直进式拉丝机电气传动控制系统设计.pdf

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1、绪论 第 1 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 直进式拉丝机设备现在广泛应用于各个金属制品细分行业如：钢帘线行业、胎圈钢丝、胶管钢丝行业、钢绞线行业、钢丝绳行业及焊材行业等等，本章主要介绍有关直进式拉丝机设备研发的国内外现状和发展趋势，最后介绍本论文的工作。11 课题的背景 11 课题的背景 从钢厂生产出的产品根据形状主要分为线材、型材、板材等品种，线材产品又根据不同的合金材质分为不同的线材品种，对于线材产品的深加工就形成了金属制品行业。在金属制品行业中，对于从钢厂购买的线材主要称为盘条，各种不同规格的盘条适用于金属制品行业下的各个子行业1。中国从 2000 年以来

2、的十年是金属制品行业迅猛发展的十年：汽车产业的发展带动对子午线轮胎的巨大需求，从而带动应用于子午线轮胎的钢帘线行业的迅猛发展，现在钢帘线行业的产能已接近于 100 万吨每年。铁路与桥梁的大规模修建带动钢绞线行业的跨越式发展，钢绞线设备制造已经完全国产化。房地产和市政工程建设带动了钢丝绳与焊材的需求从而带动相关设备制造的发展，等等。在这些金属制品行业中，直进式拉丝机广范应用于其前道工艺过程中，主要是对粗口径的盘条经过直进式拉丝机多道次的拉拔后生成后道工艺处理需要的细口径的金属丝。根据盘条的进线线径大小的区别主要分为直进式粗拉和直进式中拉，对于中拉之后的金属丝的进一步的拉拔一般不再用直进式拉丝机工

3、艺，而用水箱式拉丝机工艺。在国内初期金属制品行业的发展中，对于盘条的拉拔主要是应用滑轮式拉丝机及活套式拉丝机，这种拉丝机拉拔的速度慢，拉拔道次少，主要是拉拔一次，收卷一次，再拉拔一次，再收卷一次，以此循环。这种拉拔设备，速度慢，钢丝变形大，效率非常低下。后来在九十年代初期国内的一些企业上钢帘线生产线如襄樊钢丝厂，从国外引进了直进式拉丝机，那时候是用直流调速设备驱动。这种直进式拉丝设备拉拔速度快，多道次连续拉拔，各个道次速度张力协调工作，保证了高速高质高效率。后来随着交流传动技术的成熟和广泛的应用，直进式拉丝机过度到了交流电气传动控制系统2。绪论 第 2 页 上海交通大学工程硕士学位论文 随着这

4、些年金属制品行业突飞猛进的发展，各个金属制品细分行业对直进式拉丝机有着巨大的需求，市场增长非常快。在引进国外的直进式拉丝机设备后，国内的金属制品设备企业对其进行了艰苦的国产化过程，经过十多年的技术发展，对直进式拉丝机的机械和电控已经完全消化，现在国产的直进式拉丝机完全达到了进口的各项工艺数据，完全实现了进口替代，现在在这个行业中，已经很少再进口国外的直进式拉丝机设备。同时，也出现了大量专注于直进式拉丝机的企业如无锡常欣、杭州汉邦等，也出现了对金属制品行业前后道设备都具备制作能力的企业如贵州贵阳南海机电、江苏泰兴金泰隆、江苏江阴南菁等。12 直进式拉丝机介绍 12 直进式拉丝机介绍 图 1-1：

5、直进式拉丝机实例图 Fig.1-1:photo of direct forward drawing machine 直进式拉丝机应用于金属制品行业中前道工艺里对粗口径的钢丝（直径大于 3mm）进行直接多道次的拉拔处理成细口径的钢丝（直径小于 3mm）的拉绪论 第 3 页 上海交通大学工程硕士学位论文 拔设备。如图 1 展示了一个完整的直进式拉丝机现场图片。首先盘条从放线设备一圈一圈的顺序绕出然后进入主要拉拔设备,拉拔设备主要是拉丝模具和卷筒构成，盘条穿过第一道拉丝模具然后再缠绕在第一道卷筒上，经过第一道卷筒拉拔钢丝穿过第一道拉丝模具后较粗的钢丝的直径就变成了与拉丝模具孔径直径一样的钢丝，然后穿

