恒张力直进式拉丝机控制系统的设计与调试
摘要：随着我国工业的不断发展，在对金属制品冶金工业设备的自动化控制要求也越来越高，特别是拉丝机这种金属制业最重要的生产设备，现在，直进式拉丝机设备被广泛应用在钢帘线、胎圈钢丝、胶管钢丝、钢绞线、钢丝绳及焊材等金属制品行业，可见其发展对我国金属制品行业有着举足轻重的作用。因此能够更好的对拉丝机进行控制，解决拉丝机在收线过程中保持恒张力运作，防止因张力过大被拉断，或张力过小，则又会形成松线、乱线等现象就变得十分重要。本课题主要研究直进式拉丝机在拉拔过程中，如何根据PID反馈信号使其保持恒张力运行及通过PLC控制和运用变频器控制这两种方式的比较。
关键词： 直进式拉丝机 恒张力 PID 反馈
Constant tension straight into the design and debugging of the control system of wire drawing machine
Abstract: with the constant development of the industry in our country, in the automation control of the metal metallurgical industry equipment requirements also more and more high, especially in the wire drawing machine equipment for the production of the metal industry is the most important, now, straight into the type wire drawing machine equipment is widely used in the cord, bead wire, rubber hose steel wire, steel wire, steel wire rope, and welding materials such as metal products industry, its development is metal products industry is of vital significance to our country. So can better to control of wire drawing machine, wire drawing machine in the line to maintain constant tension in the process of operation, prevent due to excessive tension is pulled, or tension is too small, would form a loose thread, and the phenomenon such as disorderly line becomes very important. This subject mainly research the straight into the wire drawing machine in the process of drawing, according to the PID feedback signal to keep the constant tension and controlled by PLC and frequency converter is used to control the comparison of these two approaches.
Key words: straight into the type of wire drawing machine constant tension PID feedback
第一章 引言
1.1 课题来源及研究意义
本课题来源于岗位实践过程中在企业所接触到的工程案例，拉丝机在金属制品行业的应用越来越重要 ，随着工业自动化发展水平的不断提高其自动化方面的控制要求也越来越高。本课题主要以直进式拉丝机为例，分析其设计控制方面的主要内容，其中，侧重于运行过程中张力的控制。因为在拉丝收线过程中，保持丝所受张力恒定是一个至关重要的条件和环节，张力过大或过小都会对产品质量造成一定的影响。针对这种情况本课题设计了一种闭环控制结构的PID调节器，用以控制收线机在收线过程中能够恒张力运行，以更好地控制和保证产品的质量。
1.2 国内外关于直进式拉丝机设备的现状和发展趋势
1.2.1国外直进式拉丝机发展及应用
直进式拉丝机是一种高速、高效、无弯曲、无扭转、强冷却、性价比非常卓越的无滑动连续式拉丝机，在欧美等发达国家或地区早已经得到广泛的应用，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，在一般情况下都不会将其出口，这也就使得在引进方面造成了很大的困难，不能很好地利用这些外国的先进的设备。
1.2.2国内直进式拉丝机发展及应用
国内金属制品行业由于种种原因，目前的干式拉拔设备仍以滑轮式拉丝机为主，其产品性能与直进式拉丝机的相比，差距甚远。尽管直进式拉丝机较滑轮式拉丝机在生产效率、生产成本、产品质量等方面存在绝对的优越性，但其昂贵的一次性投资，使许许多多国内金属制品企业望而却步。要降低一次性投资，冲破维修维护方面的制约，就必须自主开发，走国产化道路。
1.3 本文的主要研究内容
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。
