基于PLC的拉丝控制系统设计

张帆

摘 要：以西门子S7-300 PLC为核心设计拉丝控制及监控系统，实现了PLC和人机界面软件有机结合。在辅助以模糊控制、PID的程序算法提高拉丝系统的稳定性，为光纤生产提供了重要保证。通过验证，该系统完全满足光纤高速生产的要求。

关键词：光纤；控制算法；监控软件；人机界面；PLC

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）32-0004-02

光纤包层直径的控制、预制棒送棒进给速度、光纤涂层直径的控制、拉丝张力稳定控制是光纤拉丝控制程序的核心。其中光纤包层直径、涂层直径等各项参数的控制在整个光纤拉制过程中尤为重要。随着各种仿真技术的运用，如何提高拉丝控制先进性也成为提高光纤质量、降低生产成本的重要举措，良好的拉丝控制系统可以极大地降低操作人员劳动强度，提高拉丝过程的稳定性，提升公司信息化水平，为两化融合打下良好的软硬件基础。

可编程逻辑控制器具有较强的稳定性及抗干扰能力，在辅以VB开发的组态软件以其便于操作、性能稳定、响应速度快等优点，使其在光纤控制领域得到了广泛应用。

本文设计的拉丝塔控制系统是基于西门子S7-300系列PLC、VB开发的拉丝监控系统和施耐德触摸屏HMISTU855。

1 拉丝系统的基本原理

在光纤的使用过程中，光纤预制棒通过在感应炉内进行加热，溶融成液态，在重力作用下，通过包层测径仪、冷却系统、固化炉、涂层测径仪、最后通过对牵引速度的控制，得到了标准的包层直径（包层直径可以通过丝径仪进行测量），包层光纤经过涂覆系统，在一定涂覆压力作用下，成品光纤直径稳定在245 um，如图1所示。

2 控制核心系统硬件设计

系统主要包括计算机PC上位机、触摸屏、PLC等部件组成。PC上位机通过DAserver对PLC下位机的进行控制。监控界面通过实时数据刷新，显示拉丝塔的各个单体的运行状态，利用其虚拟按钮完成各种设备的操作。

西门子S7-300系列PLC具有通用性高、结构紧凑、CPU处理速率高、并配有可插拔存储卡、维护方便、性能稳定可靠的特点，并且其集成通用PROFIBUS NET、MPI及PROFIBUS DP等通信协议，非常适合光纤拉丝过程要求。

3 控制系的统软件开发

3.1 系统功能

使用VB开发的组态软件主要是以实时监控拉丝塔设备各项参数为主要内容，开发一套完整的功能模块。整个组态画面操作简单、画面直观性强的特点，下面简单介绍一下功能。

3.1.1 运行状态监控

运行状态的通过数据的实时采集显示于监控界面，便于操作人员对拉丝工艺参数和拉丝设备运行状态进行监控。

3.1.2 故障报警监控

通过对故障的监测，设备的报警与预先编写故障类别识别代码进行匹配自动判断故障原因，方便人员及时采取应对措施，并产生声光报警，所有报警数据每隔l s采集1次，所有报警信息全部存储于SQL数据库内，方便工程技术人员分析、追溯。本系统设置的主要故障报警有包层、涂层直径超标等工艺参数和各类电气、机械传动部件的故障报警，界面设置有消声按钮。

3.1.3 系统兼容性

采用施耐德触摸屏HMISTU855通过USB端接红外线扫描装置，可以扫描光纤盘信息，便于与其它生产系统整合（与生产管理系统、设备管理系统相兼容）。

3.1.4 系统纠错性

为了防止人为操作失误，在软件设置了用户的级别和权限，不同级别拥有不同的操作权限，对人员操作设备过程也有相应的记录。

3.2 触摸屏监控界面设计

触摸屏监控界面采用Vijeo—Designer软件平台进行开发。开发收线机、辅助牵引、感应炉控制界面，方便操作人员在不同楼层进行控制，该触摸屏支持配方功能，可以很方便的完成各工艺、设备参数的切换。

