基于变频器的拉丝机控制系统设计本科毕业设计

1、第一章绪论11 课题的背景。在国内初期金属制品行业的发展中，对于盘条的拉拔主要是应用滑轮式拉丝机及活套式拉丝机，这种拉丝机拉拔的速度慢，拉拔道次少，主要是拉拔一 次，收卷一次，再拉拔一次，再收卷一次，以此循环。这种拉拔设备，速度慢， 钢丝变形大，效率非常低下。后来从国外引进了直进式拉丝机,这种直进式拉丝设备拉拔速度快，多道次连续拉拔，各个道次速度张力协调工作，保证了高速高质高效率。后来随着交流传动技术的成熟和广泛的应用， 直进式拉丝机过度到了交流电气传动控制系统2。随着这些年金属制品行业突飞猛进的发展，各个金属制品细分行业对直进式拉丝机有着巨大的需求，市场增长非常快。在引进国外的直进式拉丝机设

2、备后，国内的金属制品设备企业对其进行了艰苦的国产化过程，经过十多年的技术发展，对直进式拉丝机的机械和电控已经完全消化，现在国产的直进式拉丝机完全达到了进口的各项工艺数据，完全实现了进口替代，现在在这个行业中， 已经很少再进口国外的直进式拉丝机设备。12 直进式拉丝机介绍图 1-1： 直进式拉丝机实例图直进式拉丝机应用于金属制品行业中前道工艺里对粗口径的钢丝（直径大 于 3mm）进行直接多道次的拉拔处理成细口径的钢丝（直径小于 3mm）的拉拔设备。如图 1 展示了一个完整的直进式拉丝机现场图片。 首先盘条从放线设备一圈一圈的顺序绕出然后进入主要拉拔设备,拉拔设备主要是拉丝模具和卷筒构成，盘条穿过

3、第一道拉丝模具然后再缠绕在第一道 卷筒上，经过第一道卷筒拉拔钢丝穿过第一道拉丝模具后较粗的钢丝的直径就 变成了与拉丝模具孔径直径一样的钢丝，然后穿过第二道拉丝模具后在缠绕在 第二道卷筒上，第二道拉丝模具的孔径直径比第一道孔径直径小，金属丝经过 第二道卷筒后从第二道拉丝模具出来的丝又会变细成与第二道拉丝模孔径直径 一样的金属丝，这样连续不断的经过多道次的拉拔，粗口径的盘条就会变成细 口径的金属丝了。然后最后一道的成品钢丝经过排线设备后进入工字轮收线设 备。工字轮根据设备事先设定好的记米长度记米到成品钢丝达到设定的长度后 整个设备就减速停车，这时一个满卷的工字轮就收满拉好的成品金属丝，待换 好空的

4、工字轮在收线设备上后又可重新起动直进式拉丝机开始新的工作任务。 这就是直进式拉丝机的工作全过程3。根据进线和出线金属丝的线径不同又可以分为直进式粗拉机和直进式中拉 机，粗拉主要是将特粗丝（直径大于 8mm）或粗丝（直径大于 6mm）经过多 道次拉拔拉成中丝（直径大于 3mm），中拉主要是将中丝经过多道次拉拔拉成 细丝（直径小于 1.5mm）4。粗拉和中拉设备工艺原理基本一样，电气控制系 统的算法原理也基本一样。经过直进式粗拉和直进式中拉的多道次拉拔后，如 果还需要更进一步拉拔成更细的钢丝，需要用到别的拉丝设备，如水箱拉丝机 等，种类很多，不在这里细述。14 本设计的工作 本文详细地描述了直进式

5、拉丝机的机械构造，各个机械部位的工作原理和相关工艺；详细研究了直进式拉丝机的基本物理公式,张力臂 PID 控制原理,各道次速度给定算法原理、速度修正算法原理和工字轮收线速度修正原理；设计了应用于直进式拉丝机的各个部位的电气元件如 PLC、变频器、触摸屏等的 选型配置；设计了相应的 PLC 控制程序如 PID 修正程序、速度给定计算程序以 及现场人机界面（触摸屏）；最后给出了现场所测定的各种相关的数据、曲线以 及对于该曲线数据的分析计了应用于直进式拉丝机的各个部位的电气元件如 PLC、变频器、触摸屏等的 选型配置；设计了相应的 PLC 控制程序如 PID 修正程序、速度给定计算程序以 及现场人机

