PLC和人机界面在漆包线生产控制系统中的应用
1 引言
超细漆包线是一种精细线材，广泛应用于电子、电工行业。而PLC 作为一种通用的工业自动控制装置,具有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点,特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性,使它得到广泛的应用。本文结合笔者改造湖北卓创电工有限公司引进的奥地利MAG 公司HN2B-SN8/16高速卧式漆包机，介绍了西门子S7-300 PLC和Easyview触摸屏在高速卧式漆包机自动控制系统中的应用。
2 漆包线生产的工艺过程和控制要求
2.1漆包线的生产工艺过程
漆包线的生产工艺过程如图1所示，原材料细铜杆由拉丝电机拖动经过12道拉丝模具拉丝成一定线径后，经过退火炉退火改变铜杆内部晶体结构，然后将绝缘漆涂覆在铜线表面，再使导线进入炉膛烘焙，将溶剂蒸发并使漆成膜固化，在铜线表面形成厚薄均匀的漆膜，最后经过润滑后收线于线盘上形成成品漆包线。
牵引电机由主电机拖动，其转速由所生产漆包线的直径而定，其线速度也一定，因而它决定整条线的生产线速度。一般加工的线径越细，在炉体中烘焙的时间越短，其生产线速度越高。收线电机将成品线缠绕在收线盘上，其线速度随着缠绕直径的变大会增大，为了保证整条线生产线速度的恒定，必须逐步降低收线电机的转速。当收线盘收满线时，在不改变生产线速度的情况下需要将成品线临时缠绕到换线电机上，并在收线电机上更换空线盘，启动后重新将成品线缠绕回收线电机。拉丝电机、牵引电机、收线电机之间的细铜丝必须存在一定的张力来保证生产过程的完成。由以上分析可知，漆包线的生产传动控制是整个工艺中的关键，它直接关系到成品线材的质量。
2.2 控制要求
(1) 细线的张力控制
张力过大，会将细线拉断，造成炉体内的线因烘焙时间过长而废线;张力过小，则会造成整条线松线，使线脱离各处的滑轮组，缠绕打结，产生废线。
(2) 高精度的速度控制
该台漆包机的生产线材直径范围是0.08~0.20mm，不同线径要求有不同的生产线速度，生产最高线速度可达750m/min，允许线速误差为1m/min，对调速精度要求相当高。
(3) 系统的可靠性
细铜线价格昂贵，且生产加工距离长(在炉膛中需要来回上漆/烘焙10余次)，易变形断线。一旦发生断线，则炉膛内的线将全部报废，需要重新穿线。因而对控制系统的可靠性要求相当高。
(4) 系统的兼容性:由于是对厂方的原有设备进行改造，需要在设计时充分兼容利用原有系统的传感器和执行机构(开关、按钮、电机、调速器等)，尽可能恢复原有系统的功能。
3 控制系统的硬件构成
控制系统的总体硬件结构如图2所示。下位机由一台西门子S7-300 PLC构成，CPU选用6ES7-CPU314，带有MPI接口，选配64k EPROM存储卡。考虑系统的总点数和今后扩展的需要，配置了1个扩展机架，主机架和扩展机架各负责4条线头的生产，2个机架之间通过通信模块IM360和IM361通信。2个机架配置完全相同的DI、DO、AI、AO信号模块，实现对8条线的生产传动控制，接受操作面板上的各种按钮输入指令以及光电传感器信号，实现对拉丝、牵引、收线、换线电机的起停、同步加速、张力控制、各个电机的生产状态在操作面板上以各种指示灯显示。PLC的实际点数为64点数字量输入、126点数字量输出、26点模拟量输入、12点模拟量输出，总点数228点。
系统人机界面选用EasyView MT510TV3CN 10”触摸屏，用于监视生产状况和设置生产参数。通过配置通讯适配器PC Adapter实现西门子MPI协议和RS232串行通信协议的转换，实现触摸屏和PLC之间的数据通信。
生产线上各处的直流调速器仍然使用原有配置，拉丝电机使用Lenze 472、主牵引电机使用BARDOR SPT100，收线电机和换线电机使用Lenze 492。