6、过第二道拉丝模具后在缠绕在第二道卷筒上，第二道拉丝模具的孔径直径比第一道孔径直径小，金属丝经过第二道卷筒后从第二道拉丝模具出来的丝又会变细成与第二道拉丝模孔径直径一样的金属丝，这样连续不断的经过多道次的拉拔，粗口径的盘条就会变成细口径的金属丝了。然后最后一道的成品钢丝经过排线设备后进入工字轮收线设备。工字轮根据设备事先设定好的记米长度记米到成品钢丝达到设定的长度后整个设备就减速停车，这时一个满卷的工字轮就收满拉好的成品金属丝，待换好空的工字轮在收线设备上后又可重新起动直进式拉丝机开始新的工作任务。这就是直进式拉丝机的工作全过程3。根据进线和出线金属丝的线径不同又可以分为直进式粗拉机和直进式中拉

7、机，粗拉主要是将特粗丝（直径大于 8mm）或粗丝（直径大于 6mm）经过多道次拉拔拉成中丝（直径大于 3mm），中拉主要是将中丝经过多道次拉拔拉成细丝（直径小于 1.5mm）4。粗拉和中拉设备工艺原理基本一样，电气控制系统的算法原理也基本一样。经过直进式粗拉和直进式中拉的多道次拉拔后，如果还需要更进一步拉拔成更细的钢丝，需要用到别的拉丝设备，如水箱拉丝机等，种类很多，不在这里细述。13 直进式拉丝机设备的国外现状和发展趋势 13 直进式拉丝机设备的国外现状和发展趋势 由于技术的保密性和机械设备的易仿制性，发达国家的一些超大型的金属制品跨国公司都是自己做设备自己用设备，一般不外流。现在全球大的金

8、属制品企业如比利时的贝卡尔特企业，该企业现在是全球最大的金属制品生产企业，同时所有的设备都是自己研发生产，类似的还有意大利倍耐力公司、法国米其林公司、韩国晓星金属公司、日本东京制钢公司等。金属制品的技术也主要分为比利时贝卡技术、意大利 GCR 技术和意大利贝耐力技术等三大技术规范。意大利 GCR 公司是专门研发和生产金属制品设备的厂家，以前国内的设备进绪论 第 4 页 上海交通大学工程硕士学位论文 口基本都是从这家公司进口的，然后国内的金属制品设备厂家根据其技术仿制的，后来又从贝卡尔特分流出许多技术让国内的设备厂家掌握，使得现在国内的金属制品行业设备的制造基本都能实现国产化，接近国际上同类型产

9、品的技术水平5。对于直进式拉丝机而言，国外的技术已经发展的相当的成熟，金属丝成品速度高、张力控制稳、钢丝变形小、断丝率低、设备故障率低等。人机界面也做的非常的细致，方便现场的工人操作，易学易使。当运行中断丝后的再丝也非常的方便，同时，对于断丝时钢丝甩丝的危险也从机械和电气上做了很多防护性的处理。由于现在金属制品企业新上的产能一般都会规划的非常的大，前道工艺中直进式拉丝机的数量会达到两位数以上，然后都是单台设备自己工作，相互之间没有任何信息交换，伴随着现场以太网技术的发展，设备之间联网成位发展趋势，通过联网，我们可以通过中控室就能了解到各机的产能、状态、数据等信息，提高生产效率、减小人工成本等。

10、同时，直进式拉丝机为了稳定和监控张力，在每个道次卷筒之间都加有张力臂。由于变频调速技术和现场总线通讯技术的发展，现在正在研发通过实时监控变频器控制卷筒电机的电流来实时监控钢丝转矩，然后再修正拉拔速度，从而省掉各个道次的张力臂，节省成本同时也减少故障源，是直进式拉丝机的发展技术之一，但现在依然不成熟。14 本论文的工作 14 本论文的工作 直进式拉丝机是一种控制精度高、多机构高速精密协调工作的机电一体化设备，控制算法原理比较复杂，调试精度要求较高，涉及到 PLC、现场总线通讯、交流传动等现代工业自动化中先进的技术应用。在做论文的前几年，作者到了许多金属制品设备应用现场对直进式拉丝机设备做了大量的

11、学习，同时与许多设备厂家的工程师做了详细的沟通交流，较为完整系统的掌握了该设备的工艺原理和电气核心控制算法。本文详细地描述了直进式拉丝机的机械构造，各个机械部位的工作原理和相关工艺；详细研究了直进式拉丝机的基本物理公式、张力臂 PID 控制原理、各道次速度给定算法原理、速度修正算法原理和工字轮收线速度修正原理；设绪论 第 5 页 上海交通大学工程硕士学位论文 计了应用于直进式拉丝机的各个部位的电气元件如 PLC、变频器、触摸屏等的选型配置；设计了相应的 PLC 控制程序如 PID 修正程序、速度给定计算程序以及现场人机界面（触摸屏）；最后给出了现场所测定的各种相关的数据、曲线以及对于该曲线数据

