PLC和人機界面在漆包線生產控制系統中的應用
1 引言
超細漆包線是一種精細線材，廣泛應用于電子、電工行業。而PLC 作為一種通用的工業自動控制裝置,具有體積小、功能強、程序設計簡單、維護方便等優點,特別是它適應惡劣工業環境的能力和它的高可靠性,使它得到廣泛的應用。本文結合筆者改造湖北卓創電工有限公司引進的奧地利MAG 公司HN2B-SN8/16高速臥式漆包機，介紹了西門子S7-300 PLC和Easyview觸摸屏在高速臥式漆包機自動控制系統中的應用。
2 漆包線生產的工藝過程和控制要求
2.1漆包線的生產工藝過程
漆包線的生產工藝過程如圖1所示，原材料細銅桿由拉絲電機拖動經過12道拉絲模具拉絲成一定線徑后，經過退火爐退火改變銅桿內部晶體結構，然后將絕緣漆涂覆在銅線表面，再使導線進入爐膛烘焙，將溶劑蒸發并使漆成膜固化，在銅線表面形成厚薄均勻的漆膜，最后經過潤滑后收線于線盤上形成成品漆包線。
牽引電機由主電機拖動，其轉速由所生產漆包線的直徑而定，其線速度也一定，因而它決定整條線的生產線速度。一般加工的線徑越細，在爐體中烘焙的時間越短，其生產線速度越高。收線電機將成品線纏繞在收線盤上，其線速度隨著纏繞直徑的變大會增大，為了保證整條線生產線速度的恒定，必須逐步降低收線電機的轉速。當收線盤收滿線時，在不改變生產線速度的情況下需要將成品線臨時纏繞到換線電機上，并在收線電機上更換空線盤，啟動后重新將成品線纏繞回收線電機。拉絲電機、牽引電機、收線電機之間的細銅絲必須存在一定的張力來保證生產過程的完成。由以上分析可知，漆包線的生產傳動控制是整個工藝中的關鍵，它直接關系到成品線材的質量。
2.2 控制要求
(1) 細線的張力控制
張力過大，會將細線拉斷，造成爐體內的線因烘焙時間過長而廢線;張力過小，則會造成整條線松線，使線脫離各處的滑輪組，纏繞打結，產生廢線。
(2) 高精度的速度控制
該臺漆包機的生產線材直徑范圍是0.08~0.20mm，不同線徑要求有不同的生產線速度，生產最高線速度可達750m/min，允許線速誤差為1m/min，對調速精度要求相當高。
(3) 系統的可靠性
細銅線價格昂貴，且生產加工距離長(在爐膛中需要來回上漆/烘焙10余次)，易變形斷線。一旦發生斷線，則爐膛內的線將全部報廢，需要重新穿線。因而對控制系統的可靠性要求相當高。
(4) 系統的兼容性:由于是對廠方的原有設備進行改造，需要在設計時充分兼容利用原有系統的傳感器和執行機構(開關、按鈕、電機、調速器等)，盡可能恢復原有系統的功能。
3 控制系統的硬件構成
控制系統的總體硬件結構如圖2所示。下位機由一臺西門子S7-300 PLC構成，CPU選用6ES7-CPU314，帶有MPI接口，選配64k EPROM存儲卡。考慮系統的總點數和今后擴展的需要，配置了1個擴展機架，主機架和擴展機架各負責4條線頭的生產，2個機架之間通過通信模塊IM360和IM361通信。2個機架配置完全相同的DI、DO、AI、AO信號模塊，實現對8條線的生產傳動控制，接受操作面板上的各種按鈕輸入指令以及光電傳感器信號，實現對拉絲、牽引、收線、換線電機的起停、同步加速、張力控制、各個電機的生產狀態在操作面板上以各種指示燈顯示。PLC的實際點數為64點數字量輸入、126點數字量輸出、26點模擬量輸入、12點模擬量輸出，總點數228點。
系統人機界面選用EasyView MT510TV3CN 10”觸摸屏，用于監視生產狀況和設置生產參數。通過配置通訊適配器PC Adapter實現西門子MPI協議和RS232串行通信協議的轉換，實現觸摸屏和PLC之間的數據通信。
生產線上各處的直流調速器仍然使用原有配置，拉絲電機使用Lenze 472、主牽引電機使用BARDOR SPT100，收線電機和換線電機使用Lenze 492。
