趙尹

(江蘇舒欣揚(yáng)電工設(shè)備有限公司，江蘇 南京 210012)

1 儲(chǔ)線器的恒張力控制

儲(chǔ)線器應(yīng)用于干法交聯(lián)生產(chǎn)線中。在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，儲(chǔ)線器儲(chǔ)存一定長(zhǎng)度的裸線線芯，當(dāng)需要更換放線盤時(shí)，操作人員啟動(dòng)儲(chǔ)線器頂端的夾緊器，放線架處線芯被夾緊，此時(shí)放線架被系統(tǒng)脫離，與此同時(shí)儲(chǔ)線器將儲(chǔ)存的線芯以系統(tǒng)線速度同步吐出。當(dāng)線盤更換完成后，儲(chǔ)線器又將線芯儲(chǔ)滿，以便下次換線盤時(shí)使用，由此達(dá)到設(shè)備不停機(jī)連續(xù)生產(chǎn)的目的。張力控制是指能夠持久地控制線纜纜芯在設(shè)備上輸送時(shí)的張力的能力，這種控制對(duì)機(jī)器的任何運(yùn)行速度都必須保持有效，包括加速、減速和勻速。即使在緊急停車情況下它也要有能力保證不對(duì)被加工的線纜造成絲毫損壞。在張力控制系統(tǒng)中，被控制對(duì)象運(yùn)行速度的變化、卷徑的變化、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化和機(jī)械損耗的變化均構(gòu)成對(duì)張力控制的擾動(dòng)。其中，卷徑的變化是張力變化的主要原因。在小張力卷取和非恒速運(yùn)行（加減速過(guò)程中）應(yīng)用中，還要對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的空載轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償，以確保張力控制的精度，若張力過(guò)大，會(huì)造成加工材料的變形；過(guò)小，則會(huì)使材料松垮，影響加工質(zhì)量；為此張力控制系統(tǒng)要求進(jìn)行恒張力控制。

1.1 控制思路

儲(chǔ)線張力需根據(jù)線芯大小設(shè)定，在正常生產(chǎn)過(guò)程中需要的儲(chǔ)線張力百分比=線芯外徑/10+8，以設(shè)定位置與實(shí)際位置相差5%為分界點(diǎn)，設(shè)定位置減去實(shí)際位置大于5%時(shí)，儲(chǔ)線速度給定為每秒0.5%的位置增量，略大于預(yù)期位置增量。設(shè)定位置減去實(shí)際位置大于-5%且小于等于5%時(shí)，儲(chǔ)線速度給定為每秒0.4%的位置增量，設(shè)定位置減去實(shí)際位置小于等于-5%時(shí),儲(chǔ)線速度給定為每秒0.1%的位置增量，以此保證線芯始終張緊。當(dāng)夾線器夾緊時(shí)，儲(chǔ)線器處于吐線狀態(tài)，線芯被牽引裝置拉出，需要保證儲(chǔ)線上的線芯張力穩(wěn)定適中，因此儲(chǔ)線張力設(shè)定百分比減小到正常生產(chǎn)時(shí)的1/3，儲(chǔ)線速度給定也隨之減小到0.1%的位置增量，此時(shí)儲(chǔ)線電機(jī)處于被反拉的狀態(tài)。

1.2 編寫程序

本文探討儲(chǔ)線器，放線架的控制思路與方法，可在多種品牌PLC中編程實(shí)現(xiàn)，在此以西門子S7-200PLC為例，在V4.0 STEP 7 Micro WIN SP9編程軟件中編寫程序。

（1）計(jì)算儲(chǔ)線張力給定

程序編寫思路：當(dāng)夾線器松開(kāi)時(shí)，張力輸出為1.05倍的設(shè)定張力，夾線器夾緊時(shí)，張力輸出為0.3倍的設(shè)定張力。利用WXOR_DW指令清零AC0，運(yùn)用DIV_R減法指令，MUL_R乘法指令，MOV_R傳輸指令等得到張力輸出，如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)線張力給定程序

（2）計(jì)算設(shè)定位置與實(shí)際位置的偏差用來(lái)確定儲(chǔ)線速度給定

程序編寫思路：SP_Position為設(shè)定位置，Position為實(shí)際位置，Limit為位置差，Limit大于5時(shí),輸出為3 200，Limit大于-5且小于等于5時(shí),輸出為3 000，Limit小于等于-5時(shí),輸出為800，夾線器夾緊狀態(tài)時(shí)，輸出為800，當(dāng)儲(chǔ)線停止時(shí)，輸出為零，如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)線速度給定程序

