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一 概述
钢帘线主要用于汽车轮胎生产，随着汽车工业的迅速发展，钢帘线市场前景被看好。02年至今，江苏、山东、辽宁以及湖北等地一直在兴建和扩建钢帘线生产基地。通过对前期引进设备的消化和吸收以及国内机电技术水平的tisheng，目前钢帘线的生产设备如直线式拉丝机、中丝热处理设备、水箱拉丝机、合股成绳机以及外绕机都在逐渐国产化。为适应日益激烈的市场竞争，tisheng设备性能，降低设备成本，寻求创新型解决方案就成为设备商和终生产厂家的重要关注点。
二 工艺要求及控制系统组成
中丝热处理是对半成品钢丝通过热处理正火,消除钢丝在拉拔过程中产生的加工硬化，它是一种连续加工工艺，示意图如下：
工艺要求：
1、 对于一定直径（d）的半成品丝，牵引速度（V）要保持恒定，即d/V值恒定。
2、牵引轮和收线轮之间的半成品丝的张力（F）要保持恒定。因为收线轮采用中心收卷方式，应该进行张力锥度控制。
厂家条件：
1、 为控制成本，厂家只提供时序逻辑控制信号，不提供如张力反馈、电机编码器等信号。
2、 供应商产品必须有在国内拉丝机企业两年以上成熟应用经验并提供解决方案。
分析：如果不考虑上述限制条件，上述工艺通过一个非常普通的中心收卷方案就可以解决。因为艾默生有专门针对此类工艺的TD3300张力控制专用变频器，可是TD3300变频器三种张力控制方式所要求的条件（张力反馈信号或张力开环闭环矢量转矩模式）均不具备。为此，我们为厂家提供了如下的解决方案，并得到了厂家认可。
如上图，根据驱动轮稳速精度要求，选择了EV1000变频器。整个工艺的难点在于收线轮的张力控制。根据收卷轮运行频率范围（60Hz~5Hz）以及半成品丝的张力控制精度要求（±20%），决定采用TD3000变频器直接进行转矩控制，转矩设定指令由PLC根据用户的设定进行一系列计算之后给出。而根据工艺要求的PLC点数以及程序容量与计算速度，决定选用艾默生新推出的EC20-BRA2012PLC。
三 控制原理
1、半成品钢丝收线速度控制
由于EV1000变频器运行稳速精度<±1%的额定同步转速,完全满足工艺对速度控制精度的要求，只需要根据线径就可以计算出所需设定的变频器频率。
2、半成品钢丝收卷张力控制
张力控制是通过变频器与PLC配合来完成的，其控制思路如下：
卷径计算
由于有排线器装置，排线器从一边运行到另一边时会产生一个换向信号，我们将此信号传递给PLC，一但PLC检测到此信号，则认为卷径发生变化，具体计算关系如下式所示。
式中n表示收到第n个排线换向信号，Dn表示第n圈时的卷径，D0表示空卷时的卷径，d表示线径，而k表示卷径校正系数，一般由经验获得，和线径相关。上述公司经过实际验证，和实际情况比较吻合。
张力计算
处于成本考虑，我们没有为PLC配置模拟输入和输出模块，而是巧妙地借用了变频器的模拟输入输出口以及PLC标配的RS485通行串口来实现张力的设定。用户将张力设定电位器连接到变频器模拟输入AI1，变频器自身只是采集该模拟量值，但并不对该模拟量进行任何处理，PLC利用内置的标准通信函数与变频器通信，读取模拟量输入值，转化为张力设定值。在此处需要注意的是根据变频器串口通信协议，PLC读入值0~2000代表变频器AI1口电压输入值为-10V~+10V。
根据工艺要求，随着卷径增加（满卷与空卷之比可达4：1），收线张力必须按一定规律减小，否则会发生外层丝勒到里层中去，导致缠丝现象。PLC根据下面公式来进行张力锥度公式进行计算：
式中，F为实际设定张力，F0为电位器设定张力，D0为空卷卷径，D为当前卷径，k为锥度校正系数。其趋势图如右边所示。
设置了相应的密码（PLC可提供3 级用户密码权限）。保护用户程序的私密性。
