1张拉力检测
生产中要求实时检测钢丝绳张拉力，但由于测量传感器的检测范围所限，钢丝绳张拉力的检测是通过间接测量的方式得到的。在第一牵引轮与第二牵引轮之间安装了张拉力检测轮，用来检测运行中钢丝绳的张拉力。张拉力检测轮的支撑轴为轴销式压力传感器，钢丝绳经过检测轮形成夹角θ(补角为α，传感器安装角为α/2)，钢丝绳张拉时通过张拉力检测轮在传感器上产生合力，钢丝绳张拉力合力方向即为传感器检测力的方向，其受力示意图如图2所示。张拉力主要采用PID控制。根据张拉力设定值与传感器测量张拉力实际值的差值，通过PID运算，限幅后控制电机输出转矩，使钢丝绳张拉力达到设定值。但在实际运行中，为了使成绳机在启动加速阶段迅速建立张拉力，以及改变张拉力设定时快速达到设定值(建立或卸放张拉力)，则采用增量式和PID相结合的控制。在设定值与实际值差值大于3kN时，张拉力的调节采用增量式控制，即以固定的时间周期，连续地从零累加(减)一个固定值，并将累加结果作为第二牵引轮转矩给定。
2张拉力控制
张拉力是由第二牵引轮与第一牵引轮之间的转速差形成的，第二牵引轮的转速略大于第一牵引轮的转速。根据钢丝绳的直径、结构等不同，转速差也有一定的差别。为形成转速差，9/630在线预张拉成绳机采用的控制方式:第一牵引轮电机速度控制，第二牵引轮电机转矩控制。根据张拉力检测传感器测量数据，直接控制第二牵引轮电机输出转矩产生转速差，使2个牵引轮之间的钢丝绳张拉力达到设定值，张拉力控制原理如图3所示。随着张拉力实际值不断增加，当设定值与实际值差值≤3kN时，增量式控制的累加结果固定，张拉力的调节转换为PID控制进行微调，第二牵引轮转矩给定值为累加结果和PID输出的和值，调节后使张拉力平稳达到设定值，不超调，并且保证运行中张拉力变化在工艺要求的±2kN以内。
3电气控制系统
3．1控制系统构成
9/630在线预张拉成绳机的电气系统采用PLC、现场总线控制，其网络拓扑如图4所示。网络控制系统由1个PLC主站、1个PLC现场IO站、人机界面及4台变频器联网构成，各个通讯站点通过Profibus－DP现场总线进行数据交换。Profibus－DP现场总线最高传输速率能达到12Mbps，但由于此系统通讯距离较长、现场强电干扰源较多，为了保证通讯正常可靠，系统现场总线的通讯速率选定为1．5Mbps［3］。
3．2主要元器件功能
PLC选用西门子S7－300系列，CPU为313C－2DP，该CPU集成Profibus－DP通讯接口，作为整个网络的主站。由于现场信号与配电室距离较远，网络中配置现场IO站，现场信号、传感器信号、操作控制等信号通过现场IO站传入PLC主站进行逻辑运算以及数据处理，处理结果通过Profibus－DP现场总线发送指令到各个变频器控制相应的运行状态［4］。人机界面安装在现场操作台上，其接入Profibus－DP现场总线，显示设备运行状态、各运行参数的实时数值，便于操作人员清楚了解设备状况及工艺参数，并且通过人机界面，操作人员随时对运行参数进行设置。控制系统中，张拉力检测轮上的传感器决定着张拉力控制的效果及精度，设计选型上采用轴销式压力传感器，其型号为ZX－2T，输出0～20mA模拟量信号，传感器信号通过PLC现场IO站的模拟量模块采集张拉力信号到PLC，PLC进行数据运算控制钢丝绳张拉力达到设定数值。9/630在线预张拉成绳机的运行要求动态响应好、力矩精度高，所以在变频器的选型上要求较高，为此变频器选用施耐德公司ATV71系列变频器［5］。主机电机为速度控制模式，电机端部的旋转编码器反馈信号接入变频器，形成速度闭环控制，使电机的速度精度达到额定速度的±0．01%，保证运行时速度平稳。第二牵引轮电机为转矩控制模式，同样安装旋转编码器，反馈信号接入变频器形成速度闭环控制，使转矩的控制精度达到±5%，有效地保证运行时的张拉力精确、平稳。收线机卷绕控制采用电机转矩控制模式，电机旋转编码器反馈信号接入变频器形成速度闭环控制，提高转矩精度，通过PLC进行卷径等计算，实现恒张力收线［6］。
3．3共直流母线应用
成绳机运行时需要改变运转速度。由于主机存在很大的惯性，在其降速过程中，能量回馈到变频器直流母线，直流母线电压升高，达到一定数值后，制动单元动作，回馈能量消耗在制动电阻上;又由于直流母线电压波动，导致直流母线上的电容频繁充放电，电容使用寿命受到很大影响，严重时还会导致电容爆炸、变频器损坏。为此，9/630在线预张拉成绳机采用了变频器共直流母线技术，如图5所示。实现把焊丝紧压在测速轮上的同时，完成断线检测功能。当断线时此装置会压下1个线径的移动量产生位移，位移触动接近开关会产生信号进行反馈。
3．4放线机设计
放线机驱动部分采用交流变频电机通过一级皮带传动带动工字轮旋转，完成放线功能。放线主传动为一级皮带传动，按恒线速8m/s，埋弧焊丝一般采用h800工字轮，确定速比i=2．8，小皮带轮直径D1=140mm，大皮带轮直径D2=392mm。设定加减速时间为10s，根据8m/s恒线速和速比，进行电机选型，最终确定选用6极11kW电机作为放线电机。按公式f=Pn/60计算出最高转速时电机运行频率为48Hz，最低为24．6Hz，电机处于恒转矩运行状态，其中P=3为6极电机极对数。
3．5电控系统
整机电气系统由可编程控制器、交流变频器、人机界面、通讯等控制完成。收线机整机线速度可调，可保证恒线速8m/s高速运行。放线机为恒张力放线。在层绕过程中，放线机由满轮到空轮，直径由大变小，张力大小根据放线工字轮轮径大小自动调整。同时通过卷径计算，实现线速度跟踪，以保证焊丝张力基本恒定。
4结语
新型埋弧焊丝层绕机采用先进的控制技术，实现中文界面、人机对话及PLC触摸屏操作，可任意设置焊丝层绕层数、根数及重量;采用微机计重、自动对零、层绕到重量自动报警停车。新设备可实现电气无极调速，保证恒线速8m/s运行，夹盘装置只用一种夹具就可以层绕任意线径的埋弧焊丝，操作简单方便，降低生产成本，提高了生产效率。
作者：孙继东 邰建明 单位：贵州钢绳股份有限公司
