一种银基丝材电流加热稳定控制系统设计研究

熊经先 ，颜君波 ，黎联杰

（1.桂林电器科学研究院有限公司，广西桂林 541004；2.桂林金格电工电子材料科技有限公司，广西桂林 541004）

引言

银基合金丝材因其规则的外形、良好的加工性、优异的电性能而被广泛应用于电触头领域的铆钉触头制造[1]。目前银基合金丝材的加工制造主要生产过程是多次退火配合过模拉拔达到相应的线径尺寸，生产中面临主要问题是在过模拉拔过程中因应力急剧变化而造成丝材断裂和多次退火导致生产周期过长效率低。丝材在线退火热拉拔工艺[2]是目前使用比较广泛的银基合金丝材热拉拔生产工艺，特别是接触式电流加热[3]在线退火热拉拔工艺因其良好的可加热性、简洁操作性以及显著的节能性而被广泛应用。

目前行业里传统的接触式电流加热热拉拔设备在控制系统原理上比较简单，主要由一些简单的交流接触器、中间继电器、时间继电器、电位器、变频器、加热器、开关以及按钮等组成，能够满足无精度或低精度要求的在线加热，但在加热过程中经常会因为加热控制系统不稳定、丝材滑丝、断丝、拉拔速度改变等因素造成丝材过加热烧断或者欠加热拉断，操作者需要重新进行丝材轧头和穿模工作，耗费了大量时间；同时因为加热系统缺少足够检测反馈信号和缺少精确控制算法，导致丝材不能够在工艺要求的参数范围内进行生产，造成产品质量稳定性较差。随着对产品质量稳定性要求不断提高，研究如何通过机构改进、增加传感器检测、改进控制算法等手段实现生产过程可控化、生产参数可追溯、异常报警自动处理等功能的电流加热在线退火控制系统成为相关企业研究的重点。

针对上述问题，本研究设计了一种基于西门子PLC控制器的PID电流加热稳定控制系统[4]，通过硬件系统及软件系统的设计，利用相关传感器实时检测以及检测信号实时反馈输入到PLC进行PID运算控制相关执行系统，实现稳定的加热控制，解决传统接触式电流加热拉拔控制系统存在的缺陷。

1 系统构成及工作原理分析

本研究提出的基于西门子PLC控制器的PID电流加热稳定控制系统工作原理如图1所示，丝材由放线机构经过校直机构进入导电机构，再穿过过模模具进入拉拔系统的收卷滚筒；在触摸屏上设定待热拉拔的产品工艺参数，启动热拉拔系统。热拉拔启动后，系统会自动采集速度检测装置的编码器信号、缺料检测装置信号、电压传感器信号、电流传感器信号、温度传感器信号、变频器信号并传送到PLC中作为PID控制参数进行PID运算控制，PID控制输出信号对加热控制器、丝材拉拔速度控制器联动控制，使丝材保持在稳定的加热范围内，实现丝材加热过程的稳定性，保证产品质量稳定。

图1 系统原理图

1.1 拉拔系统

在热拉拔工艺中，拉拔速度对丝材质量稳定性有很重要影响，丝材热拉拔速度必须跟所选的对应规格热拉拔工艺规定的拉拔速度相匹配，否则将出现因拉拔速度波动而造成产品性能异常。拉拔速度通过变频器控制，变频器的控制方式为模拟量矢量控制，经PID运算后得到控制变频器速度的信号从PLC模拟量输出模块输入到变频器的模拟量输入模块，精准的控制电机转速，实现稳定的热拉拔速度。

1.2 加热系统

加热系统是给丝材加热的执行机构，主要由导电机构、输电传送电缆、电压检测传感器、电流检测传感器、压力检测传感器、温度传感器、丝材速度检测装置、过模模具、防震动机构、加热控制器组成，加热系统的稳定性、可实时监控性并能实时调控性是实现丝材稳定加热的关键。电压检测传感器用于检测丝材两端加热电压，电流传感器是用于检测丝材加热电流大小，压力检测传感器和防震机构主要是用于防止丝材跟电极接触不良；加热控制器主要用于接收从控制系统输入的PID控制信号并把电能由电缆传到导电机构，实现丝材电流加热。

1.3 控制系统

控制系统是用于接收外部传感器信号、与HMI界面交互、算法、程序开发执行、输出控制变频器、控制加热控制器、控制外部执行元件的系统，是加热系统能够精准稳定运行的核心。这套控制系统开发的核心是基于传感器反馈的PID运算[6]算法。原理是根据电流产生热量公式Q=UIt,热量Q作为目标值，通过PID运算后控制执行元件，实现对U、I、t三个关键参数的动态控制，保证Q的动态平衡。PID控制原理图如图2所示。

图2 PID控制原理

2 接触式电流加热稳定控制系统设计

2.1 控制系统硬件

控制系统的硬件部分主要由PLC、触摸屏、变频器、丝材速度检测装置、丝材缺料检测传感器、加热调控器组成。PLC选用西门子1200系列，CPU型号为1212CDC/DC/DC，此模块自带8输入/8输出的数字信号接口，2路八位模拟输入信号,根据PLC与变频器、编码器、电压传感器、以及相关控制功能需求，增加一个SM1223的PLC数字量输入输出模块和一个SM1234模拟量输入输出模块，PLC通过模拟量输出模块把PI运算输出信号输入到变频器的模拟输入模块，实现对变频器速度控制；将丝材速度检测装置的高精度编码器信号输入到PLC的CPU模块设定的高速计数输入接口，通过PLC程序转换后显示到触摸屏同时作为PID运算控制的重要参数。将电压检测装置的0～10 V信号和电流检测装置的0～20 mA信号输入到增加的模拟量模块的输入接口，经过PLC内部程序转换后显示到触摸屏同时作为PID运算控制的重要参数；丝材缺料检测传感器使用电感式接近开关，24VDC直流开关量信号输出。触摸屏使用威纶通KT8071ip，通过PRO‐FINET通讯接口与PLC交互信号。变频器选用型号为MD380的18 kW重载变频器。其总控制系统结构原理图如图3所示。

图3 控制系统结构图

2.2 控制系统软件

控制系统的软件设计主要是PLC程序设计和触摸屏页面程序设计[7]。PLC主程序主要包括PID参数数据采集、PID运算控制程序设计、PID输出控制程序设计、输出控制功能设计、缺料检测报警动作设计、系统参数初始化。主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程图

触摸屏的程序设计主要是人机交互的界面开发，设计实时丝材速度显示、速度控制设定、电压、电流、温度显示、加热系统功率输出显示、断丝报警、缺料报警、报警日志显示、PID调整参数输入文本框等功能，同时还需要设计能够实现触摸屏控整个热拉拔系统手动执行元件以及自动运行及停止功能；设计不同材料及不同规格设置相应的参数输入的文本框，设计产品工艺参数库；在生产前调取产品所需的生产工艺，进行生产的自动化控制。

3 结论

设计了基于西门子PLC控制器的PID电流加热稳定控制系统，并通过PLC、触摸屏、变频器、相关传感器的综合运用，实现了对丝材热拉拔过程电流加热的自动稳定控制，满足了丝材热拉拔的工艺需求，提高了产品稳定性。丝材电流加热稳定控制系统的运用有效提高了银基合金丝热拉拔的自动化程度和生产效率，降低了生产成本。