烘焙爐、退火爐等爐體各關鍵溫控點的溫度控制采用日本RKC公司CD901溫度控制儀表獨立實現。
4 Lenze直流調速器的工作方式
HN2B臥式漆包機的原有直流調速器選用的是模擬Lenze470、490系列直流調速器，它具有轉速反饋控制、電樞電壓反饋控制、直接電樞電流控制等控制方式，可以二象限或四象限運行。
整條漆包線的生產線速度由牽引電機的速度決定，其速度給定通過PLC的AO模塊在程序中直接給出。拉絲電機、收線電機與牽引電機的速度匹配是通過漆包線帶動張力擺桿直接給定電樞電流值。張力擺桿實質是一個電位器，輸出0～10V的電壓，該電壓通過MAG 2000同步板偏置后變為-5V～+5V的電壓輸入Lenze直流調速器。對于直流電機，一定的電樞電流值對應于一定的轉矩，通過張力擺桿直接輸出電流給定數值從而保證在收線、拉絲過程中保持張力(轉矩)恒定。但在線頭未繞上線盤之前，負載轉矩為零，此時若直接使用電樞電流控制方式會導致故障。因此，在線頭上盤之前需要使用轉速反饋控制方式，其速度給定由AO模塊在PLC程序中直接給出;正常生產收線時，使用電樞電流控制方式，此時轉速反饋不起作用。Lenze直流調速器轉速/電流控制方式的工作原理框，通過一個中間繼電器實現轉速-電流控制方式的切換。
5 PLC軟件設計
PLC控制程序利用西門子公司提供的基于Windows平臺的STEP7編程軟件編寫。STEP7編程軟件具有非常豐富的編譯工具,可以很容易地組態PLC硬件，編輯、編譯、調試、下載程序。它具有類似C語言的結構化程序設計方式，通過在程序中反復調用功能(FB)和功能塊(FC)可以極大地簡化程序設計，減小編程負擔。
按照面向對象和結構化程序設計的思想，PLC控制程序主要通過在OB1(周期循環執行組織塊)中多次調用子功能塊實現每條線頭的拉絲、牽引、收線、換線、實現對8個線頭生產的控制功能。
5.1 各控制程序塊的功能簡介
(1) 拉絲控制模塊主要用于實現拉絲機的操作控制，它有穿線和正常工作兩種狀態。拉絲機處于穿線狀態時，拉絲機以0或25m/min的固定速度運行，以利于操作人員完成拉絲機內多道模具的拉絲穿線操作。拉絲機處于正常工作狀態時，其轉速完全受張力擺桿的直接電樞電流控制，張力擺抬起，速度加快，張力擺落下，速度減慢，若張力擺位于最下端(斷線狀態)，拉絲機自動停機。
(2) 牽引控制模塊主要用于實現牽引定速輪的操作控制，牽引定速輪有穿線和正常生產兩種工作狀態。穿線狀態時，牽引電機以0速或25m/min的速度運行，以完成退火爐，烘焙爐的多道往復穿線工作。正常工作狀態時，通過一個加速按鈕、一個減速按鈕實現牽引電機0、25m/min穿線速度、正常工藝生產速度的切換。
(3) 聯動控制模塊主要用于烘焙南爐和烘焙北爐聯動控制。單動時，漆包線只穿越北烘焙爐，生產單層漆包線;聯動時，漆包線穿越南北兩個烘焙爐，涂雙層漆生產復層漆包線。
(4) 收線控制模塊用于收線電機和排線電機的控制。收線電機啟動時，根據用戶輸入的收線盤直徑和25m固定穿線速度計算出收線電機轉速，收線電機以轉速控制方式運行，以利于操作人員將線頭纏繞到收線盤上。當線頭纏繞上收線盤后，通過光電開關的檢測，將收線電機切換到電樞電流控制方式，通過張力擺桿的調節，實現收線電機實際轉速隨收線直徑的增大逐漸減小，與牽引電機的線速度完全匹配。排線電機主要實現排線走桿上下往復運動，使漆包線以等間距纏繞在收線盤上。
(5) 換線控制模塊主要用于換線電機的控制，實現收線盤滿盤后的換線操作。由于整套設備只有2個換線電機，每4個線頭公用1個換線裝置，因此共用換線裝置的四臺收線電機之間在換線操作上存在互鎖關系。具體的換線程序流程圖如圖5所示。
