CN101168175A

CN101168175A - 多级拉丝生产线自动控制系统

Info

Publication number: CN101168175A
Application number: CNA2007101501430A
Authority: CN
Inventors: 杜明星; 冷建伟; 郭长永; 马中原; 屈重年
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2008-04-30

Abstract

一种多级拉丝生产线自动控制系统。包括N级由拉丝模、卷筒及其驱动装置构成的拉丝单元、导轮、中频炉、水冷器、张力盘、递送电动机和收线盘，其中N为大于2的自然数。各级拉丝单元内分别设有一个张力控制系统，包括：安装于卷筒和拉丝模之间的张力传感器、可编程序控制器、变频器和异步电动机。本发明利用交流变频技术实现异步电动机的平滑调速；通过张力控制系统实现拉丝的松紧度控制；采用阶梯式起动停车方法和闭环PID算法实现系统的无扰切换和稳定运行；使用可编程序控制器保证了系统的控制灵活性和工作稳定性；系统还设计了点动、联动和实时监控等功能，实现了生产线挂线方便、系统参数修改容易、生产工况实时监控等优点。

Description

多级拉丝生产线自动控制系统

【技术领域】：本发明属于丝状金属物自动生产控制技术领域，涉及一种多级钢丝或其他丝状金属物拉拔生产线的自动控制系统。

该系统能有效地提高丝状金属物的生产质量和生产效率，且工作性能稳定、可靠性较高。

【背景技术】：在实际生产过程中，常常需要不同直径的金属丝，但原材料生产厂家生产的原材料不可能达到这个要求，因此需要对金属丝进行多级拉拔，最终实现所需直径的产品。随着国内工业的快速发展，市场对不同直径的金属丝的需求也快速增加，所以多级拉丝生产线的应用也越来越广泛。较早的拉丝生产线主要以德国、意大利等国进口的为主，这些系统有使用直流电动机作为原动机的，也有使用交流电动机作为原动机的。近年来，随着国内自动控制技术的进步和机械加工能力的提高，国内的多级拉丝生产线也得到了长足的发展。应用交流变频调速技术的多级拉丝生产线已经开始在国内的几家工厂生产。在这些设备上，大部分生产线都应用进口的变频器驱动原动机，从而实现交流变频调速。

就目前来看，国内外生产的拉丝机都不能很好地适应不同工业现场的要求。主要存在以下问题：1)要求变频器内置PID算法，并且要求其反应速度较快；2)生产线起动和停止过程中每一个拉拔环节同步性较差，尽管有些设备不会出现生产线断线的情况，但是对生产质量和生产效率会产生影响；3)生产线起动前需要将金属丝缠绕在每个卷筒上，大部分系统未设计系统的点动和联动信号，操作使用不方便。4)由于生产线采用变频器内置PID算法，因此PID参数的适应性较差，而且在变频器上手动调节PID参数费时费力。

【发明内容】：本发明的目的是解决现有多级拉丝生产线起动和停止过程同步性较差、PID算法参数调节不方便和系统功能不完善的问题，提供一种多级拉丝生产线自动控制系统。

本发明提供的多级拉丝生产线自动控制系统，包括N级由拉丝模、卷筒及其驱动装置构成的拉丝单元，以及拉丝单元后依次设置的排线导轮、中频炉、水冷器、张力盘、递送电动机和收线盘，其中N为大于2的自然数。在各级拉丝系统内分别安装有一个张力控制系统，该张力控制系统包括：

一个张力传感器，安装于各级拉丝系统内的卷筒和拉丝模之间，用于测量对应拉丝系统内的钢丝的张力值，并将该张力值反馈到可编程序控制器PLC中；

一个可编程序控制器PLC，通过可编程序控制器内部的PID算法，用于将反馈的张力值与给定值比较，根据比较结果输出一个控制信号给变频器，通过变频器改变异步电动机的转速，进而控制相应卷筒的旋转速度，从而增大或者减小金属丝拉拔时的张力大小，以实现最佳张力调节；

