引言
大部分使用拉絲機(jī)的國內(nèi)金屬加工企業(yè)來說，對變頻調(diào)速器并不陌生，這是因?yàn)樽冾l調(diào)速器很早之前就有在拉絲機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用，但大多配置的都是國外品牌的變頻器，原因是國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)的研發(fā)與市場推廣起步較晚，在一段時(shí)間內(nèi)落后于國外變頻器產(chǎn)品，無論從軟件控制算法的先進(jìn)性，還是從硬件平臺的穩(wěn)定性上來講，都有一定的差距。
國產(chǎn)變頻行業(yè)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，技術(shù)與市場推廣都得到了長足的進(jìn)步，所研制開發(fā)的產(chǎn)品也能夠勝任絕大部分工業(yè)現(xiàn)場的需要。針對拉絲機(jī)械的應(yīng)用特點(diǎn)，深圳市英威騰電氣有限公司自主開發(fā)研制的
INVT系列變頻器，集矢量控制技術(shù)（VC、SVC）、轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、V/F控制技術(shù)于一體，同時(shí)，設(shè)計(jì)了便于收線使用的同步控制功能和張力控制功能，真正全面解決了拉絲機(jī)的控制需要，從而打破進(jìn)口品牌一統(tǒng)天下的局面。
拉絲機(jī)工藝簡介
拉絲機(jī)，又名牽伸機(jī)。從產(chǎn)品終端來說，拉絲機(jī)可以分為大拉機(jī)、中拉機(jī)、小拉機(jī)、微拉機(jī)；從拉絲機(jī)內(nèi)部控制方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)來說，又可以分為水箱式、滑輪式、直進(jìn)式等主要的幾種。對于不同要求，不同精度規(guī)則的產(chǎn)品，不同的金屬物料，可選擇不同規(guī)格的拉絲機(jī)械。對電線電纜生產(chǎn)企業(yè)，雙變頻控制的細(xì)拉機(jī)應(yīng)用比較廣泛，相對而言，其要求的控制性能也較低，而對大部分鋼絲生產(chǎn)企業(yè)，針對材料特性，其精度要求和拉拔穩(wěn)定度高，因此使用直進(jìn)式拉絲機(jī)較多。盡管拉絲工藝不同，但其工作過程基本相同（如下圖）：
● 放線： 金屬絲的放線，對于整個(gè)拉絲機(jī)環(huán)節(jié)來說，其控制沒有過高的精度要求，大部分拉絲機(jī)械，放線的操作是通過變頻器驅(qū)動放線架實(shí)現(xiàn)的，但也有部分雙變頻控制的拉絲機(jī)械，甚至直接通過拉絲環(huán)節(jié)的絲線張力牽伸送進(jìn)拉絲機(jī)，實(shí)現(xiàn)自由放線；
● 拉絲： 拉絲環(huán)節(jié)是拉絲機(jī)最為重要的工作環(huán)節(jié)。不同金屬物料，不同的絲質(zhì)品種和要求，拉絲環(huán)節(jié)有很大的不同，文章的后面將詳細(xì)說明水箱式拉絲機(jī)與直進(jìn)式拉絲機(jī)具體操作過程；
● 收線： 收線環(huán)節(jié)的工作速度決定了整個(gè)拉絲機(jī)械的生產(chǎn)效率，也是整個(gè)系統(tǒng)最難控制的部分。在收線部分，常用的控制技術(shù)有同步控制與張力控制實(shí)現(xiàn)金屬制品的收卷；
下面，將以雙變頻控制水箱式拉絲機(jī)與多變頻同步控制直進(jìn)式拉絲機(jī)為例，介紹我公司產(chǎn)品在拉絲機(jī)行業(yè)的應(yīng)用。
1、江蘇某拉絲機(jī)廠細(xì)拉機(jī)雙變頻控制
1.1 系統(tǒng)主要參數(shù)
1.2 細(xì)拉機(jī)雙變頻控制原理
