药芯焊丝成型生产线及其电气控制系统的研究与设计

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1　药芯焊丝成型生产线的总体构成及其工艺特点

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1.1　药芯焊丝成型生产线的组成
　　药芯焊丝成型(轧丝)生产线主要包括：放线机、钢带预处理、送粉伺服系统、轧制系统、电气控制系统、收线机等六部分，如图1所示。

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' X" O) f$ ^7 k 图1　药芯焊丝生产线总体构成 ; }4 E: K+ Q2 h, w+ {& p 　　药芯焊丝成型生产线上所采用的焊丝成型机大体可分为被动式轧机、集中传动式轧机和分体传动式轧机。80年代后期，国外药芯焊丝轧丝机一般都采用分体传动式结构。分体传动型轧丝机的各个主动辊分别使用独立的动力和传动系统，同其他两种传动方式比较，具有不可比拟的优点。它可以根据不同焊丝产品所使用的钢带宽度及厚度、填充率、减径比，精确设置各轧辊的转速比，当轧辊发生不均匀摩损或其他扰动时，系统可以通过修正和补偿各轧辊的转速和加粉量来保证设备的正常运行和产品的质量。各轧辊的转速和它们之间转速的相互协调，生产线各部分之间的程序控制，都是通过计算机控制下的电气系统来管理的。考虑到生产线的可靠性及易维护性，各机架的电气传动部分均采用2.2kW交流异步电动机变频调速系统。应用PLC来完成生产线的各种控制逻辑。为了完成药芯焊丝的各种配方工艺参数的选择和对整条线各个量的实时监控，配备了上位机监控系统。为保证在收线过程中焊丝上的张力恒定，收线机选用交流力矩电机。送粉伺服系统调节性能的好坏直接关系到焊丝的质量，为此，采用了美国KOLLMORGEN的速度伺服系统来控制送粉器电机的速度。

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1.2　药芯焊丝生产工艺特点 　　(1)无张力传感器 　　对于药芯焊丝生产线来说，在轧制初期是钢带的U形化和加入药粉成型的过程。然后经过多个轧辊的轧制，最后形成直径约为3mm的焊丝。在这个过程中，焊丝内的药粉基本处于松散状态，在工艺上不允许焊丝产生横向的形变，并且每米焊丝一般只允许约1mm的张力拉伸，多采用微张力的连轧机。而对于一般的张力控制系统，常采用加装活套装置来调节各机架间张力平衡的方法。但是，由于上述焊丝生产工艺的限制，这种药芯焊丝连轧机不允许加装活套装置，并且在各机架间无法安装微张力检测装置。 　　(2)各轧辊之间的速度协调 　　在轧制过程中，为了保证金属秒流量的恒定，必须使相邻轧辊之间的速度保持一定的比例关系。由于钢带的厚度、药粉的填充和轧辊的影响，在轧制过程中不可避免地会产生力矩的波动而导致轧制速比的失调，因为药芯焊丝轧丝机属于微张力轧制，焊丝允许的张力极限很小，所以这种失调必须在几百毫秒内完成，以防拥丝或断丝故障的发生。 　　(3)收线机控制 　　在收线时，要保证焊丝张力恒定，在生产线稳定运行中，焊丝的缠绕速度是一定的。随着焊丝缠绕半径的增大，电机速度会相应降低而力矩却相应增大，这两个量之间成反比关系。当系统加、减速及启、停车阶段，这条曲线要平行地上下移动，通过自行开发的力矩控制器来实现收线机的恒张力控制。 　　(4)送粉器的控制 　　为了使药芯焊丝达到填充率每米误差在1%以内的质量指标，对送粉器的控制是至关重要的。在系统运行过程中，送粉量应该与钢带的厚度及钢带的速度成正比，即 　　Q送粉量＝f（n）＝k．Γ．v 式中　Q送粉量——钢带上应得到的药粉量 　　　k——送粉比例系数 　　　Γ——钢带厚度 　　　v——钢带速度 　　　n——送粉电机速度 　　送粉量是由送粉电机的速度控制的，但是由于药粉的飞扬和粘挂使电机的速度与实际送粉量之间是一种非线性关系——f（n），这种非线性曲线要通过进行现场实测得到。由于国产钢带质量的原因，钢带厚度在一定范围内存在一种缓慢的波动，可通过自行研制的带有RS485通讯功能的测厚装置实时检测。在轧制过程中，钢带速度存在的波动，也要通过光电码盘来检测。这两个量要实时地反映在送粉电机的速度中。药芯焊丝质量的检测标准是每米焊丝的药粉填充率波动在1%以内，钢带在正常生产中的入口速度为100m/min，这就要求送粉机在几十毫秒内完成对钢带速度及厚度的调节。

