一種銀基絲材電流加熱穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計研究

熊經(jīng)先 ，顏君波 ，黎聯(lián)杰

（1.桂林電器科學(xué)研究院有限公司，廣西桂林 541004；2.桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

引言

銀基合金絲材因其規(guī)則的外形、良好的加工性、優(yōu)異的電性能而被廣泛應(yīng)用于電觸頭領(lǐng)域的鉚釘觸頭制造[1]。目前銀基合金絲材的加工制造主要生產(chǎn)過程是多次退火配合過模拉拔達到相應(yīng)的線徑尺寸，生產(chǎn)中面臨主要問題是在過模拉拔過程中因應(yīng)力急劇變化而造成絲材斷裂和多次退火導(dǎo)致生產(chǎn)周期過長效率低。絲材在線退火熱拉拔工藝[2]是目前使用比較廣泛的銀基合金絲材熱拉拔生產(chǎn)工藝，特別是接觸式電流加熱[3]在線退火熱拉拔工藝因其良好的可加熱性、簡潔操作性以及顯著的節(jié)能性而被廣泛應(yīng)用。

目前行業(yè)里傳統(tǒng)的接觸式電流加熱熱拉拔設(shè)備在控制系統(tǒng)原理上比較簡單，主要由一些簡單的交流接觸器、中間繼電器、時間繼電器、電位器、變頻器、加熱器、開關(guān)以及按鈕等組成，能夠滿足無精度或低精度要求的在線加熱，但在加熱過程中經(jīng)常會因為加熱控制系統(tǒng)不穩(wěn)定、絲材滑絲、斷絲、拉拔速度改變等因素造成絲材過加熱燒斷或者欠加熱拉斷，操作者需要重新進行絲材軋頭和穿模工作，耗費了大量時間；同時因為加熱系統(tǒng)缺少足夠檢測反饋信號和缺少精確控制算法，導(dǎo)致絲材不能夠在工藝要求的參數(shù)范圍內(nèi)進行生產(chǎn)，造成產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較差。隨著對產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性要求不斷提高，研究如何通過機構(gòu)改進、增加傳感器檢測、改進控制算法等手段實現(xiàn)生產(chǎn)過程可控化、生產(chǎn)參數(shù)可追溯、異常報警自動處理等功能的電流加熱在線退火控制系統(tǒng)成為相關(guān)企業(yè)研究的重點。

針對上述問題，本研究設(shè)計了一種基于西門子PLC控制器的PID電流加熱穩(wěn)定控制系統(tǒng)[4]，通過硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計，利用相關(guān)傳感器實時檢測以及檢測信號實時反饋輸入到PLC進行PID運算控制相關(guān)執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)定的加熱控制，解決傳統(tǒng)接觸式電流加熱拉拔控制系統(tǒng)存在的缺陷。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理分析

本研究提出的基于西門子PLC控制器的PID電流加熱穩(wěn)定控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示，絲材由放線機構(gòu)經(jīng)過校直機構(gòu)進入導(dǎo)電機構(gòu)，再穿過過模模具進入拉拔系統(tǒng)的收卷滾筒；在觸摸屏上設(shè)定待熱拉拔的產(chǎn)品工藝參數(shù)，啟動熱拉拔系統(tǒng)。熱拉拔啟動后，系統(tǒng)會自動采集速度檢測裝置的編碼器信號、缺料檢測裝置信號、電壓傳感器信號、電流傳感器信號、溫度傳感器信號、變頻器信號并傳送到PLC中作為PID控制參數(shù)進行PID運算控制，PID控制輸出信號對加熱控制器、絲材拉拔速度控制器聯(lián)動控制，使絲材保持在穩(wěn)定的加熱范圍內(nèi)，實現(xiàn)絲材加熱過程的穩(wěn)定性，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)原理圖

1.1 拉拔系統(tǒng)

在熱拉拔工藝中，拉拔速度對絲材質(zhì)量穩(wěn)定性有很重要影響，絲材熱拉拔速度必須跟所選的對應(yīng)規(guī)格熱拉拔工藝規(guī)定的拉拔速度相匹配，否則將出現(xiàn)因拉拔速度波動而造成產(chǎn)品性能異常。拉拔速度通過變頻器控制，變頻器的控制方式為模擬量矢量控制，經(jīng)PID運算后得到控制變頻器速度的信號從PLC模擬量輸出模塊輸入到變頻器的模擬量輸入模塊，精準的控制電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)穩(wěn)定的熱拉拔速度。