一个变频器和一个异步电动机，用于接受可编程序控制器PLC发出的控制信号，通过变频器改变异步电动机的转速，进而控制相应卷筒的旋转速度。

所述的张力传感器的构成包括，固定的传感器立柱，铰接在传感器立柱上的曲柄，该曲柄的一端通过旋转导轮与被测拉丝紧密接触，曲柄的另一端连接一个弹簧，曲柄铰轴通过履带连接角度传感器，旋转导轮将拉丝的张力转变为曲柄铰轴的转动，并由角度传感器反馈到可编程序控制器PLC。

本发明自动控制系统的整条生产线的设计过程中涉及了五大部分，具体过程如下：

第一部分、挂线：所谓挂线就是当金属丝断线或者一卷金属丝加工完毕后系统需要停止，在系统起动之前，需要将金属丝挂在生产设备上。挂线时需要系统具有点动和联动功能，具体讲就是，当1#卷筒需要挂线时，则只需要1#电动机低速运转，且将金属丝在1#卷筒上缠绕一定数量的圈数，此时1#卷筒挂线完毕；金属丝要挂在2#卷筒上时，需要1#电动机和2#电动机同时低速运转，实现2#卷筒的挂线；3#卷筒需要挂线时，1#、2#，3#电动机同时低速运转；依次类推，可以推广至多级挂线。当1#和2#卷筒之间金属丝堆积时，可以只允许2#电动机运转，这样就可以将两者之间的堆丝缠绕到2#卷筒上，同理，2#和3#卷筒之间出现堆丝现象时，可以只允许3#电动机运转，将中间堆丝缠绕到3#卷筒上，依此类推，可以推广到多级。基于上述表述的只允许1#、2#或其他一台电动机运转的操作功能称作点动功能；1#、2#，1#、2#、3#或者其他多台电动机同时运转的操作功能称作联动功能。

第二部分、系统起动：系统起动过程中必须保证生产线中的每台电动机均能同步起动，即不会出现堆丝和断线的情况，这就要求每台电动机按照自己的目标值分步起动，以保证金属丝的张力控制在一定范围内。针对这一问题，本发明提出了阶梯式起动的工作模式，由于每台电动机的速度目标值不同，所以起动步长均不相同，但是它们的起动时间是相同的，也就是起动步长的数量是一定的。在充分考虑电动机和变频器反应时间的前提下，生产线能够很稳定、很精确地按照设计的速度起动。具体的每台电动机速度目标值的计算方法如下：

拉拔速度的基准是每个时刻通过拉模的金属丝的秒流量体积不变，即有以下公式成立：

πR²×v₁＝πr²×v²(式1)

其中R：进线金属丝的直径

v₁：进线金属丝的线速度

r：出线金属丝的直径

v₂：出线金属丝的线速度

v_dn＝v_n/i(式2)

其中v_dn：为第n台电动机的转速目标值

v_n：为金属丝的线速度

i：为齿轮箱的减速比

式1中速度的计算以多级拉丝生产线的收线速度v₀为起始端逆序计算，直到计算出第一个通过拉模的金属丝的速度。式2计算出拖动第n号卷筒的电动机的转速目标值。

第三部分、系统正常运行：系统正常运行是在系统阶梯起动完毕后，无扰切换至自动运行模式。自动运行模式采用PID调节方式，在过程控制中，PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相对独立、参数的选定比较简单等优点，是一种最优控制。本发明中，PID算法的比例、积分、微分参数可以任何时刻通过触摸屏在线修改，因此，该算法具有很强的适用性。

第四部分、系统停车：当系统收到停车信号或者生产线发生报警时，系统将会停车。系统停车时为了避免多台电动机不同步的情况发生，仍采用和起动方法相同的频率阶梯下降的方式停车。这种停车方法同样要考虑无扰切换的问题，即系统收到停车信号或者生产线发生报警时，停车算法将会以此刻PID控制器输出的数值作为停车的当前频率，并且计算出停车步长，然后将当前频率依次减小，直至停车。

