直进式拉丝机技术方案
时间：2002年10月报告人员：朱健
前 言
在金属制品行业中，直进式拉丝机是一种重要的机械设备，以其拉拔效率高、 工艺性能好、磨耗小等优点而得以广泛应用。在电气传动方面，由于拔丝工艺要求拉丝机启动平稳，能无级调速，低速时启动力矩大，过去一直采用直流拖动。但直流电机拖动由于生产环境十分恶劣，使电机整流子磨损严重、维护困难、故障率高，因此，近年来直流电机拖动已被交流变频调速拖动所代替。在电气控制部分，由于拉丝机是一种多台联动拖动系统，各机台在启动、停车以及运行过程中同步的问题也是不可忽略的；在拉拔过程中，由于钢丝抗拉强度、拉模的磨损等因素会造成电机力矩的变化，从而影响电机转速的波动，需要自动调整转速，以保证每个转筒之间的金属丝秒流量相等，实现正常拉拔。
一、设备概况
本设备设计使用的原料：冷拔钢丝2.00 ~ 3.50mm ，产品：0.5 ~ 1.50mm 。本设备设计使用放线架一个、八个卷筒（机台）、七个张力辊、一个收线机组、及九个防护罩。卷筒采用风冷和水冷，拉模采用水冷并前置润滑粉，在1#拉模和6#拉模处使用旋转模。收线机组包括收线机和收线张力架。在8#卷筒后设有纵矫直器、横矫直器和计米器，在收线机前也设有纵、横矫直器。2# ~ 7#机台都设有跳头装置。放线机采用从动方式工作，收线机通过张力架控制转速。在进行拉拔时，钢丝坯通过1#拉模到1#卷筒，经1#张力辊，穿过2#模到2#卷筒，这样顺序穿丝，至到收线机。如有跳头，则在相应的机台使用跳头装置。拉模的冷却水采用低进高出的方式，水的流量通过阀门的开度调节。卷筒的冷却水由手动阀控制，冷却风机提供固定的冷却风。放线处设有乱丝和放线尽的检测装置，机台上设有断丝报警装置。张力辊的张力通过气压调节大小。
二、电气设备
本系统设计使用西门子ＴＰ２７０－１０的作为人机界面，Ｓ７－３００的ＰＬＣ作为中央控制器，丹佛斯的ＶＬＴ５０００系列变频器作为传动装置。人机界面和ＰＬＣ之间采用西门子的ＭＰＩ网络联接方式，ＰＬＣ和变频器之间采用ＲＳ４８５通讯进行数据交换。反馈信号由张力辊的张力大小提供。在设计本系统时考虑到如下几点：
１．由于在钢丝冷拔过程中，考虑到产品的质量和系统的要求，选用了丹佛斯ＶＬＴ５０００系列的变频器。丹佛斯为ＶＬＴ５０００系列开发了内置的张力控制选件，它可以提供带前馈功能的高级ＰＩＤ过程控制。从整卷到芯的拆卷过程或反过来的卷绕过程，由于带前馈功能的高级ＰＩＤ控制器的作用，可获得稳定的张力。即使在拼接（换卷）和紧急停车时，由于张力反馈补偿了系统有惯性，仍具有稳定的张力。由于零点位置是可调节的，所以调节辊位置可任意设定。由于Ｄ增益极限，ＰＩＤ低通滤波器和ＰＩＤ调节范围调整，降低了调节辊的摆动幅度。由于可标定的Ｐ增益，能够适应不同应用的调节辊反馈。
张力控制系统设计成带前馈功能的PID控制器，线速度给定信号是可标定的，并且可选择它是正向还是反向。给PID控制器的反馈信号是可标定的，其极性亦是可选择的。PID调节器允许限制D增益，PID调节器的低通滤波器使反馈的振动得以衰减。在达到输出频率极限时，PID的抗超界功能将冻结积分器。PID的限位功能使得当频率超出限位范围时，关闭PID调节器。比例增益范围使P增益依赖于当前的线速度。这些特征在具有多个调节辊的串联系统中，以振动衰减是相当有用的。
正因为VLT5000变频器拥有这些功能，故在系统设计过程决定使用它。在拉拔过程中，就很好的解决了在启动和停车时经常断丝的现象，甚至在大多数快停（2秒内停车）的情况下，也能很好的保证钢丝不被拉断。通过速度微调，可以有效的克服诸多外界的干扰因素使得转筒间的金属流量相等、速度平稳，不仅提高了产品的质量和产量，也降低了设备的维护费用和延长了设备的使用寿命。