6、界面（触摸屏）；最后给出了现场所测定的各种相关的数据、曲线以 及对于该曲线数据的分析第二章： 直进式拉丝机的工作原理直进式拉丝机是现代先进的机电一体化设备，机械构造复杂，各机械部件 协调联动精度高，控制算法先进，也要求现场最优的调试经验值来使设备运行 在最佳工艺状态。本章详细介绍了直进式拉丝机的机械构造、用于工艺控制的 物理公式、以后章节要用到的最基本的 PID 控制原理以及衡量工艺性能的最基 本的技术指标。21直进式拉丝机的机械构造以 LZ8/560 直进式中拉为例，“8”代表拉丝机配备有拉拔金属盘条用的八 个卷筒，“560”代表卷筒的直径（单位：mm）。直进式拉丝机主要由前端放线设 备，拉

7、丝模具、张力臂以及八个卷筒共同组成的拉拔设备，排线设备和收线设 备等四部分组成。拉丝模具指各种拉制金属线的模具，张力臂用以调节张力平 衡。金属丝经过放线设备进入第一道拉丝模，穿过第一道拉丝模具后缠绕在第 一道卷筒上，经过第一道卷筒的拉拔后金属丝的直径变细成与拉丝模具孔径一 样大小。然后金属丝经过张力臂，经由张力臂调节与保持张力恒定，之后再进 入第二道拉丝模，再缠绕在第二道拉拔卷筒。以此类推，金属丝每经过一级拉 丝模具，其直径就变细成同道次拉丝模具孔径大小的金属丝。经过八道次拉拔 缠绕在第八道卷筒后金属丝就变细成所设定的成品金属丝了。然后成品金属丝 进入排线设备和收线设备，排线有等速排线和等间距

8、排线两种方式，收线主要 是恒张力收线。最后，经过多道次拉拔后的成品金属丝进入工字轮收线设备卷 绕在工字轮伤后就完成了设备整个工艺工作流程。需要注意的是，八道拉拔中 要用到八事先设计好孔径的拉丝模具，但只用到七个平衡拉拔张力的张力臂， 第八道拉拔后就直接进入排线设备和收线设备，在收线设备前端也会安装平衡 收线张力的张力臂保证恒张力收线的实现5。直进式拉丝机的工艺流程图如下图 21 所示：图 2-1:直进式拉丝机工艺流程图放线设备主要分为主动式放线和自由式放线两种方式：主动式放线由变频 器控制放线电机的转速来控制放线的速度，自由式放线主要是由前道 1 号卷筒 拉拔力带动放线设备上的金属丝自由的从放

9、线设备进入拉拔设备。拉丝模具的 主要工艺参数是孔径，经过每一道拉丝模具的压缩拉伸，较粗金属丝就变成等 值于拉丝模具孔径的金属丝。金属丝缠绕在卷筒上由电机带动卷筒出力将穿过 拉丝模具的金属丝拉出。张力臂压在两个卷筒之间的金属丝上，保证金属丝张 力的稳定，张力臂的上下摆动通过安装的位置传感器的位置信号来反映，控制 的目的就是让张力臂在中间位置上下波动且波动幅度越小越好。排线设备负责 将拉拔好的金属丝等间距或者等速地的排在收线工字轮上，电气构成主要包括 排线电机和排线控制变频器。收线设备负责将拉拔好的金属丝均匀地收卷在各 种规格的工字轮上，主要是恒转矩收线，电气构成主要包括收线电机和收线控 制变频器

10、，也可直接用力矩电机控制。22 直进式拉丝机的物理公式与 PID 控制原理221直进式拉丝机的物理公式金属丝经过拉丝模具的压缩拉伸后其直径就变成与拉丝模具孔径一样大 小，依据被拉金属变形前后体积不变定律，我们可以得出如下公式（2-1）4其中，V k是第 K 道卷筒后的线速度, Dk 是第 K 道卷筒的出线直径。222PID 控制原理上图中 sp(t)是给定值，pv(t)是测量反馈值，e(t)= sp(t)- pv(t)是偏差值，M（t）是 PID 调节器输出值，c(t)是实际运行值。PID 控制算法如下公式所示Pout (t) = k P e(t) + ki e(t) + kd (e(t) e

11、(t 1) (24)上式中 Pout(t)是 PID 输出，Kp、Ki、Kd 分别称为比例常数、时间常数和 微分常数。项表示对 e(t)从1到t 的全部总和。通过对偏差的控制，PID 调节器通过调节输出控制执行机构不断的消除偏 差以使反馈值等于给定值。三个基本参数 Kp、Ki、Kd 在实际控制中的作用：比例调节作用： 是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调 节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差， 但是过大的比例会使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用： 是使系统消除稳态误差，提高无差度。如果有误差，积分 调节就起作用，如果无误差，积分调

