艾默生工控產品在鋼簾線中的應用

中絲熱處理作業線是子午線輪胎鋼絲熱處理生產工藝中重要的一環，對機電設備的性能和可靠性都有極高的要求。本文介紹了該生產工藝對變頻器和PLC產品的要求以及艾默生公司針對該生產工藝提出的創新型解決方案。

一 概述

鋼簾線主要用于汽車輪胎生產，隨著汽車工業的迅速發展，鋼簾線市場前景被看好。02年至今，江蘇、山東、遼寧以及湖北等地一直在興建和擴建鋼簾線生產基地。通過對前期引進設備的消化和吸收以及國內機電技術水平的提升，目前鋼簾線的生產設備如直線式拉絲機、中絲熱處理設備、水箱拉絲機、合股成繩機以及外繞機都在逐漸國產化。為適應日益激烈的市場競爭，提升設備性能，降低設備成本，尋求創新型解決方案就成為設備商和最終生產廠家的重要關注點。

二 工藝要求及控制系統組成

中絲熱處理是對半成品鋼絲通過熱處理正火,消除鋼絲在拉拔過程中產生的加工硬化，它是一種連續加工工藝，示意圖如下：

工藝要求：

1、 對于一定直徑（d）的半成品絲，牽引速度（V）要保持恒定，即d/V值恒定。
2、 牽引輪和收線輪之間的半成品絲的張力（F）要保持恒定。同時因為收線輪采用中心收卷方式，應該進行張力錐度控制。

廠家條件：

1、 為控制成本，廠家只提供時序邏輯控制信號，不提供如張力反饋、電機編碼器等信號。
2、 供應商產品必須有在國內拉絲機龍頭企業兩年以上成熟應用經驗并提供解決方案。

分析：如果不考慮上述限制條件，上述工藝通過一個非常普通的中心收卷方案就可以解決。因為艾默生有專門針對此類工藝的TD3300張力控制專用變頻器，可是TD3300變頻器三種張力控制方式所要求的條件（張力反饋信號或張力開環閉環矢量轉矩模式）均不具備。為此，我們為廠家提供了如下的解決方案，并得到了廠家認可。

如上圖，根據驅動輪穩速精度要求，選擇了EV1000變頻器。整個工藝的難點在于收線輪的張力控制。根據收卷輪運行頻率范圍（60Hz~5Hz）以及半成品絲的張力控制精度要求（±20%），決定采用TD3000變頻器直接進行轉矩控制，轉矩設定指令由PLC根據用戶的設定進行一系列計算之后給出。而根據工藝要求的PLC點數以及程序容量與計算速度，決定選用艾默生新推出的EC20-BRA2012 PLC。

三 控制原理

1、半成品鋼絲收線速度控制

由于EV1000變頻器運行穩速精度<±1%的額定同步轉速,完全滿足工藝對速度控制精度的要求，因此只需要根據線徑就可以計算出所需設定的變頻器頻率。

2、半成品鋼絲收卷張力控制

張力控制是通過變頻器與PLC配合來完成的，其控制思路如下：

卷徑計算

由于有排線器裝置，排線器從一邊運行到另一邊時會產生一個換向信號，我們將此信號傳遞給PLC，一但PLC檢測到此信號，則認為卷徑發生變化，具體計算關系如下式所示。

式中n表示收到第n個排線換向信號，Dn表示第n圈時的卷徑，D0表示空卷時的卷徑，d表示線徑，而k表示卷徑校正系數，一般由經驗獲得，和線徑相關。上述公司經過實際驗證，和實際情況比較吻合。

張力計算

處于成本考慮，我們沒有為PLC配置模擬輸入和輸出模塊，而是巧妙地借用了變頻器的模擬輸入輸出口以及PLC標配的RS485通行串口來實現張力的設定。首先用戶將張力設定電位器連接到變頻器模擬輸入AI1，變頻器自身只是采集該模擬量值，但并不對該模擬量進行任何處理，然后PLC利用內置的標準通信函數與變頻器通信，讀取模擬量輸入值，轉化為張力設定值。在此處需要注意的是根據變頻器串口通信協議，PLC讀入值0~2000代表變頻器AI1口電壓輸入值為-10V~+10V。

根據工藝要求，隨著卷徑增加（滿卷與空卷之比可達4：1），收線張力必須按一定規律減小，否則會發生外層絲勒到里層中去，導致纏絲現象。PLC根據下面公式來進行張力錐度公式進行計算：