２．在生产过程中由于原料和产品的规格不断发生变化，需要不断调整变频器的相关参数以适应其变化。为了了解生产过程中各拉模的状况，需要知道各变频器的输出功率、输出
频率和输出电流，故在系统设计过程中采用了经济实用的ＲＳ４８５通讯方式，完成人机界面和变频器之间的数据交换。
RS-485标准物理接口：数据的传递使用电压差信号。数据发送终端进行数据传递时，首先将数据的TTL信号转换成数据电缆上(浮地)的电压信号(电压差值为±2V - ±6V) 。数据接收终端再将电压差信号转换成TTL信号。 RS485通讯为半双工通讯方式，电缆两端必须连接终端电阻；其允许发送器驱动32个接收负载，若使用中继器，则最多可带126个从机。
３．直进式拉丝机是一种多台联动拖动系统。考虑到速度的调节方便，本系统设计８＃卷筒的速度为主令速度，收线机的速度完全由张力架的张力大小决定同时跟随８＃卷筒。１＃～７＃卷筒在“单动”位置不受张力臂控制，运转速度由各自的变频器决定，处于联动位置时，运转速度由张力臂决定，如遇跳头则由后一级的张力臂决定。在考虑同步问题时，则是通过工艺要求进行数学计算比例分配的方式解决的。例如；设拉拔直径为φ3.15→φ2.87→φ2.62→φ2.39→φ2.18→φ1.98→φ1.81→φ1.65，并设最后一台电机的转速为n，则
N７＝
N 如机械传动比为１２.５n7 = 12.5*N7
N６＝N７如机械传动比为１５．２n7 = 15.2*N6
N５＝N６如机械传动比为１７.５n7 = 17.5*N5
依此类推可以计算出第一台电机的转速。再加上变频器的一些特殊参数的设定和张力辊的反馈信号，就可以控制整套机组的同步工作，加上PLC的控制能实现在启动、停止以及运行过程中自动平稳的加/减速（避免了因启动、停车和运行中，由于速度的突变而引起速度的不稳定，甚至导致钢丝被拉断）。
４．SIMATIC S7-300可编程控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展；强大的通讯网络功能易于实现分布，并应用灵活；大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务。其工具软件也有着高速的指令处理、良好的人机界面、智能化的诊断功能、方便的编程手段以及多种编程方式等优点，使得整套机组的操作更为方便，自动化程度更高更好，维护更为简单；运行可靠性稳定性高。
三、运行效果
此套直进式拉丝机自开车以来，工作正常，节能效果明显。其主要技术性能如下：
１．最高拉拔速度为：14米/秒，调频范围为：０～１００ＨZ；
２．成品直径：０．５～１．８０mm；
３．变频器频率分辩率：０．００１ＨZ；
４．快停时间２秒以内，正常停车：０．５～６０秒
５．噪声：< ８０分贝
根据现场调试和运行结果的情况，总结如下：
由于采用交流电机，电机的故障率减少了；由于使用变频器调速，故障停机率减少了，运行过程中的跳闸次数也减少了；由于采用变频传动，电耗明显降低了（据现场实测为36.5%）；采用变频调速后，机组的启动、停车平稳，张力均匀，产品质量显著提高；由于使用了控制屏，现场操作简单，操作功能完善，使用方便，运行过程中加/减速平稳。
附录A 电气控制系统硬件配置如下表所示：
附录B 直进式拉丝机系统控制原理图
附录C 参考资料
1. 《VLT5000 操作说明书》丹佛斯公司编著
2. 《STEP 7 - Configuring Hardware with STEP 7》西门子公司编著
3. 《SIMATIC S7-300 可编程程序控制器模板规范参考手册》西门子公司编著
4. 《STEP 7 - Programming with STEP 7》西门子公司编著
5. 《STEP 7 - Statement List for S7-300 and S7-400》西门子公司编著