2 放線架的速度同步控制

在儲(chǔ)線系統(tǒng)張力控制中的放線機(jī)構(gòu)用于單芯裸線放出，可通過(guò)控制其放線速度，使線芯通過(guò)擠出機(jī)組時(shí)保持一定的張力，從而處于拉直狀態(tài)。主動(dòng)放線架張力速度穩(wěn)定，且張力速度維持精確度高，適用于生產(chǎn)。

放線裝置的控制，形成一個(gè)張力、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，它按照牽引機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。開(kāi)卷機(jī)張力給定，張力反饋信號(hào)和開(kāi)卷機(jī)電流、張力雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成了開(kāi)卷機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，放線裝置上的銅線盤半徑不斷減小，相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速必須逐漸增大才能保持電線上的張力恒定，但實(shí)現(xiàn)裸銅芯的線圈半徑檢測(cè)很困難，就需要經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出實(shí)時(shí)半徑值。而以往我們采用電纜張力負(fù)反饋，用變頻器做恒張力控制的實(shí)質(zhì)是死循環(huán)矢量控制，即加編碼器反饋。此時(shí)可以根據(jù)纜芯的線速度和卷筒的預(yù)設(shè)卷徑計(jì)算出同步匹配頻率指令，然后通過(guò)張力檢測(cè)裝置反饋的張力信號(hào)與張力設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)，調(diào)整變頻器的頻率指令。此方法在理想狀態(tài)下是可行的，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中張力反饋信號(hào)難免會(huì)因?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)或干擾的情況出現(xiàn)波動(dòng)，而張力信號(hào)反饋的不穩(wěn)定性會(huì)造成放線架速度給定的不穩(wěn)定。而儲(chǔ)線位置信號(hào)要比張力信號(hào)要穩(wěn)定得多，因此利用儲(chǔ)線器的位置反饋運(yùn)算得到實(shí)時(shí)的線盤卷徑，再通過(guò)實(shí)時(shí)線盤卷徑運(yùn)算出放線的速度給定，用此方法能大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1 控制思路

假設(shè)儲(chǔ)線設(shè)定位置為SP，范圍0～100%。實(shí)際位置為PV，范圍0到100%。以設(shè)定位置與實(shí)際位置相差5%為分界點(diǎn)，假設(shè)變量N=(SP-PV)20/100，當(dāng)位置差大于等于5%時(shí)，N等于1，位置差小于等于-5%時(shí)，N等于-1，則N在-1與1之間，且N不等于0.

設(shè)單位時(shí)間內(nèi)的位置變化量為X，預(yù)期的位置增量為每秒0.4%，即希望250 s儲(chǔ)滿100%。

設(shè)位置變化率為P，P=X/0.4N，控制目標(biāo)為始終令P=1。（當(dāng)接近設(shè)定位置時(shí)，N的絕對(duì)值減小，則X也應(yīng)該跟隨相應(yīng)減小。）

設(shè)放線速度給定增量為G,G=(1-P)80N，G在-200 ～200之間。（80為經(jīng)驗(yàn)值。）

（1）當(dāng)N=1時(shí)（設(shè)定位置—實(shí)際位置＞ 5%）

X＞0.4%時(shí)，（放線速度大于線速度，）P＞1,G＜0，放線減速。

X＜0.4%時(shí)，（放線速度小于線速度，）P＜1,G＞0，放線加速。

X=0.4時(shí)，（放線速度等于線速度，）P=1,G=0，放線速度不變。

（2）當(dāng)0＜N＜1時(shí)（0＜設(shè)定位置—實(shí)際位置＜5%）

X＞0.4N%時(shí)，（放線速度大于線速度，）P＞1,G＜0，放線減速。

X＜0.4N%時(shí)，（放線速度小于線速度，）P＜1,G＞0，放線加速。

X=0.4N%時(shí)，（放線速度等于線速度，）P=1,G=0，放線速度不變。

（3）當(dāng)-1＜N＜0時(shí)（-5%＜設(shè)定位置—實(shí)際位置＜0）

X＞0.4N%時(shí)，（放線速度大于線速度，）P＜1,G＜0，放線減速。

X＜0.4N%時(shí)，（放線速度小于線速度，）P＞1,G＞0，放線加速。

X=0.4N%時(shí)，（放線速度等于線速度，）P=1,G=0，放線速度不變。

（4）當(dāng)N=-1時(shí)（設(shè)定位置—實(shí)際位置＜-5%）

X＞0.4N%時(shí)，（放線速度大于線速度，）P＜1,G＜0，放線減速。

X＜0.4N%時(shí)，（放線速度小于線速度，）P＞1,G＞0，放線加速。

X=0.4N%時(shí)，（放線速度等于線速度，）P=1,G=0，放線速度不變。

2.2 編寫程序

以S7-200PLC為例，每1 s判斷儲(chǔ)線設(shè)定位置和實(shí)際位置的變化，重復(fù)計(jì)算放線給定增量并疊加到前一秒的給定中，使儲(chǔ)線實(shí)際位置無(wú)限逼近設(shè)定位置并在儲(chǔ)線張力恒定的情況下保持放線速度的同步穩(wěn)定。