(6) 報警處理主要用于實現收線盤滿盤報警和斷線報警，以提示操作人員及時換盤和處理斷線事故。在PLC程序中，根據牽引電機的實際線速度反饋數值實時更新收線盤已收線的長度，當實際收線長度超過配方設定長度時，產生滿盤報警。通過斷線光電開關檢測斷線故障，并立即停止該線頭的所有電機并聲光報警。
(7) HMI通訊模塊主要用于與觸摸屏配合實現每個線頭工藝生產速度設置，收線盤相應參數的設置和管理操作。
6 Easyview人機界面軟件設計
Easybuilder500是Easyview HMI TEC公司出品的針對MT500系列觸摸屏的人機界面應用程序組態軟件，具有使用簡單、組態方便的優點。Easybuilder500具有強大的網絡通信功能，只要在組態時設置PLC類型和通信參數，并在監控畫面的控件屬性中設置正確的PLC位地址或字地址，觸摸屏工作時就能根據不同PLC的通信協議建立起與PLC內部地址的連接和通信。
觸摸屏監控畫面主要用于顯示工藝流程，顯示、設置、修改各個線頭的生產線速度，顯示操作面板上各指示燈的狀態，通過配方控件設置各條線頭的收線盤參數、收線滿盤長度、生產產品線徑，顯示各條線頭的上漆量等。報警畫面會在某條線頭發生斷線故障或收線滿盤時自動彈出，并發出聲光報警，提示操作工根據報警內容穿線或換盤。
為了保證系統操作的安全性，在人機界面中設置了3個用戶等級，通過用戶登錄輸入密碼確定操作權限。0級為操作工級，無須輸入密碼;1級供生產管理人員使用，可以進入工藝畫面，修改工藝流程，設置穿線速度、單爐生產和南北爐聯動生產的切換;2級供電氣工程師調試診斷使用，可以設置和修改PLC中速度計算公式中的各種參數，直接顯示各傳感器和繼電器的工作狀態，為故障診斷提供依據。
7 結束語
該漆包線改造控制系統自2004年5月投入生產以來，運行狀況良好。系統的控制、顯示、設置功能正確，完全恢復了原有進口設備的各項控制功能，改善了漆包線的產品質量，提高了生產效率，并為漆包線行業對引進設備的技術消化和改造提供了實踐依據。
超細漆包線是一種精細線材，廣泛應用于電子、電工行業。而PLC 作為一種通用的工業自動控制裝置,具有體積小、功能強、程序設計簡單、維護方便等優點,特別是它適應惡劣工業環境的能力和它的高可靠性,使它得到廣泛的應用。本文結合筆者改造湖北卓創電工有限公司引進的奧地利MAG 公司HN2B-SN8/16高速臥式漆包機，介紹了西門子S7-300 PLC和Easyview觸摸屏在高速臥式漆包機自動控制系統中的應用。
2 漆包線生產的工藝過程和控制要求
2.1漆包線的生產工藝過程
漆包線的生產工藝過程如圖1所示，原材料細銅桿由拉絲電機拖動經過12道拉絲模具拉絲成一定線徑后，經過退火爐退火改變銅桿內部晶體結構，然后將絕緣漆涂覆在銅線表面，再使導線進入爐膛烘焙，將溶劑蒸發并使漆成膜固化，在銅線表面形成厚薄均勻的漆膜，最后經過潤滑后收線于線盤上形成成品漆包線。
牽引電機由主電機拖動，其轉速由所生產漆包線的直徑而定，其線速度也一定，因而它決定整條線的生產線速度。一般加工的線徑越細，在爐體中烘焙的時間越短，其生產線速度越高。收線電機將成品線纏繞在收線盤上，其線速度隨著纏繞直徑的變大會增大，為了保證整條線生產線速度的恒定，必須逐步降低收線電機的轉速。當收線盤收滿線時，在不改變生產線速度的情況下需要將成品線臨時纏繞到換線電機上，并在收線電機上更換空線盤，啟動后重新將成品線纏繞回收線電機。拉絲電機、牽引電機、收線電機之間的細銅絲必須存在一定的張力來保證生產過程的完成。由以上分析可知，漆包線的生產傳動控制是整個工藝中的關鍵，它直接關系到成品線材的質量。
2.2 控制要求
(1) 細線的張力控制
張力過大，會將細線拉斷，造成爐體內的線因烘焙時間過長而廢線;張力過小，則會造成整條線松線，使線脫離各處的滑輪組，纏繞打結，產生廢線。
(2) 高精度的速度控制