本课题对直进式拉丝机的机械构造，工作原理和相关工艺流程做了简单的介绍；较为详细的阐述了直进式拉丝机恒张力运行的控制设计及基于现在普遍使用的两种电气控制的比较：即一种利用PLC模拟PID控制进行控制，另一种运用变频器内部嵌入的自由PID功能进行控制，这是本课题的研究重点。希望能通过本课题对直进式拉丝机的控制能有更加深入的了解，同时也希望对两种控制方式的选择能有一定促进作用。
第二章 直进式拉丝机工作原理及工艺流程
2.1工作原理
直进式拉丝机是常见的金属线材加工设备中的一种，直进式拉丝机，可对各种碳钢丝、不锈钢丝、铜丝、合金铜丝、铝合金丝等，进行伸线加工。其工作原理，就是控制各卷筒的金属秒流量时刻相等。直进式拉丝机在钢丝拉拔过程中，钢丝从一个卷筒上缠绕一定圈数后，经过调谐辊进入下一道拉丝模，由于拉丝模的不均匀磨损、电机速度的波动或其他原因，破坏金属秒流量的平衡，势必引起钢丝张力的变化，这种变化反映为调谐辊的小辐摆动，位移电压传感器将调谐辊的摆动位移量转化为电信号，通过数据采集A/D板传递到PLC，经过一系列运算后，其输出值通过数据采集D/A板传递给变频器，调节变频器的速度给定值，达到前后卷筒速度匹配的目的。成品卷筒的转速为领航速度，是控制整台设备速度的灵魂，起着承前启后的作用，以成品卷筒的调谐辊来控制前一级卷筒的速度，再以前一级卷筒的调谐辊来控制再前一级卷筒的速度，依此向前类推。而后面工字轮收线机和象鼻式收线机也是以成品卷筒速度为基准，通过成品卷筒与工字轮收线机之间的张力控制机构的位移传感器，使收线机的收线速度时刻与成品速度相匹配，最终秒流量相等。
2.1.1直进式拉丝机简单结构的介绍
直进式拉丝机 主要有四大部分组成即放线部分、 拉拔部分、收线部分、排线部分。其中拉拔部分最为复杂，由拉丝模具、张力辊以及卷筒共同组成拉拔设备，模具指各种拉制金属线的模具，张力辊用以调节张力平衡。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辊，经由张力辊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金属丝。然后成品金属丝进入收线设备和排线设备，其中收线主要是恒张力收线。最后以计米或根据绕线半径等方式计算在工字轮进行排线。
一、选题简介、意义
随着我国工业的不断发展，在对金属制品冶金工业设备的自动化控制要求业越来越高，之前我国在这一行业处于一种薄弱环节，不利于行业快速发展。特别是拉丝机这种金属制业最重要的生产设备，不过随着近些年的不断努力，我国在拉丝机改造和应用上取得了很大的进展，现在，直进式拉丝机设备被广泛应用于各个金属制品行业如：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，可见其发展对我国金属制品行业有着举足轻重的作用。
本课题的研究，首先让我们能够很好地了解工控行业特别是金属制品行业设备及其自动化控制情况，其次对于自身来说，通过课题的完成也是一次很好的锻炼。
课题来源于岗位实践中所遇到的工程案例，课题主要研究内容所涉及到的知识面与我们在校期间所学到理论知识能够进行很好地结合，比如在控制系统的设计，电气原理图的绘制，程序的编写及PID控制方面都可以有很好地认识与提高。
二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）
（一）主要内容：
本课题主要研究直进式拉丝机在拉拔过程中，如何根据PID反馈信号使其保持恒张力运行的技术方案与控制程序设计。
（二）拟解决的主要问题
解决在拉丝机收线过程中恒张力运作，防止因张力过大被拉断，或张力过小，则又会形成松线、乱线等现象，严重影响生产进度等等
（三）预期目标：
设计PLC控制系统，可实现恒张力运作，避免因张力不稳定而出现的拉断或乱线问题。
（四）研究步骤
本课题的工作步骤分为四个阶段
第一阶段：查阅文献，市场调研，收集资料，确定课题方案，完成开题报告
第二阶段：完成系统构架，进行控制系统的设计
第三阶段：进行程序编写，调试
第四阶段：整理技术材料，完成毕业设计论文及答辩
（五）研究方法：
1、结合工厂中所遇到的工程案例的解决经验；
2、参阅有关文献资料；
3、企业工程师与指导教师指导下完成。
第一部分 引言
1.1 课题来源及研究意义
1.2 国内外关于直进式拉丝机设备的现状和发展趋势
1.3 本文的主要研究内容
第二部分 直进式拉丝机工作原理及工艺流程
2.1工作原理
2.2简易工艺流程图
第三部分 恒张力直进式拉丝机控制系统设计
3.1 电气控制硬件介绍
3.2 PLC选型与I/O点分配
3.3 PLC外围接线图
3.4 PLC梯形图程序设计与调试分析
第四部分 两种控制方式及比较
4.1 PID 介绍
4.2 运用变频器对恒张力进行参数设置
4.3 运用PLC对恒张力进行控制
第五部分 基于恒张力调试过程可能出现的问题及解决方法
第六部分 结论
第七部分 主要参考文献
致谢
附录
参考文献
[1] 蔡杏山 学PLC技术超简单 北京：机械工业出版社，2012
[2] 廖常初 小型PLC的发展趋势 电气时代 2007
[3] 訾鸿等 s7300-400系列PLC入门及应用实例 北京：电子工业出版社 2012
[4] 丹弗斯变频器设计指南 2013
[5] 丹弗斯变频器编程指南 2013
[6] 向晓汉等 PLC控制技术与应用 北京：清华大学出版社 2010
[7] 变频器应用与检测技能 北京：电子工业出版社 2013
[8] 殷洪义等 PLC原理与实践 北京：清华大学出版社2008
[9] 陈在平等 可编程序控制其技术与应用系统设计 北京：机械工业出版社 2002
