一、概述
鋼簾線主要用于汽車輪胎生產(chǎn)，隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，鋼簾線市場前景被看好。02年至今，江蘇、山東、遼寧以及湖北等地一直在興建和擴(kuò)建鋼簾線生產(chǎn)基地。通過對前期引進(jìn)設(shè)備的消化和吸收以及國內(nèi)機(jī)電技術(shù)水平的提升，目前鋼簾線的生產(chǎn)設(shè)備如直線式拉絲機(jī)、中絲熱處理設(shè)備、水箱拉絲機(jī)、合股成繩機(jī)以及外繞機(jī)都在逐漸國產(chǎn)化。為適應(yīng)日益激烈的市場競爭，提升設(shè)備性能，降低設(shè)備成本，尋求創(chuàng)新型解決方案就成為設(shè)備商和最終生產(chǎn)廠家的重要關(guān)注點。
二、工藝要求及控制系統(tǒng)組成
中絲熱處理是對半成品鋼絲通過熱處理正火,消除鋼絲在拉拔過程中產(chǎn)生的加工硬化，它是一種連續(xù)加工工藝，示意圖如下：
工藝要求：
1、 對于一定直徑（d）的半成品絲，牽引速度（V）要保持恒定，即d/V值恒定。
2、 牽引輪和收線輪之間的半成品絲的張力（F）要保持恒定。同時因為收線輪采用中心收卷方式，應(yīng)該進(jìn)行張力錐度控制。
廠家條件：
1、 為控制成本，廠家只提供時序邏輯控制信號，不提供如張力反饋、電機(jī)編碼器等信號。
2、 供應(yīng)商產(chǎn)品必須有在國內(nèi)拉絲機(jī)龍頭企業(yè)兩年以上成熟應(yīng)用經(jīng)驗并提供解決方案。
分析：
如果不考慮上述限制條件，上述工藝通過一個非常普通的中心收卷方案就可以解決。因為艾默生有專門針對此類工藝的TD3300張力控制專用變頻器，可是TD3300變頻器三種張力控制方式所要求的條件（張力反饋信號或張力開環(huán)閉環(huán)矢量轉(zhuǎn)矩模式）均不具備。為此，我們?yōu)閺S家提供了如下的解決方案，并得到了廠家認(rèn)可。
如上圖，根據(jù)驅(qū)動輪穩(wěn)速精度要求，選擇了EV1000變頻器。整個工藝的難點在于收線輪的張力控制。根據(jù)收卷輪運行頻率范圍（60Hz～5Hz）以及半成品絲的張力控制精度要求（±20%），決定采用TD3000變頻器直接進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，轉(zhuǎn)矩設(shè)定指令由PLC根據(jù)用戶的設(shè)定進(jìn)行一系列計算之后給出。而根據(jù)工藝要求的PLC點數(shù)以及程序容量與計算速度，決定選用艾默生新推出的EC20-BRA2012 PLC。
三、控制原理
1、半成品鋼絲收線速度控制
由于EV1000變頻器運行穩(wěn)速精度<±1%的額定同步轉(zhuǎn)速,完全滿足工藝對速度控制精度的要求，因此只需要根據(jù)線徑就可以計算出所需設(shè)定的變頻器頻率。
2、半成品鋼絲收卷張力控制
張力控制是通過變頻器與PLC配合來完成的，其控制思路如下：
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卷徑計算
由于有排線器裝置，排線器從一邊運行到另一邊時會產(chǎn)生一個換向信號，我們將此信號傳遞給PLC，一但PLC檢測到此信號，則認(rèn)為卷徑發(fā)生變化，具體計算關(guān)系如下式所示。
式中n表示收到第n個排線換向信號，Dn表示第n圈時的卷徑，D0表示空卷時的卷徑，d表示線徑，而k表示卷徑校正系數(shù)，一般由經(jīng)驗獲得，和線徑相關(guān)。上述公司經(jīng)過實際驗證，和實際情況比較吻合。
張力計算
處于成本考慮，我們沒有為PLC配置模擬輸入和輸出模塊，而是巧妙地借用了變頻器的模擬輸入輸出口以及PLC標(biāo)配的RS485通行串口來實現(xiàn)張力的設(shè)定。首先用戶將張力設(shè)定電位器連接到變頻器模擬輸入AI1，變頻器自身只是采集該模擬量值，但并不對該模擬量進(jìn)行任何處理，然后PLC利用內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)與變頻器通信，讀取模擬量輸入值，轉(zhuǎn)化為張力設(shè)定值。在此處需要注意的是根據(jù)變頻器串口通信協(xié)議，PLC讀入值0～2000代表變頻器AI1口電壓輸入值為-10V～+10V。
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根據(jù)工藝要求，隨著卷徑增加（滿卷與空卷之比可達(dá)4：1），收線張力必須按一定規(guī)律減小，否則會發(fā)生外層絲勒到里層中去，導(dǎo)致纏絲現(xiàn)象。PLC根據(jù)下面公式來進(jìn)行張力錐度公式進(jìn)行計算：
式中，F(xiàn)為實際設(shè)定張力，F(xiàn)0為電位器設(shè)定張力，D0為空卷卷徑，D為當(dāng)前卷徑，k為錐度校正系數(shù)。其趨勢圖如右邊所示。
設(shè)置了相應(yīng)的密碼（PLC可提供3 級用戶密碼權(quán)限）。保護(hù)用戶程序的私密性。
轉(zhuǎn)矩計算
基于上述卷徑與張力的處理，我們可知收卷處所需要的轉(zhuǎn)矩為
考慮到傳動比k，則需要電機(jī)出的轉(zhuǎn)矩為
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另外，根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩計算公式