1.2 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)是給絲材加熱的執(zhí)行機構(gòu)，主要由導(dǎo)電機構(gòu)、輸電傳送電纜、電壓檢測傳感器、電流檢測傳感器、壓力檢測傳感器、溫度傳感器、絲材速度檢測裝置、過模模具、防震動機構(gòu)、加熱控制器組成，加熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可實時監(jiān)控性并能實時調(diào)控性是實現(xiàn)絲材穩(wěn)定加熱的關(guān)鍵。電壓檢測傳感器用于檢測絲材兩端加熱電壓，電流傳感器是用于檢測絲材加熱電流大小，壓力檢測傳感器和防震機構(gòu)主要是用于防止絲材跟電極接觸不良；加熱控制器主要用于接收從控制系統(tǒng)輸入的PID控制信號并把電能由電纜傳到導(dǎo)電機構(gòu)，實現(xiàn)絲材電流加熱。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是用于接收外部傳感器信號、與HMI界面交互、算法、程序開發(fā)執(zhí)行、輸出控制變頻器、控制加熱控制器、控制外部執(zhí)行元件的系統(tǒng)，是加熱系統(tǒng)能夠精準穩(wěn)定運行的核心。這套控制系統(tǒng)開發(fā)的核心是基于傳感器反饋的PID運算[6]算法。原理是根據(jù)電流產(chǎn)生熱量公式Q=UIt,熱量Q作為目標值，通過PID運算后控制執(zhí)行元件，實現(xiàn)對U、I、t三個關(guān)鍵參數(shù)的動態(tài)控制，保證Q的動態(tài)平衡。PID控制原理圖如圖2所示。

圖2 PID控制原理

2 接觸式電流加熱穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)的硬件部分主要由PLC、觸摸屏、變頻器、絲材速度檢測裝置、絲材缺料檢測傳感器、加熱調(diào)控器組成。PLC選用西門子1200系列，CPU型號為1212CDC/DC/DC，此模塊自帶8輸入/8輸出的數(shù)字信號接口，2路八位模擬輸入信號,根據(jù)PLC與變頻器、編碼器、電壓傳感器、以及相關(guān)控制功能需求，增加一個SM1223的PLC數(shù)字量輸入輸出模塊和一個SM1234模擬量輸入輸出模塊，PLC通過模擬量輸出模塊把PI運算輸出信號輸入到變頻器的模擬輸入模塊，實現(xiàn)對變頻器速度控制；將絲材速度檢測裝置的高精度編碼器信號輸入到PLC的CPU模塊設(shè)定的高速計數(shù)輸入接口，通過PLC程序轉(zhuǎn)換后顯示到觸摸屏同時作為PID運算控制的重要參數(shù)。將電壓檢測裝置的0～10 V信號和電流檢測裝置的0～20 mA信號輸入到增加的模擬量模塊的輸入接口，經(jīng)過PLC內(nèi)部程序轉(zhuǎn)換后顯示到觸摸屏同時作為PID運算控制的重要參數(shù)；絲材缺料檢測傳感器使用電感式接近開關(guān)，24VDC直流開關(guān)量信號輸出。觸摸屏使用威綸通KT8071ip，通過PRO‐FINET通訊接口與PLC交互信號。變頻器選用型號為MD380的18 kW重載變頻器。其總控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是PLC程序設(shè)計和觸摸屏頁面程序設(shè)計[7]。PLC主程序主要包括PID參數(shù)數(shù)據(jù)采集、PID運算控制程序設(shè)計、PID輸出控制程序設(shè)計、輸出控制功能設(shè)計、缺料檢測報警動作設(shè)計、系統(tǒng)參數(shù)初始化。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

觸摸屏的程序設(shè)計主要是人機交互的界面開發(fā)，設(shè)計實時絲材速度顯示、速度控制設(shè)定、電壓、電流、溫度顯示、加熱系統(tǒng)功率輸出顯示、斷絲報警、缺料報警、報警日志顯示、PID調(diào)整參數(shù)輸入文本框等功能，同時還需要設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)觸摸屏控整個熱拉拔系統(tǒng)手動執(zhí)行元件以及自動運行及停止功能；設(shè)計不同材料及不同規(guī)格設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)輸入的文本框，設(shè)計產(chǎn)品工藝參數(shù)庫；在生產(chǎn)前調(diào)取產(chǎn)品所需的生產(chǎn)工藝，進行生產(chǎn)的自動化控制。

3 結(jié)論

設(shè)計了基于西門子PLC控制器的PID電流加熱穩(wěn)定控制系統(tǒng)，并通過PLC、觸摸屏、變頻器、相關(guān)傳感器的綜合運用，實現(xiàn)了對絲材熱拉拔過程電流加熱的自動穩(wěn)定控制，滿足了絲材熱拉拔的工藝需求，提高了產(chǎn)品穩(wěn)定性。絲材電流加熱穩(wěn)定控制系統(tǒng)的運用有效提高了銀基合金絲熱拉拔的自動化程度和生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。