烘焙炉、退火炉等炉体各关键温控点的温度控制采用日本RKC公司CD901温度控制仪表独立实现。
4 Lenze直流调速器的工作方式
HN2B卧式漆包机的原有直流调速器选用的是模拟Lenze470、490系列直流调速器，它具有转速反馈控制、电枢电压反馈控制、直接电枢电流控制等控制方式，可以二象限或四象限运行。
整条漆包线的生产线速度由牵引电机的速度决定，其速度给定通过PLC的AO模块在程序中直接给出。拉丝电机、收线电机与牵引电机的速度匹配是通过漆包线带动张力摆杆直接给定电枢电流值。张力摆杆实质是一个电位器，输出0～10V的电压，该电压通过MAG 2000同步板偏置后变为-5V～+5V的电压输入Lenze直流调速器。对于直流电机，一定的电枢电流值对应于一定的转矩，通过张力摆杆直接输出电流给定数值从而保证在收线、拉丝过程中保持张力(转矩)恒定。但在线头未绕上线盘之前，负载转矩为零，此时若直接使用电枢电流控制方式会导致故障。因此，在线头上盘之前需要使用转速反馈控制方式，其速度给定由AO模块在PLC程序中直接给出;正常生产收线时，使用电枢电流控制方式，此时转速反馈不起作用。Lenze直流调速器转速/电流控制方式的工作原理框，通过一个中间继电器实现转速-电流控制方式的切换。
5 PLC软件设计
PLC控制程序利用西门子公司提供的基于Windows平台的STEP7编程软件编写。STEP7编程软件具有非常丰富的编译工具,可以很容易地组态PLC硬件，编辑、编译、调试、下载程序。它具有类似C语言的结构化程序设计方式，通过在程序中反复调用功能(FB)和功能块(FC)可以极大地简化程序设计，减小编程负担。
按照面向对象和结构化程序设计的思想，PLC控制程序主要通过在OB1(周期循环执行组织块)中多次调用子功能块实现每条线头的拉丝、牵引、收线、换线、实现对8个线头生产的控制功能。
5.1 各控制程序块的功能简介
(1) 拉丝控制模块主要用于实现拉丝机的操作控制，它有穿线和正常工作两种状态。拉丝机处于穿线状态时，拉丝机以0或25m/min的固定速度运行，以利于操作人员完成拉丝机内多道模具的拉丝穿线操作。拉丝机处于正常工作状态时，其转速完全受张力摆杆的直接电枢电流控制，张力摆抬起，速度加快，张力摆落下，速度减慢，若张力摆位于最下端(断线状态)，拉丝机自动停机。
(2) 牵引控制模块主要用于实现牵引定速轮的操作控制，牵引定速轮有穿线和正常生产两种工作状态。穿线状态时，牵引电机以0速或25m/min的速度运行，以完成退火炉，烘焙炉的多道往复穿线工作。正常工作状态时，通过一个加速按钮、一个减速按钮实现牵引电机0、25m/min穿线速度、正常工艺生产速度的切换。
(3) 联动控制模块主要用于烘焙南炉和烘焙北炉联动控制。单动时，漆包线只穿越北烘焙炉，生产单层漆包线;联动时，漆包线穿越南北两个烘焙炉，涂双层漆生产复层漆包线。
(4) 收线控制模块用于收线电机和排线电机的控制。收线电机启动时，根据用户输入的收线盘直径和25m固定穿线速度计算出收线电机转速，收线电机以转速控制方式运行，以利于操作人员将线头缠绕到收线盘上。当线头缠绕上收线盘后，通过光电开关的检测，将收线电机切换到电枢电流控制方式，通过张力摆杆的调节，实现收线电机实际转速随收线直径的增大逐渐减小，与牵引电机的线速度完全匹配。排线电机主要实现排线走杆上下往复运动，使漆包线以等间距缠绕在收线盘上。
(5) 换线控制模块主要用于换线电机的控制，实现收线盘满盘后的换线操作。由于整套设备只有2个换线电机，每4个线头公用1个换线装置，因此共用换线装置的四台收线电机之间在换线操作上存在互锁关系。具体的换线程序流程图如图5所示。