12、节就输出一常值。积分作用的强弱取决于 积分时间常数 Ti，Ti 越小，积分作用越强，反之越大积分作用越弱，加入积分 调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节结合，组 成 PI 调节器或者 PID 调节器。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预 知偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没形成之前，已被 微分调节作用消除。因此可以改善系统的动态性能。在微分时间常数选择合适 情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对于噪声干扰有放大作用， 因此过强地加入微分调节对系统抗噪声不利。此外，微分反应的是变化率，而 当输入没有变化时，微分作用输出

13、为零。所以微分作用不能单独使用，需要与 另外两种调节相结合，组成 PD 或 PID 控制器7。对于这三个 PID 关键的基本参数，不同的控制对象需要选择不同的数值， 还需要经过现场调试才能获得好的工艺效果。 对应于所选的 PLC，都会有相应做好的 PID 功能块供用户使用，由于 PLC是数字处理方式，所以对于传统的模拟 PID 的计算各种 PLC 功能块都是要进行 数模与模数的转化，先把模拟量结束 PLC 的模拟输入口，由模拟输入模块将模 拟信号转化为数字信号，然后 PLC 的 PID 功能块再做 PID 运算，得出的结果或 直接控制能接受数字量的执行机构或转化为模拟量后再控制执行机构。PLC

14、 厂 家做的 PID 功能块的功能都相当的齐全，用户只管按照模拟 PID 的用法应用就 可以了。23 直进式拉丝机的技术指标直进式拉丝机可以拉拔不同材质不同规格的金属盘条，系列多，规格全， 各个直进式拉丝机设备厂家对各自做的直进式拉丝机的技术细节描述也会各 不相同，但对于各直进式拉丝机描述的基本的技术指标却基本一样，用户在 进行初步的设备选型时都会考虑这些技术指标，根据这些技术指标来要求设 备厂家进行设备的设计。下面就对主要的技术指标做一些介绍2。拉拔道次： 指进线金属盘条经过多少道次的拉拔，简而言之即是拉拔卷 筒的多少。卷筒直径：指拉拔卷筒的直径。单位是 mm,毫米。 材料抗拉强度：指对金属

15、丝的最大拉拔强度，也即拉拔材料的抗拉强度，如果材料抗拉强度低于直进式拉丝机的拉拔强度则容易断丝。单位是 MPa。 进线直径：指该直进式拉丝机的进线金属丝处理线径范围。如： 14.09.0mm。出线直径：指该直进式拉丝机的成品金属丝直径范围。如 3.51.2mm。 总压缩率：指该直进式拉丝机的处理能力，如 80%。见前面公式。 平均部分压缩率：指各个道次的平均压缩率。拉拔速度： 指最后一个卷筒拉拔后的成品金属丝的线速度，单位是 m/s， 米/秒。电机功率：指拉拔卷筒的电机功率，设计时各道次电机的输出功率基本 一样。第三章：直进式拉丝机电气传动控制系统硬件设计直进式拉丝机是一个整体的系统设备，在最

16、初的设计中就要计算出各个道 次的压缩率、传动比、功率、卷径、出线速度、最大进线线径、最小出线线径、 道次等工艺数据，然后根据系统的定型设计再配置相应的机械和电气配置。本 章主要以某种型号的直进式拉丝机实例来做系统的电气设计和元器件选型配 置。31 直进式拉丝机的整体系统设计我们以 LZ8/560 直进式拉丝机为对象来对整个控制系统进行设计。放线设 备选择自由放线，由第一号卷筒的拉力带动盘条从放线设备中自由的出线。拉 拔设备我们选择 8 个卷筒，经过 8 道拉拔，卷筒的直径为 560mm，最大进线直 径为 6.5mm，最小出线直径为 1.4mm,计算出的卷筒的拉拔输出为 37kw 到 45kw

17、之间，成品线速度（即经过第八道卷筒拉拔后的出线线速度）为 18m/s，排线 设备我们选择等间距排线，也就是排线电机由变频器控制，其排线速度的快慢 由收线卷筒的转速决定，收线卷筒转速快，则排线速度快，收线卷筒速度慢， 则排险速度慢，这样就保证了在收线工字轮上成品金属丝从里到外都是相同的 间距排列。收线设备选择工字轮恒张力收线，在收线设备与第 8 道卷筒之前加 装有张力臂稳定成品金属丝的张力，收线电机由变频器控制做速度控制，同时 叠加上张力 PID 的输出作为速度的修正。通过以上的设计，机械构造部分就基 本完成。针对直进式拉丝机电气传动控制系统，需要对控制系统的核心元件进行选 型配置，如 PLC、