系統(tǒng)為塔輪式水箱拉絲機(jī)。塔輪式水箱拉絲機(jī)，通過塔輪的速比，逐步拉伸金屬絲，并允許金屬絲在塔輪內(nèi)打滑，因此，加工的金屬絲必須韌性較好。此種拉絲機(jī)加工銅絲的場合應(yīng)用較多。主機(jī)采用CHE100開環(huán)矢量變頻器（CHE100-004G/5R5P-4），收卷采用CHF100高性能V/F控制變頻器（CHF100-1R5G-4）。兩臺電機(jī)用同一個(gè)運(yùn)行信號K1，并在收卷的運(yùn)行信號上并聯(lián)一個(gè)開關(guān)量信號K2。因?yàn)橹鳈C(jī)的減速時(shí)間較長（30s），收卷減速時(shí)間很短（0.1s），保證在有停機(jī)命令時(shí)，收卷變頻器還可正常運(yùn)行。其并聯(lián)的運(yùn)行信號K2由主機(jī)的集電極輸出Y控制一個(gè)
中間繼電器給定。電氣原理圖如圖2所示：
1.3 速度同步控制
主控操作開關(guān)K1控制主機(jī)啟停。牽引拉伸級
變頻器控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行線速度，控制面板上的電位器發(fā)出主機(jī)拉絲速度信號，此模擬電壓信號（0~10V）通過AI1口輸入拉絲機(jī)主變頻器，作為其頻率給定，決定伸線機(jī)總車速。同時(shí)，拉絲主變頻器的運(yùn)行頻率，通過模擬量（AO）輸出到收卷變頻器（AI2），作為收卷變頻器線速度同步給定。注意，對于收卷變頻器所對應(yīng)的運(yùn)行頻率應(yīng)該等于收卷輪徑最大時(shí)的運(yùn)行頻率。卷曲級變頻器輸出頻率跟隨拉絲級變頻器運(yùn)行頻率變化，考慮到設(shè)備機(jī)械特性、一定的速度要求,主機(jī)加減速時(shí)間設(shè)定為30s，收卷變頻器加減速時(shí)間設(shè)定為0.1s。
在拉絲機(jī)出線端與收線端之間安裝有張力擺桿，用來檢測輸出金屬絲的張力，作為拉絲收線張力信號反饋輸入收卷變頻器，收卷變頻器將此反饋量通過內(nèi)部PID運(yùn)算和各種補(bǔ)償后，與收卷的當(dāng)前同步速度（模擬量AI2輸入）進(jìn)行疊加，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從而控制收卷電機(jī)轉(zhuǎn)速相對拉絲機(jī)出絲線速度達(dá)到同步，同時(shí)，也使線材張力保持了恒定。
1.4 變頻器主要功能參數(shù)設(shè)置
1.4.1 主機(jī)變頻器（CHE100-004G/5R5P-4）
P0.01：1 端子指令通道；
P0.03：1 AI1給定；
P0.08：30 加速時(shí)間；
P0.09：30 減速時(shí)間；
P6.00：1 正轉(zhuǎn)運(yùn)行中；
P6.01：3 故障輸出；
1.4.2 收卷級變頻器（CHF100-1R5G-4）
P0.03：1 外部端子運(yùn)行
P0.07：0.1加速時(shí)間
P0.08：0.1減速時(shí)間
P3.01：6 PID控制
P3.02：1 AI2設(shè)定
P3.04：2 A+B
P5.17：43 AI2上限對應(yīng)設(shè)定
P9.01：50 PID給定值
P9.03：1 PID為反特性
P9.04：10 比例增益
P9.05：1.0積分時(shí)間
其他詳情參見《CHE系列矢量變頻器說明書》、《CHF
通用變頻器說明書》。
2、杭州某拉絲機(jī)廠直進(jìn)式拉絲機(jī)變頻控制
2.1直進(jìn)式拉絲機(jī)簡要說明
在金屬制品生產(chǎn)及加工中，直進(jìn)式拉絲機(jī)是最常用的一種制造設(shè)備，在以前通常都采用電動機(jī)組及力矩電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，但其控制的靈活性、自動化程度及能耗上，傳統(tǒng)的控制方式越來越不適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展。隨著控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)的大量推廣，變頻控制開始在直進(jìn)式拉絲機(jī)中大量使用，系統(tǒng)并可借助PLC來實(shí)現(xiàn)拉絲速度、品種設(shè)定、過程閉環(huán)控制、定長控制等功能。