12、的分析。在现场调试过程中，作者得到了大量的调试经验值和相关工艺参数，对于直进式拉丝机的拉拔工艺有了更为深入的了解。同时这几年通过对现场各个厂家所做的直进式拉丝设备运行的状态的观察、性能参数的测试、控制程序的阅读、工艺细节的求证等，较为仔细地比较了相关控制算法和经验值，消化了相关的技术，同时用 ABB 的 产品设计并现场应用了完整的直进式拉丝机电控系统。对于以后的工作，根据现代控制技术和核心电气元件的发展，本文提出了以后直进式拉丝机的发展趋势，主要是随着金属制品行业规模的发展和效率的提升，金属制品厂家会提出更高的要求，如无张力传感器直进式拉丝机、直进式拉丝机的联网网络化、直进式拉丝机的更高成品线

13、速度等。对于这些发展趋势，各个直进式拉丝机设备厂家都在研发实践，但各自的技术都不成熟，并没有形成现场应用的实际案例。直进式拉丝机的工作原理 第 6 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章：直进式拉丝机的工作原理 第二章：直进式拉丝机的工作原理 直进式拉丝机是现代先进的机电一体化设备，机械构造复杂，各机械部件协调联动精度高，控制算法先进，也要求现场最优的调试经验值来使设备运行在最佳工艺状态。本章详细介绍了直进式拉丝机的机械构造、用于工艺控制的物理公式、以后章节要用到的最基本的 PID 控制原理以及衡量工艺性能的最基本的技术指标。21 直进式拉丝机的机械构造 21 直进式拉丝机的机械构造 以 L

14、Z8/560 直进式中拉为例，“8”代表拉丝机配备有拉拔金属盘条用的八个卷筒，“560”代表卷筒的直径（单位：mm）。直进式拉丝机主要由前端放线设备，拉丝模具、张力臂以及八个卷筒共同组成的拉拔设备，排线设备和收线设备等四部分组成。拉丝模具指各种拉制金属线的模具，张力臂用以调节张力平衡。金属丝经过放线设备进入第一道拉丝模，穿过第一道拉丝模具后缠绕在第一道卷筒上，经过第一道卷筒的拉拔后金属丝的直径变细成与拉丝模具孔径一样大小。然后金属丝经过张力臂，经由张力臂调节与保持张力恒定，之后再进入第二道拉丝模，再缠绕在第二道拉拔卷筒。以此类推，金属丝每经过一级拉丝模具，其直径就变细成同道次拉丝模具孔径大小的

15、金属丝。经过八道次拉拔缠绕在第八道卷筒后金属丝就变细成所设定的成品金属丝了。然后成品金属丝进入排线设备和收线设备，排线有等速排线和等间距排线两种方式，收线主要是恒张力收线。最后，经过多道次拉拔后的成品金属丝进入工字轮收线设备卷绕在工字轮伤后就完成了设备整个工艺工作流程。需要注意的是，八道拉拔中要用到八事先设计好孔径的拉丝模具，但只用到七个平衡拉拔张力的张力臂，第八道拉拔后就直接进入排线设备和收线设备，在收线设备前端也会安装平衡收线张力的张力臂保证恒张力收线的实现5。直进式拉丝机的工艺流程图如下图 21 所示：直进式拉丝机的工作原理 第 7 页 上海交通大学工程硕士学位论文 放线设备放线设备卷筒

16、卷筒1拉丝模拉丝模FI张力臂张力臂1拉丝模拉丝模卷筒卷筒2FI张力臂张力臂2拉丝模拉丝模卷筒卷筒7FI张力臂张力臂7拉丝模拉丝模卷筒卷筒8收线设备收线设备卷筒卷筒3到卷筒到卷筒5排线设备图 2-1:直进式拉丝机工艺流程图 Fig.2-1:working flow figure of direct forward drawing machine 放线设备主要分为主动式放线和自由式放线两种方式：主动式放线由变频器控制放线电机的转速来控制放线的速度，自由式放线主要是由前道 1 号卷筒拉拔力带动放线设备上的金属丝自由的从放线设备进入拉拔设备。拉丝模具的主要工艺参数是孔径，经过每一道拉丝模具的压缩拉伸，

