拉丝机工作原理

可编程控制器用于张力控制的一种方法本文介绍一种采用PLC的超细线拉丝机自动控制系统，利用PLC的功能指令，可以方便地实现拉丝机的张力控制。

一、拉丝机的工作原理及控制要求

超细漆包线是一种精细线材，广泛应用于电工、电子行业。超细线拉丝机是其主要生产设备之一。拉丝机结构示意图如图1所示。

图1 拉丝机结构图

1、工作原理

原丝经过定速轮组和拉丝模子形成成品，经最后一只定速轮以一定的速度通过排线导轮向收线轮输送。拉丝机就是要保证定速轮与收线轮之间的细丝存在一定的张力来完成拉丝过程。定速轮组由主电机带动，转速随产品规格而定，线速度也一定。收线轮的线速度则随着收线盘直径的增大而升高。为保证一定的张力，即保持送丝、收丝的线速度一致，需不断降低收线轮的转速，保证收线轮收丝线速度恒定。收线轮的调速由调速电机实现。

2、控制要求

（1）细丝的张力控制：收丝速度太快，张力太大，容易引起断丝；收丝速度太慢，张力太小，影响生产效率。调速精度要求较高。

（2）系统适应性：一台拉丝机要加工10-70um不同规格的细丝，不同产品有不同的张力控制要求。

（3）超细铜丝价格昂贵，易变形断丝，对系统的运行可靠性要求较高。

在拉丝机的自动运行过程中如何测出速度信号，如何保持恒定的收丝速度，如何满足产品的调速精度要求，是本系统的控制关键。

二、控制方式

1、要实现拉丝、收丝的速度控制，首先要测出速度信号。定速轮线速反映了拉丝速度，排线导轮由细丝带动旋转，其线速反映了收线轮的线速，即收丝速度。因为定速轮与排线导轮之间的细丝存在一定的张力，细丝与两轮都存在摩擦力，由于摩擦打滑因素，排线导轮的线速与定速轮的线速并不相等，而是存在一定的比例关系K（由拉丝工艺确定）。因而在定速轮和排线导轮两端设置两只光电测速传感器，测出实际的定速轮转速和排线导轮转速值，间接反映拉丝、收丝线速度。

2、根据设备对速度稳定性和精度的要求，采用PI调节闭环控制系统。根据实际收丝速度与给定收丝速度之差，经PI控制环节，求出控制量，调节变频器的输入信号，改变调速电机的转速，以保持收丝速度的恒定。系统控制框图如图2所示。

图2 系统控制框图

因为N I/N d=K

则

式中：反映了收丝给定速度与实际速度偏差值，可由测速传感器信号值计算得到。

（3）PI控制

式中：N为PI控制环节输出量：K p为比例调节系数；t I为积分时间常数。

为便于PLC实现PI控制算法，采用离散化后的PI差分方程递推表达式：

式中：积分调节系数；T为采样周期。K P，K I根据系统调速精度确定后调试得到。

4、根据PI调节量N，通过PLC实现脉宽调制，再经低通滤波电路（见图3），输出到变频器控制端，控制运行频率，从而实现收丝线速的调节。此处利用PLC的PWM功能使数字控制转变为模拟控制。低通滤波电路输出电压：

图3 低速滤波电路

三、控制系统的硬件组成与软件设计

1、硬件组成

加工不同规格产品，要求不同的主轴转速，即要求主电机能实现无级调速。在此主电机调速采用变频器。通过操作面板上的电位器旋钮进行外部调速，利用变频器的启动、制动、调速功能，可以实现理想的速度要求。

系统控制规模不大，但要求有测速、数据处理、PI调节、PWM控制、数值显示等功能，系统控制精度要求较高。可编程控制器（PLC）控制功能强，应用灵活，运行可靠性高，性

能价格比好是一合适的机电产品控制器。笔者选用三菱公司FX2系列可编程控制器，该系列为16位微处理器的高功能超小型PLC，内部资源丰富，指令使用方便，能够满足本系统的控制要求（图4中，除低通滤波电路、变频器、调速电机外，其余环节均由PLC实现）。硬件组成如图4所示。

为提高测速信号的精度，在定速轮轴和排线导轮轴两处安装的测速分度盘增加齿数b，以提高分辨率。

图4系统硬件结构框图

2、软件设计

根据设计思路，进行程序编制。程序分点动和自动两部分。FX2系列PLC丰富的功能指令，大大方便了编程。在程序中应用了速度检测、算术运算、传送和比较、PWM 、显示等功能指令，充分体现了PLC功能控制的特点，使得整个系统的程序简捷、直观。自动程序流程图如图5所示。

图5 自动程序流程图

（1）对于不同线径细丝，由于摩擦力不同，存在不同的速度比例关系，通过操作面板上的参数设定开关及按钮，可进行速比K值的设定和显示。

（2）一般拉丝机的断丝判别是根据挂丝铜棒的电位值来确定。由于细丝接地电阻大，而且容易受气流影响，造成与铜棒接触不良，因而这种方法对于细丝的断丝判别极不可靠。本系统设计了断丝判别程序，把排线导轮转速信号与断丝设定值进行比较，根据比较结果判断，与变频器配合应用，实现了断丝迅速停车。

（3）利用PLC丰富的功能指令，实现PI控制算法。在PLC指令系统中，没有小数、负数运算，需要进行数值处理。PLC内部有大量的数据寄存器，便于编程。在程序设计中，为提高调速精度，速度检测每1s读取一次传感器信号值。根据调速要求，经调试确定采样

周期T为1s；积分时间常数t I为25s；比例调节系数K P为0.8。考虑其后续环节，PI调节输出量N要进行数值归一化处理。

四、结束语

本系统采用PI调节控制方式，通过可编程控制器实现，改善了系统的控制精度，满足了不同产品的调速要求，大大方便了设备调试。该控制系统已在厂家运行了一年多，效果良好。PLC的应用，提高了系统的自动化程度及运行可靠性。新一代可编程控制器既能满足控制系统的常规要求，又能满足一些特殊要求（如数值运算、速度检测、脉冲输出、PWM 控制、数值显示等），在工业生产中将得到越来越广泛的应用。