直线式拉丝机精调及工程实现

直线式拉丝机精调及工程实现
摘要：本文主要论述了如何运用PID参数进行精调，使该设备的控制系统达到稳定性要求。

关键词：PID；精调；控制；稳定
一、直线式拉丝机的优点及难点
直线式拉丝机的优点是：该设备是由多个拉拔头组成的连续生产设备，通过逐级拉拔，可以一次性地把钢丝冷拉到所需的规格，且工作效率高，适用拉拔弹簧钢丝、制绳钢丝、帘线钢丝、胎圈钢丝、药丝焊丝、气保焊丝、铝包钢丝、预应力钢丝、胶管钢丝及各类低、中、高碳钢丝等。

二、拉丝原理介绍
工作原理：拉丝过程中，经过拉丝模后，钢丝由粗变细，由短变长，但钢丝的总体积不变。

现设进线
电机频率为f1，求出线电机频率f2 ：
由于钢丝拉拔前后总体积不变，得：υ2=υ1
υ1=πr12V1 t ………………………（1）V1为进线速度
υ2=πr22V2 t ………………………（2）V2为出线速度
由（1）（2）式得：V2/ V1= r12/ r22
V1=60f1/p·1/η1 …………………（3）式中f是电机频率，
p是电机极数，η是减速比
V2=60f2/p.1/η2 (4)
由（3）（4）式得f2·η1 / f1·η2= r12/ r22 经推导得
f2=η2/η1 .（r1/ r2）2.f1 (5)
然而，上述公式仅适用于稳定状态，在工程实际中，由于众多因素，使得进线速度和出线速度不能精确匹配，而造成断丝或松套。

三、影响断丝和松套的原因分析
由于直线式拉丝机活套活动范围小，所以对运行速度的稳定精度及动态响应要求更高、更快。

影响稳定的因素很多，有工艺上的，也有电气方面的，主要有以下几方面因素：
（1）因f2是理论计算出来的值，同时由于频率转换成电机转速的机械运动，也有延迟，因此，与理想状态不符；
（2）电机在大负载时有拖曳现象；
（3）模具在拉丝过程中，孔径会磨损变大，因此比值平方会变化；
（4）从启动到稳定工作状态，模具及材料温度有变化；
（5）材料的硬度及表面合含成分等都有差异；
（6）卷筒是用水冷却的，模具加药粉润滑；
（7）转速比η测的是当变频器为50Hz时卷筒的旋转圈数，测量是存在误差的。

以上所述各种因素都可能影响拉丝的稳定性，也很难证明那种因素是主要的，那种是次要的，但不管怎么说，结果造成了一个频率误差，因此上述（5）式应为
f2=η2/η1 ·（r1/ r2）2·f1±Δf
但是他们综合作用的结果，会通过那个物理量表现出来，又是如何转换成匹配的Δf调整量的。

如果我们能找出Δf并正确的补偿这个误差，正是我们研究的核心技术，也是拉丝电机频率f1反映的延迟。

四、工程解决方案
两种解决方案的图示对比，如下图1：
通过上图1可以看出，采用图1②摆臂明显可以调节两机台之间的直线缓冲。

上述所列的各种影响因素，在拉丝过程中，其实主要表现在两个拉丝卷筒之间的钢丝是紧，还是松，如果紧到一定程度，就会断丝，如果松到一定程度，就会松套，因此应该把松紧程度采样出来，采样的方法我们采用了摆臂；
图1①没有采用摆臂，a，b两点间钢丝松紧无法显示；
图1②采用摆臂，显然延长了a，b两点之间的距离，摆臂可前后移动，如
果摆臂在c点为平衡点（不紧，不松），那么到d点时就是紧了，而到e点就是松了；
其次，在摆臂上再安装一个模拟量传感器，摆臂的前后运动范围转化为0～10V的电压信号，通过A/D变换将这个电压信号变成数字量，刚好在变频器上有A/D变换功能，变换后的数字量Δe，通过PLC与变频器的通信，写到PLC 的数据块中，但是我们需要的是速度的调整量，即变频器输出频率Δf，Δf与Δe 之间是一个模糊的函数关系，我们不妨用二次微分方程来逼近它。

df（t）=Ke（t）+k/L∫0t e（t）d（t）+D·de（t）/d（t）
近似程度的好坏，就在于K，L，D三个参数的确定，这是问题的核心。

Ke（t）………………………是比例项
K/L∫0t e（t）d（t）…………是积分项
D·de（t）/d（t）……………是微分项，微分项为的是提高反映速度，在拉丝机项目中，实践证明，微分项可不用，主要是由于机械运动慢的原因，上述论证正是自动控制理论中的PID控制，这是解决模糊控制的十分有效的利器。

要解上述这个微分方程，用计算机来解采用叠代法，即第n次调整量与含有n-1次调整量相关，可喜的是在西门子S7-300系列PLC中有PID算法模块，即FB41模块，使用了如下公式：
Mn=MPn+MIn MPn= Kc（SPn-PVn）= Kcen
MIn= KcTs/Ti（SPn-PVn）+MX
式中MX为采样n-1时刻的积分前项；Δf=PID= Mn
上述计算是由模块FB41内部计算的，这是西门子公司版权的模块，我们只是调用给它输入相应参数值，则就可得出Δf。

因此调试拉丝机，使其不断丝，不松套，主要就是调整这两个参数，比例Kc及积分Ti 。

为使控制尽快进入稳定状态，即摆臂在平衡点处小幅抖动，只有通过调试，逐个机台反复试，则存在最佳值，经验告诉我们，此最佳值在同型号拉丝机上，如各项机电参数相同，则可以作为基础参数，再进行微调，即使模具孔径变化也无影响，都能通过PID调整过来。

参考资料：
[1] 《S7-300/400 PLC应用技术》机械工业出版社
[2] 《安川变频器技术手册》株式会社安川电机
[3] 《电机技术手册》SEW 1122 5610。