17、较粗金属丝就变成等值于拉丝模具孔径的金属丝。金属丝缠绕在卷筒上由电机带动卷筒出力将穿过拉丝模具的金属丝拉出。张力臂压在两个卷筒之间的金属丝上，保证金属丝张力的稳定，张力臂的上下摆动通过安装的位置传感器的位置信号来反映，控制的目的就是让张力臂在中间位置上下波动且波动幅度越小越好。排线设备负责将拉拔好的金属丝等间距或者等速地的排在收线工字轮上，电气构成主要包括排线电机和排线控制变频器。收线设备负责将拉拔好的金属丝均匀地收卷在各种规格的工字轮上，主要是恒转矩收线，电气构成主要包括收线电机和收线控制变频器，也可直接用力矩电机控制。22 直进式拉丝机的物理公式与 PID 控制原理 22 直进式拉丝机的物

18、理公式与 PID 控制原理 221 直进式拉丝机的物理公式 221 直进式拉丝机的物理公式 金属丝经过拉丝模具的压缩拉伸后其直径就变成与拉丝模具孔径一样大小，依据被拉金属变形前后体积不变定律，我们可以得出如下公式（2-1）4 直进式拉丝机的工作原理 第 8 页 上海交通大学工程硕士学位论文 2211kkkkDVDV=(2-1)其中，Vk是第 K 道卷筒后的线速度,Dk 是第 K 道卷筒的出线直径。根据上面所示公式，我们可以知道各个道次的线速度、线径之间的关系。直进式拉丝机最核心的速度控制算法就是基于上述公式而来，该公式是直进式拉丝机各道次速度计算的核心公式。根据设备第 K 道卷筒前后进线钢丝和

19、出线钢丝线径的大小之比，我们可以得出第 K 道次的压缩率公式（2-2）第 K 道压缩率 212k1=kkDD压缩率(2-2)根据直进式拉丝机第 1 道进线钢丝线径和经过 K 道拉拔最后的成品钢丝线径，我们可以得出总体压缩率如下：总体压缩率 221进总体压缩率DDk=(2-3)以上公式是拉拔行业的基本计算公式，各个道次的压缩率是由各道次所选拉丝模具决定的，总压缩率是拉丝机的一个重要指标。222 PID 控制原理 222 PID 控制原理 PID 控制是控制理论中非常经典的一种控制方式，广泛的应用于工业自动控制的各个领域，其典型控制原理如下图所示6：-sp(t)pv(t)e(t)PID调节器执行机

20、构被控对象测量元件M(t)c(t)图 2-2：PID 控制原理图 Fig.2-2:PID control theory figure 直进式拉丝机的工作原理 第 9 页 上海交通大学工程硕士学位论文 上图中 sp(t)是给定值，pv(t)是测量反馈值，e(t)=sp(t)-pv(t)是偏差值，M（t）是 PID 调节器输出值，c(t)是实际运行值。PID 控制算法如下公式所示 )1()()()()(+=tetetetetkkkPdiPout(24)上式中 Pout(t)是 PID 输出，Kp、Ki、Kd 分别称为比例常数、时间常数和微分常数。项表示对 e(t)从 1 到 t 的全部总和。通过对

21、偏差的控制，PID 调节器通过调节输出控制执行机构不断的消除偏差以使反馈值等于给定值。三个基本参数 Kp、Ki、Kd 在实际控制中的作用：比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例会使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。如果有误差，积分调节就起作用，如果无误差，积分调节就输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti，Ti 越小，积分作用越强，反之越大积分作用越弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节结合

22、，组成 PI 调节器或者 PID 调节器。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预知偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没形成之前，已被微分调节作用消除。因此可以改善系统的动态性能。在微分时间常数选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对于噪声干扰有放大作用，因此过强地加入微分调节对系统抗噪声不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。所以微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节相结合，组成 PD 或 PID 控制器7。对于这三个 PID 关键的基本参数，不同的控制对象需要选择不同的数值，还需要经过现场调试才能获得好的

23、工艺效果。对应于所选的 PLC，都会有相应做好的 PID 功能块供用户使用，由于 PLC直进式拉丝机的工作原理 第 10 页 上海交通大学工程硕士学位论文 是数字处理方式，所以对于传统的模拟 PID 的计算各种 PLC 功能块都是要进行数模与模数的转化，先把模拟量结束 PLC 的模拟输入口，由模拟输入模块将模拟信号转化为数字信号，然后 PLC 的 PID 功能块再做 PID 运算，得出的结果或直接控制能接受数字量的执行机构或转化为模拟量后再控制执行机构。PLC 厂家做的 PID 功能块的功能都相当的齐全，用户只管按照模拟 PID 的用法应用就可以了。23 直进式拉丝机的技术指标 23 直进式拉

