絲(si)時(shi)，控(kong)製(zhi)的(de)效(xiao)果(guo)一(yi)定(ding)是(shi)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)的(de)。我(wo)們(men)不(bu)可(ke)能(neng)要(yao)求(qiu)操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)去(qu)動(dong)態(tai)的(de)調(tiao)整(zheng)反(fan)饋(kui)比(bi)例(li)係(xi)數(shu)。其(qi)實(shi)隻(zhi)要(yao)將(jiang)主(zhu)拉(la)的(de)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製方式改成矢量控製，來彌補低速運行時出力不足的情況。
如果主拉的控製方式采用矢量控製，在負載較重的時候，會發現平衡杆頻繁震蕩。
如ru果guo觀guan察cha運yun行xing電dian流liu，會hui發fa現xian電dian機ji運yun行xing電dian流liu忽hu大da忽hu小xiao，之zhi所suo以yi會hui出chu現xian這zhe種zhong情qing況kuang的de原yuan因yin是shi由you於yu采cai用yong矢shi量liang控kong製zhi時shi，變bian頻pin的de輸shu出chu電dian流liu會hui進jin行xing補bu償chang，以yi提ti高gao電dian機ji的de輸shu出chu轉zhuan矩ju。而er電dian流liu改gai變bian的de太tai頻pin繁fan，會hui造zao成cheng上shang述shu的de現xian象xiang，如ru何he解jie決jue？可ke以yi增zeng大da轉zhuan矩ju補bu償chang低di通tong濾lv波bo時shi間jian，增zeng大da該gai值zhi可ke以yi非fei常chang有you效xiao的de克ke服fu振zhen動dong的de現xian象xiang。這zhe一yi點dian是shi非fei常chang關guan鍵jian的de。
整個係統在運行中可以分啟動、加速、減速、停ting車che過guo程cheng。啟qi動dong要yao求qiu主zhu拉la具ju有you較jiao高gao的de啟qi動dong轉zhuan矩ju，在zai拉la最zui大da線xian徑jing時shi也ye要yao能neng有you足zu夠gou的de力li量liang。在zai加jia速su的de過guo程cheng中zhong需xu要yao從cong拉la的de加jia速su時shi間jian要yao小xiao於yu主zhu拉la的de加jia速su時shi間jian，目mu的de是shi為wei了le快kuai速su跟gen隨sui主zhu拉la速su度du的de變bian化hua，同tong時shi也ye能neng及ji時shi的de對dui平ping衡heng杆gan的de變bian化hua響xiang應ying出chu來lai。收shou線xian在zai加jia速su的de過guo程cheng中zhong，加jia速su時shi間jian要yao比bi從cong拉la更geng小xiao，因yin為wei收shou線xian要yao更geng加jia快kuai速su的de對dui主zhu拉la或huo從cong拉la速su度du的de變bian化hua進jin行xing快kuai速su響xiang應ying。在zai減jian速su和he停ting車che的de過guo程cheng中zhong，也ye要yao合he理li的de對dui主zhu拉la、從拉、收線的減速時間進行設定。以保證在停車時平衡杆能夠停在平衡位置附近。
5 結束語
基於台達機電技術的三聯直進式金屬拉絲機係統已經投入試車運行。係統啟動、加速、減速、停ting止zhi的de動dong態tai過guo程cheng實shi際ji效xiao果guo達da到dao預yu期qi設she計ji。平ping衡heng杆gan始shi終zhong在zai平ping衡heng位wei置zhi上shang下xia很hen小xiao的de一yi個ge範fan圍wei內nei輕qing微wei的de擺bai動dong。本ben套tao係xi統tong區qu別bie於yu其qi它ta係xi統tong，能neng夠gou自zi動dong調tiao整zheng線xian徑jing的de變bian化hua造zao成cheng的de伸shen長chang率lv的de變bian化hua。同tong步bu比bi例li係xi數shu自zi動dong調tiao整zheng，非fei常chang靈ling活huo。
作者簡介
李 強 男 （台達）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係統集成和項目開發領域具有豐富的電氣成套設計和係統開發的經驗
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