18、变频器、触摸屏、现场总线等，下图就是所设计的直进式拉 丝机的控制系统的总体架构。 32 PLC 的选型与 I/O 配置PLC（Programmble Logic Controller）可编程逻辑控制器是现代工业自动化 的三大支柱（PLC、机器人、电机系统）之一，已经被广泛应用与各种生产机 械和生产过程的自动控制中。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发， 并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融 为一体的工业控制装置。在以前的工业电气控制领域中，继电器控制占主导地 位，应用广泛。PLC 出现后，由于其具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能， 相对于继电器控制的巨大优

19、势，就逐步的取代了传统的继电器控制系统。随着 微电子集成电路技术、通讯技术、存储技术等现代技术的迅猛发展，PLC 也突 破了原有的仅仅替代继电器控制系统的应用发展成为工业自动化领域核心的控 制系统，尤其对于机电一体化设备而言8。PLC 的选型对于系统的设计具有全局性的作用，需要考虑 PLC 需要处理多 少 I/O 点，需要用什么样的现场总线通讯模式，程序有多大，CPU 的速度和扫 描周期应该多少满足要求，PLC 的可扩展性，需要什么样的智能模块等。对于 所设计的直进式拉丝机系统，选用 ABB 的 AC500 系列的 PLC，AC500 系列 PLC 具有模块化的设计结构，有 CPU 单元、I/

20、O 单元、接线端子、通讯单元、底座 板等，组合搭配非常自由。对于具体的型号，选择 PM582CPU 单元，其工作电 压是 24V，程序内存容量为 512K，1000 条指令的循环周期：位变量是 0.07ms, 字变量 0.07ms ,浮点运算 1.6ms，CPU 集中扩展的最大 I/O 点数为：开关量输入 320、开关量输出 240、模拟量输入 160、模拟量输出 160。集成两个通讯口： COM1、COM2，可作 RS232/485 设置。带一个显示屏和 8 个功能按键。数字 量输入模块选用 3 个 DI524，每个 DI524 带 32 个开关量输入。数字量输出模块 选用一个 DC523,

21、其有 24 个端口既可设置成数字输入也可设置成数字输出。模 拟量输入模块选择 AI523，其带有 16 个模拟量输入，既可以电压模拟输入，也 可以电流模拟输入，分辨率是 12 位。由于该系统有总线通讯控制，不需要模拟 输出，也就不需要选择模拟量输出模块9。该 PLC 的 CPU 单元的具体实例图形如下:33 变频器的配置331 通用变频器介绍变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的，伴随着电力电子器件的 发展而得到广泛应用。20 世纪 60 年代以后，电力电子器件经历了 SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场 效应管）、SIT（静

22、电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS 控制晶 体管）、MCT（MOS 控制晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高 压绝缘栅双极型晶闸管）的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的 不断发展。随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发 展，变频器也不断更新换代，性能价格比越来越高，体积越来越小，而变频器 厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、模块化、高性 能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力10。在通用变频器的逆变技术中，脉宽调制变压变频(PWMVVVF)为变频技术的 核心技术之一。从最初采用模拟电路完成三角调

23、制波和参考正弦波比较，产生 正弦脉宽调制 SPWM 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方 案，完成优化的实时在线的 PWM 信号输出。从 PWM 模式优化中得到了诸多的优 化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。由于 PWM 可以同时实现变频变压反 抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM 控制技术大致可以分为两类，正弦 PWM（包括电压，电流或磁通的正弦 为目标的各种 PWM 方案，多电平 PWM 也应归于此类），优化 PWM。正弦 SPWM 已 为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多电平 PWM 技术在大功率变频器

24、中有其独特的优势,如 ABB ACS1000 系列和美国 ROBICON 公司的完美无谐波系列等；而优化 PWM 所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，直流电压利用率最高、效率最优、转矩脉动最小以及其它特 定优化目标51。在变频器控制方式方面， V C （常数）的正弦脉宽调制（SPWM）控制f方式，即标量控制方式。标量控制通常是通用变频器的标准配置，其特点是计 算结构简单、易于编程控制、使用方便，早期普遍采用的控制方式，已在产业 的各个领域得到广泛应用。随着电机控制技术的发展，通过对交流电机的磁通 矢量进行解耦，然后模拟成直流电机的控制模式，逐渐发展出了更为高级的控 制方式如电压空间矢

25、量（SVPWM）控制方式、矢量控制（VC）方式、直接转矩控 制方式（DTC）等，使用这些高级电机控制方式，使得变频器控制交流电机不但 可以完成搞精度的速度控制，也可以完成高精度的转矩控制，可以闭环也可开 环不带速度编码器来控制交流电机。随着交流变频技术发展到现在，交流调速 系统已经可以完全替换直流调速系统11。332 通用电压型变频器结构现在的低功率低电压段变频器都是交直交变频方式，先将进线交流电压变 成平稳的直流电压，再将直流电压通过 IGBT 变成可变电压可变频率的交流电 压，该类型变频器主回路结构都基本一致，易于控制与维护，下图所示为交直 交变频器主回路结构图，同时也显示了电压由交流到直