可以計算出需要設(shè)定的轉(zhuǎn)矩百分比，通過通信直接寫入變頻器功能碼中就可以了。
四、運行調(diào)試
這種設(shè)備運行耗費大量的電能，而且調(diào)試會浪費昂貴的金屬線材，因此用戶一般不會給設(shè)備廠家提供較長的調(diào)試時間，這就需要我們在正式調(diào)試前做大量而仔細(xì)的工作，確保一次成功。
1、仔細(xì)檢查線路圖，確保強(qiáng)電與弱點接線正確，盡量遵循變頻器與PLC用戶手冊給定的走線方式。
2、因為EV1000和TD3000都具備電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)功能，特別是TD3000，因為運行在開環(huán)矢量轉(zhuǎn)矩方式，一定要進(jìn)行自學(xué)習(xí)。
3、在正式調(diào)試前，將PLC與變頻器通信程序調(diào)通，確保讀取與寫入?yún)?shù)正確。
4、驗證PLC的脈沖記數(shù)功能。
5、對PLC各計算子程序進(jìn)行驗證，確保計算無誤。
6、按照工藝要求，認(rèn)真分析各時序邏輯信號，做出正確的程序。
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經(jīng)過上述仔細(xì)準(zhǔn)備，調(diào)試起來非常順利。
五、系統(tǒng)優(yōu)點
在和用戶充分溝通、了解工藝要求與原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合艾默生公司工控產(chǎn)品的功能和特點，實現(xiàn)了極高性價比的中絲收線系統(tǒng)，這套系統(tǒng)具有如下的優(yōu)點：
1、系統(tǒng)電氣配置非常簡潔
一般帶張力控制的收放卷系統(tǒng)，不是設(shè)計成帶張力反饋的張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，這種情況下用戶需要張力反饋信號，會增加機(jī)械和電氣成本，就是讓矢量控制變頻器工作在轉(zhuǎn)矩模式，這種方式對變頻器性能要求比較高，而且必須加裝電機(jī)編碼器，也增加了設(shè)備成本，并且編碼器安裝也費工費時。通過對收線設(shè)備的技術(shù)要求進(jìn)行分析，確認(rèn)TD3000變頻器開環(huán)矢量轉(zhuǎn)矩模式的轉(zhuǎn)矩控制精度完全可以滿足設(shè)備要求。當(dāng)然這和TD3000先進(jìn)的矢量控制算法是分不開的。
此外，EC20 系列PLC的標(biāo)準(zhǔn)配置非常豐富，它標(biāo)準(zhǔn)配置了兩個通信口，其中之一就是RS485接口。因此在無需增加額外成本的情況下可以和變頻器建立高效的通信。由于標(biāo)配的通信功能，為系統(tǒng)節(jié)省了一個模擬輸入模塊和一個模擬輸出模塊。
2、系統(tǒng)調(diào)試簡單易行
在小型電氣控制系統(tǒng)中，設(shè)備間通信的調(diào)試都是一個難點和重點。但艾默生EC20-PLC自動集成了艾默生變頻器通信協(xié)議，因此通信非常簡單，只需一條指令就可解決問題。以設(shè)定變頻器運行頻率為例，步驟如下：首先在工程管理器中的通信設(shè)備連接項的變頻器連接表中設(shè)定變頻器地址，型號，廠家，協(xié)議。然后直接利用如下指令即可：
—[ FRQ 2 D0 M0 D2 ]
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其中，2表示對當(dāng)前地址為2的變頻器進(jìn)行通信，D0存放要設(shè)置的頻率，M0和D2都是反映指令執(zhí)行的餓狀態(tài)。
3、系統(tǒng)的可靠性很高
艾默生變頻器很早就進(jìn)入鋼簾線行業(yè)，并針對鋼簾線行業(yè)變頻器使用環(huán)境進(jìn)行了專門的改進(jìn)，有著很好的環(huán)境適應(yīng)性。
一般鋼簾線工廠都有自建的電廠，和標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)質(zhì)量相比，電廠發(fā)電質(zhì)量不好，因此我們在變頻器輸入端設(shè)計了特殊的處理電路，能夠有效容忍電網(wǎng)質(zhì)量一定程度的下降。此外，變頻器適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動范圍大，如TD3000電網(wǎng)電壓波動范圍在額定輸入電壓的±20%。
針對鋼簾線多粉塵的潮濕環(huán)境，艾默生工控產(chǎn)品（變頻器與PLC）的所有單板及器件引腳都進(jìn)行三防漆的處理，而且采用獨立的散熱風(fēng)道，更有效地降低金屬粉塵的影響。
六、結(jié)束語
高性價比系統(tǒng)的設(shè)計必須建立在對生產(chǎn)工藝流程的了解之上，必須建立在對變頻器和PLC性能與功能特點的熟悉之上，兩者的緊密結(jié)合，才能為客戶提供極具競爭力的解決方案。
TD3000變頻器先進(jìn)的算法，較好的開環(huán)矢量轉(zhuǎn)矩控制精度是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。
艾默生推出的EC20 PLC經(jīng)受住各種環(huán)境的考驗，充分驗證了艾默生工控產(chǎn)品高度的可靠性。