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【摘要】介绍活套式拉丝机的工作原理,提出电气控制系统的控制策略,设计电气传动控制系统的硬件和软件,并分析系统的制动过程。系统采用基于现场总线的结构,活套位置控制采用变参数的增量型数字PI调节算法,取得满意的运行效果。
【关键词】拉丝机 PLC 变频器 PROFIBUSDP
【中图分类号】TP273 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)08(b)-0147-02
1 工作原理
8头活套式拉丝机的工艺流程如图1所示,主要由1个放线机、8个卷筒和1个收线机组成,焊丝经过1#拉丝模后卷绕在1#卷筒上,再依次经2#至8#拉丝模及卷筒,最后由收线机将焊丝卷绕在工字轮上,在每两个卷筒之间设有调谐活套,用于调整焊丝张力。
由拉丝模前后焊丝体积秒流量相等的规律可知:
VK=(dk+1/dk)2×VK＋1 (1)
其中k=1,2,3,…。VK为第k个传动点的线速度,dk为第k个拉丝模的出线直径,VK＋1为第k+1个传动点的线速度,dk+1为第k+1个拉丝模的出线直径。
2 控制策略
如果简单地按式(1)的速度关系构成如图2所示的系统,当其中某点张力波动引起该点速度变化时,由于其速度链无法将前一级调谐活套位置调节所引起的线速度变化传递至后一级,某点张力波动会依次对后级各点调谐活套位置调节产生干扰,在升、降速过程中调谐活套位置控制的调节时间较长,超调量较大。
采用如图3所示的控制方式。车速设定经过总的积分曲线后给出,各传动点线速度给定采用级联结构(速度链),以调谐活套位置调节器输出与该点线速度设定值叠加后的量作为速度链下一级的输入信号,即以本点变频器的速度指令作为速度链下一级的输入,前后级间的速度关系也变为:
VK=(dk+1/dk)2×(VK＋1－△VK＋1) (2)
其中△VK＋1为调谐活套位置调节器输出值所引起的线速度变化量,实际系统中一般将其绝对值限定在最高线速度的4%～8%。
采用如图3所示的控制方式时,当某点张力波动引起该点速度变化时,这种速度变化能通过速度链传递,使后面各级速度同步变化,因此后面各级的调谐活套位置及张力受该点速度波动的影响较小,系统升降速过程运行平稳。
3 系统的组成
3.1 系统的硬件
电气控制系统的构成如图4所示,系统主要由人机界面(HMI)、PLC、现场总线、变频器等构成,是一个基于现场总线的主从结构的电气控制系统,系统中PLC作为现场总线主站,变频器作为从站。人机界面选用西门子TP-170A触摸屏,PLC选用西门子S7-313C-2DP, 现场总线采用PROFIBUS-DP,变频器选用ABB ACS550 矢量型变频器,变频器通信选件卡型号为RPBA-01。1#～8#卷筒变频器及排线变频器工作于速度方式,收线变频器工作于力矩方式,并且10台变频器都选择无速度传感器矢量工作方式。
1#～7#调谐活套位置信号由位移传感器检测,传感器输出0～20mA电流信号,反映出调谐活套摆动的角位移量。位移传感器输出的电流信号由变频器的模拟口AI1采集后通过PROFIBUS DP的过程数据通道直接传送至PLC, PLC通过PROF IBUS DP的过程数据通道将实时转速指令传送到1#至8#变频器,通过过程数据通道将收线力矩指令传送到收线变频器。控制信号和反馈信号均通过PROFIBUS DP传送,使得系统中信号线的使用大为减少,同时也增强了系统的可靠性和抗干扰性能。
3.2 软件设计
3.2.1 PLC程序結构
系统的控制程序均在PLC中实现,PLC程序块主要包括:主程序块、初始化块、逻辑控制块、速度链块、位置调节块、通信块等。其中初始化块完成对DP网过程通道的初始化;逻辑控制块完成整机逻辑控制,包括启、停、点动、联动、保护、报警等的控制; 速度链块主要完成式(2)的速度运算;位置调节块主要用于调谐活套位置的控制;通信块主要完成对DP网的过程通道的读写。
3.2.2 活套位置调节程序
对于调谐活套位置控制,为克服系统的非线性,在PLC中采用了变参数的增量型数字PI调节算法,调节器的P、I及调节器输出影响力的取值根据该传动点转速来选择,在电机转速较低时采用较小的P值及较小的影响力,在电机转速较高时则自动将P值和影响力更改为较大值,这样使得位置调节在高低速段均可获得良好的控制。
