天津市新天钢中兴盛达有限公司 天津静海 301600
摘要：本文以本单位16号拉丝机改造方法进行解析。本设备是2001年FRIGERIO引进的设备，本设备运行时间19年，电气故障率较高，备件难采购。结合现场实际情况实施技术改造，与机械人员结合，根据拉丝机的机械结构功能特点和恒张力调控过程，前后机架速度跟随补偿，本着提速，降低故障率做设计改造方案。
关键词：速度跟随补偿；恒张力控制；拉丝机
一、设备状态
电气方面：EEI变频器（8V62331）六台、触发板A44D七块，调速板卡EEI G050一块，EEI操作屏等损坏，机械方面：缺少放线架一套及气缸调压阀等，部分管路老化需要更换。对老旧拉丝机原理不变，利用传感器完成恒张力，实现张力速度控制，更换主PLC和变频器完成改造方案，实现拉丝速度6.5米/分。
二、改造特点
对原有拉丝机电控模拟控制改造设计开发周期短，调试简单，运行可靠，而改造后速度控制精度高，故障率降低，张力恒定；实际生产中金属丝表面光洁度、尺寸控制都有提高、单位拉丝模耗降低。实际拉拔性能达到目前市面 PLC 恒张力PID 控制直进式拉丝机性能，而改造成本、设计调试难度低，适于对原有拉丝机或少量拉丝机改造，自主开发出符合自己生产的直进式拉丝机。
改造基本思路：
电控系统升级改造，保留设备现有各类型电动机，保留现有动力、控制电缆。拆除更新配电柜、操作台。
1、设备控制柜、操作台制作要求材质为优质钢板，厚度为：2.5mm。
2、柜内变频器采用ACS880系列变频器，功率选型比电动机功率高一档。
3、PLC采用西门子S7系列。
4、操作台触摸屏采用西门子12寸彩色系列。
5、排线电机改为变频电机。
6、控制柜门带电源监测、柜内温度显示和监测、开关控制和可锁把手、电源、运行、急停指示灯、柜内照明等。
7、改造使用的低压电器元件采用施耐德品牌。
三、拉丝控制原理
在拉丝机收线过程中，保持钢丝所受张力恒定是保证成品金属丝质量的一个重要条件。前后拉拔塔轮之间如果张力过大，则拉丝机成品塔轮与收线机间金属丝质量会因受力过大而受到影响，甚至被拉断。反之，若张力过小，则又会在成品塔轮和收线机问形成松线、乱线等现象，严重影响了生产的正常进行。为避免上述问题的发生，需要在收线过程中调节钢丝张力并使在一定范围内保持稳定。为此，设计了一种采用闭环控制结构的系统，如图 1 所示。
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图 1 闭环控制结构的电控系统
其中每级拉拔过程应用张力控制 PID 调节器应用美国Contrex 的 M-Trim 控制器，M-Trim 是一种精确数字电机数字驱动器，它提供给定速度、测速反馈编码器输入接口，利用张力传感器Dancer 精确处理张力和速度控制任务的PID 算法。其控制参数可由用户输入，调节器输出直接控制拖动收线机的变频器，从而达到控制拉拔张力的目的。
收线速度与半径和旋转速度的关系
V收线 =R收线•ω收线 （1）
V收线：收线的线速度，单位为mm/min；R：盘的半径，单位为mm；
ω收线：收线盘的旋转速度，单位为 1/ min；
由（1）两边微分可以得出：
ΔV收线 =ΔR收线•ω收线 +R收线•Δω收线。 （2）
在（2）式中可以看出，一种就是检测 ΔV收线，一种就是检测 ΔR。如果是检测 ΔR，可以使用超声波或者其他检测模式来检测收线盘半径的变化，以此来表示收线盘上收线数量的变化，然后调整旋转速度，使线速度控制在一定的范围内。如果是检测线速度的变化量 ΔV收线，本文研究的案例使用的手段是使用感应头计数，然后再转换为线速度，收线线速度的计算公式为：
V收线 =r1•ω1
=r1•（n1/K 1）•（1/ T1）= r1•n1/（2T1） （3）V收线：收线速度，单位为mm/ min；
r1：检测点收线的三沟导轮半径，单位为mm，是与收线线速度，使其与拉线线速度保持匹配，确保拉线的张力在一定范围内。本设备在定速轮与三沟导轮处设置检测点，分别检测拉线速度与收线速度。
四、直进式拉丝机组成
该直进拉丝机组由放线、拉拔和收线三部分组成，拉拔部分由主机 15 级拉拔塔轮轴和 16 级牵引拉拔塔轮组成，要求牵引和收线的之间张力要求恒定，张力架采用重力张力架要求运转张力恒定，各轴转速跟随前级轴，同时张力补偿输入调节转速，达到恒张力拉拔和收线。
五、M-Trim 硬件性能介绍
M-Trim 它的外形包装在 1/2DIN 大小，可以方便安装在配电柜面板上。M-TRIM 是一种通用的运动控制器，运动控制器计算扫描周期足够的小可以响应速度快速变化。软件设计了双独立控制单独电机功能，或者复杂多电机驱动系统。M-Driver 的有多种先进功能，通过各转动轴上的光电编码器精确测速给定，可以在任何情况四个设定值快速切换，多种速度控制方式转换，精确提供几乎各种交流、直流、伺服的信号，可以将数字精确速度控制添加到几乎任何旧的或新的驱动器中。M-Trim 包含许多先进功能模式，它也是设计简单、易应用，硬件通过安装各塔轮主轴光电编码器产生各速度信号，作为给定和反馈。安装重力摆杆通过张力变化产生位移，位移信号通过传感器将产生0 ～ 10VDC 输入控制器。控制器产生4 ～ 20mA 信号控制电机转速。
六、速度调节控制设计
各级转轴采用速度补偿控制模式，这种控制需要跟随前级主轴光电编码器转速主控制方式，同时补偿方式提供第二种外部参考张力（0 ～ 10VDC）作为过程变量，补偿速度误差达到张力稳定。补偿模式电机速度控制由四个变量源组成；速度设定、外部参考频率、附加参考张力、和用户特殊补偿。一个简单地网络过程控制就构成了，这个应用包含张力控制器控制的闭环。
七、结束语
1）通过电气改造后速度控制精度高，故障率降低，比原张力架摆杆摆幅明显小，速度对张力变化的响应快，拉拔塔轮和收线张力恒定；2）实际生产中金属丝表面光洁度、尺寸控制都有提高、单位拉丝模耗降低。能满足拉丝机张力调节过程对实时性和高速性的要求；3）M-TRIM 适用于需要最高精度的闭环速度调节应用，同时设计简化、调试安装快，成本低，便于维修。
参考文献：
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