恒张力控制系统在双变频拉丝机收卷上的改造.doc

恒张力控制系统在双变频拉丝机收卷上的改造
The transformation of constant tension control system on the dual- frequency wire drawing machine winding
深圳市四方电气技术有限公司 姜赞
摘要：随着线缆行业工艺要求和人力成本的不断提高，拉丝机系统对变频收卷的要求也越来越高，原来需要人工辅助启动、加速超调过大、不能紧急不断线停机的变频器控制收卷系统方案已经越来越不能满足现代工艺要求，本文介绍了一种采用深圳市四方电气技术有限公司的V360高性能矢量变频器和拉丝机扩展卡结合的收卷控制方案。该方案在华东地区双变频细拉机的成功改造应用，极大提高了现场工人的劳动效率，减少了拉丝机工作过程中的断线率，提高了产品质量。
关键字：变频器；水箱式拉丝机；张力控制
Key Words: Inverter; Wet wire drawing machine; Tension control
引言
电线电缆行业在国内是仅次于汽车行业的第二大行业，其产品也在多个行业中得到使用。拉丝机是金属线材生产的重要设备，主要功能是将各种线材拉成所需各种规格的细丝。从工作形式和机械结构上分为直进式、活套式、水箱式（也称双变频拉丝机）等。对于不同精度不同规格的产品，不同的金属种类，可选择不同规格的拉丝机械。对于铜铝基材的电线电缆生产企业，双变频控制的细拉机应用比较广泛，而对于大部分钢丝生产企业，针对钢材特性，使用直进式拉丝机较多。
改造客户为华东地区某制造拉丝机设备和同时生产线材线缆的厂家。在优化机械结构基础上，对电气控制方案进行改造优化，通过现场实践，能很好的验证该方案与原方案的性能优势对比。
一、 双变频拉丝机工艺介绍
水箱式双变频拉丝机系统通常有放线、拉丝、收卷等三部分组成。如图示1

图1 双变频器拉丝机工作原理图
放线: 拉丝机线材的放线过程，对于整个拉丝机环节来说，其控制没有过高精度要求，双变频控制的拉丝机械，利用拉丝环节的丝线张力通圆盘拉伸，也就是通过张力放线架自动放线。
拉丝:不同金属物料，不同的产品精度和要求，拉丝环节有很大的不同，拉丝部分由一台主电机控制（称为主机），金属线材通过内部塔轮的导引，经过各级模具而逐步拉伸，以达到所要求规格的线材。同时在拉丝时，开启冷却液对模具冷却。
收卷：收卷为双变频拉丝机最为关键的环节，对拉丝机的性能起决定性的影响，也是考验拉丝机电气系统性能的重要依据。收卷由一收卷电机（从机）带动收卷盘进行收卷，线材由拉丝部分出来经过张力摆杆，张力摆杆的作用是反馈当前的张力信号给从机，从机根据反馈信号的偏差调节输出频率，以此来保证在收卷过程中恒定的张力。
二、 现场工艺及改造方案介绍
1、现场工艺要求:
系统为19模具，进线1.5mm，出线0.15mm的水箱式拉丝机。其有如下要求：
① 启动加速平稳。要求0.15mm的铁线材在收卷启动、加速、减速等过程中平稳不断线；
② 稳定运行速度为900m/Min.（变频器空盘运行频率为42HZ，满盘为21HZ）；
③ 运行过程中，摆杆摆幅小，稳定运行。（卷径变化引起频率变化率为1HZ以内）；
④ 具备紧急停机功能（整个系统在2S之内能够停下来，并且保持不断线）；
⑤ 具备自动检测断线功能。（不需要借助外部信号，能根据摆杆的位置自动检测断线功能）。
2、改造方案概述
原来系统方案：主拉和收卷使用的是拉丝机专用变频器，
改造采用方案：主拉：V360系列变频器 收卷：V360系列+拉丝机专用卡
3、改造方案特点：
该方案基于全新的矢量控制平台，内置闭环矢量、开环矢量、V/F、力矩控制四类核心控制算法，通过配合结合拉丝机现场工艺，采用智能控制算法的拉丝机扩展卡，能达到180%的启动力矩，加减速摆杆超调小于10%以及稳态波动小于5%的的收卷性能要求。
系统方案有如下特点：
1) 灵活的搭配方式，方便安装、更换和版本升级；
2) 自带智能CPU控制系统，使控制更精确、快速；
3) 具有多种补偿功能，保证系统平滑加减速和运行稳定；
4) 针对拉丝机收卷现场，卷径计算采用特殊计算和补偿方法，快速跟随当前实际卷径，可以减少PID调整量，最大限度实现摆杆稳定；
5) 提供多个空卷设定并选取灵活简便，当前卷径可自动或手动清除，停电或者掉电时自动记忆；
6) 两组PID连续切换，能同时空盘与满盘平滑启动要求；
7) 提供多种系统线速度给定和卷径计算方式，并可简便灵活设定；
8) 标准配置的键盘即可实现参数的拷贝功能，免除重复繁琐的功能设定。
三、 系统调试和说明
1、 系统接线图：
双变频拉丝机控制系统常用接线图如下图2：