24、丝机的技术指标 直进式拉丝机可以拉拔不同材质不同规格的金属盘条，系列多，规格全，各个直进式拉丝机设备厂家对各自做的直进式拉丝机的技术细节描述也会各不相同，但对于各直进式拉丝机描述的基本的技术指标却基本一样，用户在进行初步的设备选型时都会考虑这些技术指标，根据这些技术指标来要求设备厂家进行设备的设计。下面就对主要的技术指标做一些介绍2。拉拔道次：指进线金属盘条经过多少道次的拉拔，简而言之即是拉拔卷筒的多少。卷筒直径：指拉拔卷筒的直径。单位是 mm,毫米。材料抗拉强度：指对金属丝的最大拉拔强度，也即拉拔材料的抗拉强度，如果材料抗拉强度低于直进式拉丝机的拉拔强度则容易断丝。单位是 MPa。进线直径：

25、指该直进式拉丝机的进线金属丝处理线径范围。如：14.09.0mm。出线直径：指该直进式拉丝机的成品金属丝直径范围。如 3.51.2mm。总压缩率：指该直进式拉丝机的处理能力，如 80%。见前面公式。平均部分压缩率：指各个道次的平均压缩率。拉拔速度：指最后一个卷筒拉拔后的成品金属丝的线速度，单位是 m/s，米/秒。电机功率：指拉拔卷筒的电机功率，设计时各道次电机的输出功率基本一样。直进式拉丝机的工作原理 第 11 页 上海交通大学工程硕士学位论文 24 本章小节 24 本章小节 本章描述了直进式拉丝机的机械构造、工艺原理和工作方式，简单介绍了直进式拉丝机的基本物理公式和最基本的 PID 控制原理

26、，给出并分析了直进式拉丝机的一般技术指标。系统硬件设计 第 12 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章：直进式拉丝机电气传动控制系统硬件设计 第三章：直进式拉丝机电气传动控制系统硬件设计 直进式拉丝机是一个整体的系统设备，在最初的设计中就要计算出各个道次的压缩率、传动比、功率、卷径、出线速度、最大进线线径、最小出线线径、道次等工艺数据，然后根据系统的定型设计再配置相应的机械和电气配置。本章主要以某种型号的直进式拉丝机实例来做系统的电气设计和元器件选型配置。31 直进式拉丝机的整体系统设计 31 直进式拉丝机的整体系统设计 我们以 LZ8/560 直进式拉丝机为对象来对整个控制系统进行设计。

27、放线设备选择自由放线，由第一号卷筒的拉力带动盘条从放线设备中自由的出线。拉拔设备我们选择 8 个卷筒，经过 8 道拉拔，卷筒的直径为 560mm，最大进线直径为 6.5mm，最小出线直径为 1.4mm,计算出的卷筒的拉拔输出为 37kw 到 45kw之间，成品线速度（即经过第八道卷筒拉拔后的出线线速度）为 18m/s，排线设备我们选择等间距排线，也就是排线电机由变频器控制，其排线速度的快慢由收线卷筒的转速决定，收线卷筒转速快，则排线速度快，收线卷筒速度慢，则排险速度慢，这样就保证了在收线工字轮上成品金属丝从里到外都是相同的间距排列。收线设备选择工字轮恒张力收线，在收线设备与第 8 道卷筒之前加

28、装有张力臂稳定成品金属丝的张力，收线电机由变频器控制做速度控制，同时叠加上张力 PID 的输出作为速度的修正。通过以上的设计，机械构造部分就基本完成。针对直进式拉丝机电气传动控制系统，需要对控制系统的核心元件进行选型配置，如 PLC、变频器、触摸屏、现场总线等，下图就是所设计的直进式拉丝机的控制系统的总体架构。系统硬件设计 第 13 页 上海交通大学工程硕士学位论文 AC500PLCCP430B触摸屏触摸屏1号卷筒号卷筒ACS550变频器变频器2号卷筒号卷筒ACS550变频器变频器7号卷筒号卷筒ACS550变频器变频器6号卷筒号卷筒ACS550变频器变频器5号卷筒号卷筒ACS550变频器变频器