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2　生产线控制方案的选择 0 K2 R5 I' w2 t6 A- L+ {8 N2 s% J 2.1　传动系统 　　在总体方案上，生产线采用分体传动方式，而各个轧辊的传动则采用了变频器带交流异步电机的方式。为了达到控制目标，变频器应能调整电机的机械特性，具有电机转矩输出或计算转矩输出、电机限载特性(挖土机特性)可调等功能。根据工艺要求调速范围应达到D＞50。 2.2　生产线控制方案 　　在方案选择上，我们考虑了用工控机加装各种I／O板卡及A／D采集卡组成控制系统。但这种方案在可靠性和实时性方面有一定的欠缺，而且有较大的编程工作量。为此，采用了如下方案：上位机通过三个独立的串行通讯口分别与测厚装置、送粉伺服系统及PLC相连。上位机完成各种算法的计算，然后通过串行口与PLC通讯，对各轧辊所对应的变频器进行速度设定，同时通过串行口对送粉伺服系统进行钢带厚度系数设定。由于钢带速度变化较快，所以光电码盘的速度输出不经过上位机而直接进入送粉伺服系统，由该系统编程对送粉器速度进行调整。上位机再通过RS485通讯从送粉伺服系统中读出进行其他计算。生产线控制系统的构成如图2所示。

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图2　生产线控制系统的构成

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3　控制系统各部分的开发及软件编制

3.1　送粉伺服系统
　　为了实现送粉器前述的各项功能，我们选用了美国KELLMOGEN公司的BDS5系列的送粉伺服系统。该系统内部有2000个点的存储空间和编程功能，并且还具有一个与上位机通讯的RS232/485端口和一个脉冲量的输入端口。线速度可通过光电码盘检测，其响应时间在1ms之内，并通过上位机设定钢带厚度系数。考虑到光电码盘的速度输入及上位机经过RS485的通讯设定钢带厚度的时间，可以保证调节时间在几十毫秒之内，从而满足填充率在1米内的误差小于1%的要求。
3.2　PLC程序的编制
　　控制系统的各种控制逻辑由一台主PLC和两台子PLC完成。主PLC共享子PLC的输入、输出点。主PLC带有一块8通道的D/A扩充卡，对8台轧制电机进行速度设定。
　　这条生产线共用8台变频器控制8个机架上的电机，每个机架上均有单独的控制面板，根据工艺要求设置急停、左连点动、右连点动等按钮，并且设有一个主控制台进行整条线的启、停车及加、减速的控制。如果按照通常的PLC编程思想对每个变频器的启停进行单独控制，那么编制的程序十分庞大，使PLC的扫描周期变长，不利于实时控制。因此笔者充分利用了MODICON PLC的表传送的功能，将各个按钮的输入经过必要互锁后的逻辑输出所对应各台变频器的启停状态编制成开关状态表，并设置一个最终的输出寄存器，在各种逻辑判断之后，通过表传送功能将其所对应的表传送给最终输出寄存器进行输出。
3.3　上位机监控软件的编制
　　上位机在整个系统中起到了统一调度的作用。在本套系统中，我们使用了通用的工控软件Intouch，进行了系统监控画面的编辑制作，对各个关键的数据点进行了实时显示及控制。其中共涉及十几个窗口，包括40几个静态及动态画面。上位机要完成以下两项功能：
　　(1)在启停过程中，通过与PLC通讯按特定曲线将速度值传递给PLC，然后由PLC通过8通道的D/A转换卡对变频器进行设定。
　　(2)上位机与测厚装置进行通讯得到钢带厚度值，并对送粉伺服系统进行设定。
　　要实现这两项功能，需要Intouch监控软件经过串行通讯口与PLC、送粉伺服系统及测厚装置进行通讯,Intouch软件不直接与串行口通讯，而是通过编写DDE SERVER程序来完成上述任务。首先由DDE SERVER程序读取串行口数据，然后Intouch通过Windows操作系统的DDE功能与DDE SERVER程序进行动态数据交换。对于专用设备送粉伺服系统和测厚装置的DDE SERVER程序要自行编写。我们采用了Borland公司的Delphi软件进行了DDE SEVER程序的编制。
3.4　速度控制系统控制框图
　　系统的控制框图如图3所示，为简单起见，只画出了相邻两台电机之间的控制框图。
由图3可以看出，速度协调控制器在电机速度的协调上起到关键作用。在速度发生波动时，第K台电机的速度要发生改变，这要通过来自K－1台电机速度协调控制器的输出和本台电机速度设定之间进行调节，通过非线性PI调节器来实现。计算转矩M_Ｌ′来自变频器的转矩输出口。G是由于电机速度失调与所引起的转矩扰动之间的传递函数。最大转矩的设定是为了保证在调节过程中电机以最大转矩调节而不至于过载。考虑到快速性与实时性的原因，我们采用了硬件来实现速度协调控制器的全部功能。

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图3　相邻两台电机的控制框图

4　生产线运行状况及结论

　　这条药芯焊丝成型生产线选择了上位机加PLC及其他必要设备的系统方案，使性能/价格比达到了最优配置；在速度协调上采用了硬件调节器，解决了速度协调和张力快速调节的问题，在送粉环节上也提出了自己的方案。这些对于类似系统的开发具有借鉴意义。本生产线自开发成功以来，运行平稳，生产的药芯焊丝的各项性能指标均达到或超过国外同类产品，其总体的开发及设备费用远远低于国外相同规模的生产线，填补了我国药芯焊丝生产领域的一项空白。