26、流再到交流的转化过程 12。333 ABB 变频器的选型与配置ABB 公司有着从低功率到高功率、低压到高压全系列多品种的变频器，针 对金属制品行业的工艺要求，选择 ACS550 系列无传感器电流矢量型变频器。 该款变频器广泛应用于各个工业领域，在金属制品领域也被客户所广泛接受， 大量使用在直进式拉丝机、水箱式拉丝机、捻股机、外绕机及收放线机等机型 上。该变频器内置有 C2 类 EMC 滤波器作为标准配置，IP21 的防护等级，具有 独立的散热通道，所有的电路板均为涂层板，可抗恶劣环境，标准配置 RS485 通信接口，具有 5 行显示的中文界面操作液晶面板，易学易用调试方便，还配 有专用的调试监

27、控软件 DriveWindow Light 可设置参数监控曲线。 在变频器的具体选型上，由于直进式拉丝机要求起动力矩大、运行精度高、 动态响应性好、运行中有短时的高过载要求，所以，对于变频器的选型，需要 在既定电机的功率和电流上按照变频器选型表里的重载一栏选型，即要求所选 变频器的重载输出功率和重载额定输出电流大于所选电机的额定功率和额定电 流。ABBACS550 变频器的重载过载系数是每十分钟允许一分钟电流过载到 1.5倍额定电流，每 60 秒允许 2 秒电流过载到 1.8 倍额定电流。具体选型表所示如下图 3-5。其中以 ACS550-01-03A3-4 为例，01 代表壁挂式 IP21

28、防护等级，03A3 代表变频器的轻载额定电流是 3.3A，4 代表变频器的输入电压等级是 380V 到 480V。针对所设计的电气传统系统，选择的变频器型号为：ACS550-01-087A-4, 重载应用带 37KW 的电机，允许 10 分钟内 150负载过载 1 分钟,60 秒内 180% 负载过载 2 秒。34 电机与电抗器的配置341 电机的配置 关于电机的选型比较简单，由于是由变频器控制，针对变频器的输出电压 波形特点，需要选择变频专用的电机。由于变频器输出的波形并不是严格意义 上的正弦波形，而是高频方波，而且在电机端子上有电压叠加效应，所以要求 所带电机具有比普通电机更高的耐压绝缘等

29、级，同时由于是宽频率运行范围， 在低频段电机发热比较厉害，这也要求变频电机比普通电机有更好的散热效果342 电抗器的配置DC/AC现在通用的低压变频器普遍使用的是交直交电压变频模式，即首先将交流 电压通过整流桥变成直流电压，然后再对直流电压进行变压变频以输出不同电 压不同频率的三相交流电压。在使用变频器的过程中，由于整流环节的存在， 导致变频器的使用会在电网系统内产生大量的谐波电流，导致电网系统电路和 变压器的发热和损耗。低压变频器一般采用六脉波整流，其输入主回路如下图 3-6 所示12： ABB ACS550 系列变频器全系列在低功率段内置有直流电抗器，高功率段 内置交流电抗器来减少电流谐波

30、，但由于拉丝机设备会大批量使用变频器，所 以在设计时通常业主和设备厂都会要求在每台变频器输入侧前再加装交流电抗 器，第一是为了进一步限制电流谐波，第二也是为了更好地保护变频器的整流 桥，因为进线的交流电抗器还可以减小输入电压尖峰毛刺，避免瞬时高电压击 穿整流桥。根据所选变频器的额定功率、电压和电流，选择这个行业普遍应用的上海 鹰峰电子科技公司所生产的变频专用进线电抗器。35 张力臂位置传感器的配置张力臂位置传感器是反应张力臂位置变化的现场传感设备，该设备安装于 张力臂支架下方，正常运行情况下张力臂应该在其中间位置上下轻微地摆动。 安装位置传感器，通过调整使其当张力臂处于中间位置时输出 5V 电

31、压信号给 PLC 控制器的模拟电压输入点口。当张力臂上下摆动时，在其量程范围内，位 置传感器就输出 0V 到 10V 的电压信号以与张力臂位置的变化成线性比例关系 14。位置传感器型号选择为施耐德电感型接近传感器 XS9C111A1L2，其主要的 参数工作电压为 24V,工作区在 215mm，对应的模拟电压输出范围是 0 10V。详细的规格参数如下图表 310 所示15：图 310：位置传感器参数表36 现场人机界面的选型与配置人机界面（User Machine Interface,简称 HMI）是现场机械设备与用户进行 信息交流的一种平台，通过人机界面，可以了解现场的各种数据、信息或实时 画