3.2.3 DP通信程序
DP通信程序如图5所示,DP通信采用周期通信方式,选用PPO( Parameter/Process Data Objects)类型4, PLC通过PPO周期性地向各台变频器写控制字(CW)、给定值(REF),读状态字(SW)、实际值(ACT)和过程数据PZD3、PZD4。波特率采用1.5Mbit/s,1#至8#卷筒的变频器通信相关参数设置:参数5106设定为0104(设置PZD3－IN,将其用于传送电机电流信号给PLC),参数5108设定为0120(设置PZD4－IN,将其用于传送AI1端子信号给PLC)。收线变频器通信相关参数设置:参数5107设定为0003(设置PZD4－OUT,将其用于PLC向变频器传送力矩指令)。
3.3 制动过程
系统从最高速度(成品丝线速度15m/s)降到零速的时间,正常停车为30s,故障(包括拉拔断丝、放线断丝、拉绳急停等)停车为6s。PLC根据停车类别来确定给定积分曲线的下降斜率,实现不同的停车时间。但值得注意的是,在故障停车的过程中,由于降速斜率大、制动时间短,变频器往往无法提供足够的制动力矩,会同时出现变频器直流母线过压的情况。为避免上述情况出现,可以将各变频器的直流母线并联运行,同时增设制动斩波器及制动电阻,以吸收系统在降速过程中产生的过剩能量、防止变频器过压。在故障停车的情况下,还需辅以机械抱闸制动系统来吸收部分制动能量,保证停车的快速性。
4 结语
该系统已经在LZ－8/400型活套式拉丝机上得到应用,在系统平稳运行时焊丝张力均匀,调谐活套的位置偏差范围为±1%。系统升速时,调谐活套的位置偏差范围为±2%。在系统故障停车过程中,调谐活套位置调节始终工作,调谐活套的位置偏差范围为±5%,整个制动过程运行平稳,调谐活套位置及张力控制效果比较理想。
参考文献
[1] SIEMENS S7-300系统中文手册.
[2] PLC闭环控制系统中PID控制器的实现.
[3] 西门子Profibus应用技术.
[4] ABB ACS550变频器用户手册.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
【关键词】拉丝机 PLC 变频器 PROFIBUSDP
【中图分类号】TP273 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)08(b)-0147-02
1 工作原理
8头活套式拉丝机的工艺流程如图1所示,主要由1个放线机、8个卷筒和1个收线机组成,焊丝经过1#拉丝模后卷绕在1#卷筒上,再依次经2#至8#拉丝模及卷筒,最后由收线机将焊丝卷绕在工字轮上,在每两个卷筒之间设有调谐活套,用于调整焊丝张力。
由拉丝模前后焊丝体积秒流量相等的规律可知:
VK=(dk+1/dk)2×VK＋1 (1)
其中k=1,2,3,…。VK为第k个传动点的线速度,dk为第k个拉丝模的出线直径,VK＋1为第k+1个传动点的线速度,dk+1为第k+1个拉丝模的出线直径。
2 控制策略
如果简单地按式(1)的速度关系构成如图2所示的系统,当其中某点张力波动引起该点速度变化时,由于其速度链无法将前一级调谐活套位置调节所引起的线速度变化传递至后一级,某点张力波动会依次对后级各点调谐活套位置调节产生干扰,在升、降速过程中调谐活套位置控制的调节时间较长,超调量较大。
采用如图3所示的控制方式。车速设定经过总的积分曲线后给出,各传动点线速度给定采用级联结构(速度链),以调谐活套位置调节器输出与该点线速度设定值叠加后的量作为速度链下一级的输入信号,即以本点变频器的速度指令作为速度链下一级的输入,前后级间的速度关系也变为:
VK=(dk+1/dk)2×(VK＋1－△VK＋1) (2)
其中△VK＋1为调谐活套位置调节器输出值所引起的线速度变化量,实际系统中一般将其绝对值限定在最高线速度的4%～8%。
采用如图3所示的控制方式时,当某点张力波动引起该点速度变化时,这种速度变化能通过速度链传递,使后面各级速度同步变化,因此后面各级的调谐活套位置及张力受该点速度波动的影响较小,系统升降速过程运行平稳。
