基于PLC 的收排线机恒张力控制系统的设计

基于PLC 的收排线机恒张力控制系统的设计

７０基于ＰＬＣ的收排线机恒张力控制系统的设计

基于ＰＬＣ的收排线机恒张力控制系统的设计

ＤｅｓｉｇｎｏｆＰａｙ－ｏｆｆａｎｄＴａｋｅ－ｕｐＤｅｖｉｃｅｏｆＷｉｒｅＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＰＬＣ

伍

义

徐振越

李俊强（大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连１１６０２８）

摘

统的ＰＩＤ实现及参数整定。

关键词：连续挤压，收排线机，ＰＬＣ，恒张力控制

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｓｔｈｅｓｙｅｔｅｍｏｆｐａｙ－ｏｆｆａｎｄｔａｋｅ－ｕｐｄｅｖｉｃｅｏｆｗｉｒｅａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｉｎ４００ｃｏｎｔｉｎｏｕｓｅｘｔｒｕｓｉｏｎｌｉｎｅｂａｓｅｄｏｎＰＬＣ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｄｅｆｉｎｉｔｅｌｙｔｈｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｅｎｔｉｒｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｒｅａｌｉｚｅｓｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｎｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｂｙｕｓｉｎｇＰＩＤ，ｐｒｅｓｅｎｔｓａｎｄａｄｊｕｓｔｓ

ｓｐａｒａｍｅｔｅｒ．ｔｈｅＰＩＤ′

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｏｕｓｅｘｔｒｕｓｉｏｎ，ｐａｙ－ｏｆｆａｎｄｔａｋｅ－ｕｐｄｅｖｉｃｅｏｆｗｉｒｅ，ＰＬＣ，ｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｎｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ

要

设计了一种基于ＰＬＣ的４００型连续挤压生产线收排线机的恒张力控制系统，具体介绍整个系统的构成，恒张力控制系

１控制方法的比较选择

４００型连续挤压生产线由放线装置，矫直、送料和剪断装

置，清洗、清理装置，ＴＬＪ４００连续挤压（包括ＴＬＪ４００连续挤压、

液压站、润滑站、工装冷却装置、调速柜和控制柜等），控制台，产品冷却与防氧化装置，计米装置，涂油装置，摆臂装置，支架，收排线机等设备组成。其中收排线机是本文的研究的重点。由挤压机挤出来的成品经产品冷却与防氧化装置，计米装置后到达收排线系统，保证其系统稳定的最关键的是保证线缆张力的稳定。

目前能实现恒张力控制的方法大致有如下几种，各自存在优缺点。

优点：设备简单、价格便宜、可正１）力矩电机加驱动控制器。反转；缺点：张力控制不稳定、线性不好。

图１

ＰＬＣ恒张力控制系统

２）磁粉制动器／磁粉离合器张力控制。优点：张力及速度可

调，张力稳定性比力矩电机稍强，适用范围比力矩电机广；缺点：需要调速单元（如变频器、直流调速器）及张力控制仪，增加成本，而且磁粉制动器／磁粉离合器的可靠性差、发热严重，功率大的还需要冷却水，因此故障率高，维修成本大（经常需要更换磁粉）。

０．５％。励磁电源电路包括触发脉冲电路，单相电源整流和失磁，

用来把ＰＬＣ输出的调节量换成直流电源输入到直流电机的励磁线圈中。５９０直流调速器用于把ＰＬＣ输出的调节量经过５９０

直流调速器内部的运算后变成直流电流和电压信号输入到电机中，其中５９０直流调速器内部本身也是一个闭环的ＰＩＤ控制系统。驱整流电路将ＰＬＣ输出的调节量转换为直流电流的反馈信号输入到５９０直流调速器构成闭环控制系统。

