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单芯裸铜线的自动加塑过程中,主牵引机带动裸铜线经过挤塑机塑封上塑料,经测径、
水冷、打字、耐压测试合格后由收线机收卷成盘。生产过程中要求线材必须保持适当的张力,
才能保证加塑均匀、铜芯不被拉断或堆挤、卷取排列整齐、松紧适度。而线径大小,卷筒直
径,电机速度等因素,都会影响到系统的张力,影响产品质量。

根据胡克定律,卷绕系统中卷材的张力来源于放卷和收卷的线速度差[3],当放卷速度恒定时,保持卷取张力恒定实质上就是控制收卷速度。而在卷取过程中,当电机转速一定时,
卷径的变化也会影响卷取速度;主牵引机进行加减速时,即建张阶段,还会存在张力的震荡
[4],所以张力控制系统不仅要对速度的冲击有较强的抵抗力,同时对卷径的变化也应具有
较强的鲁棒性。

要解决好上述问题,采用传统算法的张力闭环系统很难达到令人满意的效果,因此,设
计了电流、速度、张力三环变结构串级控制系统。建张过程中投入速度调节器,系统为转速
电流双闭环调速系统,PI型调节律,通过控制转速间接控制张力,属于间接张力控制系统;建张完成后,即张力偏差小于5%时,张力环投入工作,形成张力电流双闭环系统,并引入
一种新的控制策略——简单自适应控制律,系统为直接张力控制系统[4]。系统结构图如图2所示。
图2、电线加塑恒张力简单自适应控制系统原理框图
图中BF为张力检测环节;PLG为光电码盘测速环节;M为直流收卷电机;ASR、ACR分别为全数字直流调速装置中的转速调节器和电流调节器;TA为电流互感器;D/P为脉冲生成
环节;P/D为脉冲整形环节;ATR为张力调节器;Ke,Kx和Ku为简单自适应算法中的PI调节律。
简单自适应控制的主要特征是控制器组成结构简单,且与被控对象模型基本无关。控制
的目标是使被控对象的输出性能按照参考模型的输出性能变化,参考模型的阶次可以大大低
于被控对象的阶次。在简单自适应控制的算法中,不仅使用了参考模型的输出与被控对象实
际输出的误差信息,还利用了参考模型的输入和其状态信息,这些信息的运用,提高了系统
的控制精度,因而只要选择好参考模型,就能达到张力闭环控制系统的要求。2
结合生产实际情况,电线加塑生产张力控制系统由直流收卷电机、全数字直流调速装置、
PC机和张力传感器构成。转速、电流双闭环由传动级实现,本系统采用了德国西门子的SIMOREGDC-MASTER6RA70全数字直流调速装置。该装置主回路采用三相桥式反并联电
路,16位的微处理器完成电流和转速的PI调节。双闭环系统基本上实现了在电流受限制下
的快速起动,利用了饱和非线性方法,达到了“准时间最优控制”。可逆调速系统采用电枢反
接线路进行切换,电机由正反两组晶闸管供电的逻辑无环流控制,以确保主回路没有环流产
生[5]。张力调节部分采用数字量控制,由PC机完成。

数据采集是系统的基础。对于张力控制而言需要将各点的张力信号及时准确地采集到控
制计算机中,而收卷电机转速、电枢电流等作为辅助变量也有必要实时采集。从现场传感器
输出的模拟值,经PCI数据采集板卡AD通道就可以变化成数字量传输到计算机中。
由MCL-T1型张力传感器输出的0—5V信号经过科日新KPCI—811板卡12位ADC转换为0—4095的数字量,存放在板卡的寄存器中。组态王下设置的I/O变量通过PCI总线读取数据,将其进行标度变换,还原为物理量,就可以与用户输入的设定值比较运算。
例如在组态王数据词典里建立“张力测量值”I/O变量,板卡将传感器的输出转换为12位数字量,通过该变量就可以将数字量取出并得到对应的物理量,其基本属性为:
变量名:张力测量值变量类型:I/O实型
最小值:0最大值:20(对应物理量的最大值)
最小原始值:0最大原始值:4095(对应板卡数字量)
连接设备:KPCI811寄存器:AD0
数据类型:USHORT采集频率:300ms
读写属性:只读

ActiveX技术是Microsoft对OLE技术的更新和发展,它通常以动态链接库的形式存在,
其设计思想是将一个程序嵌入到另一个程序中。ActiveX的优势在于它的动态可交互性,用
户可以在使用过程中,通过改变它的属性和参数,在应用程序中实现自己的特殊要求[5]。
利用VB将简单自适应控制算法打包成ActiveX控件,将测量值、设定值和控制输出量
留做控件的接口,在组态王下,通过设置I/O变量,与控件接口变量一一对应连接,就可以
将板卡转换得到的现场信号送入控制算法控件,算法运算得到的控制量,经过板卡也可以送
到现场执行机构。
组态王I/O变量输出的控制量可根据执行机构的情况,设为电压或电流形式。811板卡有2路模拟量输出通道,本系统选择0—10V的电压输出,与全数字直流调速装置的电流内
环组成张力闭环控制系统,对直流收卷电机进行转速控制,从而保持系统恒张力运行。
现场信号、组态王与控制算法之间的连接关系如图3所示。
图3、现场信号、组态王与控制算法之间的连接关系

整个监控界面如图4所示,,利用其丰富的图形库和灵活的
动画功能,创建了逼真的动态画面来实时显示现场的控制过程。系统的各参数不仅可以直观
显示,还能够做实时和历史记录,并根据需要将其打印成报表;完善的报警管理可以及时提
示报警事件,并记录报警信息,以备故障诊断时查询。
图4电线加塑恒张力监控系统组态界面
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在北方工业大学研制的“电线生产线自动化控制系统实验平台”上多次实验后,这种基于工控组态软件和ActiveX控件形式的控制系统,从传感器经过KPCI-811板卡完成A/D采样的时间<2μs(%),D/A输出的建立时间<10μs(%)。简单自适应控制进行张力控制后,,相对误差小于2%,很好的满足了生产的基本要求。