第五部分、监控系统：本发明所设计的监控系通要有既能对生产现场进行监控，同时又能对现场的生产参数进行实时修改。监控系统可以监控生产线的运行状况，给出故障信息，同时还要求能通过监控系统修改传统PID算法的参数、系统的收线速度、选择控制器算法、每台电动机的运转频率目标值、两级之间的金属丝张力给定值等。

该系统能有效提高丝状金属物的生产质量和生产效率，且工作性能稳定、可靠性较高。本发明设计的系统利用交流变频技术实现异步电动机的平滑调速；通过建立基于张力传感器组成的控制系统实现被拉金属丝的松紧度控制；采用阶梯式起动停车方法和闭环PID算法实现系统的无扰切换和稳定运行；使用可编程序控制器作为系统控制器，保证了系统的控制灵活性和工作稳定性；另外，系统还设计了点动、联动和实时监控等功能，实现了生产线挂线方便、系统参数修改容易、生产工况实时监控等优点。

本发明的优点和积极效果：

本发明控制系统不仅能使多级拉丝生产线生产出质量优秀的金属制品，而且针对于不同直径的金属丝产品系统参数调整比较方便。

该控制系统采用阶梯分级起动和阶梯分级停止的方法保证整条生产线起动和停止的同步性和平稳性，保证产品质量。同时，系统起动至频率目标值时，通过无扰切换实现系统的闭环PID调节。当系统停车或者发生故障时，以此刻各台变频器运行的数值为起点，逐级降频，保证安全停车。

同时，在系统起动过程中增加了点动和联动功能，提高挂线效率。点动功能是指控制单台电动机的运转，联动功能是指控制某一级之前所有电动机的运转。

另外，本发明控制系统控制精度较高，工作性能稳定，生产效率较高，使用方便、操作灵活，本发明控制系统成本低，工作性能稳定、可靠，实现较为方便，控制效果较好，能大大提高拉丝生产线的生产效率和金属丝的产品质量。

【附图说明】：

图1是本发明系统的控制框图；

图2是多级拉丝生产线第一个实施例的工作原理图；

图3是多级拉丝生产线第二个实施例的工作原理图；

图4是张力控制系统的工作原理图；

图5是张力传感器结构图；

图6是系统阶梯起动和停止的工作方式示意图；

图7是PLC软件程序流程图。

图中：1、拉丝模1；2、拉丝模2；3、拉丝模3；4、拉丝模4；5、拉丝模n；6、卷筒1；7、卷筒2；8、卷筒3；9、卷筒4；10、张力测量1；11、张力测量2；12、张力测量3；13、张力测量4；14、排线导轮；15、中频炉；16、水冷器；17、张力盘；18、递送电动机；19、收线盘I、II；20、卷筒n-1；21、卷筒n；22、张力测量n-1；23、张力测量n；24、齿轮减速箱；25、电动机；26、变频器；27、旋转导线轮；28、轴；29、传感器立柱；30、角度传感器；31、弹簧；32、曲柄；33、橡胶履带。

【具体实施方式】：

实施例1：

图1给出了本发明的系统控制框图。该系统采用可编程序控制器PLC作为控制器，系统被控量为两级拉丝模之间金属丝的张力，系统的给定值为两级拉丝模之间的金属丝处于最佳绷紧度时的张力传感器测得的张力值(该值可以视现场的情况略作变动)。当张力传感器测得的张力值与给定值不相等时，可编程序控制器内部的PID算法将输出一定大小的数值给变频器，通过变频器改变异步电动机的转速，从而增大或者减小金属丝拉拔时的张力大小，以实现最佳张力调节的目的。图1中控制器为可编程序控制器PLC，执行器为变频器和异步电动机，被控对象为减速箱和卷筒。