间接控制张力的方式是控制电机转速恒定，根据公式（１）：

Ｐ＝Ｆ×Ｖ

（１）（２）

３）直接张力闭环控制。优点：张力控制平稳，张力可调；缺

点：电气设备复杂，需要调速单元，张力控制仪及张力传感器，且电气调速单元要求响应快，因此设备初期投资大，价格昂贵，另外，系统容易振荡。

优点：张力和速度均线性可调，精度较高，４）间接张力控制。

方向可正反转；缺点：设备成本比磁粉制动器／磁粉离合器张力控制和直接张力控制较低，但还是较高。另外调试较复杂，有的甚至需要专业的调试工具及调试软件。

本文中所采用的是第四种控制方法———间接张力控制：无张力传感器的闭环控制系统，利用其张力和速度可调的优点。

其中Ｐ－功率Ｖ－卷轴线速度Ｆ－张力

Ｖ＝πＤｎ／６０

Ｄ－收线过程中的实时卷径ｎ－电机轴输出转速

而

ｎ＝Ｅ

ｎ"

ａａ０

０

（３）

Ｅａ－开路电驱电压Ｅａ０－额定端电压ｎ０－额定转速

Ｅａ＝Ｕ１－ＩａＲａ

（４）

Ｉａ－电机电驱电流Ｒａ－电驱电阻Ｕ１－端电压

将（４）式带入（３）中得：ｎ＝

Ｕ１－ＩａＲａ

ｎ０

ａ０

（５）

２ＰＬＣ恒张力控制系统２．１系统的组成及工作原理

ＰＬＣ恒张力控制系统的组成框图如１所示。

系统的输入和输出量都是模拟量，而ＰＬＣ的ＣＰＵ只能处理数字量，我们需要用模拟量扩展输入模块ＥＭ２３５来进行Ａ／Ｄ转换，用模拟量扩展输出模块ＥＭ２３２来进行Ｄ／Ａ转换，它们都是１２位４通道变换模块，相对于最大值，精度最大可达

将（５）式带入（２）中合并带入（１）得：Ｆ＝Ｐ

６０Ｅａ０

（６）

πＤｎ０（１ａａ）

由（６）式可知，在保证其他参数不变的前提下，随着收线过程中排线的增加，卷轴的实时直径也随着增加，要保证收线张力的恒定，需要增加电驱电流。同时由（５）式可得，在保证其他参数不变的情况下，增加电驱电流，就会降低电机转速。

工作时ＰＬＣ根据设定的线速度值和测量的线速值的电流

基于PLC 的收排线机恒张力控制系统的设计

《工业控制计算机》２００６年１９卷第１２期

值进行比较，得到偏移量，后用ＰＩＤ控制算法计算出所需的调节量，由触发脉冲电路产生移相六相双脉冲，经光耦器件触发晶闸管，由（２）式可知，由于卷轴的实时直径随着排线的增加而增大，为保持卷轴的线速度不变，电机的转速就会降低，电机转速的降低势必要增加电驱电流。在５９０直流调速器中，根据电流负反馈与给定的电流值比较，得到偏移量，利用５９０内部的ＰＩＤ控制算法计算出所需要的调节量，由此来实现直流电动机转速的

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务就是根据反馈与给定的相对差值，按照ＰＩＤ运算规律计算出结果，输出到执行机构进行调节，以达到自动维持被控制量跟随给定变化。

ＰＩＤ双闭环控制，使线速维持恒定，进而得到恒定的张力，系统ＰＩＤ闭环控制的方框图如图２（ａ）、（ｂ）所示。

ＰＩＤ指令的表达形式：ＰＩＤＴＢＬ，ＬＯＯＰ其中ＴＢＬ是回路表

的起始地址；ＬＯＯＰ是回路号，可以是０到７的整数，分别表示８个回路。ＰＩＤ指令需要为其指定一个以Ｖ变量存储区地址开始的ＰＩＤ回路表，以及ＰＩＤ回路号。ＰＩＤ回路表提供了给定和反馈，以及ＰＩＤ参数等数据入口，ＰＩＤ运算的结构也在回路表输出。具体的ＰＩＤ回路表见表１。

表１

ＰＩＤ回路表

由表可知，输入／输出数据都是实数。所以需要对实际的过程和设定数据进行转换和标准化，输出数据也要经过转换，才能送到模拟量输出通道或者开关量调节通道。具体转换的关系示意图见图３。

图２

闭环控制系统方框图

Ｓｖ（ｔ）是输入量（给定值），Ｐｖ（ｔ）为反馈量，Ｃ（ｔ）为输出量。

１

ｍν（ｔ）＝Ｋｐｅν（ｔ）＋

Ｉ

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