直進(jìn)式拉絲機(jī)，是由多臺拉伸電機(jī)同時(shí)對金屬絲進(jìn)行拉伸，作業(yè)的效率很高。由于不銹鋼金屬絲特性比較生脆，且不允許鋼絲在模道內(nèi)打滑，因此容易在拉伸的過程中拉斷，故嚴(yán)格要求金屬絲在各級模道中線速度同步，這樣，對各級電機(jī)的同步控制性能、速度穩(wěn)態(tài)精度以及電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)的快慢都有較高的要求。
2.2 控制系統(tǒng)的描述
杭州某拉絲機(jī)廠，為專業(yè)的直進(jìn)式拉絲機(jī)生產(chǎn)廠家。簡易電氣控制示意圖如下，本系統(tǒng)共使用五臺CHV100-015G-4高性能矢量變頻器實(shí)現(xiàn)拉伸部分的傳動控制，一臺CHV100-7R5G-4高性能變頻器配備張力控制卡進(jìn)行收卷控制。每個(gè)模道前面都裝有擺臂，采用
位置傳感器可以檢測出擺臂的位置，用于檢測金屬絲的張力，該信號（0~10V）作為PID的反饋。6臺電機(jī)都采用變頻異步電機(jī)，同時(shí)帶有機(jī)械制動裝置。拉絲機(jī)系統(tǒng)的邏輯控制較為復(fù)雜，因工藝不同也有所區(qū)別，各級聯(lián)動，由PLC控制。同步方面的控制則由變頻器內(nèi)部控制，其工作原理是：根據(jù)操作工在面板設(shè)定決定作業(yè)的速度，該速度的模擬信號進(jìn)入PLC，PLC考慮加減速度的時(shí)間之后按照一定的斜率輸出該模擬信號。這樣做的目的主要是滿足點(diǎn)動、穿絲等一些作業(yè)的需要。PLC輸出的模擬電壓信號同時(shí)接到所有變頻器的AI2輸入端，作為頻率的主給定信號。各擺臂位置傳感器的信號接入到對應(yīng)的模道變頻器作為PID控制的反饋信號。根據(jù)擺臂在中間的位置，設(shè)定一個(gè)PID的給定值。這個(gè)系統(tǒng)是非常典型的帶前饋的PID控制系統(tǒng)，一級連一級，PID作為微調(diào)量與主給定作為疊加。
本拉絲系統(tǒng)的穩(wěn)定狀況在很大程度上取決于PID作用速度、變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速精度、輸出轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度等，為了提高電機(jī)運(yùn)行速度的穩(wěn)態(tài)精度，在很多情況下也采用有PG矢量控制技術(shù)（英威騰的CHV100系列變頻器的有PG矢量控制的穩(wěn)態(tài)精度可達(dá)1/1000）來調(diào)節(jié)拉伸電機(jī)的速度，因此對其參數(shù)的設(shè)定必須考慮周全，在低速、中速、高速，以及加速和減速速等情況都需要加以考慮。
另外，收卷部分，是由CHV100加張力控制專用模塊來實(shí)現(xiàn)的。收卷線速度是由最后一級（第五級）模道控制變頻器提供，作為卷徑計(jì)算的線速度信號。系統(tǒng)的張力可通過電位器設(shè)定，收卷級變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制，需要在收卷電動機(jī)的軸上安裝編碼器，編碼器接入CHV100內(nèi)置的PG卡，作為電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集輸入。
其控制原理如下：
通過收卷的當(dāng)前線速度（模擬量AI2輸入），計(jì)算出當(dāng)前收卷的卷曲直徑。
計(jì)算方程式如下：D =（i×N×V）/(π×f)
其中 i 機(jī)械傳動比 N電機(jī)極對數(shù) V 線速度 f 當(dāng)前匹配頻率