转矩计算
基于上述卷径与张力的处理，我们可知收卷处所需要的转矩为
可以计算出需要设定的转矩百分比，通过通信直接写入变频器功能码中就可以了。
四 运行调试
这种设备运行耗费大量的电能，调试会浪费昂贵的金属线材，用户一般不会给设备厂家提供较长的调试时间，这就需要我们在正式调试前做大量而仔细的工作，确保一次成功。
1、仔细检查线路图，确保强电与弱点接线正确，尽量遵循变频器与PLC用户手册给定的走线方式。
2、因为EV1000和TD3000都具备电机参数自学习功能，特别是TD3000，因为运行在开环矢量转矩方式，一定要进行自学习。
3、在正式调试前，将PLC与变频器通信程序调通，确保读取与写入参数正确。
4、验证PLC的脉冲记数功能。
5、对PLC各计算子程序进行验证，确保计算无误。
6、按照工艺要求，认真分析各时序逻辑信号，做出正确的程序。
经过上述仔细准备，调试起来非常顺利。
五 系统优点
在和用户充分沟通、了解工艺要求与原理的基础上，结合艾默生公司工控产品的功能和特点，实现了极高性价比的中丝收线系统，这套系统具有如下的优点：
1、 系统电气配置非常简洁
一般带张力控制的收放卷系统，不是设计成带张力反馈的张力闭环控制系统，这种情况下用户需要张力反馈信号，会增加机械和电气成本，就是让矢量控制变频器工作在转矩模式，这种方式对变频器性能要求比较高，必须加装电机编码器，也增加了设备成本，并且编码器安装也费工费时。通过对收线设备的技术要求进行分析，确认TD3000变频器开环矢量转矩模式的转矩控制精度完全可以满足设备要求。当然这和TD3000先进的矢量控制算法是分不开的。
EC20系列PLC的标准配置非常丰富，它标准配置了两个通信口，其中之一就是RS485接口。在无需增加额外成本的情况下可以和变频器建立高效的通信。由于标配的通信功能，为系统节省了一个模拟输入模块和一个模拟输出模块。
2、 系统调试简单易行
在小型电气控制系统中，设备间通信的调试都是一个难点和重点。但艾默生EC20-PLC自动集成了艾默生变频器通信协议，通信非常简单，只需一条指令就可解决问题。以设定变频器运行频率为例，步骤如下：在工程管理器中的通信设备连接项的变频器连接表中设定变频器地址，型号，厂家，协议。直接利用如下指令即可：
—[ FRQ 2 D0 M0 D2 ]
其中，2表示对当前地址为2的变频器进行通信，D0存放要设置的频率，M0和D2都是反映指令执行的饿状态。
3、系统的可靠性很高
艾默生变频器很早就进入钢帘线行业，并针对钢帘线行业变频器使用环境进行了专门的改进，有着很好的环境适应性。
一般钢帘线工厂都有自建的电厂，和标准电网质量相比，电厂发电质量不好，我们在变频器输入端设计了特殊的处理电路，能够有效容忍电网质量一定程度的下降。变频器适应电网电压波动范围大，如TD3000电网电压波动范围在额定输入电压的±20%。
针对钢帘线多粉尘的潮湿环境，艾默生工控产品（变频器与PLC）的所有单板及器件引脚都进行三防漆的处理，采用独立的散热风道，更有效地降低金属粉尘的影响。
六：结束语
高性价比系统的设计必须建立在对生产工艺流程的了解之上，必须建立在对变频器和PLC性能与功能特点的熟悉之上，两者的紧密结合，才能为客户提供极具竞争力的解决方案。
TD3000变频器先进的算法，较好的开环矢量转矩控制精度是整个系统的关键所在。
艾默生推出的EC20 PLC经受住各种环境的考验，充分验证了艾默生工控产品高度的可靠性。
本文提出一种新型的基于数字PID控制的系统设计方案。该系统采用自主开发的上位机软件和可靠性强的可编程控制器，并利用变频调速实现配料系统的闭环控制，实现搅拌设备的生产自动化，tigao了搅拌设备的稳定性、可维护性及生产效率。
关键词：沥青冷再生;PID;变频器;可编程控制器