32、面，也可以通过人机界面向现场设备传递用户的指令和要求。人机界面有许 多种类，主要有计算机监控系统、触摸屏监控系统或按钮指示灯监控系统等。 以前对于机械设备而言主要是按钮指示灯监控系统来供操作者与设备交互信 息，现场触摸凭监控系统获得的普遍的应用，各种现场的较大的机械设备基本 都会使用触摸屏来做人机界面交互信息，计算机监控系统主要用在中控室监控 多个设备或整个工艺系统17。在直进式拉丝机的人机界面选型中，决定选择简单易用的触摸屏来设计人 机界面。ABB 有着全系列的触摸屏，可以直接通过通讯线与 AC500PLC 相连 接，非常方便易用。这里根据现场所需要交换的数据规模和显示大小选择 CP430T

33、 触摸屏，其基本的功能参数如下所列：5.7TFT 触摸屏64K 色320 x 240 分辨率4MB 应用内存512 KB 内存（数据和配方）菜单键 + 5 功能键60.000 小时背光灯寿命实时时钟2 个通讯端口 9 孔插头(RS232/485) 25 孔插头 (RS232/422/485)IP65 防护等级（前面板）USB 主站 (打印和备份)USB 设备 (下载/上传画面)数据存储: 紧凑型闪存卡 (备份)配方和报警CP430T-ETH 附带以太网功能CP430T 的实例如下图 311 所示：第四章 直进式拉丝机电气传动控制系统程序设计直进式拉丝机电气传动控制系统的程序完全由 AC500

34、PLC 来编写，程序架 构主要分为：初始化块，逻辑处理主程序，速度计算功能块，张力臂 PID 功能 块，通信功能块。初始化块完成对 PLC 硬件配置及 PLC 与变频器 DP 通信的初始 化，主程序处理系统主要进行起动，停止，点动，故障，紧急停等的逻辑处理， 速度计算功能块则根据前述的控制算法计算各级的速度给定値，张力臂 PID 功 能块对张力臂的位置信号进行 PID 运算，对输出值进行限定后再叠加到给定速 度上。通信功能块完成过程通信，如写入变频器的控制字和给定速度，读取变 频器状态字，实际速度和电流用于监控显示。在这一章中，将分别详细介绍所 开发的这几个核心的处理程序。41 直进式拉丝机的

35、张力控制直进式拉丝机各个卷筒之间的钢丝是由张力臂压着以保持张力的恒定。张 力臂的支点固定在支架上，在支架处安装有位置传感器以反应张力臂上下摆动 的幅度大小。位置传感器的输出信号一般用 420mA 电流信号，调整张力臂 支架以使张力恒定时位置传感器的输出信号在中间值 12mA 电流，当张力臂上 下波动时，位置传感器就输出 420mA 的电流信号以反映张力臂上下波动的 幅度。如图 41 所示，这里选取某一道拉拔来详细说明张力的控制。正常平稳 运行时，张力臂应该保持在中间位置以保证张力的稳定，当系统由于某种扰动 导致张力不稳张力臂上下摆动，位置传感器就会输出张力臂实际摆动的位置信 号，该位置信号与张

36、力臂在中间位置的信号值就会产生一个偏差。张力控制的 目的就是要动态消除位置信号的偏差以使张力臂处于中间位置保证张力的稳 定。对于该偏差，这里采用传统的 PID 控制算法，以位置信号的中间值为给定 值，实际的位置信号为反馈值，然后做 PID 运算，这时会产生一个 PID 输出值。 用该输出值去修正卷筒 7 的线速度，通过调节卷筒 7 的线速度以使张力臂回到 中间位置。对于 PID 的输出值，按照一定比例线性关系转换成线速度并进行最 大最小值限定后叠加在卷筒 7 的线速度上以形成最终的卷筒 7 给定速度。通过 这种修正调节，就能减小张力臂在中间位置的波动幅度以保证金属丝张力的稳 定18。在张力 P

37、ID 的实际调节中，这里，直接应用 ABB AC500PLC 里的 PID 运 算模块来做计算，需要做的工作是根据该模块设定相应的参数值并在现场根据 调试效果来确定最优的 P、I、D 值。42 张力臂 PID 控制程序设计张力臂 PID 控制程序要用到 AC500PLC 里的 PID 功能模块，该功能模块已经 详细的把 PID 的功能全做在模块里，我们只需要设置 PID 功能块的实例然后再 在程序里根据不同道次卷筒张力臂控制程序段调用它就可以了，非常易用。下 面先介绍 ABB AC500PLC 的 PID 功能块9。图 42：ABB PID 功能块控制方程如图 42 所以，AC500 PLC