(6) 报警处理主要用于实现收线盘满盘报警和断线报警，以提示操作人员及时换盘和处理断线事故。在PLC程序中，根据牵引电机的实际线速度反馈数值实时更新收线盘已收线的长度，当实际收线长度超过配方设定长度时，产生满盘报警。通过断线光电开关检测断线故障，并立即停止该线头的所有电机并声光报警。
(7) HMI通讯模块主要用于与触摸屏配合实现每个线头工艺生产速度设置，收线盘相应参数的设置和管理操作。
6 Easyview人机界面软件设计
Easybuilder500是Easyview HMI TEC公司出品的针对MT500系列触摸屏的人机界面应用程序组态软件，具有使用简单、组态方便的优点。Easybuilder500具有强大的网络通信功能，只要在组态时设置PLC类型和通信参数，并在监控画面的控件属性中设置正确的PLC位地址或字地址，触摸屏工作时就能根据不同PLC的通信协议建立起与PLC内部地址的连接和通信。
触摸屏监控画面主要用于显示工艺流程，显示、设置、修改各个线头的生产线速度，显示操作面板上各指示灯的状态，通过配方控件设置各条线头的收线盘参数、收线满盘长度、生产产品线径，显示各条线头的上漆量等。报警画面会在某条线头发生断线故障或收线满盘时自动弹出，并发出声光报警，提示操作工根据报警内容穿线或换盘。
为了保证系统操作的安全性，在人机界面中设置了3个用户等级，通过用户登录输入密码确定操作权限。0级为操作工级，无须输入密码;1级供生产管理人员使用，可以进入工艺画面，修改工艺流程，设置穿线速度、单炉生产和南北炉联动生产的切换;2级供电气工程师调试诊断使用，可以设置和修改PLC中速度计算公式中的各种参数，直接显示各传感器和继电器的工作状态，为故障诊断提供依据。
7 结束语
该漆包线改造控制系统自2004年5月投入生产以来，运行状况良好。系统的控制、显示、设置功能正确，完全恢复了原有进口设备的各项控制功能，改善了漆包线的产品质量，提高了生产效率，并为漆包线行业对引进设备的技术消化和改造提供了实践依据。
超细漆包线是一种精细线材，广泛应用于电子、电工行业。而PLC 作为一种通用的工业自动控制装置,具有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点,特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性,使它得到广泛的应用。本文结合笔者改造湖北卓创电工有限公司引进的奥地利MAG 公司HN2B-SN8/16高速卧式漆包机，介绍了西门子S7-300 PLC和Easyview触摸屏在高速卧式漆包机自动控制系统中的应用。
2 漆包线生产的工艺过程和控制要求
2.1漆包线的生产工艺过程
漆包线的生产工艺过程如图1所示，原材料细铜杆由拉丝电机拖动经过12道拉丝模具拉丝成一定线径后，经过退火炉退火改变铜杆内部晶体结构，然后将绝缘漆涂覆在铜线表面，再使导线进入炉膛烘焙，将溶剂蒸发并使漆成膜固化，在铜线表面形成厚薄均匀的漆膜，最后经过润滑后收线于线盘上形成成品漆包线。
牵引电机由主电机拖动，其转速由所生产漆包线的直径而定，其线速度也一定，因而它决定整条线的生产线速度。一般加工的线径越细，在炉体中烘焙的时间越短，其生产线速度越高。收线电机将成品线缠绕在收线盘上，其线速度随着缠绕直径的变大会增大，为了保证整条线生产线速度的恒定，必须逐步降低收线电机的转速。当收线盘收满线时，在不改变生产线速度的情况下需要将成品线临时缠绕到换线电机上，并在收线电机上更换空线盘，启动后重新将成品线缠绕回收线电机。拉丝电机、牵引电机、收线电机之间的细铜丝必须存在一定的张力来保证生产过程的完成。由以上分析可知，漆包线的生产传动控制是整个工艺中的关键，它直接关系到成品线材的质量。
2.2 控制要求
(1) 细线的张力控制
张力过大，会将细线拉断，造成炉体内的线因烘焙时间过长而废线;张力过小，则会造成整条线松线，使线脱离各处的滑轮组，缠绕打结，产生废线。