29、4号卷筒号卷筒ACS550变频器变频器3号卷筒号卷筒ACS550变频器变频器8号卷筒号卷筒ACS550变频器排线变频器排线ACS550变频器收线变频器收线ACS550变频器变频器PROFIBUS-DP总线总线 图 31：直进式拉丝机电气传动控制系统 Fig.3-1:electrical control system of direct forward drawing machine 32 PLC 的选型与 I/O 配置 32 PLC 的选型与 I/O 配置 PLC（Programmble Logic Controller）可编程逻辑控制器是现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、电机系统）之

30、一，已经被广泛应用与各种生产机械和生产过程的自动控制中。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的工业控制装置。在以前的工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。PLC 出现后，由于其具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能，相对于继电器控制的巨大优势，就逐步的取代了传统的继电器控制系统。随着微电子集成电路技术、通讯技术、存储技术等现代技术的迅猛发展，PLC 也突破了原有的仅仅替代继电器控制系统的应用发展成为工业自动化领域核心的控制系统，尤其对于机电一体化设备而言8。PLC 的选型对于系统的设计具有全局性的作用，

31、需要考虑 PLC 需要处理多少 I/O 点，需要用什么样的现场总线通讯模式，程序有多大，CPU 的速度和扫描周期应该多少满足要求，PLC 的可扩展性，需要什么样的智能模块等。对于所设计的直进式拉丝机系统，选用 ABB 的 AC500 系列的 PLC，AC500 系列 PLC具有模块化的设计结构，有 CPU 单元、I/O 单元、接线端子、通讯单元、底座板等，组合搭配非常自由。对于具体的型号，选择 PM582CPU 单元，其工作电压是 24V，程序内存容量为 512K，1000 条指令的循环周期：位变量是 0.07ms,系统硬件设计 第 14 页 上海交通大学工程硕士学位论文 字变量 0.07ms

32、,浮点运算 1.6ms，CPU 集中扩展的最大 I/O 点数为：开关量输入320、开关量输出 240、模拟量输入 160、模拟量输出 160。集成两个通讯口：COM1、COM2，可作 RS232/485 设置。带一个显示屏和 8 个功能按键。数字量输入模块选用 3 个 DI524，每个 DI524 带 32 个开关量输入。数字量输出模块选用一个 DC523,其有 24 个端口既可设置成数字输入也可设置成数字输出。模拟量输入模块选择 AI523，其带有 16 个模拟量输入，既可以电压模拟输入，也可以电流模拟输入，分辨率是 12 位。由于该系统有总线通讯控制，不需要模拟输出，也就不需要选择模拟量输

33、出模块9。该 PLC 的 CPU 单元的具体实例图形如下:图 32：ABB AC500PLC Fig.3-2:ABB AC500PLC 33 变频器的配置 33 变频器的配置 331 通用变频器介绍 331 通用变频器介绍 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的，伴随着电力电子器件的发展而得到广泛应用。20 世纪 60 年代以后，电力电子器件经历了 SCR（晶闸管）、系统硬件设计 第 15 页 上海交通大学工程硕士学位论文 GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS 控制晶

34、体管）、MCT（MOS 控制晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管）的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器也不断更新换代，性能价格比越来越高，体积越来越小，而变频器厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、模块化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力10。通用变频器出现在国内市场上是在上个世纪 90 年代初期，销售额逐年增加，至今国内销售额已经超过百亿元。其中，欧洲、日本进口品牌居多，功率小至百瓦大至数千千瓦；功能简易或复杂；精度低或高；响应慢或

35、快等等。目前通用变频器中最广泛使用的主流功率器件变频技术是 IGBT 以及智能模块 IPM(Intelligent Power Module），这二种类型的电力电子器件都有 GTR的低饱和电压特性和 MOSFET 的高频开关特性。现在，IGBT 已经发展到第四代产品，其应用使变频器的性能有了很大的提高，其一是 ICBT 开关器件发热减少，同功率变频器体积减小；其二是载波频率可以提高，使输出逆变电流波形有明显改善；其三是驱动功率减少，控制电路更加集中，体积趋于更小。在未来的一段时间内，IGBT 仍将成为市场的首选。IPM 的投入应用比 IGBT 晚几年，由于IPM 包含了 IGBT 芯片及外围的

36、驱动、测量及保护电路，因此是一种更为好用的集成型功率器件。目前，在 100kW 以下的变频器中大量采用。在通用变频器的逆变技术中，脉宽调制变压变频(PWMVVVF)为变频技术的核心技术之一。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制 SPWM 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的 PWM 信号输出。从 PWM 模式优化中得到了诸多的优化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。由于 PWM 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM 控制技术大致可以分为两类，正弦 PWM（包括电压