1 前 言
沥青冷再生搅拌技术是将旧沥青路面材料经过破碎加工后进行重复利用，根据再生后结构层的结构特征适当加入新骨料或细集料，按比例加入一定量的外掺剂（乳化沥青、泡沫沥青等）和适量的水，在自然环境温度下连续添加、拌和，重新形成具有所承载能力结构层的一种工艺方法。该技术充分利用旧路面的废弃材料，解决了废弃材料对空间的占用和对环境造成的污染。国内生产的沥青冷再生搅拌设备控制系统中大都采用的是开环控制的电磁调速电机配料，配料精度低且实时性差，物料浪费严重，生产成本增加。为解决上述缺点，本文提出一种新型的基于数字PID控制的沥青冷再生搅拌设备自动控制系统的设计方案。该方案形成配料系统的闭环控制，硬件投资成本低，符合实际工程设计需要。
2 工艺流程
沥青冷再生搅拌设备主要任务是保证按配料比例及所设定的生产率计算并计量各种骨料、粉料、水以及乳化沥青的重量，放料于搅拌缸中进行搅拌，达到设定搅拌时间时，打开拌缸门将成品料输送至成品仓中。其工艺流程如图1所示。
图1 工艺流程图
3 硬件配置及其功能
控制系统由工控机作为上位机、PLC为下位机以及变频器、信号检测电路、电气控制电路及驱动电路等构成。其结构图如图2所示。
图2 控制系统结构图
3.1 工控机和PLC
为保证可靠性，系统采用研华工控机作为上位机。工控机采用标准配置且内装光电隔离型8路D/A板卡和I/O适配卡。PLC采用三菱FX2N 系列，通过RS-232接口与上位机通信。
3.2 变频器
变频器用来调节各物料给料电机转速，控制每种物料的liuliang，完成物料的配比。一般变频器具有面板数字控制和端子电压（或电流）控制多种控制方式。本设备配料系统选用三菱FR-A500变频器，其面板数字控制用于调试过程或手动调节，在自动控制工作模式时，采用端子电流控制方式。可选用具有4-20mA电流输出的D/A转换板，其输出直接与变频器电流控制端子相连。图3为变频器连接图。5号端子为模拟信号公共端，10号端子为频率设定用电源，2号端子为频率设定（电压），4号端子为频率设定（电流），STF端子表示正转启动，AU端子表示电流输入选择，SD表示公共输入端子，R、S、T为三相电源输入端，U、V、W为三相电源输出端，KA1、KA2为继电器。从实际调试过程看，供料电机运行速度变化范围所对应变频器输出频率范围为10-60Hz，调节步长为0.1Hz，满足实际需要。
图3 变频器硬件连接图
3.3 信号检测单元
电机测速传感器采用直流三线型电感式接近开关，其输出的开关信号频率不低于600Hz。由于检测位置离控制室较远，为了tigao系统的抗干扰能力，其开关量信号采用电流环传输形式，并采取光电隔离措施。开关量输入信号在开关量处理板上进行调理后，通过I/O板与工控机进行联系。乳化沥青的liuliang受密度、温度、压力等因素的影响，并且沥青在管道中有残留，简单地采用罗茨传感器是无法保证测量精度的。在原有罗茨传感器的基础上，严格控制乳化沥青输送过程中的温度、压力等参数，将这些干扰减至小，利用电磁传感器的优点，将liuliang变为开关量信号，传送给工控机。
4 软件设计
4.1 骨料和粉料liuliang算法
骨料和粉料liuliang算法如下：设皮带恒定转速时，动态皮重为G,称重传感器以动态挂码方式标定后确定的折线函数为g（x），测速传感器标定后得到折线函数为V（x），则物料liuliang公式为：
e（j）＝[g（x）－G]·V（x） （1）
故某一段时间从皮带流出的物料累计量：
∫te（t）dt＝∫kt[g（t）－G]·V（t）dt （2）
（2）式中k为标定系数，可根据实物称重与工控机显示的累计重量的差异来标定。
4.2 乳化沥青liuliangPID控制算法