(2) 高精度的速度控制
该台漆包机的生产线材直径范围是0.08~0.20mm，不同线径要求有不同的生产线速度，生产最高线速度可达750m/min，允许线速误差为1m/min，对调速精度要求相当高。
(3) 系统的可靠性
细铜线价格昂贵，且生产加工距离长(在炉膛中需要来回上漆/烘焙10余次)，易变形断线。一旦发生断线，则炉膛内的线将全部报废，需要重新穿线。因而对控制系统的可靠性要求相当高。
(4) 系统的兼容性:由于是对厂方的原有设备进行改造，需要在设计时充分兼容利用原有系统的传感器和执行机构(开关、按钮、电机、调速器等)，尽可能恢复原有系统的功能。
3 控制系统的硬件构成
控制系统的总体硬件结构如图2所示。下位机由一台西门子S7-300 PLC构成，CPU选用6ES7-CPU314，带有MPI接口，选配64k EPROM存储卡。考虑系统的总点数和今后扩展的需要，配置了1个扩展机架，主机架和扩展机架各负责4条线头的生产，2个机架之间通过通信模块IM360和IM361通信。2个机架配置完全相同的DI、DO、AI、AO信号模块，实现对8条线的生产传动控制，接受操作面板上的各种按钮输入指令以及光电传感器信号，实现对拉丝、牵引、收线、换线电机的起停、同步加速、张力控制、各个电机的生产状态在操作面板上以各种指示灯显示。PLC的实际点数为64点数字量输入、126点数字量输出、26点模拟量输入、12点模拟量输出，总点数228点。
系统人机界面选用EasyView MT510TV3CN 10”触摸屏，用于监视生产状况和设置生产参数。通过配置通讯适配器PC Adapter实现西门子MPI协议和RS232串行通信协议的转换，实现触摸屏和PLC之间的数据通信。
生产线上各处的直流调速器仍然使用原有配置，拉丝电机使用Lenze 472、主牵引电机使用BARDOR SPT100，收线电机和换线电机使用Lenze 492。
烘焙炉、退火炉等炉体各关键温控点的温度控制采用日本RKC公司CD901温度控制仪表独立实现。
4 Lenze直流调速器的工作方式
HN2B卧式漆包机的原有直流调速器选用的是模拟Lenze470、490系列直流调速器，它具有转速反馈控制、电枢电压反馈控制、直接电枢电流控制等控制方式，可以二象限或四象限运行。
整条漆包线的生产线速度由牵引电机的速度决定，其速度给定通过PLC的AO模块在程序中直接给出。拉丝电机、收线电机与牵引电机的速度匹配是通过漆包线带动张力摆杆直接给定电枢电流值。张力摆杆实质是一个电位器，输出0～10V的电压，该电压通过MAG 2000同步板偏置后变为-5V～+5V的电压输入Lenze直流调速器。对于直流电机，一定的电枢电流值对应于一定的转矩，通过张力摆杆直接输出电流给定数值从而保证在收线、拉丝过程中保持张力(转矩)恒定。但在线头未绕上线盘之前，负载转矩为零，此时若直接使用电枢电流控制方式会导致故障。因此，在线头上盘之前需要使用转速反馈控制方式，其速度给定由AO模块在PLC程序中直接给出;正常生产收线时，使用电枢电流控制方式，此时转速反馈不起作用。Lenze直流调速器转速/电流控制方式的工作原理框，通过一个中间继电器实现转速-电流控制方式的切换。
5 PLC软件设计
PLC控制程序利用西门子公司提供的基于Windows平台的STEP7编程软件编写。STEP7编程软件具有非常丰富的编译工具,可以很容易地组态PLC硬件，编辑、编译、调试、下载程序。它具有类似C语言的结构化程序设计方式，通过在程序中反复调用功能(FB)和功能块(FC)可以极大地简化程序设计，减小编程负担。
按照面向对象和结构化程序设计的思想，PLC控制程序主要通过在OB1(周期循环执行组织块)中多次调用子功能块实现每条线头的拉丝、牵引、收线、换线、实现对8个线头生产的控制功能。
5.1 各控制程序块的功能简介