3 系统的组成
3.1 系统的硬件
电气控制系统的构成如图4所示,系统主要由人机界面(HMI)、PLC、现场总线、变频器等构成,是一个基于现场总线的主从结构的电气控制系统,系统中PLC作为现场总线主站,变频器作为从站。人机界面选用西门子TP-170A触摸屏,PLC选用西门子S7-313C-2DP, 现场总线采用PROFIBUS-DP,变频器选用ABB ACS550 矢量型变频器,变频器通信选件卡型号为RPBA-01。1#～8#卷筒变频器及排线变频器工作于速度方式,收线变频器工作于力矩方式,并且10台变频器都选择无速度传感器矢量工作方式。
1#～7#调谐活套位置信号由位移传感器检测,传感器输出0～20mA电流信号,反映出调谐活套摆动的角位移量。位移传感器输出的电流信号由变频器的模拟口AI1采集后通过PROFIBUS DP的过程数据通道直接传送至PLC, PLC通过PROF IBUS DP的过程数据通道将实时转速指令传送到1#至8#变频器,通过过程数据通道将收线力矩指令传送到收线变频器。控制信号和反馈信号均通过PROFIBUS DP传送,使得系统中信号线的使用大为减少,同时也增强了系统的可靠性和抗干扰性能。
3.2 软件设计
3.2.1 PLC程序結构
系统的控制程序均在PLC中实现,PLC程序块主要包括:主程序块、初始化块、逻辑控制块、速度链块、位置调节块、通信块等。其中初始化块完成对DP网过程通道的初始化;逻辑控制块完成整机逻辑控制,包括启、停、点动、联动、保护、报警等的控制; 速度链块主要完成式(2)的速度运算;位置调节块主要用于调谐活套位置的控制;通信块主要完成对DP网的过程通道的读写。
3.2.2 活套位置调节程序
对于调谐活套位置控制,为克服系统的非线性,在PLC中采用了变参数的增量型数字PI调节算法,调节器的P、I及调节器输出影响力的取值根据该传动点转速来选择,在电机转速较低时采用较小的P值及较小的影响力,在电机转速较高时则自动将P值和影响力更改为较大值,这样使得位置调节在高低速段均可获得良好的控制。
3.2.3 DP通信程序
DP通信程序如图5所示,DP通信采用周期通信方式,选用PPO( Parameter/Process Data Objects)类型4, PLC通过PPO周期性地向各台变频器写控制字(CW)、给定值(REF),读状态字(SW)、实际值(ACT)和过程数据PZD3、PZD4。波特率采用1.5Mbit/s,1#至8#卷筒的变频器通信相关参数设置:参数5106设定为0104(设置PZD3－IN,将其用于传送电机电流信号给PLC),参数5108设定为0120(设置PZD4－IN,将其用于传送AI1端子信号给PLC)。收线变频器通信相关参数设置:参数5107设定为0003(设置PZD4－OUT,将其用于PLC向变频器传送力矩指令)。
3.3 制动过程
系统从最高速度(成品丝线速度15m/s)降到零速的时间,正常停车为30s,故障(包括拉拔断丝、放线断丝、拉绳急停等)停车为6s。PLC根据停车类别来确定给定积分曲线的下降斜率,实现不同的停车时间。但值得注意的是,在故障停车的过程中,由于降速斜率大、制动时间短,变频器往往无法提供足够的制动力矩,会同时出现变频器直流母线过压的情况。为避免上述情况出现,可以将各变频器的直流母线并联运行,同时增设制动斩波器及制动电阻,以吸收系统在降速过程中产生的过剩能量、防止变频器过压。在故障停车的情况下,还需辅以机械抱闸制动系统来吸收部分制动能量,保证停车的快速性。
4 结语
该系统已经在LZ－8/400型活套式拉丝机上得到应用,在系统平稳运行时焊丝张力均匀,调谐活套的位置偏差范围为±1%。系统升速时,调谐活套的位置偏差范围为±2%。在系统故障停车过程中,调谐活套位置调节始终工作,调谐活套的位置偏差范围为±5%,整个制动过程运行平稳,调谐活套位置及张力控制效果比较理想。
参考文献
[1] SIEMENS S7-300系统中文手册.
[2] PLC闭环控制系统中PID控制器的实现.
[3] 西门子Profibus应用技术.
[4] ABB ACS550变频器用户手册.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”