該臺漆包機的生產線材直徑范圍是0.08~0.20mm，不同線徑要求有不同的生產線速度，生產最高線速度可達750m/min，允許線速誤差為1m/min，對調速精度要求相當高。
(3) 系統的可靠性
細銅線價格昂貴，且生產加工距離長(在爐膛中需要來回上漆/烘焙10余次)，易變形斷線。一旦發生斷線，則爐膛內的線將全部報廢，需要重新穿線。因而對控制系統的可靠性要求相當高。
(4) 系統的兼容性:由于是對廠方的原有設備進行改造，需要在設計時充分兼容利用原有系統的傳感器和執行機構(開關、按鈕、電機、調速器等)，盡可能恢復原有系統的功能。
3 控制系統的硬件構成
控制系統的總體硬件結構如圖2所示。下位機由一臺西門子S7-300 PLC構成，CPU選用6ES7-CPU314，帶有MPI接口，選配64k EPROM存儲卡。考慮系統的總點數和今后擴展的需要，配置了1個擴展機架，主機架和擴展機架各負責4條線頭的生產，2個機架之間通過通信模塊IM360和IM361通信。2個機架配置完全相同的DI、DO、AI、AO信號模塊，實現對8條線的生產傳動控制，接受操作面板上的各種按鈕輸入指令以及光電傳感器信號，實現對拉絲、牽引、收線、換線電機的起停、同步加速、張力控制、各個電機的生產狀態在操作面板上以各種指示燈顯示。PLC的實際點數為64點數字量輸入、126點數字量輸出、26點模擬量輸入、12點模擬量輸出，總點數228點。
系統人機界面選用EasyView MT510TV3CN 10”觸摸屏，用于監視生產狀況和設置生產參數。通過配置通訊適配器PC Adapter實現西門子MPI協議和RS232串行通信協議的轉換，實現觸摸屏和PLC之間的數據通信。
生產線上各處的直流調速器仍然使用原有配置，拉絲電機使用Lenze 472、主牽引電機使用BARDOR SPT100，收線電機和換線電機使用Lenze 492。
烘焙爐、退火爐等爐體各關鍵溫控點的溫度控制采用日本RKC公司CD901溫度控制儀表獨立實現。
4 Lenze直流調速器的工作方式
HN2B臥式漆包機的原有直流調速器選用的是模擬Lenze470、490系列直流調速器，它具有轉速反饋控制、電樞電壓反饋控制、直接電樞電流控制等控制方式，可以二象限或四象限運行。
整條漆包線的生產線速度由牽引電機的速度決定，其速度給定通過PLC的AO模塊在程序中直接給出。拉絲電機、收線電機與牽引電機的速度匹配是通過漆包線帶動張力擺桿直接給定電樞電流值。張力擺桿實質是一個電位器，輸出0～10V的電壓，該電壓通過MAG 2000同步板偏置后變為-5V～+5V的電壓輸入Lenze直流調速器。對于直流電機，一定的電樞電流值對應于一定的轉矩，通過張力擺桿直接輸出電流給定數值從而保證在收線、拉絲過程中保持張力(轉矩)恒定。但在線頭未繞上線盤之前，負載轉矩為零，此時若直接使用電樞電流控制方式會導致故障。因此，在線頭上盤之前需要使用轉速反饋控制方式，其速度給定由AO模塊在PLC程序中直接給出;正常生產收線時，使用電樞電流控制方式，此時轉速反饋不起作用。Lenze直流調速器轉速/電流控制方式的工作原理框，通過一個中間繼電器實現轉速-電流控制方式的切換。
5 PLC軟件設計
PLC控制程序利用西門子公司提供的基于Windows平臺的STEP7編程軟件編寫。STEP7編程軟件具有非常豐富的編譯工具,可以很容易地組態PLC硬件，編輯、編譯、調試、下載程序。它具有類似C語言的結構化程序設計方式，通過在程序中反復調用功能(FB)和功能塊(FC)可以極大地簡化程序設計，減小編程負擔。
按照面向對象和結構化程序設計的思想，PLC控制程序主要通過在OB1(周期循環執行組織塊)中多次調用子功能塊實現每條線頭的拉絲、牽引、收線、換線、實現對8個線頭生產的控制功能。
5.1 各控制程序塊的功能簡介