根据乳化沥青特点，应采用积分分离的PID算法对其进行liuliang控制。工控机中离散的PID算法子程序根据给定liuliang值和反馈量计算值的偏差进行运算，求得本次控制值。
乳化沥青liuliang的PID控制算法为：当︱e（n）∣＞∣e（0）∣时，KL＝0，进行PD控制，其表达式为：
u（n）＝a e（n）－b（n－1） （3）
4.3 骨料、粉料和水的liuliangPID控制算法
调节对象是骨料或粉料的liuliang时，由于调节对象的特点是纯滞后和惯性滞后较小，对象响应灵敏，存在着规则或不规则的干扰信号，若采用微分作用，一般会使干扰得以加强。在设置PID时，可以不采用微分作用，只采用积分为主导作用的PI控制。实践表明，这种PI控制方式能有效地消除调节系统的残余偏差。当设定liuliang与实测liuliang不相等时，调节系统输出将继续增加或减少，后使设定值与实测值一致，调节系统的输出便稳定下来。这种PI控制特性可通过数学分析得到。一般的PI控制输出表达式为：
（6）式表明u（τ）是e（τ）与T的函数。e（τ）为有限变量，其积分值的大小与0到T这段时间的变化有关。当liuliang与实测liuliang偏差为0时，系统就稳定在与设定liuliang相适应的数值上。将（6）式离散化，得到数字控制器的差分方程：
（7）式中T＇表示采样周期。
本设备变频调速供水系统是由水泵、电机、变频器等环节组成的时滞系统，涉及参数较多，而水泵工作特性又具有很强的非线性，很难给出供水系统jingque的对象数学模型。考虑到设备搅拌过程中用水量大，而骨料的含水率与天气状况直接相关，可利用微波测湿技术通过专门的仪器测量含水率，并根据含水率来改变实际物料配比。供水系统也可用积分分离的PID算法来粗略控制注水量。实践表明，其水liuliang误差是在允许范围内的。
4.4 上位机程序和下位机程序
上位机程序采用VB语言编写，其结构如图4所示。其中，用户界面以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能。用户界面包括运行界面、用户文件、参数设置、标定文件、作业报表、累积报表等。由于客户的配方不同，系统还必须创建配方库，在配方库中可建立和保存多种配方，并可在工作状态下编辑配方。上位机串口通信程序采用VB提供的通信控件MSComm。本系统采用MSCOmm控件提供的事件驱动方式，即按通信协议编写串行通信处理程序，CommEvent属性变化产生OnComm事件时，激活此程序运行，在程序中判断CommEvent的属性值，并做出相应处理，完成与PLC的通信。
图4 上位机程序结构图
下位机程序即PLC程序，系统PLC程序包括一个主程序、设备顺序启动子程序、顺序停止子程序、设备运行程序及通信程序。其中设备运行程序还嵌套了传感器信号处理程序及报警停止程序。PLC通过主程序按要求调用子程序，从而不仅保证下位机jingque控制系统运行，还保证了PLC程序较强的可读性。三菱FX2N系列PLC具有串行通信功能，本系统中，通信格式用PLC中的特殊数据寄存器D8120来进行设置。通信格式参数设置为：8位数据长度，偶校验，2位停止位，波特率9600bps。D8210＝[00000100 1000 1111]。现采用RS指令进行数据传输模式进行通信，其通信程序如图5所示。
图5 PLC 串行通信程序
5 结束语
本文提出的沥青冷再生搅拌设备控制系统与原系统相比，tigao了生产效率、配料精度以及产品整体档次，节省了生产成本，保证了设备的稳定性。改进后的搅拌设备已由沪宁高速公路镇江管理处在其施工路段投入使用，应用后检测结果表明，搅拌出的成品料的沥青裹附性良好，且控制系统达到设计要求：骨料集料误差小于3%，水泥石灰稳定剂误差小于1%，供水系统误差小于1%，乳化沥青误差小于0.5%