38、的 PID 功能块是根据如上所示公式而来。上式 中代表设定值与实际值的差值，也就是所谓的偏差，(t)即是偏差的时间函 数，Y_OFFSET 代表的是输出的固定分量。各个 PLC 厂家在程序模块里所做的 PID 运算模块都是基于上面公式而来。下面的表格详细地介绍了 ABB PID 功能块的 输入输出变量定义。图 43：PID 功能块的输入输出定义上表格的左图为 PID 功能软件块，该功能块的左边是输入，右边是输出， 并标明了输入输出的数据格式如实数型（REAL）或布尔类型（BOOL）等。表格 的右边是对输入输出参数的详细定义。在应用该 PID 功能模块时，我们要设定 MANUAL 为 FALSE

39、，即为自动方式，该 PID 的输出值为 PID 计算值而非用户设定 值 Y_MANUAL,同时，我们要对 PID 输出的最大值和最小值进行定义。44 直进式拉丝机的最优控制算法采用图 4-6 算法原理 1 控制模式存在一个问题。由于各点的最终速度都是 根据公式 21 计算出的速度再叠加上各自张力臂 PID 的输出。当某个张力臂波 动改变该点线速度后，其前道拉拔无法得知后道拉拔的速度波动以立即修正自 己的给定速度，这就会导致某个张力臂的波动引起其对应道次速度变化，继而 传导至对应的前道工序，从而引起前道张力臂的波动，这样致使整个系统在运 行过程中张力臂波动较大，张力臂调节时间拉长，金属丝拉拔速度

40、不稳定，严重时还会引起断丝的后果。 那么，针对上述缺点我们可以改进控制算法来避免波动的传导，通过控制系统的高速计算和通信，实现将后道由于张力臂摆动对于速度的修正迅速传递 到前道，前道依据后道修正后的设定速度计算出自己的速度，然后再加上自己 张力臂的修正来确定自己的最终线速度。根据这一控制模式，每一道次的线速 度的变化都会立即传递引起前道线速度的主动变化调整，这保证了对于每个道 次的张力臂的扰动，系统都会在速度给定上立即做出反应，从而保证了每个道 次张力臂的稳定32。这样各级速度的计算就变成如下公式 41:45 速度给定控制程序设计在前面的小节中给出了直进式拉丝机的最优速度控制公式：根据前面所描

41、述的直进式拉丝机的最优控制速度算法，就可以编制速度算 法功能计算块了。由于速度的给定反映到变频器上是变频器的转速给定指令。 所以在计算时要对相关的数据进行转化。 这里，以 LZ8/560 直拉为设计标准，设定最终线速度为V 收线 ，单位为米/ 秒， 接下来地任务就是依据公式 4-1 依次往前推算出前面各个道次的变频器给 定速度。由于上图给定的是各个道次的线速度，单位是 m/s（米/秒），根据如 下公式转换成电机的转速，单位是 rpm(转/分)。其中，S 为电机转速，单位为转/每分钟,D 为卷筒直径，单位为米,P 为电机到 卷筒齿轮箱的传动比。综合公式 6 和 7，我们就可直接转换成电机转速的递

42、推公式如下：（公式中 Dk 为 K 道次出线的线径，P 为齿轮传动比，各个道次卷筒直径一样） 根据公式 42 计算出第 8 道次电机的给定速度后，依据公式 43 就可以依次递推出前面各个道次的电机给定速度。所以，需要编制一段程序计算第 8道次的设定速度，然后在依次计算出前面各个道次的电机转速然后再叠加上各 自的张力 PID 的修正输出就是变频器的给定速度指令了对应于前道次的速度，我们先根据公式 43 计算出前道对应后道的速比公 式，即如下公式 442SB= DK PK 12DK 1 PK编制的速比计算程序如下： （44）通过把各个道次的速比计算出来后，我们就可以直接乘上后道速度再加上 前道自己

43、的 PID 张力输出就能得出前道次的速度给定，依次类推计算出前面的 所有速度。这种方法可以减少 PLC 的计算量，不用每个扫描周期内都计算。 上图中 S7 是不带 PID 修正的速度指令值，S7set 是带 PID 修正的最终速度 指令给定值，也即是 PLC 通讯给变频器的速度指令值。46 工字轮收线速度控制程序设计第 8 道卷筒拉拔好的钢丝经过收线张力臂后穿过排线设备进入工字轮上， 工字轮电机的速度计算其实与前面各个道次速度计算的原理是一样的，但有两 点差别。首先，当工字轮最初收钢丝时，卷筒上是空的，由于第 8 道卷筒出来的钢 丝与收线卷筒上的钢丝线径是一样的，但卷筒直径不一样，这个时候的速