式中，F為實際設定張力，F0為電位器設定張力，D0為空卷卷徑，D為當前卷徑，k為錐度校正系數。其趨勢圖如右邊所示。

設置了相應的密碼（PLC可提供3 級用戶密碼權限）。保護用戶程序的私密性。

轉矩計算

基于上述卷徑與張力的處理，我們可知收卷處所需要的轉矩為

可以計算出需要設定的轉矩百分比，通過通信直接寫入變頻器功能碼中就可以了。

四 運行調試

這種設備運行耗費大量的電能，而且調試會浪費昂貴的金屬線材，因此用戶一般不會給設備廠家提供較長的調試時間，這就需要我們在正式調試前做大量而仔細的工作，確保一次成功。

1、仔細檢查線路圖，確保強電與弱點接線正確，盡量遵循變頻器與PLC用戶手冊給定的走線方式。
2、因為EV1000和TD3000都具備電機參數自學習功能，特別是TD3000，因為運行在開環矢量轉矩方式，一定要進行自學習。
3、在正式調試前，將PLC與變頻器通信程序調通，確保讀取與寫入參數正確。
4、驗證PLC的脈沖記數功能。
5、對PLC各計算子程序進行驗證，確保計算無誤。
6、按照工藝要求，認真分析各時序邏輯信號，做出正確的程序。

經過上述仔細準備，調試起來非常順利。

五 系統優點

在和用戶充分溝通、了解工藝要求與原理的基礎上，結合艾默生公司工控產品的功能和特點，實現了極高性價比的中絲收線系統，這套系統具有如下的優點：

1、 系統電氣配置非常簡潔

一般帶張力控制的收放卷系統，不是設計成帶張力反饋的張力閉環控制系統，這種情況下用戶需要張力反饋信號，會增加機械和電氣成本，就是讓矢量控制變頻器工作在轉矩模式，這種方式對變頻器性能要求比較高，而且必須加裝電機編碼器，也增加了設備成本，并且編碼器安裝也費工費時。通過對收線設備的技術要求進行分析，確認TD3000變頻器開環矢量轉矩模式的轉矩控制精度完全可以滿足設備要求。當然這和TD3000先進的矢量控制算法是分不開的。

此外，EC20 系列PLC的標準配置非常豐富，它標準配置了兩個通信口，其中之一就是RS485接口。因此在無需增加額外成本的情況下可以和變頻器建立高效的通信。由于標配的通信功能，為系統節省了一個模擬輸入模塊和一個模擬輸出模塊。

2、 系統調試簡單易行

在小型電氣控制系統中，設備間通信的調試都是一個難點和重點。但艾默生EC20-PLC自動集成了艾默生變頻器通信協議，因此通信非常簡單，只需一條指令就可解決問題。以設定變頻器運行頻率為例，步驟如下：首先在工程管理器中的通信設備連接項的變頻器連接表中設定變頻器地址，型號，廠家，協議。然后直接利用如下指令即可：

—[ FRQ 2 D0 M0 D2 ]

其中，2表示對當前地址為2的變頻器進行通信，D0存放要設置的頻率，M0和D2都是反映指令執行的餓狀態。

3、系統的可靠性很高

艾默生變頻器很早就進入鋼簾線行業，并針對鋼簾線行業變頻器使用環境進行了專門的改進，有著很好的環境適應性。

一般鋼簾線工廠都有自建的電廠，和標準電網質量相比，電廠發電質量不好，因此我們在變頻器輸入端設計了特殊的處理電路，能夠有效容忍電網質量一定程度的下降。此外，變頻器適應電網電壓波動范圍大，如TD3000電網電壓波動范圍在額定輸入電壓的±20%。

針對鋼簾線多粉塵的潮濕環境，艾默生工控產品（變頻器與PLC）的所有單板及器件引腳都進行三防漆的處理，而且采用獨立的散熱風道，更有效地降低金屬粉塵的影響。

六：結束語

高性價比系統的設計必須建立在對生產工藝流程的了解之上，必須建立在對變頻器和PLC性能與功能特點的熟悉之上，兩者的緊密結合，才能為客戶提供極具競爭力的解決方案。

TD3000變頻器先進的算法，較好的開環矢量轉矩控制精度是整個系統的關鍵所在。

艾默生推出的EC20 PLC經受住各種環境的考驗，充分驗證了艾默生工控產品高度的可靠性