基于PLC的拉絲控制系統(tǒng)設(shè)計

張帆

摘 要：以西門子S7-300 PLC為核心設(shè)計拉絲控制及監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了PLC和人機界面軟件有機結(jié)合。在輔助以模糊控制、PID的程序算法提高拉絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為光纖生產(chǎn)提供了重要保證。通過驗證，該系統(tǒng)完全滿足光纖高速生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：光纖；控制算法；監(jiān)控軟件；人機界面；PLC

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）32-0004-02

光纖包層直徑的控制、預(yù)制棒送棒進(jìn)給速度、光纖涂層直徑的控制、拉絲張力穩(wěn)定控制是光纖拉絲控制程序的核心。其中光纖包層直徑、涂層直徑等各項參數(shù)的控制在整個光纖拉制過程中尤為重要。隨著各種仿真技術(shù)的運用，如何提高拉絲控制先進(jìn)性也成為提高光纖質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的重要舉措，良好的拉絲控制系統(tǒng)可以極大地降低操作人員勞動強度，提高拉絲過程的穩(wěn)定性，提升公司信息化水平，為兩化融合打下良好的軟硬件基礎(chǔ)。

可編程邏輯控制器具有較強的穩(wěn)定性及抗干擾能力，在輔以VB開發(fā)的組態(tài)軟件以其便于操作、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，使其在光纖控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計的拉絲塔控制系統(tǒng)是基于西門子S7-300系列PLC、VB開發(fā)的拉絲監(jiān)控系統(tǒng)和施耐德觸摸屏HMISTU855。

1 拉絲系統(tǒng)的基本原理

在光纖的使用過程中，光纖預(yù)制棒通過在感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行加熱，溶融成液態(tài)，在重力作用下，通過包層測徑儀、冷卻系統(tǒng)、固化爐、涂層測徑儀、最后通過對牽引速度的控制，得到了標(biāo)準(zhǔn)的包層直徑（包層直徑可以通過絲徑儀進(jìn)行測量），包層光纖經(jīng)過涂覆系統(tǒng)，在一定涂覆壓力作用下，成品光纖直徑穩(wěn)定在245 um，如圖1所示。

2 控制核心系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要包括計算機PC上位機、觸摸屏、PLC等部件組成。PC上位機通過DAserver對PLC下位機的進(jìn)行控制。監(jiān)控界面通過實時數(shù)據(jù)刷新，顯示拉絲塔的各個單體的運行狀態(tài)，利用其虛擬按鈕完成各種設(shè)備的操作。

西門子S7-300系列PLC具有通用性高、結(jié)構(gòu)緊湊、CPU處理速率高、并配有可插拔存儲卡、維護(hù)方便、性能穩(wěn)定可靠的特點，并且其集成通用PROFIBUS NET、MPI及PROFIBUS DP等通信協(xié)議，非常適合光纖拉絲過程要求。

3 控制系的統(tǒng)軟件開發(fā)

3.1 系統(tǒng)功能

使用VB開發(fā)的組態(tài)軟件主要是以實時監(jiān)控拉絲塔設(shè)備各項參數(shù)為主要內(nèi)容，開發(fā)一套完整的功能模塊。整個組態(tài)畫面操作簡單、畫面直觀性強的特點，下面簡單介紹一下功能。

3.1.1 運行狀態(tài)監(jiān)控

運行狀態(tài)的通過數(shù)據(jù)的實時采集顯示于監(jiān)控界面，便于操作人員對拉絲工藝參數(shù)和拉絲設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

3.1.2 故障報警監(jiān)控

通過對故障的監(jiān)測，設(shè)備的報警與預(yù)先編寫故障類別識別代碼進(jìn)行匹配自動判斷故障原因，方便人員及時采取應(yīng)對措施，并產(chǎn)生聲光報警，所有報警數(shù)據(jù)每隔l s采集1次，所有報警信息全部存儲于SQL數(shù)據(jù)庫內(nèi)，方便工程技術(shù)人員分析、追溯。本系統(tǒng)設(shè)置的主要故障報警有包層、涂層直徑超標(biāo)等工藝參數(shù)和各類電氣、機械傳動部件的故障報警，界面設(shè)置有消聲按鈕。

3.1.3 系統(tǒng)兼容性

采用施耐德觸摸屏HMISTU855通過USB端接紅外線掃描裝置，可以掃描光纖盤信息，便于與其它生產(chǎn)系統(tǒng)整合（與生產(chǎn)管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)相兼容）。

3.1.4 系統(tǒng)糾錯性

為了防止人為操作失誤，在軟件設(shè)置了用戶的級別和權(quán)限，不同級別擁有不同的操作權(quán)限，對人員操作設(shè)備過程也有相應(yīng)的記錄。

3.2 觸摸屏監(jiān)控界面設(shè)計

觸摸屏監(jiān)控界面采用Vijeo—Designer軟件平臺進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)收線機、輔助牽引、感應(yīng)爐控制界面，方便操作人員在不同樓層進(jìn)行控制，該觸摸屏支持配方功能，可以很方便的完成各工藝、設(shè)備參數(shù)的切換。

