基于变频器的拉丝机控制系统设计本科毕业设计

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1、第一章 绪 论11 课 题 的 背 景。 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。后来从国外引进了直进式拉丝机,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

2、度 到 了 交 流 电 气 传 动 控 制 系 统 2。随 着 这 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。12 直 进 式 拉 丝 机 介 绍图 1-1： 直进式拉丝机实例图直进式拉丝机应用于金属制品行业中

3、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 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

4、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 机，粗拉主要是将特粗丝（直

5、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。14 本 设 计 的 工 作 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

6、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 及对于该曲线数据的分析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、

7、 曲线以 及对于该曲线数据的分析第二章： 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 造以 LZ8/560 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

8、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

9、。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：图 2-1: 直进式拉丝机工艺流程图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

10、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，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

11、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其中， V k 是第 K 道卷筒后的线速度, Dk 是第 K 道卷筒的出线直径。222 PID 控 制 原 理上图中 sp(t)是 给 定 值 ， pv(t)是 测 量 反

12、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Pout (t) = k P e(t) + ki e(t) + kd (e(t) e(t 1)(2 4)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

13、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，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

14、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是数字处理方式，所以对于传统的模拟 PID 的计算各

15、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

16、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