图2 系统接线示意图
1、主拉和收卷的启动信号并联，同时启动；
2、主拉的点动信号为主拉穿线时使用；
3、收卷的主信号给定通过AI2给定，AI2信号源为主拉的AO1(运行频率)；摆杆反馈由AI1给定；
4、断线检测由收卷检测，检测后发给主拉紧急停机信号。

2、系统控制原理图
双变频拉丝机驱动方案系统控制工作原理图如图3所示：

主拉逆变单元
主拉整流单元
M
3~
主拉电机

主拉驱动电路单元

收卷逆变单元
收卷整流单元
电网

M
3~
收卷电机

收卷驱动电路单元

输出频率设定
模拟量给定
主拉
转速控制及电流控制
主拉
运算单元

收卷频率输出

摆杆机构
摆杆位置信号处理及反馈

摆杆位置PID运算单元
摆杆
位置设定

收卷
转速控制及电流控制
收卷
运算单元
输出频率设定

图3系统原理框图
系统以主拉电机作为主动力，主拉电机的变频频率通常通过模拟量信号（或者通讯等方式）给定。收卷作为跟随系统，进行张力控制，收卷系统的频率信号分为两部分，第一部分由主拉给定的频率信号和当前计算的卷径来确定，第二部分由摆杆反馈做PID调整得到，两部分的频率叠加，从而确保整个系统收卷部分的张力恒定以及整个系统的稳定性
3、调试参数：
收卷系统主要设置参数如下：
功能代码
功能名称
推荐设定值
FC.0.20
最大卷径
200（实际满盘卷径）
FC.0.22
空盘卷径1
100（实际空盘卷径）
FC.0.24
初始卷径
160（介于满盘和空盘之间）
FC.0.39
过渡中心平衡位置
37.0
FD.0.00
比例增益1
0.1~1.0
FD.0.01
积分时间1
20.0~150.0S
FD.0.03
比例增益2
0.1~1.0
FD.0.04
积分增益2
20.0~150.0S
4、调试总结
在调试过程中通常问题解决办法
（1）收卷反应的速度：
① 通过主拉设置一个启动频率（3HZ）,可以满足在满盘启动时，低频力矩不够导致的延时现象；② 调整拉丝机卡的初始卷径，初始卷径越小，反应越快；③ 可以设置拉丝机卡上的平衡过渡位置，加大平衡位置过渡，可以加快反应速度；④ 可以适当加大PID的比例P 。
（2）运行过程中的平稳度：
基本上与2个参数相关：第一个是PID的P和I；减小P，增大I能改善平稳度；第二个是过渡位置的平稳度，减小过渡位置（建议不要超过20%），能够改善平稳度。
四、 改造前后对比
对比内容
原来系统方案
改造后方案
备注
启动方式
需要手扶摆杆慢慢启动，否则直接断线。
高速直接平稳启动，不需要任何外围辅助
改造后，系统能快速启动进行稳定工作。
启动时间
主机20S以上加速，并且需要手动辅助平稳后，才能继续加速
主机10s加速，收卷平稳跟随，加速过程中摆杆超调小于10%
运行平稳度
稳态波动频率范围1HZ，波动率为5%
稳态波动频率范围1HZ，
波动率为5%
紧急停机功能
借助外围的电磁制动器进行抱闸
采用变频器内置直流制动功能，能够很好实现不断线停机功能
省去一个电磁制动器的成本
断线检测功能
通过检测开关进行判断
通过检测摆杆位置判断
检测开关需要复位

结论
改造后，在降低系统成本的前提下，系统响应速度加快，工人的劳动量降低，工作效率得到了明显提高，高稳定的运行状态减少了断线率，提高了产品质量。实践证明，本文介绍的改造方案是一种高稳定、性能可靠的、能满足现代要求的拉丝机收卷驱动方案。

参考文献：
1. JB/T 7910-1999 国家机械行业拉丝机标准
2.《金属制品》中钢集团郑州金属制品研究院
3.《V360系列高性能矢量变频器说明书》 深圳市四方电气技术有限公司
4.《双变频拉丝机扩展卡说明书》 深圳市四方电气技术有限公司