37、，电流或磁通的正弦为目标的各种 PWM 方案，多电平 PWM 也应归于此类），优化 PWM。正弦 SPWM 已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多电平PWM 技术在大功率变频器中有其独特的优势,如 ABB ACS1000 系列和美国ROBICON 公司的完美无谐波系列等；而优化 PWM 所追求的则是实现电流谐波畸系统硬件设计 第 16 页 上海交通大学工程硕士学位论文 变率（THD）最小，直流电压利用率最高、效率最优、转矩脉动最小以及其它特定优化目标51。在变频器控制方式方面，CfV（常数）的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式，即标量控制方式。标量控制通常是通用变频器

38、的标准配置，其特点是计算结构简单、易于编程控制、使用方便，早期普遍采用的控制方式，已在产业的各个领域得到广泛应用。随着电机控制技术的发展，通过对交流电机的磁通矢量进行解耦，然后模拟成直流电机的控制模式，逐渐发展出了更为高级的控制方式如电压空间矢量（SVPWM）控制方式、矢量控制（VC）方式、直接转矩控制方式（DTC）等，使用这些高级电机控制方式，使得变频器控制交流电机不但可以完成搞精度的速度控制，也可以完成高精度的转矩控制，可以闭环也可开环不带速度编码器来控制交流电机。随着交流变频技术发展到现在，交流调速系统已经可以完全替换直流调速系统11。332 通用电压型变频器结构 332 通用电压型变频

39、器结构 现在的低功率低电压段变频器都是交直交变频方式，先将进线交流电压变成平稳的直流电压，再将直流电压通过 IGBT 变成可变电压可变频率的交流电压，该类型变频器主回路结构都基本一致，易于控制与维护，下图所示为交直交变频器主回路结构图，同时也显示了电压由交流到直流再到交流的转化过程12。系统硬件设计 第 17 页 上海交通大学工程硕士学位论文 图 33：变频器主回路 Fig 3-3:inverter main circuit 333 ABB 变频器的选型与配置 333 ABB 变频器的选型与配置 ABB 公司有着从低功率到高功率、低压到高压全系列多品种的变频器，针对金属制品行业的工艺要求，选择

40、 ACS550 系列无传感器电流矢量型变频器。该款变频器广泛应用于各个工业领域，在金属制品领域也被客户所广泛接受，大量使用在直进式拉丝机、水箱式拉丝机、捻股机、外绕机及收放线机等机型上。该变频器内置有 C2 类 EMC 滤波器作为标准配置，IP21 的防护等级，具有独立的散热通道，所有的电路板均为涂层板，可抗恶劣环境，标准配置 RS485通信接口，具有 5 行显示的中文界面操作液晶面板，易学易用调试方便，还配有专用的调试监控软件 DriveWindow Light 可设置参数监控曲线。其具体外形如图所示13：整流器逆变器 直流滤波电容器输入电压波形输出电压波形直流电压波形交流进线电抗直流滤波电

41、抗系统硬件设计 第 18 页 上海交通大学工程硕士学位论文 图 34：ACS550 变频器 Fig.3-4:ACS550 inverter 在变频器的具体选型上，由于直进式拉丝机要求起动力矩大、运行精度高、动态响应性好、运行中有短时的高过载要求，所以，对于变频器的选型，需要在既定电机的功率和电流上按照变频器选型表里的重载一栏选型，即要求所选变频器的重载输出功率和重载额定输出电流大于所选电机的额定功率和额定电流。ABBACS550 变频器的重载过载系数是每十分钟允许一分钟电流过载到 1.5倍额定电流，每 60 秒允许 2 秒电流过载到 1.8 倍额定电流。具体选型表所示如下图 3-5。其中以 A

42、CS550-01-03A3-4 为例，01 代表壁挂式 IP21 防护等级，03A3代表变频器的轻载额定电流是 3.3A，4 代表变频器的输入电压等级是 380V 到480V。系统硬件设计 第 19 页 上海交通大学工程硕士学位论文 图 35：ACS550 选型表 Fig.3-5:type catalog ACS550 针对所设计的电气传统系统，选择的变频器型号为：ACS550-01-087A-4,重载应用带 37KW 的电机，允许 10 分钟内 150负载过载 1 分钟,60 秒内 180%负载过载 2 秒。34 电机与电抗器的配置 34 电机与电抗器的配置 341 电机的配置 341 电机