3.3 控制程序

PLC程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯功能運算與各種控制算法的執(zhí)行。拉絲控制程序主要有5個單元模塊，分別為光纖包層直徑的控制、預(yù)制棒送棒進(jìn)給控制、光纖涂層直徑的控制、拉絲張力穩(wěn)定控制、絲徑儀自動對中控制等，經(jīng)過實際的運行，能夠安全滿足生產(chǎn)要求。

3.3.1 包層速度控制程序

包層直徑是最重要光纖參數(shù)之一，其直徑控制是通過主牽引的速度調(diào)整來完成，下面為基本算法程序。

> 拉絲速度補正速度：v=p*-1*（（diaSet2-diaAct2）/ diaSet2）

（v：拉絲速度補正速度； P：修正系數(shù)；diaSet：目標(biāo)裸纖直徑；diaAct： 實際裸纖直徑）

優(yōu)點：由包層直徑的偏差差值自動修正拉絲補償速度的變化幅度，控制更加精準(zhǔn)。

> 程序掃描周期：FiberActlen>FiberActlen+ FiberControllen

拉絲實際長度：FiberActlen；拉絲控制長度：FiberControllen

優(yōu)點：使用固定拉絲長度來控制裸纖直徑，拉絲速度越快，控制頻率越快。測試生產(chǎn)線光纖裸纖圖形，如圖2所示。

從實際使用效果來看，光纖裸纖波動平緩，測試生產(chǎn)線裸纖波動下降30%～40%，達(dá)到控制效果。

3.3.2 送棒控制程序

模糊PID控制原理如圖3所示。

PID 離散算法如下：

u（k）=Kpe（k）+KiT■e（j）+■（1）

公式中，e（k）為第k次采樣后的得到的偏差e（k） = r（ k）-r（ k-1），Kp，Ki，Kd分別為比例、積分、微分系數(shù)，u（ k） 為輸出控制量。

由圖3和公式（1）可以明顯看出，通過模糊算法對PID的Kp，Ki和Kd進(jìn)行實時調(diào)整，升級PID算法，使其具備一定的自適應(yīng)性。

光纖在拉制過程中，拉絲速度受到預(yù)制棒棒徑波動、拉絲爐溫度、裸纖直徑的影響，而拉絲溫度影響著光纖截止波長的指標(biāo)，從控制角度來說通過調(diào)整拉絲爐爐溫來控制拉絲速度具有嚴(yán)重滯后性，為了抑制拉絲速度波動，使用模糊控制算法來實時調(diào)整PID程序的Kp，Ki，Kd參數(shù)，使預(yù)制棒進(jìn)給速度更加精準(zhǔn)。如圖4所示，拉絲速度使用前后有明顯的改善。

3.3.3 其它程序

光纖涂層直徑的控制、張力穩(wěn)定控制、絲徑儀自動控制都采用目前常用的PID算法和交流伺服的位置控制的工作原理來實現(xiàn)。

3.4 通訊網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為三個網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS-NET、PROFIBUS-DP、LON。其中拉絲加熱系統(tǒng)、拉絲主控系統(tǒng)、集中供料系統(tǒng)、氦氣回收系統(tǒng)采用PROFIBUS-NET通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，而拉絲主控系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP總線控制各執(zhí)行單元（如送棒器、固化爐、涂覆系統(tǒng)、牽引），而對生產(chǎn)環(huán)境類監(jiān)控，如百級凈化系統(tǒng)則采用LON總線。組態(tài)軟件支持網(wǎng)頁發(fā)布，技術(shù)人員只需用瀏覽器即可訪問監(jiān)控界面，實現(xiàn)參數(shù)查看和功能操作，也可以通過智能手機終端遠(yuǎn)程訪問，提高信息化程度。

4 結(jié) 論

系統(tǒng)通過DAServer通訊驅(qū)動實時采集PLC數(shù)據(jù)，集中顯示光纖拉制過程中的運行參數(shù)，操作人員根據(jù)參數(shù)狀態(tài)對拉絲生產(chǎn)進(jìn)行管理，該系統(tǒng)能夠自動判斷故障代碼，與預(yù)先編寫的故障信息進(jìn)行匹配，提高異常問題處理速度。人性化的人機界面，方便操作人員觀察和操控拉絲過程運行狀態(tài)，歷史記錄有利于管理人員對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，為光纖生產(chǎn)質(zhì)量控制、系統(tǒng)的優(yōu)化等提供重要的數(shù)據(jù)積累，系統(tǒng)采用多種總線技術(shù)使控制精度更高，提高了拉絲系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸，便于實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，與后道工序（篩選、氘氣工序）系統(tǒng)進(jìn)行整合，加速各生產(chǎn)工序流轉(zhuǎn)速度，系統(tǒng)完全滿足高速拉絲要求，已投入生產(chǎn)使用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 潘立登.先進(jìn)控制與在線優(yōu)化技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版 社，2009.