44、比是 用第 8 道卷筒的直径与收线空卷筒的直径做计算的，这一点与前面各个道次的 速度计算不一样。其计算公式如下： （S 为电机速度，单位为 RPM，P 为减速箱传动比，D 为卷筒或工子轮直径）其次，当工字轮收线的长度逐渐增加时，由于卷在工字轮上金属丝的层数 不断在增加，导致工字轮的直径是在不断变化增加的，也就是说其速比是在变 化的，这个是与前面速比在整个过程是固定值不一样。那么怎么来解决这个变 化的速比就是工字轮程序设计的核心。然后用这个速比替换之前最初计算的速比。就这样，从空卷到满卷，不断 比较张力臂 PID 的输出，如果超过限制值一段时间后就用收线实际速度计算出 实际的速比然后在用前面的公

45、式来计算后一段时间的速度给定值，该方法简单 实用，避免了实时计算工字轮直径的大量运算。48 人机界面触摸屏的界面设计人机界面是人与机器做信息交互的平台，对于直进式拉式机而言，需要通过触摸屏设定一些参数如收线速度、传动比、线径等传递给 PLC 程序做速度计 算，同时需要从 PLC 程序计算中读取一些信息如实际速度、速比等显示出来供 现场的操作人员。人机界面与 PLC 是通过通讯相互交换数据的，由于这里是选 用同 ABB 品牌的 PLC 与触摸屏，相互之间的通讯设置比较简单，下面主要具 体分析直进式拉丝机必须要设计的几页主要的触摸屏人机交互界面如图界面图 415 所示，需要设定各个道次出线的线径给

46、 PLC 程序，点击 线径确认按钮后就会计算出各个道次的速比显示在界面上。记米轮长度显示的 是最后一道卷筒转一圈发一个脉冲，这一个脉冲对应的拉好的钢丝长度，通过 该数据和接受的计米脉冲，就能计算出已已经拉好的金属丝长度。第五章 直进式拉丝机的现场调试数据与性能针对前面几章所论述的直进式拉丝机原理和控制算法，需要在现场对设备 的调试数据和图形做具体的分析才能获得最佳的调试参数。具体做法就是用 ABB 的变频器调试软件 Drivewindow Light 来监控第八道次以前任意一道次变 频器起动运行停止的电流和速度曲线，查看其波动范围，尤其是速度的波动范 围。下面我们分三节来展示起动电流和速度、运

47、行电流和速度、停止电流和速 度现场调试数据图形并分析调试效果。51 起动电流曲线和起动速度曲线如上图 51 所示，红色曲线代表速度，蓝色曲线代表电流，Y 轴为 02000表示数据大小，X 轴为 60，表示显示 60 秒的曲线。速度显示比例是 1：1，即 是显示 1000 就对应变频器输出转速为 1000RPM，电流显示比例是 20：1，即 是显示 1000 表示电流是 50A。采样周期是 20ms 一个采样数据，上面的曲线就 是所有的速度和电流采样数据以时间轴数据轴来显示的波形曲线。整个系统的起动时间是 45 秒，在刚起动时，由于整个系统的静摩擦力比较 大，要求变频器在零速起动电机时出力比较大

48、，导致加速阶段前几秒内起动电 流能达到运行电流的 2 倍左右，克服静摩擦阻力后的加速过程电流就只比平稳 运行时电流大 20左右。同时，由于电机低速变频起动时变频器控制精度一般 比较低，导致起动时速度有波动。从横轴可以看出，第 88 秒起动后到第 95 秒 这段时间内起动电流有两倍的运行电流左右，同时速度是非线性地在加速，过 了第 95 秒后的加速过程中的速度和电流曲线都非常平稳。为了获得好的起动效果，对所选的 ACS550 变频器的参数做了精确的调整。 首先选用速度矢量控制模式，按电机铭牌设置好电机参数，对电机做不带负载 的自辨识学习电机数据。然后再根据监控的电流和速度曲线调节变频器 23 组的 速度环控制参数，也就是速度环的 PID 参数。增大 P 值减小 I 值增加变频器控 制电机的负载变化响应性， P 值设定为 10，I 值设定为 0.5ms。同时为了减小 起动时对机械的冲击，设置了加速 S 字曲线，使加速初期和末期的速度变化平 滑。由于起动时各个道次的张力臂偏离中间位置比平稳运行时要大很多，所以， 在用张力臂 PID 输出做速度修正时，实际上设置两组