(1) 拉絲控制模塊主要用于實現拉絲機的操作控制，它有穿線和正常工作兩種狀態。拉絲機處于穿線狀態時，拉絲機以0或25m/min的固定速度運行，以利于操作人員完成拉絲機內多道模具的拉絲穿線操作。拉絲機處于正常工作狀態時，其轉速完全受張力擺桿的直接電樞電流控制，張力擺抬起，速度加快，張力擺落下，速度減慢，若張力擺位于最下端(斷線狀態)，拉絲機自動停機。
(2) 牽引控制模塊主要用于實現牽引定速輪的操作控制，牽引定速輪有穿線和正常生產兩種工作狀態。穿線狀態時，牽引電機以0速或25m/min的速度運行，以完成退火爐，烘焙爐的多道往復穿線工作。正常工作狀態時，通過一個加速按鈕、一個減速按鈕實現牽引電機0、25m/min穿線速度、正常工藝生產速度的切換。
(3) 聯動控制模塊主要用于烘焙南爐和烘焙北爐聯動控制。單動時，漆包線只穿越北烘焙爐，生產單層漆包線;聯動時，漆包線穿越南北兩個烘焙爐，涂雙層漆生產復層漆包線。
(4) 收線控制模塊用于收線電機和排線電機的控制。收線電機啟動時，根據用戶輸入的收線盤直徑和25m固定穿線速度計算出收線電機轉速，收線電機以轉速控制方式運行，以利于操作人員將線頭纏繞到收線盤上。當線頭纏繞上收線盤后，通過光電開關的檢測，將收線電機切換到電樞電流控制方式，通過張力擺桿的調節，實現收線電機實際轉速隨收線直徑的增大逐漸減小，與牽引電機的線速度完全匹配。排線電機主要實現排線走桿上下往復運動，使漆包線以等間距纏繞在收線盤上。
(5) 換線控制模塊主要用于換線電機的控制，實現收線盤滿盤后的換線操作。由于整套設備只有2個換線電機，每4個線頭公用1個換線裝置，因此共用換線裝置的四臺收線電機之間在換線操作上存在互鎖關系。具體的換線程序流程圖如圖5所示。
(6) 報警處理主要用于實現收線盤滿盤報警和斷線報警，以提示操作人員及時換盤和處理斷線事故。在PLC程序中，根據牽引電機的實際線速度反饋數值實時更新收線盤已收線的長度，當實際收線長度超過配方設定長度時，產生滿盤報警。通過斷線光電開關檢測斷線故障，并立即停止該線頭的所有電機并聲光報警。
(7) HMI通訊模塊主要用于與觸摸屏配合實現每個線頭工藝生產速度設置，收線盤相應參數的設置和管理操作。
6 Easyview人機界面軟件設計
Easybuilder500是Easyview HMI TEC公司出品的針對MT500系列觸摸屏的人機界面應用程序組態軟件，具有使用簡單、組態方便的優點。Easybuilder500具有強大的網絡通信功能，只要在組態時設置PLC類型和通信參數，并在監控畫面的控件屬性中設置正確的PLC位地址或字地址，觸摸屏工作時就能根據不同PLC的通信協議建立起與PLC內部地址的連接和通信。
觸摸屏監控畫面主要用于顯示工藝流程，顯示、設置、修改各個線頭的生產線速度，顯示操作面板上各指示燈的狀態，通過配方控件設置各條線頭的收線盤參數、收線滿盤長度、生產產品線徑，顯示各條線頭的上漆量等。報警畫面會在某條線頭發生斷線故障或收線滿盤時自動彈出，并發出聲光報警，提示操作工根據報警內容穿線或換盤。
為了保證系統操作的安全性，在人機界面中設置了3個用戶等級，通過用戶登錄輸入密碼確定操作權限。0級為操作工級，無須輸入密碼;1級供生產管理人員使用，可以進入工藝畫面，修改工藝流程，設置穿線速度、單爐生產和南北爐聯動生產的切換;2級供電氣工程師調試診斷使用，可以設置和修改PLC中速度計算公式中的各種參數，直接顯示各傳感器和繼電器的工作狀態，為故障診斷提供依據。
7 結束語
該漆包線改造控制系統自2004年5月投入生產以來，運行狀況良好。系統的控制、顯示、設置功能正確，完全恢復了原有進口設備的各項控制功能，改善了漆包線的產品質量，提高了生產效率，并為漆包線行業對引進設備的技術消化和改造提供了實踐依據。
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