图2给出了多级拉丝系统的一个实施例，以四级(N＝4)金属丝拉拔系统为例。该系统主要由拉丝模1～4、张力传感器10～13、卷筒6～9、中频炉15、水冷器16、张力盘17、递送电动机18、收线盘和收线电动机19等部分组成。金属丝首先进入第一级拉丝模1，经过第一级拉丝模1变径后缠绕到1#卷筒6上，经过1#张力传感器10测量张力后，进入第二级拉丝模2，经过第二级拉丝模2变径后缠绕到2#卷筒7上，经过2#张力传感器11测量张力后，进入第三级拉丝模3，依此类推。金属丝经过4#张力传感器13测量张力后进入排线导轮14，使得金属丝变得更加平直，经过中频炉15加热和水冷器16冷却后，通过张力盘17和递送电动机18，然后进入收线盘19，完成金属丝拉拔工艺。

图4给出了以1#卷筒6组成的张力控制系统为例，说明张力控制系统的工作原理。

如图4所示，该图的1#张力传感器10设置于1#卷筒6和2#拉丝模2之间，当金属丝过松或者过紧时，1#张力传感器10测量的张力值将实时反馈到PLC中，通过PLC中PID算法的计算，向1#变频器26输出4～20mA的模拟量控制信号，通过1#变频器26控制1#异步电动机25，从而通过齿轮减速箱24控制1#卷筒6的旋转速度，以达到对张力调节的目的。

同样，2#卷筒7组成的张力控制系统的2#张力传感器11设置于2#卷筒7和3#拉丝模3之间，依次类推，可以推理到多级张力控制系统。

图5给出了张力传感器的结构图。其主要由角度传感器30、旋转导轮27、曲柄32、传感器立柱29、弹簧31等几部分构成。当金属丝经过旋转导轮27时，由于张力作用将会使得旋转导轮27的高度降低，弹簧31被拉伸，此时铰轴28会随着曲柄旋转一定的角度，这个旋转的角度通过橡胶履带33传送给角度传感器30，通过角度传感器30输出4～20mA的标准电流信号并反馈到可编程序控制器PLC，因此通过此传感器可以有效地测取被拉金属丝的张力。

图6给出了系统阶梯起动、停车和自动运行的工作过程。图中SV代表给定值，PV代表反馈值，Δ₁为系统起动时，变频器频率增加的步长，Δ₂为系统停止时，变频器频率减小的步长。Δ₁通过每台电动机的目标速度对应的目标值来计算，Δ₂根据系统收到停止信号或者故障信号时刻的频率值来计算。系统起动时变频器频率由零以Δ₁为步长阶梯增加，当系统起动至目标转速时，自动切换至PID自动运行状态。当系统接收到停车信号或者生产线出现故障时，程序将此刻PID调节器输出的控制量作为停车的起始频率按照Δ₂的步长依次递减，直至系统完全停止。

图7为PLC软件程序流程图。该图给出了本发明所编写软件的总体思路，软件程序包含了生产线设计过程中所涉及的主要内容。

实施例2

图3给出了N级拉丝系统的另一个实施例，N可以选大于2的任意自然数。该图说明本发明设计的自动控制系统对于N级拉丝系统同样适用。四级金属丝拉拔系统完全可以扩展到多级，其控制方式不变、难易程度不变、控制效果不变，仅是拉丝系统级数以及成本略有增加。

Claims

1.一种多级拉丝生产线自动控制系统，包括N级由拉丝模、卷筒及其驱动装置构成的拉丝单元，以及拉丝单元后依次设置的排线导轮、中频炉、水冷器、张力盘、递送电动机和收线盘，其中N为大于2的自然数，其特征是在各级拉丝系统内分别安装有一个张力控制系统，该张力控制系统包括：

2.根据权利要求1所述的多级拉丝生产线自动控制系统，其特征是张力传感器的构成包括，固定的传感器立柱，铰接在传感器立柱上的曲柄，该曲柄的一端通过旋转导轮与被测拉丝紧密接触，曲柄的另一端连接一个弹簧，曲柄铰轴通过履带连接角度传感器，旋转导轮将拉丝的张力转变为曲柄铰轴的转动，并由角度传感器反馈到可编程序控制器PLC。