43、的配置 关于电机的选型比较简单，由于是由变频器控制，针对变频器的输出电压波形特点，需要选择变频专用的电机。由于变频器输出的波形并不是严格意义上的正弦波形，而是高频方波，而且在电机端子上有电压叠加效应，所以要求所带电机具有比普通电机更高的耐压绝缘等级，同时由于是宽频率运行范围，在低频段电机发热比较厉害，这也要求变频电机比普通电机有更好的散热效果。在金属制品拉丝机行业，无锡市亨达电机有限公司生产的拉丝机专用变频系统硬件设计 第 20 页 上海交通大学工程硕士学位论文 电机应用非常广泛，在许多业主和设备厂获得广泛认可，所以，决定选择亨达Y2VP 系列变频电机作为设计的直进式拉丝机的配置，具体参数如下

44、：37KW，380V，1430RPM，87A。342 电抗器的配置 342 电抗器的配置 现在通用的低压变频器普遍使用的是交直交电压变频模式，即首先将交流电压通过整流桥变成直流电压，然后再对直流电压进行变压变频以输出不同电压不同频率的三相交流电压。在使用变频器的过程中，由于整流环节的存在，导致变频器的使用会在电网系统内产生大量的谐波电流，导致电网系统电路和变压器的发热和损耗。低压变频器一般采用六脉波整流，其输入主回路如下图3-6 所示12：DC/ACDC/AC 图 36：六脉波整流回路 Fig.3-6:six-pulse rectifier circuit 六脉波整流的电流谐波含量最好能做到

45、ITHD30%，电流波形如图 37所示:图 37：六脉波整流电流波形 Fig.3-7:six-pulse rectifier current wave 系统硬件设计 第 21 页 上海交通大学工程硕士学位论文 对于功率大的变频器，使用中会产生大量的谐波电流，影响电网的效率和干扰别的电气设备，这时一般整流环节采用十二脉波整流方式减小电流谐波，十二脉波整流的输入主回路如下图 38 所示：DC/ACDC/AC 图 38：十二脉波整流主回路 Fig.3-8:twelve-pulse rectifier circuit 十二脉波整流的电流谐波含量最好能做到 ITHD12%，其电流波形如图 39 所示：图

46、 39：十二脉波整流电流波形 Fig.3-9:twelve-pulse rectifier current wave 系统硬件设计 第 22 页 上海交通大学工程硕士学位论文 ABB ACS550 系列变频器全系列在低功率段内置有直流电抗器，高功率段内置交流电抗器来减少电流谐波，但由于拉丝机设备会大批量使用变频器，所以在设计时通常业主和设备厂都会要求在每台变频器输入侧前再加装交流电抗器，第一是为了进一步限制电流谐波，第二也是为了更好地保护变频器的整流桥，因为进线的交流电抗器还可以减小输入电压尖峰毛刺，避免瞬时高电压击穿整流桥。根据所选变频器的额定功率、电压和电流，选择这个行业普遍应用的上海鹰峰

47、电子科技公司所生产的变频专用进线电抗器。35 张力臂位置传感器的配置 35 张力臂位置传感器的配置 张力臂位置传感器是反应张力臂位置变化的现场传感设备，该设备安装于张力臂支架下方，正常运行情况下张力臂应该在其中间位置上下轻微地摆动。安装位置传感器，通过调整使其当张力臂处于中间位置时输出 5V 电压信号给PLC 控制器的模拟电压输入点口。当张力臂上下摆动时，在其量程范围内，位置传感器就输出 0V 到 10V 的电压信号以与张力臂位置的变化成线性比例关系14。位置传感器型号选择为施耐德电感型接近传感器 XS9C111A1L2，其主要的参数工作电压为 24V,工作区在 215mm，对应的模拟电压输出

48、范围是 010V。详细的规格参数如下图表 310 所示15：系统硬件设计 第 23 页 上海交通大学工程硕士学位论文 图 310：位置传感器参数表 Fig.3-10:position sensor parameter list 系统硬件设计 第 24 页 上海交通大学工程硕士学位论文 36 现场总线的选型与配置 36 现场总线的选型与配置 361 现场总线的描述 361 现场总线的描述 现场总线（Fieldbus）是 20 世纪 80 年代末、90 年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及

49、控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点，同时还具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络

50、结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色16。一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作 FCS现场总线控制系统。人们一般把 50 年代前的气动信号控制系统 PCS 称作第一代，把 420mA 等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把 70 年代中期以来的集散式分布控制系统 DCS 称作第四代。现场总线控制系统 FCS 作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS 系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把 DCS 的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放