由設(shè)定的張力和卷筒的卷徑（由線速度卷徑計(jì)算模塊獲得）計(jì)算出變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩。
計(jì)算方程式為：T =（F×D）/（2×i）
其中：T 變頻器輸出轉(zhuǎn)矩 F張力設(shè)定
D 轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)徑 i機(jī)械傳動比
從而控制電機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，達(dá)到線材上張力F的恒定。
CHV100張力控制專用模塊中，增加了轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償，可以很好地解決張力控制系統(tǒng)在加、減速的過程中，因克服系統(tǒng)慣量而出現(xiàn)的張力不穩(wěn)定的現(xiàn)象。
整個(gè)拉絲系統(tǒng)開動時(shí)，六臺變頻器同時(shí)起動，逐漸調(diào)節(jié)線速度給定，使系統(tǒng)加速，最終達(dá)到要求的生產(chǎn)線速度。
2．3變頻器主要參數(shù)的設(shè)置
2．3．1拉絲變頻器
P0.01 1：端子指令通道
P0.03 6：PID控制設(shè)定
P0.04 0：模擬量AI2設(shè)定
P0.06 2：A+B
P9.00 0：鍵盤給定
P9.02 0：模擬通道AI1反饋
P0.03 依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定
P0.04 依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定
P0.05 依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定
P0.06 依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定
采樣周期T（P0.07）、PID控制偏差極限（P0.08）、PID輸出緩沖時(shí)間（P0.08）均依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。
2．3．2收卷變頻器
P0.00 1：有PG矢量控制
P0.01 1：端子指令通道
P1.08 1：自由停車
P3.10 PG參數(shù)（編碼器線數(shù)，以實(shí)際情況為依準(zhǔn)）
P5.02 1：S1端子功能選擇：正轉(zhuǎn)運(yùn)行
PF.00 1：無張力反饋轉(zhuǎn)矩控制
PF.01 0：收卷模式
PF.04 最大張力設(shè)置（以實(shí)際情況為依準(zhǔn)）
PF.05 1：模擬量AI1作為張力設(shè)定
PF.11 機(jī)械傳動比（以實(shí)際情況為依準(zhǔn)）
PF.12 最大卷曲直徑
PF.14 卷軸直徑
PF.18 0：線速度法計(jì)算卷徑
PF.22 最大線速度（以實(shí)際情況為依準(zhǔn)）
PF.23 2：模擬量AI2作為線速度設(shè)定源
PF.33 系統(tǒng)慣量補(bǔ)償系數(shù)（以實(shí)際情況為依準(zhǔn)）
其他詳細(xì)情況請參閱《CHV矢量變頻器說明書》及《CHV張力控制功能說明書》。
總結(jié)
在拉絲機(jī)的控制上，英威騰變頻器構(gòu)成的電氣控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、邏輯清晰，成本與原來相比還有較大的降低，而且，在拉絲工藝，節(jié)能上來講，都是非常優(yōu)良的方案。實(shí)踐證明，上述兩種控制方案，分別控制水箱式拉絲機(jī)與直進(jìn)式拉絲機(jī)上，在同步和恒張力收線控制上完全能夠滿足工藝要求。
參考文獻(xiàn)
《CHV系列矢量變頻器說明書》
《CHE系列矢量變頻器說明書》
《CHF
通用變頻器說明書》
《CHV矢量變頻器選配件（卡）使用說明書》