（1）初始化程序中將中斷程序周期設(shè)置為100 ms,100寫入SMB35中，定時(shí)中斷2的EVNT為11，如圖3所示。

圖3 初始化程序

（2）中斷程序中設(shè)置每1 s運(yùn)算一次速度計(jì)算程序。

程序編寫思路：利用INC_W指令每執(zhí)行一次中斷程序時(shí)Counter加1，周期為100 ms的中斷程序執(zhí)行10次時(shí)間為1 s，這時(shí)執(zhí)行速度計(jì)算程序并把Counter清零。下個(gè)中斷周期重復(fù)累加Counter值，由此實(shí)現(xiàn)了每1 s運(yùn)算一次速度計(jì)算程序的目的，如圖4所示。

圖4 中斷程序

（3）速度計(jì)算增量程序運(yùn)算后得出速度增量

程序編寫思路：利用WXOR_DW指令清零AC0，運(yùn)用SUB_R減法指令，MUL_R乘法指令，DIV_R除法指令實(shí)現(xiàn)公式N=(SP-PV)20/100的運(yùn)算得到N并使N在-1～1之間，執(zhí)行一次此程序時(shí)將此時(shí)的位置Position寫入Last_ place,用Position減Last_ place由此得到每個(gè)周期位置的變化量X。利用上述指令實(shí)現(xiàn)公式P=X/0.4N得到P值。再根據(jù)上述指令實(shí)現(xiàn)公式G=(1-P)80N得到增量G，即程序中的Increment,并使其在-200～200之間，如圖5所示。

圖5 速度計(jì)算增量程序

（4）設(shè)放線的速度給定為Pay Off_SP,線盤外徑為Disc_diam，放線額定轉(zhuǎn)速為Rated rpm，線速度為L(zhǎng)ine_Speed，則Pay Off_SP=32000*Line_Speed/(3.14*Disc_diam*Rated rpm)，其中32000為模擬量輸出最大值。利用計(jì)算的增量不斷改變線盤卷徑的值來(lái)控制放線速度給定。最終運(yùn)算出的數(shù)值通過(guò)PLC的模擬量輸出給入調(diào)速器的速度輸入用于控制放線架電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

程序編寫思路：在儲(chǔ)線放線準(zhǔn)備就緒的情況下，此時(shí)M0.0，M0.1接通，運(yùn)行接通延時(shí)定時(shí)器指令，設(shè)定每2 s運(yùn)行一次更改盤徑值程序，盤徑值范圍為設(shè)定盤徑值與其一半值之間，再運(yùn)用上述速度給定公式計(jì)算得到放線的給定，如圖6所示。

圖6 速度換算程序

3 硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)構(gòu)成

對(duì)于干擾性小的場(chǎng)合，采用24 VDC，0-10 VDC，4-20 mA信號(hào)傳輸就可以滿足要求。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)的抗干擾性，實(shí)際線路的簡(jiǎn)潔性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸笤絹?lái)越高。而PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)作為一種靈活、方便、可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。因此儲(chǔ)線器和放線架的速度張力給定也可通過(guò)PROFIBUS-DP通訊實(shí)現(xiàn)周期性地與傳動(dòng)裝置的數(shù)據(jù)交換?？梢圆捎梦鏖T子S7-300系列PLC用作系統(tǒng)主站，儲(chǔ)線器放線架的調(diào)速裝置用作系統(tǒng)從站，S7200PLC與S7300PLC通過(guò)各自的MPI通訊口連接。在STEP7 V5.5軟件中，硬件組態(tài)支持PROFIBUS-DP通訊的CPU，組態(tài)調(diào)速裝置的GSD文件，在此文件下選擇對(duì)應(yīng)的輸入輸出地址?？梢酝ㄟ^(guò)S7300與S7200之間的數(shù)據(jù)交換程序?qū)7200中的速度和張力給定值寫入S7300的指定數(shù)據(jù)塊中，并連接到調(diào)速裝置GSD文件組態(tài)的相應(yīng)輸入輸出地址中。關(guān)于硬件組態(tài)方法，程序編寫等內(nèi)容，可以通過(guò)相關(guān)教程了解，本文不做描述。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用儲(chǔ)線器的位置反饋控制放線速度的方案取代了傳統(tǒng)運(yùn)用儲(chǔ)線張力反饋控制的方案，提高了儲(chǔ)線恒張力系統(tǒng)中對(duì)放線裝置速度控制的穩(wěn)定性。在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證達(dá)到設(shè)計(jì)目的。