(1) 拉丝控制模块主要用于实现拉丝机的操作控制，它有穿线和正常工作两种状态。拉丝机处于穿线状态时，拉丝机以0或25m/min的固定速度运行，以利于操作人员完成拉丝机内多道模具的拉丝穿线操作。拉丝机处于正常工作状态时，其转速完全受张力摆杆的直接电枢电流控制，张力摆抬起，速度加快，张力摆落下，速度减慢，若张力摆位于最下端(断线状态)，拉丝机自动停机。
(2) 牵引控制模块主要用于实现牵引定速轮的操作控制，牵引定速轮有穿线和正常生产两种工作状态。穿线状态时，牵引电机以0速或25m/min的速度运行，以完成退火炉，烘焙炉的多道往复穿线工作。正常工作状态时，通过一个加速按钮、一个减速按钮实现牵引电机0、25m/min穿线速度、正常工艺生产速度的切换。
(3) 联动控制模块主要用于烘焙南炉和烘焙北炉联动控制。单动时，漆包线只穿越北烘焙炉，生产单层漆包线;联动时，漆包线穿越南北两个烘焙炉，涂双层漆生产复层漆包线。
(4) 收线控制模块用于收线电机和排线电机的控制。收线电机启动时，根据用户输入的收线盘直径和25m固定穿线速度计算出收线电机转速，收线电机以转速控制方式运行，以利于操作人员将线头缠绕到收线盘上。当线头缠绕上收线盘后，通过光电开关的检测，将收线电机切换到电枢电流控制方式，通过张力摆杆的调节，实现收线电机实际转速随收线直径的增大逐渐减小，与牵引电机的线速度完全匹配。排线电机主要实现排线走杆上下往复运动，使漆包线以等间距缠绕在收线盘上。
(5) 换线控制模块主要用于换线电机的控制，实现收线盘满盘后的换线操作。由于整套设备只有2个换线电机，每4个线头公用1个换线装置，因此共用换线装置的四台收线电机之间在换线操作上存在互锁关系。具体的换线程序流程图如图5所示。
(6) 报警处理主要用于实现收线盘满盘报警和断线报警，以提示操作人员及时换盘和处理断线事故。在PLC程序中，根据牵引电机的实际线速度反馈数值实时更新收线盘已收线的长度，当实际收线长度超过配方设定长度时，产生满盘报警。通过断线光电开关检测断线故障，并立即停止该线头的所有电机并声光报警。
(7) HMI通讯模块主要用于与触摸屏配合实现每个线头工艺生产速度设置，收线盘相应参数的设置和管理操作。
6 Easyview人机界面软件设计
Easybuilder500是Easyview HMI TEC公司出品的针对MT500系列触摸屏的人机界面应用程序组态软件，具有使用简单、组态方便的优点。Easybuilder500具有强大的网络通信功能，只要在组态时设置PLC类型和通信参数，并在监控画面的控件属性中设置正确的PLC位地址或字地址，触摸屏工作时就能根据不同PLC的通信协议建立起与PLC内部地址的连接和通信。
触摸屏监控画面主要用于显示工艺流程，显示、设置、修改各个线头的生产线速度，显示操作面板上各指示灯的状态，通过配方控件设置各条线头的收线盘参数、收线满盘长度、生产产品线径，显示各条线头的上漆量等。报警画面会在某条线头发生断线故障或收线满盘时自动弹出，并发出声光报警，提示操作工根据报警内容穿线或换盘。
为了保证系统操作的安全性，在人机界面中设置了3个用户等级，通过用户登录输入密码确定操作权限。0级为操作工级，无须输入密码;1级供生产管理人员使用，可以进入工艺画面，修改工艺流程，设置穿线速度、单炉生产和南北炉联动生产的切换;2级供电气工程师调试诊断使用，可以设置和修改PLC中速度计算公式中的各种参数，直接显示各传感器和继电器的工作状态，为故障诊断提供依据。
7 结束语
该漆包线改造控制系统自2004年5月投入生产以来，运行状况良好。系统的控制、显示、设置功能正确，完全恢复了原有进口设备的各项控制功能，改善了漆包线的产品质量，提高了生产效率，并为漆包线行业对引进设备的技术消化和改造提供了实践依据。
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