3.3 控制程序

PLC程序实现数据处理、逻辑功能运算与各种控制算法的执行。拉丝控制程序主要有5个单元模块，分别为光纤包层直径的控制、预制棒送棒进给控制、光纤涂层直径的控制、拉丝张力稳定控制、丝径仪自动对中控制等，经过实际的运行，能够安全满足生产要求。

3.3.1 包层速度控制程序

包层直径是最重要光纤参数之一，其直径控制是通过主牵引的速度调整来完成，下面为基本算法程序。

> 拉丝速度补正速度：v=p*-1*（（diaSet2-diaAct2）/ diaSet2）

（v：拉丝速度补正速度； P：修正系数；diaSet：目标裸纤直径；diaAct： 实际裸纤直径）

优点：由包层直径的偏差差值自动修正拉丝补偿速度的变化幅度，控制更加精准。

> 程序扫描周期：FiberActlen>FiberActlen+ FiberControllen

拉丝实际长度：FiberActlen；拉丝控制长度：FiberControllen

优点：使用固定拉丝长度来控制裸纤直径，拉丝速度越快，控制频率越快。测试生产线光纤裸纤图形，如图2所示。

从实际使用效果来看，光纤裸纤波动平缓，测试生产线裸纤波动下降30%～40%，达到控制效果。

3.3.2 送棒控制程序

模糊PID控制原理如图3所示。

PID 离散算法如下：

u（k）=Kpe（k）+KiT■e（j）+■（1）

公式中，e（k）为第k次采样后的得到的偏差e（k） = r（ k）-r（ k-1），Kp，Ki，Kd分别为比例、积分、微分系数，u（ k） 为输出控制量。

由图3和公式（1）可以明显看出，通过模糊算法对PID的Kp，Ki和Kd进行实时调整，升级PID算法，使其具备一定的自适应性。

光纤在拉制过程中，拉丝速度受到预制棒棒径波动、拉丝炉温度、裸纤直径的影响，而拉丝温度影响着光纤截止波长的指标，从控制角度来说通过调整拉丝炉炉温来控制拉丝速度具有严重滞后性，为了抑制拉丝速度波动，使用模糊控制算法来实时调整PID程序的Kp，Ki，Kd参数，使预制棒进给速度更加精准。如图4所示，拉丝速度使用前后有明显的改善。

3.3.3 其它程序

光纤涂层直径的控制、张力稳定控制、丝径仪自动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来实现。

3.4 通讯网络

系统网络分为三个网络PROFIBUS-NET、PROFIBUS-DP、LON。其中拉丝加热系统、拉丝主控系统、集中供料系统、氦气回收系统采用PROFIBUS-NET通信协议进行数据交互，而拉丝主控系统通过PROFIBUS-DP总线控制各执行单元（如送棒器、固化炉、涂覆系统、牵引），而对生产环境类监控，如百级净化系统则采用LON总线。组态软件支持网页发布，技术人员只需用浏览器即可访问监控界面，实现参数查看和功能操作，也可以通过智能手机终端远程访问，提高信息化程度。

4 结 论

系统通过DAServer通讯驱动实时采集PLC数据，集中显示光纤拉制过程中的运行参数，操作人员根据参数状态对拉丝生产进行管理，该系统能够自动判断故障代码，与预先编写的故障信息进行匹配，提高异常问题处理速度。人性化的人机界面，方便操作人员观察和操控拉丝过程运行状态，历史记录有利于管理人员对重要数据进行整理、分析，为光纤生产质量控制、系统的优化等提供重要的数据积累，系统采用多种总线技术使控制精度更高，提高了拉丝系统的可靠性，应用网络技术的数据传输，便于实现远程监控，与后道工序（筛选、氘气工序）系统进行整合，加速各生产工序流转速度，系统完全满足高速拉丝要求，已投入生产使用。

参考文献：

[1] 潘立登.先进控制与在线优化技术及其应用[M].北京：机械工业出版 社，2009.